De viscositeit van de vloeistof die wordt gebruikt voor het fracken van gesteente bepaalt de benodigde hydraulische fracturing-druk voor het ontstaan van breuken en stuurt de voortplanting van breuken in gesteente. Nauwkeurige meting en controle van de vloeistofviscositeit zijn cruciaal voor het optimaliseren van de breukgeometrie, het bevorderen van de ontwikkeling van gebogen breuken en het garanderen van een uniforme zuurverdeling langs de breukvlakken. Het kiezen van de juiste viscositeit voorkomt overmatige lekkage van vloeistof in de formatie en verbetert de zuuretsing voor breukverbetering, wat uiteindelijk de mate van vergroting van breuken door zuur beïnvloedt en een effectievere optimalisatie van het drainagegebied van het oliereservoir mogelijk maakt.
Hoofddoel van zuurfractureringsvloeistof
Behandelingen met zuurfrackingvloeistof zijnessential inreservoirstimulatieofSchalieformaties worden gekenmerkt door een lage porositeit en lage permeabiliteit. Het primaire doel is om natuurlijke doorstromingsbarrières te overwinnen en de koolwaterstofwinning te verbeteren door geleidende paden te creëren in dichte gesteentematrices. Zuurfracturering bereikt dit via een dubbel mechanisme: het vormen van breuken door injectie van zuur onder druk, en vervolgens het vergroten en etsen van deze breuken door gecontroleerde reacties tussen zuur en gesteente. Dit vergroot het drainagegebied van het oliereservoir en verbetert de productiviteit van zones die voorheen werden belemmerd door beschadiging van de formatie of onvoldoende permeabiliteit.
Een andere uitdaging is het afstemmen van de samenstelling van de hydraulische fracturingvloeistof op de lithologie en de mechanische eigenschappen van het beoogde reservoir. Het reactiemechanisme en de reactiesnelheid van zuur in het gesteente variëren aanzienlijk met de mineralogie, de druk, de temperatuur en het gebruik van additieven in de hydraulische fracturingvloeistof. Dit heeft niet alleen invloed op de snelheid en de aard van de etsing, maar ook op het risico van blokkering van de formatie, zwelling van klei of ongunstige geochemische interacties. Al deze factoren kunnen de breukgeleidbaarheid verminderen en de productiewinst op lange termijn beperken.
Schalieoliereservoir
*
Basisprincipes van zuurfracturering in schalieoliereservoirs
Mechanismen voor het ontstaan van fracturen
Het creëren van breuken in dichte schalieoliereservoirs is afhankelijk van het overwinnen van hoge in-situ spanningen en de gesteentesterkte door middel van hydraulische of zure fracturing. In deze omgevingen met lage permeabiliteit bestaan er zelden grootschalige paden voor oliestroming. Het principe berust op het injecteren van een zure fracturingvloeistof onder voldoende druk om de doorbraakdruk van hydraulische fracturing te overschrijden – de minimale druk die nodig is om scheuren in de gesteentematrix te initiëren. Dit proces berust direct op fundamentele gesteentemechanica: zodra de toegepaste druk de doorbraakdrempel overschrijdt, vormen zich nieuwe breuken, meestal langs de paden van de laagste weerstand, bepaald door gelaagde structuren, natuurlijke breuken en mechanische anisotropie binnen het gesteente.
De breukdruk varieert met het gesteentetype en de gebruikte breukvloeistof. Studies tonen aan dat vloeistoffen zoals CO₂ hogere breukdrukken en complexere breuknetwerken creëren in vergelijking met H₂O of N₂. De mechanica is ook afhankelijk van de treksterkte van de formatie, de elasticiteitsmodulus en de aanwezigheid van zwakke vlakken. De theorie van de kritische afstand – gebaseerd op laboratorium- en veldproeven – modelleert de benodigde breukinitiatiedruk als functie van de spanningsintensiteit aan de scheurpunt, en voorspelt waar en wanneer onstabiele breukuitbreiding zal optreden.
De complexiteit van het gecreëerde breukennetwerk wordt verder vergroot door de breukgroei langs gebogen lijnen in plaats van rechte vlakken te sturen. Deze aanpak verhoogt het gestimuleerde reservoirvolume. Technieken zoals cyclische drukschokfracturering induceren drukpulsaties, wat leidt tot herhaalde initiatie en samensmelting van breuken die zich vertakken en buigen, waardoor lithologische barrières en laminatieheterogeniteit efficiënt worden omzeild. Complexe, meervoudig vertakte breuken die op deze manier ontstaan, maximaliseren het drainagegebied en verbeteren de toegang tot voorheen geïsoleerde koolwaterstoffen.
Het ontstaan van breuken hangt ook af van de integratie van geologische omstandigheden en operationele beheersmaatregelen. Geologische factoren – zoals spanningsregime, stratificatie, mineralogie en de aanwezigheid van zwakke lagen – bepalen de paden die breuken kunnen volgen. Technische aanpassingen, waaronder de samenstelling van de breukvloeistof en dynamisch drukbeheer, maken het mogelijk om netwerken te ontwerpen die het beste aansluiten bij de natuurlijke eigenschappen van het reservoir.
Reservoirkenmerken die van invloed zijn op zuurfracturering
Lage permeabiliteit en lage porositeit zijn bepalende kenmerken van schalieoliereservoirs. Beide eigenschappen beperken de natuurlijke vloeistofstroom, waardoor efficiënte breukvoortplanting cruciaal is voor de productie. In systemen met een zeer dichte matrix moeten geïnduceerde breuken voldoende uitgebreid zijn om verbinding te maken met bestaande poriënnetwerken of microbreuken. De vergroting van breuken door zuur is echter vaak ongelijkmatig vanwege de heterogeniteit in gesteentesamenstelling, mineralogie en textuur.
Porositeit en permeabiliteit bepalen de lekkage van vloeistof en het transport van zuren. In gesteenten met een slechte poriënstructuur of beperkte onderlinge microbreuken is de lekkage van zuren beperkt, waardoor etsen met zuur bij hydraulische fracturing minder effectief is. Waar natuurlijke sijpelingskanalen ontbreken of sterk kronkelig zijn, worden technieken om de kanaalconnectiviteit te verbeteren essentieel. Oplossingen voor slechte natuurlijke sijpelingskanalen kunnen bestaan uit herhaalde fracturingcycli, het gebruik van omleidingsbuizen of hybride behandelingssequenties.
De heterogeniteit van het gesteente – de verschillende lagen, breukdichtheden en mineraalverdelingen – creëert voorkeurspaden voor zowel breukvoortplanting als lekkage. Het reactiemechanisme en de reactiesnelheid van zuur in het gesteente variëren in het reservoir, vooral in de buurt van grensvlakken tussen contrasterende gesteentetypen. Waar zuur in contact komt met carbonaatrijke lagen, kan een snelle reactie leiden tot ongelijke breukbreedtes en vertakte breukpatronen. Dit kan de connectiviteit bevorderen of belemmeren, afhankelijk van de ruimtelijke heterogeniteit.
Vloeistoflekkage is een andere uitdaging in heterogeen gebroken schaliegesteente. Hoge lekkage in zones met verhoogde porositeit of open breuken kan de effectieve uitbreiding van de belangrijkste geïnduceerde breuken beperken. Omgekeerd kunnen zones met lage lekkage de zuurpenetratie en de daaropvolgende vergroting van het breuknetwerk belemmeren. De samenstelling van de breukvloeistoffen – inclusief het gebruik van gegelatineerde of verknoopte zuren en vloeistofadditieven die zijn afgestemd op het gesteentetype – heeft een directe invloed op deze resultaten, waardoor operators de permeabiliteit van gesteente met lage porositeit kunnen verbeteren en het drainagegebied van het oliereservoir kunnen optimaliseren.
Effectieve stimulatie in deze complexe omgevingen vereist een dubbele focus: nauwkeurige controle van de breukmechanica en gerichte verbetering van de transporteigenschappen van het gesteente door middel van een weloverwogen formulering en toepassing van hydraulische fracturingvloeistof. Zuuretsen voor breukverbetering, gecontroleerde lekkage en fracturing langs gebogen trajecten zijn essentieel om de inherente barrières te overwinnen die worden gevormd door de lage permeabiliteit en de slechte natuurlijke connectiviteit in schalieoliereservoirs.
Zuurfractureringsvloeistof: samenstelling, viscositeit en prestaties
Bestanddelen en samenstelling van vloeistoffen voor zuurfracturering
De formulering van breukvloeistoffen met zuur is gericht op het optimaliseren van chemische systemen om de breukgeleidbaarheid en de oliewinning te maximaliseren. Het meest gebruikte zuursysteem is zoutzuur (HCl), doorgaans in concentraties van 5% tot 28%, gekozen op basis van de lithologie van het reservoir en de behandelingsdoelstellingen. Andere zuren zijn onder meer organische zuren zoals azijnzuur of mierenzuur voor zachtere oftemperatuurgevoelige formatiesMengsels of gefaseerde zuursystemen kunnen worden ingezet om de verschillende reactiviteiten gedurende het behandelingsinterval te benutten.
Essentiële additieven vergezellen het zuur. Corrosieremmers, intensifiers, ijzerbeheersingsmiddelen en niet-emulgatoren beschermen de buizen, verminderen neerslagvorming en onderdrukken emulsievorming. Synthetische polymeren worden steeds vaker als verdikkingsmiddelen gebruikt – vaak gedeeltelijk gehydrolyseerd polyacrylamide (HPAM) of nieuwe copolymeren – om de viscositeit te verhogen voor een betere zuurplaatsing, proppantsuspensie en lekbeheersing. Oppervlakteactieve stoffen, zowel anionisch (bijv. natriumdodecylsulfaat) als niet-ionisch (bijv. geëthoxyleerde alcoholen), zijn cruciaal voor het stabiliseren van schuimsystemen, het verbeteren van de bevochtigingsverandering en het verlagen van de oppervlaktespanning voor een effectiever contact tussen gesteente en zuur.
Lekkage en residubeheer zijn essentieel. Additieven die vloeistofverlies tegengaan, zoals op zetmeel gebaseerde of geavanceerde synthetische polymeren, verminderen de indringing in de matrix, waardoor het zuur binnen de breuken blijft. Afbrekers – oxidatief (bijv. persulfaat) of enzymatisch – worden ingezet om verdikkingsmiddelen na de behandeling af te breken, waardoor het risico op residu en daaropvolgende schade aan de formatie wordt verminderd. Interacties met geproduceerd water of afbrekers bij te lage temperaturen kunnen echter leiden tot secundaire mineraalprecipitatie zoals bariet, wat zorgvuldige controles op de systeemcompatibiliteit vereist.
Voorbeelden van progressieve formuleringen zijn:
- Vertraagde zuursystemen: gebruik van oppervlakteactieve polymeergels om zuur-gesteentereacties te vertragen voor diepere penetratie in dichte carbonaatlagen.
- Hittebestendige, zouttolerante polymeren (bijv. P3A synthetische copolymeren) voor een stabiele viscositeit en minimale resten in diepe putten.
- Groene chemie, met de toevoeging van L-ascorbinezuur, waardoor de viscositeit behouden blijft en antioxidante bescherming wordt geboden tot 150 °C zonder schadelijke bijproducten in het milieu.
Viscositeitsmeting en het belang ervan bij zuurfracturering
Een nauwkeurige meting van de viscositeit van de vloeistof die gebruikt wordt bij zuurfracturering vereisthogedruk, hogetemperatuur (HPHT) viscometersGeschikt voor het simuleren van spannings- en temperatuurprofielen in boorgaten. Belangrijke technieken zijn onder meer:
- Rotatieviscometers voor het bepalen van de basisviscositeit.
- HPHT-viscometers voor geavanceerde protocollen, voor het beoordelen van visco-elastisch gedrag onder cyclische thermische of drukbelastingen.
Het belang van viscositeit is veelzijdig:
- Etsingspatronen en breukvergrotingEen zuur met een lagere viscositeit leidt tot meer dominante wormgat- of putjesetspatronen; een hogere viscositeit bevordert de ontwikkeling van bredere, meer uniforme kanalen, wat direct van invloed is op de breukgeleidbaarheid en het potentieel voor breukvergroting. Het verhogen van de verdikkingsmiddelconcentratie resulteert bijvoorbeeld in een groter geëtst gebied en complexere breukgroei, zoals veld- en kleurstofonderzoek in het laboratorium bevestigt.
- Toegankelijkheid en verspreiding van breukenViskeuze vloeistoffen zorgen voor een betere controle over de plaatsing van zuur, bevorderen de zuurpenetratie in secundaire natuurlijke breuken en maximaliseren het drainagegebied van het oliereservoir. Kwantitatieve beoordeling met behulp van geleidbaarheidsmetingen na het etsen koppelt hogere viscositeiten aan meer verspreide en persistente geleidende breuknetwerken, wat correleert met hogere productiesnelheden.
In bijvoorbeeld het carbonaatrijke Marcellus-schaliegesteente leidt het gebruik van zelfgenererende of verknoopte zuursystemen – waarbij de dynamische viscositeit zelfs bij reservoirtemperaturen behouden blijft – tot een minstens 20-30% hogere breukcomplexiteit en drainagedekking in vergelijking met ongemodificeerd HCl.
Zuur-gesteente reactie bij zuurfracturering
*
Kinetiek van zuur-gesteentereacties en hun relatie tot viscositeit
Het reactiemechanisme tussen zuur en gesteente wordt sterk beïnvloed door de viscositeit van de vloeistof. Klassieke zuursystemen reageren snel met carbonaatmineralen, waardoor de oplossing zich concentreert nabij de boorgatwand en de penetratiediepte wordt beperkt. Vertraagde zuursystemen, die gebruikmaken van visco-elastische oppervlakteactieve stoffen of polymeer-zuuremulsies, verminderen de diffusiesnelheid van waterstofionen, waardoor de algehele reactiesnelheid tussen zuur en gesteente afneemt. Hierdoor kan het zuur dieper doordringen in formaties met een lage permeabiliteit of lage porositeit voordat het is uitgewerkt, wat bredere etsing en langere breuken bevordert.
De reactiesnelheid kan worden gemoduleerd door:
- Het aanpassen van de verhouding tussen oppervlakteactieve stof en polymeer om de zuurdiffusie nauwkeurig af te stemmen.
- Sequentiële verzuring – het afwisselen van vertraagde en regelmatige zuurinjecties – zorgt voor een evenwicht tussen etsing nabij de boorgatwand en diepe formatie-etsing, zoals blijkt uit experimenten met sequentiële injectie waarbij afwisselende zuursystemen een gegradeerde etsing en verbeterde reservoirstimulatie opleveren.
Synergetische effecten ontstaan door combinaties:
- Polymeren in combinatie met niet-ionische oppervlakteactieve stoffen zorgen voor een robuuste verdikking en verhogen de thermische en zoutbestendigheid, zoals bevestigd door evaluatie van de reologische eigenschappen en het vermogen om zand mee te voeren onder gesimuleerde reservoiromstandigheden.
- Alkali-surfactant-polymeer (ASP)-mengsels en nanocomposietsystemen (bijvoorbeeld grafeenoxide-polymeer) verbeteren zowel de snelheidsbepalende viscositeit als de stabiliteit van het zuur, terwijl ze ook bijdragen aan profielcontrole en de verwijdering van resterend zuur. Dit is cruciaal voor het optimaliseren van zuurfracturering in heterogene natuurlijke sijpelingskanalen en voor het verbeteren van de winning uit formaties met een lage permeabiliteit of lage porositeit.
Micro-modellen van glas en kernstroomproeven bevestigen dat deze op maat gemaakte formuleringen de contacttijd van het zuur verlengen, de reactie met mineralen vertragen, het geëtste oppervlak vergroten en uiteindelijk de drainage van het oliereservoir verbeteren. Dit illustreert de praktische relatie tussen de samenstelling van de fracturatievloeistof, de viscositeit, de reactiekinetiek tussen zuur en gesteente en de algehele efficiëntie van de reservoirstimulatie.
Invloed van breukgeometrie op zuurpenetratie en -effectiviteit
De geometrie van de breuk – met name de lengte, breedte (opening) en ruimtelijke verdeling – is cruciaal voor de zuurpenetratie en daarmee voor de effectiviteit van zuurfracturering. Lange, brede breuken bevorderen een uitgebreide zuurverspreiding, maar de efficiëntie kan afnemen door zuurdoorbraak, waarbij ongebruikt zuur snel de breukpunt bereikt zonder volledig te reageren. Variatie in de opening, vooral bij gekanaliseerde of ruwwandige breuken die ontstaan door ongelijkmatige etsing, bevordert een grotere penetratie door voorkeurspaden te creëren en vroegtijdig zuurverlies te verminderen.
- Variabiliteit van de opening:Door zuuretsing ontstane kanaalvormige oppervlakken behouden hun geleidbaarheid onder spanning en bieden voorkeursroutes voor zuurtransport.
- Ruimtelijke plaatsing:Breuken dicht bij de boorgatwand zorgen voor een gelijkmatigere zuurverdeling, terwijl verder weg gelegen of sterk vertakte breuken baat hebben bij gefaseerde zuurinjectie of afwisselende injecties van zure en neutrale vloeistof.
- Injectie in meerdere fasen:Het afwisselen van zuur en afstandhoudende vloeistoffen kan het etsen langs uitgebreide breukvlakken herstellen, wat leidt tot een diepere penetratie en een effectievere vergroting van natuurlijke en geïnduceerde breuken.
Veld- en laboratoriumonderzoek met behulp van micro-CT-scanning en numerieke modellering tonen aan dat geometrische complexiteit en ruwheid zowel de reactiesnelheid van zuur in het gesteente als de uiteindelijke mate van permeabiliteitsverbetering bepalen. Een goed ontwerp voor zuurfracturering stemt de eigenschappen van het zuursysteem en de injectieschema's optimaal af op de specifieke breukgeometrie van het reservoir, waardoor maximale en duurzame breukgeleidbaarheid en verbeterde oliewinning worden gegarandeerd.
Optimalisatiestrategieën voor effectieve zuurfracturering
Keuze van zuursystemen en additieven
Het optimaliseren van zuurfracturering is sterk afhankelijk van de keuze van het juiste zuursysteem. Vertraagde zuursystemen, zoals gegelatineerde of geëmulgeerde zuren, zijn zo samengesteld dat ze de reactiesnelheid tussen het zuur en het gesteente vertragen. Dit maakt een diepere penetratie langs de breuk en een gelijkmatigere zuuretsing mogelijk. Conventionele zuursystemen – doorgaans ongemodificeerd zoutzuur – reageren daarentegen snel, waardoor de penetratiediepte van het zuur vaak beperkt wordt en de uitbreiding van de breuk wordt belemmerd, met name in carbonaat- en hogetemperatuurschaliegesteente. Recente ontwikkelingen omvatten vaste zuursystemen, speciaal ontwikkeld voor reservoirs met ultrahoge temperaturen, die de reactiesnelheid verder vertragen, waardoor corrosie wordt verminderd en de effectiviteit wordt verhoogd door een langere zuurwerking en verbeterde gesteenteoplossing.
Bij het vergelijken van systemen met een verstandelijke beperking met conventionele systemen:
- Vertraagde zurenDeze zuren hebben de voorkeur in formaties waar een snelle zuuruitputting nabij de boorgatwand het bereik en de uniformiteit van de behandeling vermindert. Het is aangetoond dat deze zuren een betere vergroting van breuken door zuur bevorderen en de geleidbaarheid na de breuk en het oliedrainagegebied verbeteren.
- Conventionele zurenKan volstaan voor oppervlakkige behandelingen of zeer doorlatende zones waar een snelle reactie en minimale penetratie acceptabel zijn.
De keuze van viscositeitsmodificatoren – zoals visco-elastische oppervlakteactieve stoffen (VCA-systemen) of polymeergebaseerde geleermiddelen – hangt af van reservoirspecifieke factoren:
- De temperatuur en mineralogie van het reservoir bepalen de chemische stabiliteit en de werking van viscositeitsverbeteraars.
- Voor toepassingen bij hoge temperaturen zijn thermisch stabiele gelbrekers, zoals ingekapselde oxidatiemiddelen of zuuretscapsules, nodig om de afbraak van gestold zuur en een efficiënte nabewerking te garanderen.
- Het schijnbare viscositeitsprofiel moet zodanig worden aangepast dat de zuurfractureringsvloeistof zijn functie behoudt.voldoende viscositeitTijdens het pompen (waardoor de breukbreedte en de proppantsuspensie worden vergroot), maar kan volledig worden afgebroken door gelbrekers voor een effectieve terugstroom.
De juiste keuze van additieven minimaliseert schade aan de formatie, zorgt voor effectieve zuuretsing ter verbetering van de breukvorming en maximaliseert de verbetering in reservoirs met lage permeabiliteit en lage porositeit. Recente veldtoepassingen tonen aan dat op VCA gebaseerde formuleringen voor zuurfractureringsvloeistoffen, met zorgvuldig geselecteerde gelbrekers, een betere reiniging, minder vloeistofverlies en een verbeterde reservoirstimulatie opleveren in vergelijking met traditionele systemen.
Operationele parameters die het succes van zuurstimulatie beïnvloeden
De operationele controle tijdens zuurfracturering heeft een drastische invloed op de resultaten. Belangrijke operationele parameters zijn onder andere de pompsnelheid, het geïnjecteerde zuurvolume en het beheer van het drukprofiel.
- PompsnelheidBepaalt de voortplantingssnelheid en -geometrie van breuken. Een hogere snelheid bevordert een diepere zuurpenetratie en een langdurige interactie tussen zuur en gesteente, maar moet in evenwicht worden gehouden om voortijdige zuuruitputting of ongecontroleerde breukgroei te voorkomen.
- Volume van de zuurinjectieDit beïnvloedt de lengte en breedte van door zuur geëtste breuken. Grotere volumes zijn over het algemeen nodig voor formaties met een lage permeabiliteit, hoewel het optimaliseren van het zuurvolume in combinatie met viscositeitsmodificatoren het onnodige chemicaliëngebruik kan verminderen en tegelijkertijd de geleidbaarheid kan behouden.
- DrukregelingDoor realtime manipulatie van de bodemdruk en de oppervlaktedruk blijft de breuk open, wordt vloeistofverlies opgevangen en wordt de zuurinjectie gericht langs de beoogde breukzones.
In de praktijk is gebleken dat gefaseerde of afwisselende zuurinjectieschema's – waarbij zuursoorten of viscositeiten worden afgewisseld – de kanaalvorming verbeteren, de ontwikkeling van gebogen breuken bevorderen en het drainagegebied van het oliereservoir optimaliseren. Zo kan een tweefasige, afwisselende zuurinjectie diepere, beter geleidende kanalen creëren, waarmee zowel in laboratorium- als veldomstandigheden betere resultaten worden behaald dan eenfasige methoden.
Het afstemmen van verzuringstechnieken op de heterogeniteit van het reservoir is essentieel. In schaliegasreservoirs met variabele mineralogie en natuurlijke breuken worden voorspellende modellen en realtime monitoring gebruikt om de timing en volgorde van injecties te bepalen. Aanpassingen op basis van breukkenmerken (bijv. oriëntatie, connectiviteit, verbetering van natuurlijke doorstroomkanalen) stellen operators in staat operationele parameters nauwkeurig af te stemmen voor maximale stimulatie en minimale schade aan de formatie.
Voorspellende modellering en data-integratie
Moderne zuurfractureringstechnieken integreren nu voorspellende modellen die operationele parameters, eigenschappen van de zuurfractureringsvloeistof en de geleidbaarheid na de fracturering met elkaar in verband brengen. Geavanceerde modellen houden rekening met:
- Reactiemechanisme en reactiesnelheid van zure gesteentereactieswaarbij wordt vastgelegd hoe de zuurmorfologie en het etsen zich ontwikkelen onder veldomstandigheden.
- Reservoirspecifieke factorenzoals porositeit en permeabiliteit, mineralogische heterogeniteit en reeds bestaande breuknetwerken.
Deze modellen maken gebruik van empirische gegevens, laboratoriumresultaten en machine learning om te voorspellen hoe veranderingen in viscositeit, pompdebieten, zuurconcentratie en thermische profielen van invloed zijn op de technieken voor het creëren van breuken bij hydraulische fracturing en op de optimalisatie van het drainagegebied van reservoirs op de lange termijn.
Belangrijke richtlijnen voor het afstemmen van veldbeperkingen en operationeel ontwerp zijn onder meer:
- De viscositeit en zuursamenstelling worden gekozen op basis van de verwachte reactiekinetiek tussen zuur en gesteente, het verwachte temperatuurprofiel en de doelstellingen van de voltooiing (bijvoorbeeld het maximaliseren van de permeabiliteit van gesteente met een lage porositeit of het oplossen van problemen met slechte natuurlijke kwelkanalen).
- Door middel van datagestuurde methoden worden de injectieschema's voor zuur, de pompsnelheden en de dosering van de breekmiddelen dynamisch aangepast, waardoor zowel de breukgrootte als het herstel na de behandeling worden geoptimaliseerd.
Voorbeelden uit recente veldproeven tonen aan dat deze voorspellende technieken de geleidbaarheid na de breuk verhogen en de voorspellingen voor de olieproductie verbeteren, waardoor effectievere en betrouwbaardere zuurbreukstrategieën mogelijk worden in complexe schalie- en carbonaatreservoirs.
Uitbreiding van het oliewinningsgebied en behoud van de breukgeleidbaarheid
Verwijdering van blokkades in de formatie en verbetering van de connectiviteit
Zuuretsing is een belangrijk mechanisme bij de toepassing van zure frackingvloeistoffen om de uitdaging van blokkades in schaliegesteente, zoals condensatie en minerale afzettingen, te overwinnen. Wanneer zuur – meestal zoutzuur (HCl) – wordt geïnjecteerd, reageert het met reactieve mineralen zoals calciet en dolomiet. Dit zuur-gesteentereactiemechanisme lost minerale afzettingen op, vergroot de poriën en verbindt voorheen geïsoleerde poriën, waardoor de porositeit en permeabiliteit in oliehoudende reservoirs direct verbeteren. De reactiesnelheid van het zuur-gesteentereactiemechanisme, evenals de specifieke samenstelling van de gebruikte zure frackingvloeistof, varieert afhankelijk van de mineralogie van de schalie en de samenstelling van de blokkades.
In carbonaatrijke schaliegesteenten leiden hogere HCl-concentraties tot een meer uitgesproken etsing en verwijdering van blokkades, dankzij een snellere en efficiëntere reactie tussen zuur en gesteente. Door de zuursamenstelling af te stemmen op het specifieke carbonaat- en silicaatgehalte van het reservoir wordt het verwijderingsproces geoptimaliseerd, waardoor natuurlijke doorstroomkanalen effectief worden hersteld en oplossingen voor slechte natuurlijke doorstroomkanalen worden aangepakt. De oppervlakteruwheid van bestaande breukvlakken neemt toe als gevolg van de zuuroplossing, wat direct correleert met een verbeterde breukgeleidbaarheid en duurzamere stroomkanalen voor koolwaterstoffen. Dit mechanisme is bevestigd door experimentele gegevens die significante verbeteringen in gasproductie en injectiviteitsindex aantonen na op maat gemaakte zuurbehandelingen in formaties met lage permeabiliteit.
Een aanhoudende breukgeleidbaarheid is cruciaal voor de productiviteit op lange termijn van schalieolieputten. Na verloop van tijd kunnen geïnduceerde breuken hun geleidbaarheid verliezen door het verbrijzelen van proppant, diagenese, inbedding of migratie van fijne deeltjes. Deze processen verminderen de door hydraulische fracturing gecreëerde openingen, wat de winning van koolwaterstoffen ernstig beïnvloedt. Wiskundige modellen en laboratoriumstudies tonen aan dat proppantdegradatie, zonder goed beheer, de productie in 10 jaar tijd met wel 80% kan verminderen. Factoren zoals sluitingsdruk, proppantgrootte en oorspronkelijke eigenschappen van het breukoppervlak spelen een cruciale rol. Het kiezen van de juiste proppant en het actief beheren van de druk in het boorgat zijn essentieel om de door zuuretsing gecreëerde vergrote openingen te behouden voor een aanhoudende olie- en gasstroom.
Uitbreiding en onderhoud van het breukennetwerk
Strategische uitbreiding van het ontginningsgebied van olievelden is afhankelijk van het effectieve ontwerp en de inzet van gecontroleerde zuursystemen. Dit zijn speciaal ontwikkelde systemen voor het toedienen van zuur in gesteente, die additieven bevatten – zoals vertragers, geleermiddelen en oppervlakteactieve stoffen – om de zuurplaatsing te reguleren, de reactiesnelheid tussen zuur en gesteente te beheersen en vloeistofverlies tijdens de behandeling te minimaliseren. Het resultaat is een gerichter etsproces dat de technieken voor het creëren van breuken bij hydraulische fracturing maximaliseert en de voortplanting van zowel primaire als secundaire (gebogen) breuken ondersteunt.
Gecontroleerde zuursystemen, met name gegelatineerde en in situ gegelatineerde zuren, helpen bij het beheersen van de plaatsing en de werkingsduur van zuur in breuken. Deze systemen vertragen de interactie tussen zuur en gesteente, waardoor de penetratiediepte wordt vergroot en een meer uitgebreide zuuretsing mogelijk is voor het verbeteren van de breukwerking. Deze aanpak vergroot het gestimuleerde gesteentevolume, vergroot het drainagegebied van het oliereservoir en biedt een oplossing voor de problemen met slechte natuurlijke doorlaatkanalen in zowel carbonaat- als schaliegesteente. Praktijkvoorbeelden tonen aan dat deze technieken bredere, beter verbonden breuknetwerken creëren, wat leidt tot een hogere koolwaterstofwinning.
Het behouden van verbeteringen in de permeabiliteit onder dynamische reservoirspanning is een andere belangrijke overweging. Breukvoortplanting in gesteenten die onderhevig zijn aan hoge sluitingsspanning leidt vaak tot een vermindering van de breukbreedte of voortijdige sluiting, waardoor de geleidbaarheid in gevaar komt. Om dit tegen te gaan worden verschillende strategieën toegepast:
- Spanningsgekoppelde perforatietechnologie:Deze methode maakt gecontroleerde initiatie en voortplanting van breuken mogelijk, waardoor de balans tussen de benodigde stimulerende energie en de uitbreiding van het breukennetwerk wordt geoptimaliseerd. In de Jiyang-depressie bijvoorbeeld verminderde deze technologie de benodigde energie met 37%, terwijl zowel de connectiviteit als de milieueffecten verbeterden.
- Voorbehandelingen met zuur:Het gebruik van polywaterstofzuursystemen of andere voorbehandelingsvloeistoffen voor fracturering kan de breukdruk verlagen en de initiële blokkering van de formatie verminderen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een efficiëntere en duurzamere breukvorming.
- Geomechanische modellering:Integratierealtime stressmetingEn reservoirmonitoring maakt het mogelijk om de parameters van de zuurbehandeling te voorspellen en aan te passen, waardoor de breukgeleidbaarheid behouden blijft ondanks veranderende spanningsomstandigheden ter plaatse.
Deze methoden – in combinatie met geoptimaliseerde additieven voor hydraulische fracturingvloeistof en een zure fracturingvloeistofformulering – zorgen ervoor dat de toename in permeabiliteit behouden blijft. Ze helpen olieproducenten bij het vergroten en onderhouden van breuknetwerken, waardoor de permeabiliteit van gesteente met een lage porositeit wordt verbeterd en de winning van grondstoffen op lange termijn wordt ondersteund.
Kortom, door een combinatie van innovatieve zuuretstechnieken, geavanceerde gecontroleerde zuursystemen en geomechanisch onderbouwde fractureringsstrategieën, richten moderne reservoirstimulatiemethoden zich nu op zowel het maximaliseren van de directe koolwaterstofafvoergebieden als het behoud van de breukgeleidbaarheid die nodig is voor continue productieprestaties.
Conclusie
Effectieve meting en optimalisatie van de viscositeit van de vloeistof die wordt gebruikt bij zuurfracturering zijn essentieel voor het maximaliseren van de fracturing, de efficiëntie van het zuuretsen en de langetermijnafvoer van olie uit reservoirs in schalieformaties. De beste werkwijzen zijn gebaseerd op een genuanceerd begrip van de vloeistofdynamica onder reservoiromstandigheden, evenals de integratie van laboratorium- en veldgegevens om operationele relevantie te garanderen.
Veelgestelde vragen
Vraag 1: Wat is het belang van de viscositeit van de vloeistof die gebruikt wordt bij het breken van schalieolie?
De viscositeit van de vloeistof die wordt gebruikt bij zure fracking is cruciaal voor het beheersen van de vorming en voortplanting van breuken in schalieoliereservoirs. Vloeistoffen met een hoge viscositeit, zoals verknoopte of gegelatineerde zuren, produceren bredere en meer vertakte breuken. Dit maakt een betere plaatsing van het zuur mogelijk en verlengt het contact tussen zuur en gesteente, waardoor het reactiemechanisme tussen zuur en gesteente wordt geoptimaliseerd en de etsing zowel diep als uniform is. Een optimale vloeistofviscositeit maximaliseert de breedte en complexiteit van de breuken, wat direct van invloed is op de efficiëntie van de zure etsing voor het verbeteren van de breuken en de algehele optimalisatie van het drainagegebied van het oliereservoir. Zo is bijvoorbeeld aangetoond dat verdikte CO₂-vloeistoffen de breukbreedte verbeteren en de permeabiliteit na de behandeling behouden, terwijl vloeistoffen met een lage viscositeit langere, smallere breuken met een gemakkelijkere voortplanting mogelijk maken, maar het risico op onvoldoende etsing of kanaalvorming van de zuurstroom met zich meebrengen. Het kiezen van de juiste viscositeit in de samenstelling van de zure frackingvloeistof zorgt voor een effectieve afbraak van blokkades in de formatie, een langdurige breukgeleidbaarheid en een aanzienlijke uitbreiding van het productieve drainagegebied.
Vraag 2: Hoe beïnvloedt de doorbraakdruk bij hydraulische fracturing de vorming van breuken?
De doorbraakdruk is de minimale kracht die nodig is om breuken in het gesteente te initiëren tijdens hydraulische fracturing. In schalieoliereservoirs met een lage permeabiliteit is een nauwkeurige beheersing van de doorbraakdruk essentieel. Als de toegepaste druk te laag is, kunnen breuken zich niet openen, waardoor de vloeistofinstroom wordt beperkt. Is de druk te hoog, dan kan de fracturing oncontroleerbaar worden, met het risico op ongewenste breukvoortplanting. Een goede beheersing stimuleert de ontwikkeling van breuken langs natuurlijke vlakken en zelfs gebogen paden, wat de reservoirstimulatie verbetert. Een hogere doorbraakdruk, mits adequaat beheerd, produceert complexere breuknetwerken en verbetert de connectiviteit die essentieel is voor zuur om een groter gebied te bereiken en te etsen. Technieken zoals het inkerven van boorgaten worden gebruikt om de doorbraakdruk te verlagen en de initiatie van breuken beter te beheersen, wat zowel de breukgeometrie als de voortplantingsefficiëntie beïnvloedt. Deze weloverwogen beheersing van de doorbraakdruk bij hydraulische fracturing is cruciaal voor geavanceerde technieken voor het creëren van breuken in onconventionele reservoirs.
Vraag 3: Waarom zijn zuuretsen en -vergroting gunstig voor reservoirs met een lage permeabiliteit en lage porositeit?
Reservoirs met een lage permeabiliteit en lage porositeit hebben beperkte natuurlijke doorstroomkanalen, wat de mobiliteit en productie van olie beperkt. Bij hydraulische fracturing wordt zuuretsing toegepast met reactieve vloeistoffen om delen van de gesteentematrix langs de breukvlakken op te lossen, waardoor deze stroompaden worden vergroot. Dit vermindert blokkades in de formatie en creëert nieuwe kanalen waardoor vloeistoffen zich vrijer kunnen bewegen. Recente methoden voor reservoirstimulatie, waaronder composiet- en pre-acid-systemen, hebben geleid tot een verbeterde, langdurige geleidbaarheid en een hogere oliewinning. Deze methoden zijn met name waardevol voor het verbeteren van reservoirs met een lage permeabiliteit en het verhogen van de permeabiliteit van gesteente met een lage porositeit, zoals blijkt uit zowel veld- als laboratoriumonderzoek. Het resultaat is een aanzienlijke toename van de putproductiviteit, waarbij de zuurgeëtste en vergrote breuken fungeren als verbeterde kanalen voor de koolwaterstofstroom.
Vraag 4: Welke rol spelen porositeit en permeabiliteit van gesteenten in het succes van zuurbreuktechnieken?
Porositeit en permeabiliteit bepalen direct de vloeistofbeweging en de toegankelijkheid van zuur in oliehoudende reservoirs. Gesteenten met een lage porositeit en permeabiliteit belemmeren de verspreiding en effectiviteit van zure fracturatievloeistoffen, waardoor het succes van stimuleringsoperaties wordt beperkt. Om dit probleem aan te pakken, wordt de samenstelling van zure fracturatievloeistoffen specifiek afgestemd op de toevoeging van reactiecontrole-additieven en viscositeitsmodificatoren. Het verhogen van de porositeit door de reactie tussen zuur en gesteente vergroot de beschikbare lege ruimte voor koolwaterstofopslag, terwijl het verhogen van de permeabiliteit een gemakkelijkere doorstroming door breuknetwerken mogelijk maakt. Na een zure behandeling hebben meerdere studies een significante toename van zowel porositeit als permeabiliteit aangetoond, met name in gebieden waar de natuurlijke doorstromingskanalen voorheen slecht waren. Verbetering van deze parameters maakt een geoptimaliseerde breukvoortplanting, aanhoudende productiesnelheden en een groter contactoppervlak met het reservoir mogelijk.
Vraag 5: Hoe beïnvloedt de reactie tussen zuur en gesteente de efficiëntie van de uitbreiding van het drainagegebied?
Het reactiemechanisme tussen zuur en gesteente bepaalt hoe gesteente oplost en hoe breuken worden geëtst en vergroot tijdens zuurfracturering. Een efficiënte beheersing van de reactiesnelheid is essentieel: te snel, en het zuur raakt op nabij de boorgatwand, waardoor de penetratie beperkt wordt; te langzaam, en de etsing kan onvoldoende zijn. Door de reactie te sturen via de viscositeit van de vloeistof, de zuurconcentratie en additieven, wordt gerichte etsing langs de breukvlakken bereikt, wat een bredere en diepere breukverbinding mogelijk maakt. Geavanceerde modellering en laboratoriumonderzoek bevestigen dat optimalisatie van de zuur-gesteentereactie leidt tot kanaalvormige, zeer geleidende breuken die het olieafvoergebied aanzienlijk vergroten. Zo is bijvoorbeeld aangetoond dat gekanaliseerde, door zuur geëtste breuken tot vijf keer hogere geleidbaarheid opleveren dan niet-geëtste breuken in carbonaatgesteenten. Zorgvuldige aanpassing van de samenstelling van de zuurfractureringsvloeistof en de injectieparameters bepaalt dus direct de schaal en de efficiëntie van de verbetering van het afvoergebied.
Geplaatst op: 10 november 2025
