Proppant-beweging in Frac-behuizing is vastgespijkerd, maar hoe belangrijk is het echt voor schaliebronnen?

Proppant bestaat uit deeltjes ter grootte van zand die tijdens een frackoperatie met frac-vloeistof worden geïnjecteerd. In schalieolie- en gasbronnen is de frac-vloeistof meestal water waaraan wat wrijvingsverminderaar (zoals zeep) is toegevoegd om de frac-pompdruk te verlagen. Het doel van proppant is om te voorkomen dat de geïnduceerde breuken in het reservoir zich sluiten nadat het fracken is gestopt en de verhoogde druk is verdwenen.

In schalieolie- en schaliegasbronnen is het gebruikte steunmiddel een mengsel van zand van 100 mesh en zand van 40-70 mesh, en deze korrels zijn beide kleiner dan een millimeter in doorsnede. Dergelijke kleine zanddeeltjesgroottes zijn nodig om zand door nauwe breuken in een door de frackoperatie gecreëerd breuknetwerk te laten transporteren. Groter zand zou het netwerk verstoppen en niet injecteerbaar zijn – dat werd ontdekt in de begindagen van de schalierevolutie.

Typisch zijn horizontale putten in schalie twee mijl lang en worden ze opgepompt met 40 afzonderlijke frackoperaties of -fasen. Elke fase is ongeveer 250 meter lang en de metalen behuizing bevat 10 tot 20 clusters van perforaties, met verschillende perforaties in elke cluster. Idealiter wordt de horizontale put grondig geperforeerd met deze gaten.

Het stroompad van een steunmiddelkorrel is ongrijpbaar. Eerst moet het graan een haakse bocht maken om via de omhulling in een perforatie te komen. Dan wordt het geconfronteerd met een complexe breukgeometrie - misschien een hoofdbreuk die zich vertakt in secundaire breuken, zoals een boomstam zich uitbreidt in takken en vervolgens in twijgen.

Zal de steunkorrel al deze breuken kunnen binnendringen of zijn sommige ervan te smal? Een zandkorrel van 100 mesh kan zich mogelijk in een smallere breuk wurmen, terwijl een zandkorrel van 40-70 dat niet kan.

Een verbetering van de olie- en gasproductie door het gebruik van steunmiddelen met een korrelgrootte kleiner dan 100 mesh is gedocumenteerd, en suggereert dat het de moeite waard is om zelfs kleine steunkorrels in kleinere breuken te krijgen om ze open te houden voor de stroom van olie- of gasmoleculen. Eén zo'n steunmiddel heet DEEPROP.

Nieuwe tests van steunmiddelstroom uit de behuizing.

Onlangs wat nieuwe tests zijn gedaan die onderzoek doen naar de stroom van proppant door de behuizing zelf, dat wil zeggen een korte lengte horizontale behuizing die is geperforeerd om de frac-vloeistof naar buiten te laten. Het is geen ondergrondse test: de leidingen liggen op een kuip aan de oppervlakte en de kuip verzamelt steunmiddel en vloeistof die uit de perforaties komt.

Een groot aantal operators heeft dit project ondersteund, waarbij een verscheidenheid aan perf-clusters met verschillende perforatieladingen, ontwerpen en oriëntaties is gebruikt. Verschillende pompsnelheden, steunmiddelgroottes en zandkwaliteit zijn onderzocht.

De testhardware was zo realistisch mogelijk. De behuizing was standaard 5.5 inch, evenals de perforatiediameters. De pompsnelheden waren maar liefst 90 bpm (vaten per minuut), wat nog nooit eerder was gebruikt bij het testen van de bewegingen van het steunmiddel.

Er werd een enkele breukfase getest, door verschillende clusters te perforeren langs een pijp van ongeveer 200 meter lang. Elke perf-cluster had zijn eigen mantel die de opgevangen vloeistof en het steunmiddel naar zijn eigen tank leidde, zodat ze konden worden gemeten.

Er werden resultaten gepresenteerd voor twee verschillende sets clusters: 8 clusters in een fase met 6 perfs in elke cluster, of 13 clusters in een fase met 3 perfs in elke cluster. De testers gebruikten zand van 40-70 mesh of zand van 100 mesh, gedragen door gladde watervloeistof die met een snelheid van 90 bpm werd gepompt.

Deze SPE-papieren melden dat de ontsnapping van het steunmiddel door de perf-clusters en in de kuipen ongelijkmatig is:

· Sommige steunartikelen, vooral de grotere maaswijdten zoals 40-70 mesh, varen voorbij de eerste clusterperforaties en komen pas verderop in de formatie de formatie binnen. Deze grotere deeltjes hebben meer momentum.

· Kleinere stutmiddeldeeltjes, zoals 100-mesh, komen gelijkmatiger in de clusterperforaties.

· Er zijn beperkte toegangsontwerpen ontwikkeld met slechts één perforatie per cluster aan de bovenkant van de behuizing.

· Met name bij grotere steunmiddelen trekken de perforaties aan de onderkant van de verbuizing te veel steunmiddel aan (zwaartekrachteffect) en kunnen deze worden vergroot door erosie, zodat minder steunmiddel de perforaties verderop in het breukvlak kan clusteren.

De uitgang van het steunmiddel uit de behuizing is ongelijkmatig.

Uit alle tests bleek dat de verdeling van de steunmiddelen ongelijkmatig was. De tabel toont de verhouding van het grootste steunmiddel dat een cluster verlaat: het kleinste steunmiddel dat een cluster verlaat (dat wil zeggen maximale steunmiddel: minimum steunmiddel), evenals het op een na grootste steunmiddel: het op een na laagste steunmiddel. Deze verhoudingen zijn een maatstaf voor ongelijkheid; een grotere verhouding betekent een ongelijkere verdeling, en omgekeerd.

De resultaten laten zien dat steunmiddel van 40-70 mesh (grotere verhoudingen) minder gelijkmatig verdeeld is dan steunmiddel van 100 mesh (lagere verhoudingen) – in beide clusterscenario's.

De interpretatie die door de rapporten wordt gegeven, is dat meer van de 40-70 steunmiddelen, die grotere en zwaardere zandkorrels zijn, de neiging hebben om door hun momentum langs de eerdere perf-clusters te worden gedragen voordat ze in de latere perf-clusters naar buiten komen, vergeleken met de 100-mesh steunstof. .

Dit is niet zo ideaal omdat het de bedoeling is om het steunmiddel in één fase van het fracken gelijkmatig over alle perforatieclusters te verdelen. Maar nu de grote vraag hoeveel verschil dit maakt?

De uitdaging is om de procedures te optimaliseren, zodat de uitgangsverdelingen van het propmiddel uniformer zijn. Uit de rapporten zijn testresultaten verwerkt in een computationeel vloeistofdynamicamodel (SP 209178). Deze aanpak is ingebouwd in een breekadviesprogramma, genaamd StageCoach.

Ondertussen stellen de rapporten dat “een niet-uniforme stroming van het steunmiddel in de behuizing net zo belangrijk kan zijn als de variabiliteit van de formatie en de schaduwvorming door spanningen.” Laten we hier dieper op ingaan.

Andere bronnen van de variabiliteit van de schalieproductie.

De echte vraag is: hoe belangrijk is een ongelijke verdeling van steunstoffen voor de productie van schalieolie en -gas?

De grote variabiliteit van schalieolie- en gasbronnen is gedocumenteerd. Horizontale putten in de Barnett-schalie met een typische lengte van 4000-5000 voet laten bijvoorbeeld zien dat de onderste 10% van de putten minder dan 600 Mcfd verdient, terwijl de bovenste 10% van de putten meer dan 3,900 Mcfd oplevert.

Het is bekend dat verschillende andere factoren bijdragen aan de grote variabiliteit van schalieolie- of gasstroomsnelheden.

Als de horizontale putlengte en putoriëntatie worden genormaliseerd om hun variabiliteit weg te nemen, kunnen frac-stadia, steunmiddelgrootte en steunmiddelhoeveelheden als eerste-orde-effecten worden beschouwd. Deze eerste-orde-effecten zijn geprioriteerd en geoptimaliseerd in meer volwassen schaliespelen.

Dan zijn er geologische eigenschappen zoals natuurlijke breuken in de schalie, in-situ spanning en breekbaarheid van het schaliegesteente. Deze worden als tweede-orde-effecten beschouwd omdat ze veel moeilijker te kwantificeren zijn. Pogingen om deze bronnen van variabiliteit te minimaliseren omvatten het loggen van de horizontale put, het installeren van optische kabels of sonische instrumenten of microseismische geofoons om de breukspreiding te meten en de interactie met de lokale geologie langs een horizontale put.

Tegenover deze bronnen van variabiliteit lijken de uitgangsverdeling van de boorbuis en de uniformiteit van het steunmiddel van vergelijkbaar belang te zijn als andere tweede-orde-effecten, zoals geologie en spanningsveranderingen langs een horizontale put. Het is onmogelijk dat uniformiteit bij het verlaten van de behuizing de productievariabiliteit tussen 600 Mcfd en 3,900 Mcfd kan verklaren, zoals waargenomen in de Barnett Shale.

Om dit op een andere manier te zeggen: het belangrijkste is dat er steunmiddel uit de meeste perf-clusters komt en in de gecreëerde breuken terechtkomt. Dit is bereikt door zeer klein steunmiddel, 100 mesh of 40-70 mesh (en vaak beide) te pompen en de concentratie en hoeveelheden van het steunmiddel te optimaliseren voor een bepaald schaliespel.

Dit is 90% van het doel dat met opmerkelijk succes is bereikt tijdens de schalierevolutie van de afgelopen twintig jaar. Het is dus moeilijk te zien uit de nieuwe oppervlaktetests dat een kleine variatie in de uitstroom van steunmiddel van het ene naar het andere perforatiecluster een eerste orde effect zou kunnen hebben op de olie- of gasproductie.

Maar misschien zullen de resultaten van andere tests, verschillende tests, in dit project significantere effecten op de schalieproductie aan het licht brengen.