破砕中にプロパントがどこに行くか知っていると思いますか? 最近のテストに基づく: 賭けないでください

完成エンジニアは、数十年の経験に基づいて、プロッパントがどのように流れるかについていくつかの経験則を見つけ出しました。

GEODynamics が最初の支援者である PDC Energy によって作成されたステージ設計をフルサイズで全圧で再現する破砕面テストを作成したときに、その知識が試されました。

油田サービス会社の最初のテストがポンプで行われる前。関係者は、各クラスターからどれだけの砂が流出するかを最も正確に予測した人に基づいて、勝者が決定されるプールにお金を注ぎました。

「賭けに勝ったのは、フラクチャーがどのように機能するのか全く分かっていなかったCFOだ。最悪なのはフラクチャーを知っていると思っていたCFOだった」と、プロジェクトのコンサルタントで設計で重要な役割を果たしたフィル・スナイダー氏は語った。テストの。

プールと同様に、テスト結果は、流体と砂が各クラスターからほぼ同じ割合で流出するという広く普及した仮定から乖離しました。

この結果は、「プロパントと流体は、多くの人が信じているほど均一には動かない」ことを示唆している、とGEODynamics社のシニアエンジニアリングテクニカルアドバイザーであるスティーブ・バウムガートナー氏は、最近開催されたSPE油圧破砕技術会議および展示会（HFTC）での試験について説明しながら述べた。

結果の一部は、コンピュータモデリングや、多くの高速流砂粒子がステージ内の最初の数個の塊をすり抜けて通過することを示す、あまり現実的ではない流動テストを使用した以前の研究と一致していた。

GEODynamics では、中型のプロパント (40 ～ 70 メッシュ) が初期段階をすり抜けて通過する可能性が高く、その結果、初期クラスターでの流出が減少し、後期では流出が増加することが判明しました。しかし、粒子が小さい場合 (100 メッシュ)、分布はより均一になります。

2回目のテストでは、クラスター間のスラリー分布をより均一にすることを目的とした破壊設計の変更により、クラスター間の差異はさらに減少したが、それでも大きな粒子が初期のクラスターをすり抜ける傾向があることが示された。

GEODynamics が公開したのは、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) が発生する前の 2019 年に終了した一連のテストに使用された、独創的なエンジニアリングの一部を初公開したものです (SPE 209141)。

このテストのアイデアは、過去の破砕作業で生じた疑問に遡ります。たとえば、破砕中にデータが収集された井戸では、すべてのクラスターが効果的に刺激されたことが示されましたが、後の分析では、クラスターの約半分が生成できなかったことが示されました。なぜ？

「この不均一性の一部は、地層のばらつきと隣接する破壊段階からの応力シャドウイングに起因すると考えられますが、ケーシング内のプロパントの不均一な流れも重要な役割を果たしている可能性があります」と、完成エンジニアリングのモデル作成に関する 2 番目の論文で述べられています。

砂粒子は水と摩擦低減剤の混合物とは異なる挙動を示す可能性が高いため、砂粒子と流体が同期して移動しないという考えは驚くべきことではありません。

流体の流れと砂の流れが似ていないという前提に基づいて完成品の設計を始めようとするエンジニアにとって難しい問題は、その違いをどのように定量化するかということです。

GEODynamics は、試験データとダウンホール破砕解析を使用して行われたモデリングに基づく代替案を論文で提供しています。その後、その研究は StageCoach と呼ばれる破砕勧告プログラムに組み込まれました。

この分析は、Apache (現在は APACorp の子会社)、Chesapeake Energy、ExxonMobil、Hess、Jagged Peak Energy を含む支援者グループによって行われた現物支援の 1 つでした。

現在、最初の 2 ラウンドのテスト結果が示されているが、これまでで最も現実的な水上テストが十分に現実的であるかどうかを疑問視する人々にとっては、オープンなシーズンとなっている。

水平坑井で多段階破砕が行われる方法にこれまでで最も近づいて、彼らが何か難しいことをしたことに疑問を抱く人はいないでしょう。

コノコフィリップスのシニアエンジニアリングフェロー、デイブ・クレイマー氏は「彼らはこれをセットアップする上で素晴らしい仕事をした」と語った。同氏は、この論文は「そのようなテストを検討している人にとって」素晴らしいリソースであると述べた。

しかし、破砕シミュレーションを作成する人は誰でも、それがダウンホールの現実を完全に反映していないことを指摘する人たち、その中にはクレイマー氏も含まれると指摘する人たちから非難されることが予想されます。

この場合、全容積が手に負えないほど大きくなり、コストが高くつくため、実際のフラクよりもはるかに少ない量の砂を汲み上げました。そして、テストには流体への摩擦低減剤の添加が含まれていましたが、ラウンド 1 では水 1,000 ガロンあたり 2 ガロンでした。第 2 ラウンドでは、1,000 ガロンあたり 1 ガロン - 高粘度の摩擦低減剤を作成するために必要な高濃度は使用しませんでした。

より濃厚な流体により、テストステージのクラスターから流出する砂の分布が均一になる可能性があるため、これは興味深い追加であったでしょう。

クレイマーにとって、それは大きな怠慢だった。しかし、バウムガートナー氏は、当時はコスト上の理由からこれらのポリマーベースの添加剤を高濃度で使用していなかったので、支援者らは低濃度を承認したと述べた。そして、実行できるテストの数には制限がありました。バウムガートナー氏は、「膨大な実験マトリックスが必要になる」変数の長いリストをテストすることには「ノー」と言わなければならなかったと述べた。

バウムガルトナー氏のプレゼンテーションの後、聴衆の一人が立ち上がって賛辞を述べ、「これが初めてのテストだなんて信じられないが、私が見たのは初めてだ」と言いました。

他にも破砕流動試験はありましたが、この規模ではありませんでした。 10年前、ハリバートンはオクラホマ州ダンカンの試験センターにフローループを設置し、プロパントがどこから排出されるかを確認した。

屋外のセットアップには、GEODynamics テストでは 48 個もの穿孔に相当する 3 個の穿孔が含まれており、最大ポンピング速度は、最近のテストでは 90 bbl/min であったのに対し、14 bbl/min でした。

2013 年のハリバートンの論文では、7 ～ 14 bbl/min のポンプ流量はプロパントを浮遊状態に保つのに十分な量であるが、安全上のリスクを引き起こすほど高くはないと述べています (SPE 163856)。

より低い圧力が使用された理由について尋ねられたとき、この論文の発表者で当時ハリバートン社ヒューストン技術センターのアプリケーションエンジニアだったフレディ・クレスポ氏は、JPTの記事の中で、試験装置は破砕に使用されるポンピング速度を処理するように構築されていなかったと述べた。「流量を高くすると爆発します。」

ハリバートンのテストでは、大きな砂粒が最初の開口部をすり抜けて後の穴から大量に流出する可能性が高いことが判明したが、問題なく実施された。

GEODynamics のテスト設定では、ポンピング速度が 90 bbl/min の場合、表面テストを安全に実施できることが示されました。一見シンプルなデザインは、クレイマーによって「狂った天才」の作品と評されました。

彼は天才という言葉に抵抗があるスナイダー氏について言及し、多くのアイデアや多くのモチベーションは現場で働いている人々から来ていると指摘した。

「現場で豊富な経験を持ち、現場スタッフと緊密に連携することが鍵となる」とスナイダー氏は語った。同氏は、現場の人々は「全員がこれを行うことに非常に熱心だった」一方、オフィスのエンジニアリング担当者はそれが安全に実行できるかどうか疑問を抱く可能性が高いと付け加えた。

安全性は重大な懸念事項でした。チームは、スラリーがケーシングを囲む厚い鋼鉄の障壁をすり抜けた兆候を探しながら、障壁の後ろからテストを観察しました。彼らはまた、漏洩の最初の兆候を探すためにドローンを飛行させた。

GEODynamicsの論文によると、「最も重要なことは、すべてのテストが結論に達したわけではないことを明確に示すことだ」としている。「外側ケーシングのシュラウドとゴム製の家畜用トラフの両方に浸食が発生し、タンク内に液体がすべて捕捉されなくなり始めたとき」、テストは中止された。

コストの抑制も重要でした。バウムガートナー氏によると、最終的な会計報告に基づいて、支援者はプロジェクトに対して約500万ドルの現物支援を提供したという。これは、場合によっては 1 つの井戸を破壊するコストに等しいコストでプロセスが繰り返しシミュレーションされたことを考えるまで、多額の費用のように聞こえます。

コストを制限するために、すべてのテストは破砕現場で行われ、破砕フリート、熟練した作業員、物資、後援者が提供する液体処理にすぐにアクセスできるようになっていました。

これらの初期のテストに圧力ポンプを供給したリバティ油田サービスは、この変則的な取り決めに協力するだけではありませんでした。バウムガートナー氏によると、技術ディレクターのマイク・マイヤーホーファー氏がテストの実施についてアドバイスし、論文の一部を執筆したという。

彼らが失敗から学びながら、計画は発展しました。最初のラウンドでは、井戸が完成した後にテストが行われました。彼らは、次の仕事に移る必要があるときに乗組員にテストを依頼するのは理想的ではないことを学びました。

その後、実際の破砕の休憩中にテストを行いました。テストステージにつながるパイプは、あたかも水平フラクヘッドを備えた 3 番目の井戸であるかのように接続されました。これにより、破砕作業の一時停止中に試験に迅速に切り替えることができました。

その他の初期の教訓としては、バキュームカーで液体を除去するのにどれくらい時間がかかるかを確認した後、タンクにドレンバルブを追加することが含まれていました。また、不規則な角度の端を持つタンクから長方形のタンクに切り替えた後、流体と砂の測定に必要な計算がはるかに簡単になりました。

テスト段階のハードウェアは既製のものでした。筐体の仕様は、PDC Energy の要件に基づいています: 5.5 インチ。同社が井戸に使用しているものと同じ穴サイズと間隔で穿孔された 23# P-110 鋼。

一連の試験クラスターは、一連の大きな開いた箱の上に縛り付けられ、各クラスターから流れ出る砂の容器として機能しました。

高圧のスラリー蒸気を遮断するために、直径 13 5/8 インチの厚肉パイプでケーシングを囲み、スラリーをクラスターからその下のコンテナに送りました。

パイプの周囲にはスプラッシュガードのようなもの、つまり楕円形を逆さまにしたゴム製のプラスチックタンクが取り巻かれていた。このタンクは家畜に水をやるのに使われるタンクに酷似していました。なぜなら、このタンクは「毎日の低価格」を宣伝する農用品店チェーン、トラクター・サプライ・カンパニーでその目的で販売されていたからです。

低コストのソリューションには、タンク内の水位を遠くから追跡できる、明るい色のプール用フロートとヌードルも含まれていました。

目標は、コンテナがほぼ満杯になるまで汲み上げることでした。その後、彼らはタンク内の砂の量と砂が押しのけた水の量を測定しました。他のデータソースには、各クラスターの圧力センサーと frac トレーラーで収集されたデータが含まれます。

問題解決も求められました。研磨剤のスラリーが単層のパイプを切り裂いたために初期のテストを中止しなければならなかったとき、彼らは障壁を強化した。

「テストチームは再編成され、数日かけて1,500フィートの頑丈な伐採チェーンを調達し、伐採チェーンの周りにボルトで固定するための20インチのケーシングクラムシェルを製作した」と同紙は述べている。

これらの障壁は、突破不可能ではないものの、信頼できることが判明しました。

「これらのテスト中、5.5 インチのケーシングから出る研磨性の高圧スラリーの流れの一部が、最終的には 13.625 インチの厚壁ケーシング、2 層の硬化伐採チェーン、外側の厚壁 20 を侵食することができました。 -in.ケーシングクラムシェル、そして最後にゴム製家畜用トラフ」と同紙は述べている。

「どこで侵害が起こるか全く分かりませんでした」とスナイダー氏は語った。ケーシング内の流れが遅くなる一方で、水流が 1,500 psi の差圧に達するように設計された小さな穴を通って絞り出されるとき、ケーシングにかかる力は高いままです。

突破口の後、水流が新しい水面に当たるようにクラムシェルバリアを調整することで、修正にかかる修理コストを制限しました。最終的には、ハードバンディングで接触面を強化し始めたとスナイダー氏は語った。

結局のところ、破壊試験は、ダウンホールで直接観察できないものの現実的な尺度を提供するかもしれませんが、それを再現するものではありません。

称賛から始まったカンファレンスのエンジニアからのコメントや質問の中には、「しかし」という言葉が使われるようになったものもあった。たとえば、発表者らは、実際の井戸の周囲のセメントと岩石によって生成される背圧をシミュレートするために、ケーシングの周囲に硬い層を追加することを検討するかどうか尋ねられました。試験論文の著者らは、「完璧な理論の世界では」、こうした圧力が流出にどのような影響を与えるかを知るのは良いことだ、と書いている。

しかし、井戸の周囲のセメントと岩を再作成するには、建設と安全性において多大な課題が生じました。バウムガートナー氏は、「設計プロセスを通じてその可能性を探求したところ、コストが天文学的に法外な額になった」と結論づけた。

これはクレイマー氏の観点からは問題である。なぜなら、井戸から流出する流れは、流体や砂が曲がりくねった流路を通って周囲の貯留層に押し込まれる際にかかる背圧によって大きな影響を受けるからである。

同紙はまた、汲み上げられた砂は頁岩井を破砕するために汲み上げられる砂よりも少ないと指摘した。クレイマー氏は、「当社のモンニーでの用途では、穴あたり3万ポンド以上のプロパントを使用したのに対し、穴あたり1,300ポンド近くの砂を汲み上げた」と述べた。

これほど大きくするということは、プロパントの量を 31 トンから数百トンに増やすことを意味します。現在、クラスタには穿孔が 1 つしかないことが多く、その結果、テストされた最初のステージ設計の 48 個よりもはるかに少ない数のステージが使用されてフラクチャされるため、フラクステージごとの比較を計算するのは困難です。

コノコフィリップスが表面試験の実施を検討した際、物流上の問題と、大量の砂の使用に伴う高額なコストを考慮して、試さないことにしたとクレイマー氏は語った。

貯蔵タンクが満杯になると汲み上げを停止する必要があり、通常は約 10 分かかるため、テストで 1 分あたりに汲み上げられる砂の量は、クラスターあたりの重量の差が示唆するものよりもはるかに近かったです。

Cramer 氏の場合、ダウンホールの研究は、2 時間ほどのポンプの使用で地面の穿孔がどの程度浸食されるかを測定することに依存しており、これにより穴が前から後ろに広がり、流量が急増する可能性があります。それに比べて、GEODynamics サンプルで彼が観察した表面の摩耗は軽微でした。

同氏は、「表面試験に基づくプロジェクトは本質的に限界がある」と述べ、「最も重要な洞察は、（処理前後の）穿孔入口穴のダウンホール測定を特徴とする実際の処理の研究によってこれまで得られてきたし、今後も得られるであろう。圧力分析と光ファイバー測定を扱っています。」

ポストフラク分析に基づいて、6 つのクラスターのうち最後の [トウ側] の穿孔の 1 つがプロパントの 25% を取り込んだ例を含む、彼が言及した方法を説明した論文が、今年の HFTC で発表されました (SPE 209184) ）。

トウ側の穿孔のサイズが大きすぎることは、それが「プロパントの不均衡なシェア」を受けていることを示しており、これは「プロパントの慣性によるもの」である可能性があると論文は述べている。同論文は、「この行動は井戸の残りの部分では一般的に観察されなかった」と付け加えた。

GEODynamics プロジェクトの運営者はダウンホール研究の価値を認めており、メンバー企業は破砕データの分析に基づいて研究を提供し、地表の結果に地下の視点を追加しました。

図。図 1 ～ 4 は、表面上の試験段階で砂がクラスター間にどのように分布したかを示しており、これにより各クラスターからどれだけ流出したかを測定することが可能になりました (SPE 209141)。

議論に参加している双方は、プロパントとその行き先についてさらに注意を払う必要があることに同意している。

クレイマー氏は、業界は穿孔クラスターと水圧破壊の間のプロパントと流体の流れを予測するための最新モデルを必要としていると述べた。その証拠として、彼は 1987 年に開発したモデルがまだ使用されていると述べています。コノコフィリップスは現在、これを目指す8社共同の業界プロジェクトに参加している。

また両社は、企業が購入する砂が仕様を満たしているかどうかに細心の注意を払う必要があるという点で同意している。

スナイダー氏は、破壊試験中に使用された砂に基づいて、「砂の品質には根本的な違いがいくつかある」と述べた。観察によると、極端に角張った砂粒は丸い砂粒よりも研磨力が高く、ポンプ装置や穴の浸食速度を速める可能性があります。

彼らのテストでは、より大きな 40/70 メッシュは 100 メッシュよりも初期段階をすり抜ける可能性が高いことが示されました。しかし実際には、40/70 および 100 メッシュとして販売されている粒子のサイズは大きく異なり、重複する可能性があります。

たとえば、100 メッシュは 70 ～ 140 メッシュの混合物として定義されますが、これは業界標準によって確立されていません。配送される砂は、その範囲の上限または下限に濃縮された混合物である場合や、その範囲をはるかに超えた混合物である場合もあります。

クレイマー氏は、鉱山からのプロパントの実際のサイズ範囲と約束されたサイズ範囲の違いを研究しており、そのうちのいくつかは他のものよりも仕様にはるかに近いものがあります。

彼の懸念には、50 メッシュ以上の粒子がブリッジングを引き起こす可能性があるためです。これは本質的に自己集合して構造になり、ダイバーターのように坑井付近の流路をブロックする可能性があります。

GEODynamics グループは、大型のプロパント、低いポンピング速度、高速道路の出口ランプのように穿孔穴を斜めに発射したときにプロパントがより均一に流出するかどうかなどの変数を考慮して、合計 20 回のテストを実施しました。彼らは、より大型のプロパントをポンピングすることや、より低いポンピング速度の影響など、後のテストに関する論文を発表したいと考えています。

2 つの論文に基づいて、プロパントのサイズが大きくなるほど、井戸の先端側に滑り込む量が多くなると仮定するのは論理的です。しかし、過去の経験に基づいて、それに大きな賭けをしないでください。

SPE 209141 非従来型破砕とプロッパント輸送を再現する最初の 2 つの表面試験の実行と学習、GEODynamics の Phil Snider および Steve Baumgartner 著。マイク・マイヤーホーファー、リバティ・オイルフィールド・サービス、そしてPDC EnergyのMatt Woltz氏。

SPE 209178、Oil States Energy Services の Jack Kolle によるプロパント輸送表面試験に基づくケーシングおよび穿孔内のプロパント輸送のモデリング。アラン・ミュラー、ACMS; Steve Baumgartner 氏と David Cuthill 氏、GEODynamics。

SPE 201376 プラグアンドパフォーマンス治療のためのポンプダウン診断 (ConocoPhillips Company、David D. Cramer、Jon Snyder、および Junjing Zhang 著)。

SPE 163856 多段水力破砕井におけるプロッパント分布: Freddy Crespo、Nevil Kunnath Aven、および Janette Cortez による大規模な内部ケーシング調査、ハリバートン。 MY Soliman、テキサス工科大学。アトゥル・ボカネ氏、シッダース・ジャイナ教、ヨゲシュ・デシュパンデ氏、ハリバートン氏。

SPE 209184 音響イメージングおよび刺激データの詳細な分析による完了実行の改善の促進（ConocoPhillips Company の Mark Watson、Mitch Schinnour、David D. Cramer、および Matt White による）