密閉された坑井と、安価で正確な破壊診断の背後にあるありそうもない「ブレークスルー」

2 年ちょっと前、デボン・エナジー社は、オクラホマ州中央部の平らな農地の中で、刺激処理中に水圧破壊が坑井間でどのように移動するかを研究するために、一連の測定技術を坑井に送り込みました。 STACKのタイトオイル・プレイでの作戦は、業界で「科学プロジェクト」と呼ばれるものだった。

現場での作業が完了し、エンジニアがデータの処理に取り組むと、新たな知見が得られると期待していました。彼らが予期していなかったのは、骨折の大きさ、骨折の成長速度、骨折を形成するのに必要なエネルギーを測定する新しい方法の発明に向けて進んでいることだった。これらのパラメータを知ることで、最適な生産性を得るために破壊の成長を制御するための科学的方法の使用が可能になります。

モニタリングプロジェクトの目標は、常設光ファイバーケーブルからのデータと、同じ開発ユニットの 2 つの坑井からのダウンホール圧力計によって取得されたデータを結合することでした。各モニターウェルには、側面の長さに沿ったファイバーが装備されていました。さまざまな箇所で、圧力計がケーシングの内側に接続されるゲージとともに、ケーシングの外側に接続されていました。すべては地表まで配線されていました。

オクラホマシティに拠点を置くこのシェール生産会社のエンジニアたちは、坑井間のひずみを測定するために光ファイバーを使用する初めての機会の一つだったため、このプロジェクトを楽しみにしていた。新しく確立された診断法であるクロス坑井ひずみデータは、オフセット坑井と接触する際の水圧破壊を明確に視覚的に表示できるため、余裕のあるオペレーターの間で人気が高まっています。

エンジニアリングチームは、圧力の上昇を「感じる」ために岩に触れている外部に接続されたゲージからのデータをファイバーデータに結び付けることができるかどうかを知りたいと考えていました。一方、内部ゲージは、完成後の坑井間の生産干渉を検出するために設置されていました。

このプロジェクトを再定義したのは、オペレーターが光ファイバーベンダーのアドバイスに従って行動し、2 つのモニターウェルに穴を開けなかったことです。これは、ファイバーの温度を変化させ、その後貴重なひずみデータの品質を変化させる可能性のあるリザーバーおよび刺激流体がケーシングに流入するのを防ぐために行われました。

この推奨事項が違いを生み出しました。これにより、数千フィートの鋼管が、高額の微小地震調査や光ファイバー設置の低コストの代替手段に効果的に変わりました。デボン氏はこの発見を地下工学の「ブレークスルー」と呼んでいる。

このことの最初の手がかりを見つけたのは、当時デボン社の完成アドバイザーであり、現在は独立したコンサルタントであるヴォルフガング・ディーグ氏でした。このプロジェクトにおけるディーグ氏の役割はファイバーのデータを分析することでしたが、内部圧力計から収集されたデータも調べることにしました。彼は当惑した。データセット内には小さいですが、明らかに識別可能な圧力変化がありました。

「私が最初に自問したのは、『それは意味があるのだろうか？』ということでした」とディーグ氏は振り返る。「最終的に、ケーシングの外側で必要な圧力の増加がどの程度になるかを計算しました。そして、それらは私たちが見ていた数値と一致していました。それは心強いものでした。」

しかし、その謎はまだ解けていませんでした。チームの他のメンバーにとって、予期せぬ圧力データは依然として「意味があるというよりも興味深い議論であり、それが何を意味するのかわかりませんでした」とデボン社の上級完成エンジニア、カイル・ハウストベイト氏は語った。

しかしその後、ハウストヴェイト氏は、対応する破壊段階からの坑井間のひずみと圧力のデータを比較し、それらをタイムスタンプに従って並べ始めました。「5、6回ほどやったところ、信じられないような関係性が見えてきた」と彼は語り、これが「ああ、なるほどと思う瞬間のきっかけになった」と指摘した。

エンジニアリング技術者がさらに約 200 の破壊段階のプロセスを引き継ぎ、すべてのビジュアルを 1 枚のスライドデッキにまとめました。「その後、私たちはグループで座り、プレゼンテーションモードにして、すべての段階を順番に進めていきました」とハウストヴェイト氏は語ります。「何度も見たことですが、ひずみフロントがちょうど気圧の変曲点に到達したのです。」

この発見の産物には、その後、密閉坑井圧力監視 (SWPM) という名前が付けられました。

デボン氏はこれを利用して、新しく作られた亀裂が実際にオフセット井に接触する前に、井の間でどれだけの水とプロパントを絞り出すことができるかを把握している。これは、シェール業界が「適切なサイジング」と呼ぶものの大まかな定義です。

SWPM の概念を単純化するために、ハウストヴェイト氏は、SWPM を長い風船の一端を絞ることに例えました。風船の形状が変形すると、内部の空気柱全体がもう一方の端に向かって圧縮されます。

この例えを密閉された坑井（この場合は水で満たされている）に戻すと、彼は次のように述べました。「処理坑井にポンプを送り始めると、亀裂が広がり、モニター坑井に力を加えて、ケーシングをわずかに変形させます。すると、次のことがわかります。」圧力の変化がとてもうまくいきました。」 Haustveit 氏は、最近テキサス州ウッドランズで開催された水圧破砕技術カンファレンス (HFTC) で、他のデボンのエンジニア 10 名以上と共著した技術論文 (SPE 199731) を発表しながら、これらの詳細を共有しました。

同氏がカンファレンスで強調した重要な点の1つは、新たに登場した診断が、リアルタイムで確認でき、骨折の相互作用が起こった場所によって偏らない「非常に一貫したクリーンな圧力応答」を生成することだ。後者の利点は、生産中の坑井またはすでに穿孔された坑井に依存するオフセット坑井の圧力監視技術とは異なる点です。

既存の破砕ネットワークの接続性と岩石構造の流動性は、圧力モニタリングのより一般的なアプリケーションが、処理のさまざまな段階でしばしば数百または数千 psi を超えるノイズの多いデータセットを取得することを意味し、潜在的に破砕の本当の瞬間を覆い隠します。骨折の先端が物理的にモニターの上を通過する。ハウストヴェイト氏は、非密閉坑井内圧力監視について、「それは素晴らしいこともあるし、困難なこともある。時にはほぼ不可能なこともある」と語った。

同様に、最初のパイロットで使用された外部ゲージも感度が高すぎることが判明し、作業の初期段階でほぼ瞬間的な圧力の変化を記録しました。これは、成長中の骨折がモニターゲージと一致していない場合でも発生しました。ここでは、新しい破壊エネルギーを迅速に伝達する既存の破壊ネットワークが大きな役割を果たしていると考えられています。

対照的に、内部ゲージから見られる圧力変化はわずかで、大きさが 0.5 psi ～ 1.0 psi の間だけを記録しました。小さいながらも明確です。これらの単純な、ほぼバイナリの出力はすべて、エンジニアが骨折がモニターをうまく横切ったことを確認するために必要なものです。

そして、オペレーターの現場での経歴や、微小地震などの他の診断法を使用して知っていることに基づいて、一般に、同じ領域の亀裂は同じ方位に沿っていると想定できます。これにより、オペレーターは、応答が実際にどこから発生しているのかをある程度の空間認識できるようになります。

この概念はまた、業界では一般にフラクヒット、またはますますフラクチャ主導の相互作用として知られている、他の油井に影響を与えるフラクチャに関連する否定的な意味合いを反転させる準備ができています。むしろ、破壊干渉を貴重で柔軟なツールボックスに変換できることを示しています。新しいデータ内で見つかる答えの山には、これまでシェール生産者にとって入手が難しすぎたりコストが高かった指標（例えば、破砕の半分の長さ、高さ、破砕クラスターの効率（つまり、流体分布））が含まれています。井戸ごとに。

Devon は検証段階をほぼ超えています。 SWPM は、ほとんどの充填井操作で使用されます。パイロットはダウンホールゲージを使用していましたが、ケーシングが坑口まで水で満たされていることを確認することで、オペレーターは応答を記録するためにさらに安価な表面ゲージの使用に移行しました。

SWPM はほとんどの業界にとって初めてのものですが、Devon 氏は数か月間、業界のワークショップや同業他社と詳細を共有してきました。信頼性を高めるために、この事業者は昨年、他の診断と比較して方法論を検証できる他のシェール生産者 4 社と提携しました。

5 つの生産者は協力して、ミッドランド盆地、デラウェア盆地、イーグルフォードシェール、スタック、パウダーリバー盆地、マーセラスシェール、ユーティカシェールの 8 つの異なるシェール鉱区で、この方法を使用して 2,000 以上の破砕段階を監視することに成功しました。

この方法は特許出願中であるため、少なくとも短期的には SWPM の導入率を阻害する要因となる可能性があります。デボン社は他の事業者にその使用をライセンスする意向を示しており、現在、アドホックベースで他の事業者にこのコンセプトをテストする権限を与えているが、広く使用するための正式な計画は確立されていない。

この方法のデビューは、オフセット圧力監視用に開発された商業化サービスの波と一致しています。数年前まで、これは小規模な機器会社のみが担当していたものでした。しかし、過去数カ月にわたって、業界最大手のサービス企業であるベーカー・ヒューズ、ハリバートン、シュルンベルジェはいずれも、水圧破砕処理中の坑井間の圧力を監視する同様のリアルタイム製品をリリースした。

デボン社がそのイノベーションを商業化したいと考えている理由の 1 つは、事業者が協力して構築する統計データベースの作成が可能になるためです。十分な観察があり、特定の間隔に基づいて、いつ破壊の相互作用が予想されるかの確率をさまざまなプレイに割り当てることができます。ステージがトレンドから外れている場合、エンジニアは次に何をすべきかの指針として過去のデータライブラリを使用できます。

HFTCの演壇でハウストヴェイト氏は、何百人もの石油技術専門家仲間に向けて、SWPMとそのさまざまな成果物の出現により、貯留層の応答が破砕設計の指針となるリアルタイム完成の実装に必然的につながるはずであると強調した。

「私たちの完成設計は主に幾何学的なもので、同じクラスター数、パーフ数、段階ごとの流体と砂の設計ですが、岩石の性質が変化していることはわかっています」とハウストヴェイト氏は語った。「そして現時点では、骨折の進行をリアルタイムで監視することは困難です。コストがかかる可能性があり、最終的には、コストの影響により、ほとんどの方法は拡張性がありません。」

ただし、SWPM は低コストでスケーラブルなオプションです。これは複数の坑井の完成に支障をきたすことはなく、オペレーターに必要なのは少なくとも 1 つの受動坑井、表面圧力計、およびスプレッドシートだけです。デボン社は、SWPM 試験で一度に最大 3 つの井戸を使用しており、より多くのモニターがより多くの空間認識を提供すると指摘しています。

デボン氏は、プロセスを繰り返し改良するためにさらなる進歩を遂げました。リアルタイムモニターデータを破壊モデルおよび速度過渡解析技術と組み合わせています。

分析会社 Seeq のソフトウェアを使用してワークフローの一部を自動化しており、エンジニアリングチームが独自のアルゴリズムを挿入してデータを平滑化し、最も重要なピークのみを特定できるようになりました。このステップは必須ではありませんが、メソッドのスケーラビリティが向上します。

ディーグ氏はまた、SWPM はコンテキストデータと組み合わせる必要があると強調しました。「現場で起こっていることすべてを十分に認識しておく必要がある」と彼は言う。「純粋にデータを見て直接結論を出すことはできません。特にジッパー操作を行っている場合には、ステージをポンピングする順序を知る必要があります。」

明らかな欠点の 1 つは、効果的なモニターとして使用するには穴のない井戸が必要であることです。さらに多くのパッド井戸が完成すると、最終的には最後のパッド井戸もそれに続く必要があります。この問題を軽減するために、デボン社は現在、プラグを使用した 2 ウェルジッパー完成で前後の方法で動作する SWPM のバリエーションをテストしています。

SWPM が代表する第一原理アプローチは、圧力信号に作用するために質量平衡概念を適用できるため、部分的には斬新です。デボン氏の論文は、これを強調するいくつかの事例を中心に展開している。 SWPM の多用途性を最もよく示す指標は、ほぼすべてのアプリケーションで使用されており、同社が「初回応答までのボリューム」(VFR) と呼ぶ新しい指標です。

「それはそう呼ばれています」とハウストベイト氏は述べ、VFRは単にモニターウェルで最初の骨折が検出されたときに治療井に注入された流体の量であると説明した。

水と砂の配置をリアルタイムで定量化することで、完成エンジニアは刺激を実験してゴルディロックスゾーンを見つけることができます。場合によっては、データは、貯水池に多量の砂と水を送り込みすぎて問題のあるステージでの過剰資本を避けるために、ポンプの量を減らすようオペレーターに指示することがあります。

逆の方法でも機能します。おそらく、オペレーターは、貯留層がより多くのスラリーを摂取できると判断し、特定の段階での投資を増やすことを決定するでしょう。「想像してみてください。VFR に破砕段階の設計をガイドさせることで、より均一な排水、より刺激された貯留量、より生産的な井戸が得られるのです」とハウストヴェイト氏は述べた。

Devon は、パートナーと協力し、対応する診断を使用した独自の検証研究を通じて、SWPM と VFR の使用についていくつかの重要な結論を導き出しました。それらの多くはリアルタイムでアクセスできます。そして、それぞれが重要な破壊形状パラメータのロックを解除し、それによって水圧破壊モデルをより正確にすることができるギャップを埋めることができます。