Was ist der beste Reibungsreduzierer? Sie müssen es selbst herausfinden

May 12, 2023

Man geht davon aus, dass Reibungsreduzierer eine entscheidende Rolle bei der Frakturierung spielen werden, manche besser als andere.

Schieferproduzenten erkennen mit Verspätung, dass es viele Variablen gibt, die die Leistung dieser Chemikalien verändern können, die verwendet werden, um die zum hydraulischen Aufbrechen einer Lagerstätte erforderliche Leistung zu reduzieren und in höheren Dosen die Flüssigkeit zu verdicken, was eine effizientere Förderung von Stützmitteln ermöglicht.

Es gibt Quellen, die es rechtfertigen können, mehr für einen Reibungsminderer zu zahlen, der so formuliert ist, dass er schwierigen chemischen Herausforderungen standhält, und andere, die das nicht können.

Es gibt jedoch keinen Leitfaden, der die Wirkungsweise dieser wichtigen Zusatzstoffe beschreibt. Diejenigen, die Bewertungen durchführen, werden feststellen, dass viele Details über Reibungsminderer proprietär sind und kein Industriestandard Hinweise zu den Informationen gibt, die für eine gründliche Bewertung ihrer Kompatibilität mit den Lagerstättenbedingungen erforderlich sind.

„Es gab keine wirklich gute Methode zur quantitativen Bewertung von Reibungsminderern und ihrer Wirkung“, sagte Paul Carman, der Berater für Abschlussflüssigkeiten bei ConocoPhillips, der nicht herausgefunden hat, was diese Methode sein könnte.

Kürzlich hat Occidental Petroleum versucht, diese Frage mit einem Papier zu beantworten, in dem die Bewertung der Leistung von Reibungsminderern erörtert wird.

Es ist keine kurze Antwort. Das auf der Unconventional Resources Technology Conference (URTeC) gehaltene Papier enthält keine Namen der getesteten Produkte, keine Angaben dazu, wie viele in welcher Phase des Prozesses getestet wurden, oder Details, die die Leistungsträger identifizieren könnten (URTeC 5249).

Wer tiefer gräbt und Fracking-Experten befragt, wird erfahren, dass der beste Reibungsminderer von der jeweiligen Aufgabe abhängt. Und es erfordert Geld, Zeit und Forschung, um die Daten zu sammeln, die für eine fundierte Entscheidungsfindung erforderlich sind.

Als Occidental mit der Arbeit an einem System zur Bewertung von Reibungsminderern begann, stellten sie fest, dass kaum darüber geschrieben worden war, wie man das macht, sagte Nancy Zakhour, Leiterin des Bohrlochdesigns bei Occidental und Mitautorin des Papiers.

Es gab ein allgemeines Papier von Shell zur chemischen Bewertung von Bohrlöchern, aber sonst wenig. Das zeigt, dass sich Ölkonzerne bei der Durchführung von Leistungstests mittlerweile auf andere verlassen.

Das Schieferölgeschäft zeigte bis vor kurzem kein großes Interesse an der chemischen Leistung. Größere Aufmerksamkeit gilt den vielen Details, die die Leistung von Schieferbohrungen schrittweise verbessern können, und der Forschung, die zeigt, dass Reibungsreduzierer aufgrund chemischer Reaktionen in einigen Bohrungen eine schlechte Leistung erbringen.

Dies sind nicht die einzigen Zusatzstoffe, die während und nach der Frakturierung durch chemische Reaktionen beeinträchtigt werden können. Aber Reibungsminderer haben die meiste Aufmerksamkeit auf sich gezogen, weil sie eine Reihe wichtiger Aufgaben erfüllen.

„HVFRs holen das Beste aus herkömmlichen Reibungsminderern und gelierten Flüssigkeiten in einem einzigen und sauberen System heraus“, sagte Zakhour.

Occidental wählte Chemikalien für Labortests aus, indem es seine eigene Vorarbeit leistete und eine Datenbank aufbaute. Anschließend beauftragte das Unternehmen ein unabhängiges Labor mit der Durchführung von Tests, die es mit der Beratung eines Chemikers aus seinem Team entwickelte. Der ultimative Test basierte auf der Bruchleistung, die auf verschiedene Weise gemessen wurde, bezogen auf die Zeit und die Kosten, die erforderlich waren, um eine Stufe effektiv zu brechen, und auf die Produktivität dieses Abschnitts.

Occidental hat seine eigene Methode entwickelt, weil große Ölkonzerne vor Jahrzehnten aus dem Geschäft mit der chemischen Bewertung ausstiegen, als sie begannen, sich für Tests und Beratung auf Lieferanten zu verlassen.

Dieses Verhältnis hat sich in den letzten Jahren verändert. Erstens verließen sich einige Unternehmen im Schiefergeschäft nicht mehr auf Druckpumpenunternehmen, um die Chemikalien zu liefern, und begannen, direkt einzukaufen.

Unternehmen, die zunächst die Kontrolle über den Chemikalieneinkauf übernommen haben, um Kosten zu senken, stehen nun vor der Frage: Was ist auf der Grundlage der Leistung der beste Wert? Als Occidental mit dem Aufbau seiner Bewertungsdatenbank begann, entschied man sich, sich nicht allein auf Lieferanteninformationen zu verlassen.

Das Ziel des Prozesses bestehe darin, jegliche Voreingenommenheit zu beseitigen, indem ein unabhängiges Labor mit der Durchführung der von ihm ausgewählten Tests beauftragt werde, sagte Zakhour.

Der Aufbau einer Datenbank zur chemischen Leistung unter Verwendung von Lieferanteninformationen macht deutlich, dass die angebotenen Informationen unterschiedlich sind. Einige Details werden nicht offengelegt, da sie als geschützt gelten.

Oft sind die Inhaltsstoffe nicht aufgeführt und die angebotenen Leistungsangaben variieren in Menge und Qualität. Die für einen Leistungsvergleich zwischen Äpfeln erforderlichen Daten seien einfach nicht verfügbar, sagte Zakhour.

Auch die Angebotsseite sieht eine selektive Datenoffenlegung. „Es ist schwierig, Daten verschiedener Anbieter zu vergleichen“, sagte Brian Price, Vizepräsident für Technologie bei Rockwater Energy Solutions.

Andererseits gibt es keinen Industriestandard, der Lieferanten beim Testen anleitet. Und der ultimative Test besteht darin, wie sich der Reibungsminderer während der Frakturierung verhält, wofür es erforderlich ist, viele Details über das Frakturdesign und das Bohrloch zu kennen. Dies ist nicht die Art detaillierter Informationen, die Betreiber wahrscheinlich veröffentlichen werden.

Die Erstellung eines Standards erfordert eine Vereinbarung darüber, was gemessen werden soll. Laut Price konzentrieren sich die meisten Tests jetzt darauf, wie die Reibungsreduzierer die Frakturierungsleistung beeinflussen, und nicht auf die möglichen langfristigen Auswirkungen auf die Produktion, die schwer zu quantifizieren sind.

„Flüssigkeitskompatibilität und Formationskompatibilität werden übersehen, da die Hauptpunkte Pferdestärke, Volumen und Zeit bis zum Abschluss des Frackings sind“, sagte er.

Occidental begann seine Suche nach einem „bahnbrechenden“ HVFR mit dem Aufbau einer Datenbank, mit deren Hilfe die Anzahl der im Labor getesteten Flugzeuge eingegrenzt werden konnte.

Sie versuchten zwar, Verzerrungen zu vermeiden, indem sie sich auf Lieferantendaten stützten, schlossen sie jedoch nicht aus dem Bewertungsprozess aus. Zakhour sagte, Occidental habe „die Expertise des Anbieters genutzt“ bei Leistungsproblemen wie der Auswirkung der Gesamtmenge an gelösten Feststoffen (TDS).

Bei den Tests, die auf Anraten eines abendländischen Chemikers ausgewählt wurden, wurde beispielsweise die Zeit gemessen, die Sand benötigte, um sich in einer mit verschiedenen HVFRs verdickten Flüssigkeit abzusetzen. Sie testeten auch unterschiedliche Konzentrationen, um die optimale Anwendungsmenge zu ermitteln.

Bei anderen Tests wurde die Menge an Brecher gemessen, die erforderlich ist, um die Polymere in jedem Produkt in kleinere Moleküle zu zerteilen, wodurch das Risiko verringert wird, dass sie Probleme verursachen. Sie beobachteten auch die Leistung des Brechers bei unterschiedlichen Konzentrationen.

Das Ziel des Systems bestand darin, die beste Leistung bei unterschiedlichen Bohrlochbedingungen zu ermitteln. Beispielsweise muss ein Reibungsminderer, der mit produziertem Wasser mit hohem TDS-Gehalt verwendet wird, so formuliert sein, dass er dieser spezifischen Mischung standhält.

Bei Fertigstellungen, bei denen das gepumpte Wasser weniger anspruchsvoll ist, kann ein kostengünstigeres Additiv die beste Wahl sein, sofern nicht andere lagerstättenbezogene Variablen den Vorzug geben.

Die Auswahl der chemischen Stoffe hängt vom beim Fracking verwendeten Wasser ab, da ein Großteil davon aus Schieferbrunnen stammt.

Unternehmen bereiten das Wasser auf, um Feststoffe herauszufiltern und Bakterien abzutöten. Sie hinterlassen jedoch die gelösten Feststoffe, die hauptsächlich aus dem bestehen, was allgemein als Salz bekannt ist – Natriumchlorid – und anderen Salzen, die reaktive Elemente wie Kalzium, Eisen oder Barium enthalten. Die verfügbaren Methoden zu ihrer Entfernung sind kostspielig und die Entsorgung dieser Feststoffe ist ein Problem.

Es ist seit langem bekannt, dass Flüssigkeiten mit hohem TDS die Leistung einiger Reibungsminderer beeinträchtigen. Es gibt immer mehr Forschungsarbeiten, die untersuchen, was mit Polymeren in Reibungsminderern passiert, wenn ein negativ geladenes Additiv (ein Anion) mit einem positiv geladenen Ion (einem Kation) wie Eisen, Kalzium oder Magnesium reagiert.

„Wenn ein anionischer Reibungsverminderer auf ein Kation wie Eisen trifft, verwickeln sich die Polymere im Additiv und wickeln sich zusammen“, sagte Lauren Burrows, wissenschaftliche Mitarbeiterin am National Energy Technology Laboratory (NETL) in Pittsburgh, Pennsylvania.

„Reibungsminderer funktionieren am besten, wenn die Polymere in Fließrichtung gestreckt sind, sodass verwickelte und aufgerollte Reibungsminderer ihre Aufgabe nicht besonders gut erfüllen. Wenn dieser Verwirrungsprozess in einem extremen Ausmaß auftritt, bilden sich oft halbfeste Amalgame von reibungsmindernden Polymeren sogenannte „Gummibärchen“ – können sich entwickeln“, sagte Burrows.

Die bekanntesten Beispiele für Gummibärchen wurden in Oklahoma gefunden, wo ein URTeC-Papier (URTeC 2487) ergab, dass sie wahrscheinlich auf Wechselwirkungen zwischen einem Reibungsminderer und Eisen im Bohrloch zurückzuführen sind. Seit der Veröffentlichung des Papiers im Jahr 2020 wurden an einigen anderen Orten Gummibärchen beobachtet (JPT-Bericht 2020).

Beispielsweise fragte der technische Vertriebsleiter bei Reliance Well Services NETL, warum Kunden in den beiden Feldern, in denen sie auftraten, schwarzen Schmutz aus drei von mehr als 100 Bohrlöchern gefunden hätten.

Das Labor erhielt Proben des Schmutzes, schloss jedoch eine Untersuchung aus, da diese teure Laborgeräte auf die gleiche Weise beschädigen könnten, wie sie Drosselventile verstopfen.

Stattdessen forderten sie Proben der beiden in den Problembrunnen verwendeten Reibungsminderer an und gaben dann eine kleine Menge davon in ein Becherglas mit Eisen und entionisiertem Wasser, um die chemischen Variablen streng zu begrenzen. Das Ergebnis: Es habe sich nichts geändert, sagte Burrows, der mit Derek Hina, dem technischen Vertriebsleiter von Reliance, zusammenarbeitete.

Als sie jedoch Leitungswasser ersetzten, gelierte der Reibungsverminderer. Dieses Wasser wurde, ebenso wie das in den Brunnen verwendete Süßwasser, in einem Gebiet gefördert, in dem häufig hartes Wasser vorkommt. Burrows sagte, sie würden versuchen herauszufinden, was zu dieser Reaktion beigetragen habe.

Seltsamerweise handelte es sich bei den verwendeten Reibungsverminderern um solche, die normalerweise nicht auf Eisen reagieren würden, da sie und das Metall beide positiv verändert werden, was sie kationisch macht.

Chevron berichtete kürzlich über einen ähnlichen Test, bei dem Reibungsminderer einer Salzlösung mit reaktiven Ionen wie Kalzium, Strontium, Barium und Eisen in einer leicht sauren Flüssigkeit ausgesetzt wurden (URTeC 5170).

Von den vier getesteten Zusatzstoffen reagierten drei mit dem Eisen und bildeten entweder Partikel oder eine klebrige Substanz.

Der stabile Überlebende in Runde eins war nichtionisch – er hatte keine Ladung, wodurch es weniger wahrscheinlich war, dass er mit einem positiv geladenen Ion wie Eisen interagierte.

In dem Papier heißt es, dass die Ladung der anderen getesteten Reibungsminderer als „nicht bekannt“ aufgeführt wurde, da sie in der Datenbank als proprietär gekennzeichnet war. Diese Lücke in den Daten macht es schwierig, die Ergebnisse zu beurteilen.

Abhängig von der Ladung der drei Additive, deren anionischer oder kationischer Status unbekannt war, könnte dies darauf hindeuten, dass die meisten Reibungsverminderer wahrscheinlich zusammenbrechen, wenn sie diesen Bedingungen ausgesetzt werden, oder dass es sich einfach um drei Produkte handelt, die für die Chemie schlecht geeignet sind.

Wie in dem Artikel erläutert, reagieren diese Reibungsverminderer, wenn sie negativ geladen (anionisch) sind, wahrscheinlich auf ein positiv geladenes Ion wie Eisen, was sie zu einer schlechten Wahl in einem Bohrloch macht, in dem die Wasserchemie solche Reaktionen wahrscheinlich macht.

In solchen Situationen wird häufig ein teurerer, positiv geladener (kationischer) Reibungsminderer verwendet, da chemische Reaktionen zwischen Molekülen mit derselben Ladung weniger wahrscheinlich sind.

Die aufgeworfenen Fragen zeigen die Unsicherheit, mit der diejenigen konfrontiert sind, die Reibungsminderer kaufen, ohne über deren Zusammensetzung Bescheid zu wissen.

Als es Zeit für die abschließenden Bewertungen von Occidental war, basierte die Leistung auf einer Kostenanalyse der Leistung der Reibungsminderer beim Brechen, einschließlich der Produktionsleistung. Die Ergebnisse wurden mit der Leistung eines Basisdesigns verglichen, bei dem entweder ein herkömmlicher Reibungsminderer oder ein lineares Gelsystem verwendet wurde.

Durch Labortests wurde das Feld auf einige wenige Produkte eingegrenzt, die für In-Well-Tests ausgewählt wurden.

Jeder von ihnen, der den Durchbruch schaffte, wurde in einem Bohrlochtest gepumpt, beginnend mit einigen Stufen in einem Bohrloch, wo die Leistung mit anderen Optionen und einem Basis-Reibungsminderer verglichen wurde. Alle anderen Variablen des Abschlussdesigns blieben gleich, um sicherzustellen, dass sie die Ergebnisse nicht beeinflussten. Die fortgeschrittenen Produkte wurden schließlich in Vollbrunnentests eingesetzt, die dann mit Brunnen verglichen wurden, die ein Basisdesign verwendeten.

Die Gewinner wurden anhand von Kriterien ausgewählt, die den Zeit- und Kostenaufwand einer effektiven Arbeit bestimmen: Reibungsreduzierung und PS-Verbrauch, verwendete Wassermenge und die für die Stimulierung jeder Phase erforderliche Zeit.

Die Fähigkeit eines HVFR, höhere Proppant-Konzentrationen zu transportieren, sei eine entscheidende Maßnahme, da sie die größten Effizienzsteigerungen und Einsparungen mit sich bringe, sagte Zakhour.

Die Produktionsergebnisse der besten Picks waren unterschiedlich. In einer Fallstudie mit HVFR konnten die Kosten für die Fertigstellung eines Bohrlochs, das etwa 37 % mehr Flüssigkeiten produzierte, erheblich gesenkt werden.

In einem zweiten Fall produzierte ein Brunnen, der mit der gewählten HVFR-Option gepumpt wurde, 15 % weniger Gesamtflüssigkeit als ein Slickwater-Brunnen, aber in der Arbeit wurde festgestellt, dass der Wert der eingesparten Zeit und des Wassers den Wert der Produktionsdifferenz überstieg.

Das Testprogramm wurde auch verwendet, um zu bestimmen, wie viel von jedem Produkt für die Frakturierung verwendet werden sollte. In dem Papier wurde darauf hingewiesen, dass Auftragnehmer manchmal mehr als die empfohlene Menge an Reibungsminderer pumpen, um sicherzustellen, dass die Arbeit reibungslos verläuft, was die Kosten der Arbeit erhöht.

Die Überwachung der Abschlusspraktiken gehört zu den langfristigen Bemühungen, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die aus dem Testprogramm gewonnenen Erkenntnisse angewendet werden, und um weiterhin nach Möglichkeiten zu suchen, die Ergebnisse schrittweise zu verbessern.

Der Wert des Gelernten wird davon abhängen, wie es in der Zukunft genutzt wird, was organisatorische Unterstützung von Abteilungen erfordert, die von Fertigstellungsingenieuren und Vermögensverwaltern bis hin zu Einkauf und Logistik reichen.

Das Projektteam rekrutierte einen Lenkungsausschuss und Sponsoren innerhalb von Occidental, um bei der Bewältigung von „Engpässen, Widerständen und der Bewältigung von Erwartungen“ zu helfen, heißt es in dem Papier.

„Wenn Sie diese Anstrengungen nicht unternehmen, kann jeder einzelne davon den Erfolg des Projekts behindern“, sagte Zakhour.

Asset-Teams wählen Reibungsminderer danach aus, welche der besten Optionen die Bedingungen eines Bohrlochpads erfüllt. Im Laufe der Zeit können weitere Tests durchgeführt werden, wenn sich die Bohrlochparameter ändern oder neue Produkte auf den Markt kommen.

„Die Entscheidung ist geografisch und formationsspezifisch“, sagte Zakhour. Sogar Vertragsbedingungen können den finanziellen Wert unterschiedlicher HVFR-Leistungen für verschiedene Betreiber beeinflussen.

ConocoPhillips verfügt zwar nicht über ein formelles System zur Bewertung von Reibungsminderern, führt jedoch einige Leistungstests vor Ort durch, sagte Carman.

Fertigstellungsingenieure mit vielversprechenden Mustern von Lieferanten führen manchmal Vergleiche auf Stufenebene durch. „Um zu wissen, wie gut es funktionieren wird, müssen sie es rausbringen und ihre technischen Fähigkeiten einsetzen, um einen Abwärtstest durchzuführen“, sagte Carman.

Der Test verwendet eine Reihe von Druckreduzierungen, um die Leitfähigkeit von Brüchen in der Nähe des Bohrlochs nach der Frakturierung zu bestimmen.

Er warnte davor, dass die beste Wahl heute möglicherweise in ein paar Monaten nicht mehr so ​​sein werde, da sich die Qualität des Frakturierungswassers häufig ändert. „In vielen Fällen bekommen wir nicht immer gleichmäßig Wasser“, sagte Carman.

URTeC 5249 Hochviskoser Reibungsreduzierer – Prüfung, Erprobung und Anwendungsworkflow: Eine Fallstudie zum Perm-Becken von N. Zakhour, S. Esmaili, J. Ortiz und J. Deng, Occidental.

URTeC 5170 Einfluss der Bruchleitfähigkeit auf die Produktion: Wie viel Stützmittel benötigen wir wirklich in unkonventionellen Lagerstätten? von S. Naik und A. Singh, Chevron Corp.

SPE 106162 Erfolgreiche Brecheroptimierung für Polyacrylamid-Reibungsreduzierer, die beim Slickwater-Fracturing verwendet werden, von PS Carman und KE Cawiezel, BJ Services Co.

SPE 166471 Vergleich des Einflusses des pH-Werts der Frakturflüssigkeitszusammensetzung auf die Frakturwandeigenschaften in verschiedenen Schieferbildungsproben von RF LaFollette und PS Carman, Baker Hughes.

Die Lösung des Gummibärchen-Rätsels könnte zu einer größeren Schieferproduktion führen von Stephen Rassenfoss, J Pet Technol.

Können Fracking-Chemikalien die Produktion beeinträchtigen? Es gibt einige gute Gründe, dies zu glauben von Stephen Rassenfoss, J Pet Technol.