Proppantrörelse i Frac-hölje har spikats fast, men hur viktigt är det egentligen för Shale Wells?

Proppant består av sandstora partiklar som injiceras med frac-vätska under en frackningsoperation. I skifferolje- och gasbrunnar är frac-vätskan vanligtvis vatten med någon friktionsreducerare (som tvål) tillsatt för att sänka frac-pumpningstrycket. Syftet med proppant är att stoppa de inducerade sprickorna i reservoaren från att stängas efter att fracking upphör och det förhöjda trycket avtar.

I skifferolja och skiffergasbrunnar är det proppant som används en blandning av 100 mesh sand och 40-70 mesh sand, och dessa korn är båda mindre än en millimeter i diameter. Sådana små sandpartikelstorlekar är nödvändiga för att sand ska transporteras genom smala sprickor i ett spricknät som skapats av frackningsoperationen. Större sand skulle plugga nätverket och inte vara injicerbart – det upptäcktes i början av skifferrevolutionen.

Vanligtvis är horisontella brunnar i skiffer två mil långa och pumpas med 40 separata frackningsoperationer eller steg. Varje steg är ungefär 250 fot långt och metallhöljet innehåller 10-20 kluster av perforeringar, med flera perforeringar i varje kluster. Helst är den horisontella brunnen noggrant perforerad med dessa hål.

Flödesvägen för ett proppantkorn är svårfångad. Först måste säden göra en rätvinklig bockning för att inte flyta längs med höljet till en perforering. Sedan ställs den inför en komplex sprickgeometri - kanske en huvudspricka som förgrenar sig till andra sprickor, som en trädstam sprider sig till grenar och sedan kvistar.

Kommer proppanskornet att kunna komma in i alla dessa sprickor eller är några av dem för smala? Ett 100-mesh sandkorn kan kanske klämma in i en smalare spricka när en 40-70 korn inte kan.

En förbättring av olje- och gasproduktionen genom att använda proppmedel med kornstorlek mindre än 100 mesh har dokumenterats, och föreslår att det är värt att få till och med små proppantkorn i mindre sprickor för att hålla dem öppna för flöde av olje- eller gasmolekyler. Ett sådant proppant kallas DEEPROP.

Nya tester av proppantflöde ut ur hölje.

Nyligen några nya test har gjorts som undersöker flöde av proppant genom själva höljet, vilket betyder en kort längd av horisontell hölje som har perforerats för att släppa ut frakturvätskan. Det är inte ett underjordiskt test - rören ligger på ett badkar vid ytan och karet samlar upp proppan och vätska som kommer ut från perforeringarna.

Ett stort antal operatörer har stött detta projekt där en mängd olika perforeringskluster med olika perforeringsladdningar, design och orienteringar har använts. Olika pumphastigheter, proppanstorlekar och sandkvalitet har studerats.

Testmaskinvaran var så realistisk som möjligt. Höljet var 5.5 tum standard liksom perforeringsdiametrar. Pumphastigheterna var så höga som 90 bpm (fat per minut), vilket aldrig tidigare hade använts vid testning av proppantrörelser.

Ett enskilt spricksteg testades genom att perforera olika kluster längs ett rör med en längd på cirka 200 fot. Varje perf-kluster hade sitt eget hölje som ledde den uppfångade vätskan och proppan till sin egen tank, så att de kunde mätas.

Resultat presenterades för två olika uppsättningar av kluster: 8 kluster i ett stadium med 6 perfs i varje kluster, eller 13 kluster i ett stadium med 3 perfs i varje kluster. Testarna använde antingen 40-70 mesh sand eller 100 mesh sand buren av slickvattenvätska pumpad med 90 slag/min.

Dessa SPE-papper rapporterar att proppantflykten genom perf-klustren och in i karen är ojämn:

· Vissa proppantartiklar, särskilt de större maskstorlekarna som 40-70 mesh, seglar förbi de första klusterperforeringarna och kommer inte in i formationen förrän längre fram i det stadiet. Dessa större partiklar har mer fart.

· Mindre proppmedelspartiklar, såsom 100-mesh, kommer in i klusterperforeringarna mer enhetligt.

· Design med begränsad ingång har utvecklats med bara en perforering per kluster i toppen av höljet.

· Speciellt för större proppant, lockar perforeringar i botten av höljet för mycket proppant (gravitationseffekt), och kan förstoras genom erosion, så att mindre proppmedel kommer att samla perforeringar längre fram i frac-stadiet.

Proppantutgången från höljet är ojämn.

Alla tester avslöjade ojämna proppantutgångsfördelningar. Tabellen visar förhållandet mellan största proppant som lämnar ett kluster: minsta proppant som lämnar ett kluster (dvs. maximalt proppant: minimum proppant), såväl som näst största proppant: näst lägsta proppant. Dessa förhållanden är en proxy för ojämnheter - ett större förhållande betyder mer ojämn fördelning och vice versa.

Resultaten visar att 40-70 mesh proppant (större kvoter) är mindre jämnt fördelat än 100 mesh proppant (lägre kvoter) – i båda klusterscenarierna.

Tolkningen som ges av rapporterna är att mer av 40-70 proppan, som är större och tyngre sandkorn, tenderar att bäras av sin rörelse förbi de tidigare perf-klustren innan de lämnar de senare perf-klustren, jämfört med 100-mesh proppan.

Detta är inte så idealiskt eftersom målet är att få proppanten jämnt fördelad över alla perforeringskluster i ett steg av fracking. Men nu till den stora frågan om hur stor skillnad detta gör?

Utmaningen är att optimera procedurerna så att fördelningen av proppantutgången blir mer enhetlig. Från rapporterna har testresultaten införlivats i en beräkningsmodell för vätskedynamik (SPE 209178). Detta tillvägagångssätt har byggts in i ett rådgivande program för frakturering, kallat StageCoach.

Samtidigt säger rapporterna att "ojämnt flöde av proppant i höljet kan vara lika viktigt som formationsvariabilitet och spänningsskuggning." Låt oss titta djupare på detta.

Andra källor till variationer i skifferproduktionen.

Den verkliga frågan är hur viktig är en ojämn fördelning av proppan för produktion av skifferolja och gas?

Den stora variationen av skifferolja och gaskällor har dokumenterats. Till exempel visar horisontella brunnar i Barnett-skiffern med en typisk längd 4000-5000 fot att de nedersta 10% av brunnarna ger mindre än 600 Mcfd medan de översta 10% av brunnarna gör mer än 3,900 Mcfd.

Flera andra faktorer är kända för att bidra till den stora variationen av skifferolja eller gasflöden.

Om horisontell brunnslängd och brunnsorientering normaliseras för att ta bort deras variabilitet, så kan fraktionssteg, proppansstorlek och proppantmängder betraktas som första ordningens effekter. Dessa första ordningens effekter har prioriterats och optimerats i mer mogna skifferspel.

Sedan finns det geologiska egenskaper som naturliga sprickor i skiffern, in-situ spänningar och sprickbarhet i skifferberget. Dessa anses vara andra ordningens effekter eftersom de är mycket svårare att kvantifiera. Ansträngningar för att minimera dessa källor till variabilitet inkluderar loggning av den horisontella brunnen, installation av optisk kabel eller ljudinstrument eller mikroseismiska geofoner för att mäta sprickspridning och interaktion med lokal geologi längs en horisontell brunn.

Mot dessa källor till variabilitet verkar höljets utgångsfördelning och likformigheten hos proppant vara av jämförbar betydelse med andra andra ordningens effekter såsom geologi och spänningsförändringar längs en horisontell brunn. Det finns inget sätt att höljets utgångslikformighet kan förklara produktionsvariation mellan 600 Mcfd och 3,900 XNUMX Mcfd som observerats i Barnett Shale.

För att säga detta på ett annat sätt, det kritiska är att få proppant ut från de flesta perf-klustren och in i de skapade frakturerna. Detta har uppnåtts genom att pumpa mycket litet proppant, 100-mesh eller 40-70 mesh (och ofta båda) och optimera proppantkoncentrationen och -mängderna för ett visst skifferspel.

Detta är 90 % av det mål som har uppnåtts med anmärkningsvärd framgång i skifferrevolutionen under de senaste 20 åren. Så det är svårt att se från de nya yttesterna att mindre variationer i proppantutgångar från ett till ett annat perforeringskluster kan ha en första ordningens effekt på olje- eller gasproduktion.

Men kanske kommer resultat från andra tester, olika tester, i detta projekt att avslöja mer signifikanta effekter på skifferproduktionen.