型破りな挑戦: 水圧破砕中のケーシングの破損を阻止できるか?

世界中のシェール生産者は近年、坑井の健全性を当然のこととは考えてはいけないことを学びました。

圧力ポンプ処理中、水圧破砕と地層地盤力学の相互作用により、鋼製ケーシングが変形し、さらにはせん断が発生します。最悪の場合、これは一部のオペレーターが石油を 1 バレル生産する前に坑井の長いセクションにアクセスできなくなることを意味します。

これは、frac ヒットのようなウェル間の課題とはほとんど見なされません。むしろ、それはウェル内現象であると考えられます。この問題にはいくつかの形式があり、ユニバーサルドライバーはありません。

独立コンサルタントであり、水圧破砕に関する技術分野の第一人者であるジョージ・キング氏は、すべての非在来型資産が影響を受けるわけではないと指摘し、地質と岩石組織の理解が重要であることを示唆しています。しかし、彼がクライアントのオペレーターから収集した情報によると、米国の特定のシェール油田およびタイトオイル田では、水平坑井の 20% ～ 30% がある程度の影響を受けています。

「セメントのサポートに問題がある場合もあれば、ケーシング自体に問題がある場合もあります」とキング氏は述べ、問題の一般的な根本原因を 2 つ挙げました。同氏は、ケーシングの変形は「現在、破壊の領域で、そして破壊の期間中に見られる何らかの損傷の産物である」と付け加えた。

一般に報告されている問題のバージョンは、水平坑井の先端部のほんの数段が破損した後に発生します。完成を続けるために別のプラグが坑内に汲み上げられると、目標の 1,000 フィートから 5,000 フィート手前で突然停止します。これはカーブで発生する可能性もあれば、側面の深い部分で発生する可能性もあります。

多くの場合、変形は楕円形であると表現されます。制限によってパイプの元の内径の 10 分の 1 インチをはるかに超えて消費される場合、停止点を超えた刺激されていない段階が従来のプラグアンドパフォーマンス方法では失われる可能性があります。この運命は、スリムプロファイルの穿孔ガンを使用することで回避できる場合もありますが、それでも従来のプラグを置き換えるには他の絶縁技術が必要です。

中国、アルゼンチン、カナダ、米国の従来とは異なる通信事業者はすべてこの問題に直面しています。これに応えて、技術コミュニティは最近、答えを見つけるために業界カンファレンスで協力する取り組みを強化しています。

中国では、この問題は井戸ごとにさらに広範囲に広がっているようです。国内で最も活発な非在来型地域である四川盆地で事業を行っている国営石油会社は、ガス井の40％以上でケーシングの変形や破損が発生していると報告した。米国のオペレータと同様に、中国のオペレータは通常、破砕後のツールの実行中に問題に気づきます。

アルゼンチンのバカ・ムエルタも例外ではない。シェブロンと YPF の研究者が共著した 2015 年の技術論文 (URTeC 178620) では、ケーシングのせん断と制限が一般的であり、「坑井の性能に極めて有害」であると指摘しています。

シェール革命が始まって10年以上が経った今日、なぜこの問題が表面化しているのかを説明する際、専門家らは、最初に水平に掘削され水力で破砕された坑井以来、多くの変化があったことをすぐに指摘する。

ペンシルベニア州立大学の石油工学准教授、アラシュ・ダヒ・タレガニ氏は、「現在、問題は、異例探査の黎明期にオペレーターが行っていたように、破砕が4つか5つしか行われていないことだ」と説明する。「場合によっては、150 ～ 200 個の骨折が密集して発生し、注射率が高くなることがあります。」同氏は、新しいダイバーター技術は坑井付近の圧力を高めることが仕事であるため、役割を果たしている可能性さえあると付け加えた。「以前はそうではなかったのですが、これらすべてがケーシングに過大なストレスを与える可能性があります。」

ダヒ・タレガニ氏は、この問題の米国側と中国側の両方を研究している。同氏は、ケーシングの変形に関する理論はまだ発展途上だが、原因は複数あると断言した。

それらは独立して機能する可能性がありますが、複数の条件が重なって坑井の完全性が損なわれる可能性の方がはるかに高くなります。最も広く認められているトリガーメカニズムは、適切な計画と自然の両方が果たすべき役割を持っていることを反映しています。

それらには次のものが含まれます。

シェール生産者に向けて放送されている警告は、彼らの経済モデルは、ケーシングの破損はリスクが低い結果であるという仮定に基づいて、これらの問題を無視していることが多いということだ。」しかし、パイプの設計、セメント、カップリングをケチろうとすればするほど、この種のことをすればするほど、収益を得る前に井戸が失敗するリスクが高くなります」とキング氏は強調した。「それは正味現在価値の計算を変えることになるでしょう。」

昨年 7 月、デンバーで開催された非在来型資源技術カンファレンス (URTeC) の一室に 200 名を超える業界専門家が集まり、主に業界コンサルタントで構成されたパネルが水圧破砕によって引き起こされる坑井の完全性の問題についての洞察を提供しました。石油エンジニアたちはこの機会を利用して専門家に数十の質問をしました。

いくつかの問い合わせは、ケーシングの漏れを修復する方法を中心にしていました。ライナーパッチを使用するべきですか、それとも樹脂製のスクイーズを使用するべきですか? 破砕中に漏れが検出された場合（予期せぬ圧力低下によって示される）、ポンピングを停止する必要がありますか? それとも、ポンプを使い続けて、砂が穴を埋めることを期待する方が良いでしょうか?

セメントの強度はどれくらいあればよいでしょうか？発泡セメントはせん断力の一部をよりよく吸収するのでしょうか? 貯水池に生息する腐食性細菌がケーシングの崩壊を悪化させている可能性はあるでしょうか? 地盤力学、セメントの品質、ケーシング荷重を考慮した統合モデルを使用することで予測を改善できるでしょうか?

ある人は、おそらく最も重要な質問をしました。「筐体の故障をなくすことは可能ですか?」その答えは「ノー」です。少なくともすべてのシナリオではそうではありません。他の多くの質問に対する答えは「状況による」です。

業界は依然として、対応策を説明するよりも問題を説明する方が簡単な状況にあります。これは、一般に公開されている情報が不足していることが部分的に原因です。そして、誰もが同じ経験を共有しているわけではありません。年間 1 つの井戸で問題が発生している企業もあれば、十数の井戸で問題が発生している企業もあるでしょう。

中国の事例研究を除けば、シェール生産者は近年、このテーマに関する関連論文をほとんど発表していない。ケーシングの楕円化と変形に関するほとんどの情報は、生産と注入による貯留層の圧縮が数十年にわたって知られている問題である海洋分野から得られています。

しかし、異例の分野では知識の共有が欠如しているため、ベストプラクティスに関するコンセンサスや、効果的な緩和戦略を実証する一連の強力な現場事例が存在しません。ただし、さらなる情報はすぐに明らかになるでしょう。

来月テキサス州ウッドランズで開催されるSPE水圧破砕技術カンファレンス（HFTC）では、全オペレータパネルが水圧破砕がさまざまな盆地の坑井の健全性に及ぼす影響に関する事例研究を発表する予定だ。調査結果を発表する予定の石油・ガス会社には、Shell、BP、ConocoPhillips、Encana (まもなく Ovintiv に社名変更予定)、および XTO が含まれます。

Carbo Ceramics のグローバルエンジニアリングアドバイザーであり、完成品担当の SPE テクニカルディレクターである Terry Palisch は、URTeC と今後の HFTC パネルの両方の組織化に貢献しました。同氏にとっての最大の目標は、今こそ情報共有を開始する時期であることを通信事業者に納得させることだった。

同氏は、「私たちは敏感なことは承知している。しかし、これは私たちが解決すべき業界の問題であり、協力してこそ解決できるだろう」と語った。

パリッシュ氏は、フラクショナルヒットの場合と同様、シェールセクターは修復努力が視野に入り始める頃に実りある協力を加速する傾向があると付け加えた。 HFTCのパネルは、この分野がケーシングの故障に関してこの段階に達しているかどうかを明確にするだろう。

現在の刺激戦略とそれが貯留層に及ぼす影響は、誰が見てもシェール層の変形を引き起こす最大の要因である。

現在の完成処方では、8,000 psi ～ 14,000 psi の範囲の高いダウンホール圧力を適用することが求められています。タンク内では、これらの圧力が常に均一にかかるとは限りません。

モデルは長い間、その刺激によりほぼ対称的な、いわゆる双翼骨折が生じることをオペレータに示してきました。しかし、微小地震探査などの診断のおかげで、双翼骨折はまれであることがよく理解されています。特に充填シナリオでは、非対称破壊が標準です。

極端な場合には、中国のいくつかの井戸では、刺激エネルギーの 80% ～ 90% が貯留岩の片面にだけ影響を与えているとダヒ・タレガニ氏は述べた。この問題は、カルガリーで開催された SPE 年次技術会議および展示会 (ATCE) で彼が最近発表した論文の主題でした (SPE 195944)。

「片側に押すと、ある程度のせん断応力が発生します」と彼は説明し、「ケーシングは引張応力や圧縮応力に関しては非常に強いですが、せん断応力に関してはそれほどではありません。」と付け加えました。

せん断現象は、その言葉が示すとおり、必ずしも坑井を切り裂くわけではありませんが、坑井の穴を本質的に閉じるほどパイプを変形させる可能性があります。中国の例では、研究者らは、そのような破損メカニズムが作動すると、その後の段階の破壊がケーシングの変形を悪化させたと結論付けた。

彼らの提案は、新しいワークフローと 3D 地球モデルを使用して、非対称破壊に対して貯留層がどのように反応するかをよりよく理解することでした。さらに、研究では、より適切なモデリングにより「合理的な間隔設計」が可能になり、それをリアルタイムの微小地震監視と組み合わせることで、オペレーターがケーシングの故障を積極的に軽減するのに役立つと主張しています。

極端なレベルまで圧力をかけると、パイプが 100 分の 1 インチ外側に膨らむ可能性もあります。このような拡大は小さいように見えるかもしれませんが、重要です。

「穿孔と破砕を続けると、その圧力が再び戻ってきます。そのため、破砕作業の期間中、圧力を循環させてケーシングを下げることになります。そして、それを行うたびに、パイプを拡張することになります」」とキングは言いました。そして、パイプが繰り返し伸縮すると、疲労の問題への扉が開きます。

次に、温度と鋼製ケーシングに対する温度の影響の問題があります。頁岩井の底孔温度は 200°F を超える場合がありますが、破砕流体は通常、暖かい日には 70 ～ 80°F になる表面温度で汲み上げられます。

エドモントンに本拠を置くエンジニアリング会社 C-FER Technologies の研究員である Cam Matthews 氏は、寒い日の差は 200°F (つまり、注入水 50°F と貯水池温度 250°F) にも達する可能性があると指摘しました。。

「合理的な期間にわたって冷たい流体を高速で注入するたびに、その表面温度が坑井の底まで伝わります」と彼は説明した。「これは、機械的荷重の観点からチューブラーに影響を与えます。特に、他のすべての応力に加えた場合に顕著です。」

また、温度の変化によりパイプに張力がかかり、セメントがなければパイプは 20 ～ 30 フィートも上方に後退することになります。セメントで固められたケーシングがそれほど大きく動くことは考えられませんが、損傷を与える軸方向の力が依然として蓄積する可能性があります。上。キング氏は、これによりケーシングに「前後」の動きが発生し、その時点で「パイプに動的荷重と点荷重がかかる」と説明しました。

四川盆地とバカムエルタ山は地球の半分の距離にありますが、世界最大の 2 つの山脈の影にあるという重要な特徴を共有しています。中国ではヒマラヤ山脈、アルゼンチンではアンデス山脈です。

どちらの山脈も 2 つの頁岩盆地の地質構造をテントのように引き上げ、激しい地殻変動と断層帯を生み出します。これが解明されなければ、数百万ドル規模の坑井に破滅をもたらす可能性があります。

坑井近くの断層が活動してずれると、鋼鉄のケーシングは地球の動きに翻弄されます。この問題は主に中国で報告されています。

ダヒ・タレガニ氏は、長年にわたるトラブルを経て、中国の事業者は現在、危険地帯の検出により多くの時間を費やすことで、断層に関連したせん断を回避していると述べた。彼らの次の行動方針は、断層の両側の 200 ～ 250 フィート以内に破砕クラスターを配置しないことです。ダヒ・タレガニ氏は、地震データとは別に、断層は循環喪失現象と強い相関があるため、掘削中に断層の「指紋を特定」できると述べた。

米国とカナダにおけるより大きな懸念材料は井戸の建設プロセスに集中しており、これはまず井戸の形状が要因であることを意味します。水平坑井のくの字曲線が厳しすぎる場合、またはその後の急激な起伏が多すぎる場合、ケーシングは必ず点荷重または非線形荷重と呼ばれる応力を受けることになります。

簡単に言うと、ドッグレッグが鋭ければ鋭いほど、ケーシングが疲労する可能性が高くなります。この文脈での点荷重を理解するには、ペーパークリップが前後に繰り返し曲げられるとどのように弱くなり、最終的に座屈したり折れたりするかを想像すると役立ちます。

報告されているドッグレッグの重症度は、通常、100 フィートあたり 7° ～ 10° 程度です。ただし、この測定にはパイプのスタンドの始点と終点の間の点のみが含まれるため、欺瞞になる可能性があります。坑井内で継続的に測定を行ったところ、100 フィートあたり 30 度を超えるドッグレッグが記録されました。

パイプ間隔が長い場合、このような鋭角を越えて移動する可能性は低く、短い間隔では可能ですが、パイプがダウンホールに移動するときに点荷重または非線形荷重の影響を受けます。ケーシングに沿った応力点の数を減らすために議論されている推奨事項の 1 つは、より緩やかな軌道を掘削し、起伏部分を滑らかにすることです。

高品質のセメント作業が達成されると、点荷重もあまり問題になりません。しかし、「品質」の定義は、水平坑井セメンティングの開始以来、シェール地帯における議論の対象となってきました。

キング氏は、地域隔離の観点から見ると、ほとんどのセメント関連の仕事はその役割を果たしていると述べた。シェール分野では、ほとんどのセメント事業が貯留層によって課せられる不均一な荷重からパイプを支えているかどうかについてはあまり確信が持てない。

そして、ケーシングの強化は明白な解決策のように思えるかもしれないが、それはこの問題を研究している人々が求めていることではない。壁を厚くしたり、高品質の鋼材を使用したりしても、必ずしもこれらの問題が解決されるわけではなく、経済的な観点からは非現実的な選択肢となることがよくあります。

「ケーシングは坑井の総コストの約 20% ～ 30% を占めます。これは膨大な金額です。予算の問題が常にあるため、事業者は坑井の設計に最低限のコストを支払うことを選択しています」と石油エンジニアのクリスティーンノシ氏は述べています。テキサス A&M 大学の大学院プログラムの一環として、型破りなリソースでケーシングの完全性を研究しました。

現在、ハリバートン社のランドマークソフトウェア部門でインターンをしているノシ氏は、昨年北京で開催された国際石油技術会議 (IPTC 19311) でケーシングの故障予測と予防に関する研究結果を発表しました。彼女の結論の中には、シェール部門にはケーシングの破損予測をスケールアップするために必要な計算ツールが不足しているというものがあります。

「すべてはエンジニアによって入力される必要があります」と彼女は説明しました。「現在、ケーシング文字列を設計するための最も単純なワークフローであっても、プロセスを自動化したり、この文字列に障害が発生するリスクが高いことを通知したり、潜在的な危険について警告を発したりするソフトウェアはありません。」

マシューズ氏はまた、従来の設計手法では、型破りな環境に伴う複雑さの多さに単純に圧倒されてしまうとも主張しています。現在使用されている計算の大部分は、応力に焦点を当てています。

「許容応力を決定し、荷重がどのくらいになるかを把握し、それに安全係数を設定すれば、生活はうまくいきます。」と彼は言い、唯一の難点は、この単純なワークフローが実際に適用されるのは従来型の負荷のみであることだと付け加えました。世界。「厳しい圧力と温度のサイクルと潜在的な地層の移動によって引き起こされる荷重（ひずみ）は、これらの坑井における従来とは異なる荷重条件と設計上の考慮事項を明らかに表しています。」

マシューズ氏は、垂直井戸では通常行われているケーシングを回転させることでセメント結合を改善できる可能性があると述べた。しかし、パイプの回転が特殊な分野で行われることはほとんどありません。その理由の 1 つは、パイプの接続に固有の曲げ疲労やねじり負荷の影響が懸念されるためです。

このトレードオフは、パイプ接続が、特に水平シェール井の構築部分において、ケーシング破損のさらに別の一般的な原因であると考えられていることも強調しています。 C-FER は、ケーシング接続の業界標準を検討するために設立された API 委員会に参加している数社のうちの 1 つです。最近設立された委員会は、このような水平坑井用途での適用のために新しい接続認定プロトコルを起草する必要があるかどうかを決定するのに役立ちます (SPE 194369)。

ケーシングの故障はその性質上、診断が難しいことがよくあります。場合によっては、問題が検出されるまでに原因ステージにアクセスできなくなっていることが原因です。しかし、新しいテクノロジーの登場により、問題が見えやすくなりました。この取り組みを主導している 2 つの企業は EV と DarkVision です。

2018年、視覚診断専門のEVはアナダルコ・ペトロリアム（オクシデンタル・ペトロリアムが昨年買収）と提携し、マルチフィンガー・キャリパーツールと統合されたダウンホールカメラシステムを導入した。このプロジェクトは、この種のものとしては初のものであり、昨年の HFTC で共有された論文 (SPE 194252) で詳述されており、視覚データとキャリパー測定の組み合わせがケーシングの変形の原因についてどのように確実性をもたらすかを実証しました。

アナダルコ社は、プラグと穿孔ガンをポンプダウンしているときに障害物が発見されたため、テキサス州西部の井戸の 1 つにシステムを導入することにしました。

このシステムは、元の内径の一部が失われた数十のケーシングカラーを発見しました。そのうち 4 つの首輪が重度の楕円化を起こしていることが判明しました。ウェル内の正常な首輪の平均直径は 3.92 インチでしたが、変形した首輪の平均直径は 3.71 インチでした。吊り下げた深さに最も近い首輪の直径はわずか 3.46 インチで、数百フィート離れた別の首輪はさらにきつかった 3.18 インチでした。。

アナダルコ氏はこの二重データセットを使用して、この場合、変形の背後にあるドライバーが過剰なトルクを与えていたと結論付けました。これは、各異常な首輪の上 1 ～ 2 フィートでも楕円化が見られたという事実によって裏付けられました。

DarkVision はカメラの代わりに音響ベースのスキャン技術を使用して、ツールが坑井内を移動するときに坑井全体の画像をキャプチャします。バンクーバーに本拠を置く技術スタートアップ企業にオペレーターが来て、穿孔浸食を分析しました。その作業の過程で、同社は、ツールが内部で実行された最初の坑井を含め、予期せぬ坑井の完全性の問題も発見しました。

「そこには大きな穴があっただけで、穴があるはずの位置と一致していなかったものの、穴があるかどうかはわかりませんでした」とダークビジョンの最高経営責任者スティーブン・ロビンソンは振り返る。「データはプラグが設定された場所と非常によく一致していることがわかりました。」

最初の展開では、5 つのケーシングの穴が見つかりました。これは、オペレーターに今後別のタイプのプラグを検討するよう説得するのに十分です。このウェルやその後のウェルですべてのプラグが故障したわけではありませんが、DarkVision はプラグが設置された場所でのみそのような欠陥を記録しました。「穴が侵食されるのと同じ理由で、プロパントが通り抜け、それがますます大きな漏れ経路を生み出します」とロビンソン氏は説明しました。

このようなケーシングの穴は水圧破砕中に大きな圧力降下を引き起こす可能性があり、これにより頁岩マトリックスに供給される刺激エネルギーが減少します。

DarkVision はまた、プラグの浸食によりケーシングの外側に接続されている光ファイバーケーブルが切断された井戸をいくつか確認しました。高解像度診断には坑井あたり約 100 万ドルの費用がかかり、ダウンホールで使用される技術の中で最も繊細なものの 1 つです。ファイバの切断は、穴が発見された点とファイバデータのストリーミングが停止する点を照合することで簡単に確認できます。「どこで始まり、どこで終わるのか、どの段階に影響を与えるのかはわかりません。しかし、プラグを設置するたびに、ファイバーが破損する可能性があります」とロビンソン氏は語った。

SPE 184868 破砕作業中に発生した観察されたケーシング破損の因果関係調査 (Neal Adams、Neal Adams Services ら)

IPTC 19331 ケーシング故障の予測と防止のためのデータマイニングアプローチ、テキサス A&M 大学の Christine Noshi らによる。

SPE 194369 「水圧破砕井戸で使用されるケーシング接続の評価方法の開発」（Kirk Hamilton、C-FER Technologies ら）

SPE 195944 多段階破壊におけるケーシング変形に対する非対称刺激岩体積の影響。西南石油大学の Hao Yu 氏らによるケーススタディ。

URTeC 178620 アルゼンチン、ロマ・カンパナ油田のヴァカ・ムエルタ・シェールオイル開発における干渉挙動分析、Milena Rimedio、YPF らによる。

SPE 194252 1 回の走行で E ライントラクターのカメラキャリパーコンボによって診断された長い横方向の制限 (Allison Lay、Anadarko ら)