Vous pensez savoir où va l'agent de soutènement pendant la fracturation ? Basé sur des tests récents : ne pariez pas dessus

Les ingénieurs de complétion ont trouvé quelques règles empiriques sur la façon dont le proppant s'écoule sur la base de décennies d'expérience.

Cette connaissance a été mise à l'épreuve lorsque GEODynamics a créé un test de surface de fracturation qui offrait une recréation pleine grandeur et à pleine pression d'une conception de scène créée par son bailleur de fonds initial, PDC Energy.

Avant que le premier test de la société de services pétroliers ne soit pompé. les personnes impliquées ont mis leur argent dans un pool avec le gagnant en fonction de celui qui a prédit le plus précisément la quantité de sable qui s'est écoulée de chaque grappe.

"Celui qui a gagné le pari était le directeur financier qui n'avait aucune idée de la façon dont les fracturations étaient censées fonctionner. Les pires étaient ceux qui pensaient connaître la fracturation", a déclaré Phil Snider, un consultant sur le projet qui a joué un rôle clé dans la conception du test.

Comme pour la piscine, les résultats des tests ont divergé de l'hypothèse répandue selon laquelle le fluide et le sable s'écoulent dans des proportions à peu près égales à chaque grappe.

Les résultats suggèrent que "l'agent de soutènement et le fluide ne se déplacent pas aussi uniformément que beaucoup le pensent", a déclaré Steve Baumgartner, conseiller technique principal en ingénierie chez GEODynamics, tout en décrivant les tests lors de la récente conférence et exposition sur la technologie de fracturation hydraulique SPE (HFTC).

Certains des résultats étaient cohérents avec des études antérieures utilisant la modélisation informatique et des tests d'écoulement moins réalistes montrant que de nombreux grains de sable à écoulement rapide glissent au-delà des premiers groupes d'une étape.

GEODynamics a découvert qu'un agent de soutènement de taille moyenne (40 à 70 mesh) est susceptible de passer au-delà des premiers stades, ce qui entraîne une réduction de l'écoulement dans les premières grappes et davantage d'écoulement plus tard dans le stade. Mais si les grains sont plus petits (100 mesh), la répartition est plus homogène.

Une deuxième série de tests a montré qu'un changement dans la conception de la fracture visant à obtenir une répartition plus uniforme de la boue d'un cluster à l'autre réduisait encore les différences entre les clusters, mais les grains plus gros avaient toujours tendance à dépasser les premiers clusters.

Ce que GEODynamics a rendu public est un premier aperçu d'une ingénierie ingénieuse utilisée pour une série de tests qui s'est terminée en 2019, avant que le COVID-19 ne frappe (SPE 209141).

L'idée du test remonte aux questions soulevées par les travaux de fracturation passés. Par exemple, lorsqu'un puits où les données recueillies lors de la fracturation indiquaient que tous les clusters étaient effectivement stimulés, mais qu'une analyse ultérieure indiquait qu'environ la moitié d'entre eux n'avaient pas produit. Pourquoi?

"Cette non-uniformité peut être attribuée en partie à la variabilité de la formation et à l'ombrage des contraintes des étages de fracture adjacents, mais un flux non uniforme de soutènement dans le tubage peut également jouer un rôle important", a déclaré un deuxième article sur la création d'un modèle pour l'ingénierie de complétion.

L'idée que les grains de sable et le fluide ne se déplacent pas en parallèle ne semble pas surprenante car les grains de sable sont susceptibles de se comporter différemment d'un mélange d'eau et de réducteur de friction.

La question difficile pour tout ingénieur qui souhaite commencer à concevoir des complétions en partant du principe que les écoulements de fluide et de sable ne sont pas similaires est de savoir comment quantifier cette différence.

GEODynamics propose une alternative dans les articles qui est basée sur la modélisation effectuée à l'aide de ses données de test ainsi que sur l'analyse de la fracturation en fond de trou. Ce travail a depuis été intégré à un programme consultatif sur la fracturation, appelé StageCoach.

L'analyse faisait partie du soutien en nature apporté par un groupe de supporters qui s'est élargi pour inclure Apache (maintenant une filiale d'APACorp), Chesapeake Energy, ExxonMobil, Hess et Jagged Peak Energy.

Maintenant qu'ils montrent les résultats des deux premières séries de tests, c'est la saison ouverte pour ceux qui se demandent si le test de surface le plus réaliste jamais réalisé est suffisamment réaliste.

Personne ne remet en question qu'ils ont fait quelque chose de difficile en se rapprochant le plus de la façon dont la fracturation en plusieurs étapes est effectuée dans les puits horizontaux.

"Ils ont fait un excellent travail pour mettre cela en place", a déclaré Dave Cramer, ingénieur principal chez ConocoPhillips. Il a déclaré que cet article est une excellente ressource pour "quiconque envisage un test comme celui-là".

Mais toute personne créant une simulation de fracturation peut s'attendre à être tourmentée par ceux qui soulignent qu'elle ne reflète pas entièrement la réalité du fond de puits, y compris Cramer.

Dans ce cas, ils ont pompé beaucoup moins de sable que dans une fracturation réelle, car le volume total aurait été ingérable et coûteux. Et tandis que le test incluait l'ajout d'un réducteur de friction au fluide - 2 gallons par 1 000 gallons d'eau pour le premier tour ; 1 gallon par 1 000 gallons au tour 2 - ils n'ont pas utilisé la concentration plus élevée nécessaire pour créer un réducteur de friction à haute viscosité.

Cela aurait été un ajout intéressant car le fluide plus épais aurait bien pu égaliser la répartition du sable s'écoulant des grappes de la phase de test.

Pour Cramer, c'était une grosse omission. Mais Baumgartner a déclaré que leurs bailleurs de fonds approuvaient les concentrations plus faibles car à l'époque, ils n'utilisaient pas de concentrations plus élevées de ces additifs à base de polymères pour des raisons de coût. Et il y avait une limite au nombre de tests qu'ils pouvaient exécuter. Baumgartner a déclaré qu'ils devaient dire "non" à tester une longue liste de variables qui "auraient abouti à une énorme matrice d'expériences".

Après la présentation de Baumgartner, une personne dans le public s'est levée, a offert ses compliments et a dit: "Il est difficile de croire que c'est le premier test, mais c'est le premier que j'ai vu."

Il y a eu d'autres tests d'écoulement de fracturation, mais pas à cette échelle. Il y a dix ans, Halliburton a mis en place une boucle d'écoulement dans son centre de test de Duncan, Oklahoma, pour voir d'où sortait l'agent de soutènement.

La configuration extérieure comprenait l'équivalent de trois perforations - contre 48 pour le test GEODynamics - et le débit de pompage maximal était de 14 bbl/min, contre 90 bbl/min dans le test récent.

L'article de Halliburton de 2013 indiquait que le débit de pompage allant de 7 à 14 bbl/min était suffisamment élevé pour maintenir l'agent de soutènement en suspension, mais pas suffisamment pour créer un risque pour la sécurité (SPE 163856).

Lorsqu'on lui a demandé pourquoi la pression inférieure avait été utilisée, le présentateur du journal, Freddy Crespo, alors ingénieur d'applications au Houston Technology Center de Halliburton, a déclaré dans un article du JPT que la configuration de test n'était pas conçue pour gérer les taux de pompage utilisés pour la fracturation. "Si vous passez à des débits plus élevés, cela explosera."

Les tests d'Halliburton, qui ont révélé que des grains de sable plus gros étaient susceptibles de glisser au-delà de la première ouverture et d'entraîner de grands volumes s'écoulant des trous ultérieurs, ont été effectués sans incident.

La configuration de test de GEODynamics a montré qu'il est possible d'effectuer des tests de surface en toute sécurité lorsque le débit de pompage est de 90 bbl/min. Sa conception d'une simplicité trompeuse a été décrite par Cramer comme l'œuvre d'un "génie fou".

Il faisait référence à Snider, qui n'est pas à l'aise avec le mot génie et a souligné que bon nombre des idées ainsi qu'une grande partie de la motivation provenaient de ceux qui travaillaient sur le terrain.

"Avoir beaucoup d'expérience sur le terrain et travailler en étroite collaboration avec les gars sur le terrain est la clé", a déclaré Snider. Il a ajouté que ceux sur le terrain "étaient tous très passionnés par le fait de le faire", tandis que les ingénieurs du bureau étaient plus susceptibles de se demander si cela pouvait être fait en toute sécurité.

La sécurité était une préoccupation majeure. L'équipe a observé les tests derrière une barrière tout en recherchant des signes que la boue avait traversé les épaisses barrières en acier entourant le boîtier. Ils ont également piloté un drone pour rechercher les premiers signes de fuites.

"Il est de la plus haute importance d'indiquer clairement que tous les tests n'ont pas été menés à bien", selon l'article de GEODynamics. Les tests ont été arrêtés "lorsque l'érosion à travers à la fois l'enveloppe extérieure et l'abreuvoir en caoutchouc s'est produite et que les fluides commençaient à ne pas tous être capturés dans les réservoirs".

La maîtrise des coûts était également essentielle. Sur la base de leur décompte final, les bailleurs de fonds ont fourni un soutien en nature d'environ 5 millions de dollars pour le projet, a déclaré Baumgartner. Cela semble être beaucoup d'argent jusqu'à ce que l'on considère qu'un processus a été simulé à plusieurs reprises à un coût qui, dans certains cas, est égal au coût de fracturation d'un seul puits.

Pour limiter les coûts, tous les tests ont été effectués sur des sites de fracturation, qui offraient un accès facile aux flottes de fracturation, aux équipes qualifiées, aux fournitures et à l'élimination des fluides fournis par leurs bailleurs de fonds.

La pompe à pression de ces premiers tests, Liberty Oilfield Services, est allée au-delà de la coopération avec cet arrangement irrégulier. Son directeur de la technologie, Mike Mayerhofer, les a conseillés sur le pompage du test et a rédigé des sections du document, a déclaré Baumgartner.

Le plan a évolué au fur et à mesure qu'ils apprenaient de leurs erreurs. Au cours du premier tour, les tests ont été effectués une fois les puits terminés. Ils ont appris qu'il n'est pas idéal de demander à une équipe de pomper un test lorsqu'elle doit passer au travail suivant.

Après cela, ils ont testé pendant les pauses dans la fracturation proprement dite. Le tuyau menant à l'étape de test était connecté comme s'il s'agissait d'un troisième puits avec une tête de fracturation horizontale. Cela a permis de passer rapidement aux essais pendant les périodes d'accalmie des travaux de fracturation.

Parmi les autres premières leçons apprises, citons l'ajout d'une vanne de vidange aux réservoirs après avoir vu combien de temps il a fallu pour retirer le liquide avec un camion aspirateur. Et les calculs requis pour les mesures de fluides et de sable étaient beaucoup plus faciles après le passage des réservoirs aux bords angulaires irréguliers aux réservoirs rectangulaires.

Le matériel de la phase de test était prêt à l'emploi. Les spécifications du boîtier étaient basées sur les exigences de PDC Energy : 5,5 pouces. Acier 23 # P-110 perforé avec les mêmes tailles et espacements de trous que l'entreprise utilise pour ses puits.

La chaîne de grappes de test était attachée au-dessus d'une série de grandes boîtes ouvertes, qui servaient de conteneur pour le sable qui s'écoulait de chaque grappe.

Pour bloquer la vapeur de boue à haute pression, ils ont entouré le tubage d'un tuyau à paroi épaisse de 13⅝ pouces de diamètre, qui dirigeait la boue de ce groupe dans le conteneur en dessous.

Autour des tuyaux se trouvait ce qui équivalait à un pare-éclaboussures - un réservoir en plastique en caoutchouc de forme ovale à l'envers. Il avait une ressemblance frappante avec les réservoirs utilisés pour abreuver le bétail, car il était vendu à cette fin chez Tractor Supply Company, une chaîne de magasins de fournitures agricoles qui annonçait des "prix bas de tous les jours".

Les solutions à faible coût comprenaient également des flotteurs de piscine aux couleurs vives et des nouilles qui permettaient de suivre à distance les niveaux d'eau dans les réservoirs.

L'objectif était de pomper jusqu'à ce que les conteneurs soient presque pleins. Ensuite, ils ont mesuré le volume de sable dans le réservoir et l'eau déplacée. D'autres sources de données comprenaient un capteur de pression sur chaque grappe et les données recueillies dans la remorque de fracturation.

La résolution de problèmes était également requise. Lorsqu'un premier test a dû être arrêté parce que la boue abrasive traversait la couche unique de tuyau, ils ont renforcé la barrière.

"L'équipe de test s'est regroupée et, sur une période de quelques jours, a acheté 1 500 pieds de chaîne d'exploitation forestière robuste et a fabriqué des coquilles de boîtier de 20 pouces à boulonner autour de la chaîne d'exploitation forestière", indique le journal.

Ces barrières se sont avérées fiables mais pas impénétrables.

"Au cours de ces tests, quelques-uns des flux de boues abrasives à haute pression sortant du tubage de 5,5 pouces ont finalement pu s'éroder à travers un tubage à paroi épaisse de 13,625 pouces, deux couches de chaîne d'exploitation forestière durcie, une coque extérieure à paroi épaisse de 20 pouces, et enfin l'abreuvoir en caoutchouc", selon l'article.

"Nous n'avons jamais su où une brèche se produirait", a déclaré Snider. Alors que le débit dans le boîtier ralentit, la force sur le boîtier reste élevée lorsque le flux d'eau se faufile à travers un petit trou conçu pour atteindre une pression différentielle de 1 500 psi.

Après une percée, le coût de réparation de la solution a été limité en ajustant les barrières à clapet afin que le flux touche une surface fraîche. Finalement, ils ont également commencé à renforcer la surface de contact avec des bandes dures, a déclaré Snider.

En fin de compte, les tests de fracturation peuvent offrir une mesure réaliste de choses qui ne peuvent pas être observées directement au fond du trou, mais pas une recréation de celles-ci.

Certains commentaires et questions d'ingénieurs lors de la conférence, qui ont commencé par des éloges, ont conduit à l'utilisation du mot "mais". Par exemple, on a demandé aux présentateurs s'ils envisageaient d'ajouter des couches dures autour du tubage qui simuleraient la contre-pression créée par le ciment et la roche autour d'un puits réel. Les auteurs du document de test ont écrit : « Dans un monde théorique parfait », il serait bon de savoir comment ces pressions affectent le flux sortant.

Mais recréer le ciment et la roche autour d'un puits présentait d'énormes défis de construction et de sécurité. Baumgartner a conclu: "Alors que nous explorions cette possibilité tout au long du processus de conception, le coût est devenu astronomiquement prohibitif."

C'est un problème du point de vue de Cramer car le débit sortant du puits est considérablement affecté par la contre-pression sur le fluide et le sable lorsqu'ils poussent à travers des voies d'écoulement torsadées dans le réservoir environnant.

Le document a également noté que le sable pompé était inférieur à ce qui est pompé pour fracturer un puits de schiste. Ils ont pompé près de 1 300 livres de sable par perforation, contre "plus de 30 000 livres de soutènement par perforation dans nos applications Montney", a déclaré Cramer.

Aller aussi loin signifierait passer de 31 tonnes de soutènement à quelque chose de bien dans les centaines de tonnes. Une comparaison par étage de fracturation est difficile à établir car les grappes n'ont souvent qu'une seule perforation, ce qui entraîne des étages fracturés en utilisant beaucoup moins que les 48 dans la conception du premier étage testée.

Lorsque ConocoPhillips a envisagé de faire un test de surface, les défis logistiques et les coûts élevés associés à l'utilisation d'une telle quantité de sable les ont convaincus de ne pas essayer, a déclaré Cramer.

Le volume de sable pompé par minute dans le test était bien plus proche que ne le suggérait la différence de poids par grappe, car le pompage devait s'arrêter lorsque les réservoirs de stockage étaient pleins, ce qui prenait généralement environ 10 minutes.

Pour Cramer, dont les études de fond reposent sur des mesures de la quantité de perforations dans le sol qui s'érodent pendant environ 2 heures de pompage, cela peut élargir le trou d'avant en arrière et entraîner une augmentation de la capacité d'écoulement. En comparaison, l'usure de surface qu'il a vue sur les échantillons GEODynamics était mineure en comparaison.

"Les projets basés sur des tests de surface sont intrinsèquement limités", a-t-il noté, ajoutant : "Les informations les plus critiques ont été et continueront d'être obtenues par l'étude de traitements réels comprenant des mesures de fond de trou d'entrée de perforation [avant et après les traitements], complétées par l'analyse de la pression de traitement et les mesures par fibre optique".

Un article décrivant les méthodes qu'il a mentionnées, y compris un exemple où l'une des perforations dans le dernier des six groupes [côté orteil] a absorbé 25 % de l'agent de soutènement sur la base de l'analyse post-frac, a été présenté au HFTC de cette année (SPE 209184).

La taille excessivement grande de la perforation du côté orteil indiquait qu'elle recevait "une part disproportionnée de l'agent de soutènement" qui, selon le journal, aurait pu être "due à l'inertie de l'agent de soutènement". Le journal a ajouté: "Ce comportement n'a pas été couramment observé dans le reste du puits."

Les responsables du projet GEODynamics ont reconnu la valeur des études de fond de trou, les sociétés membres contribuant à des études basées sur leur analyse des données de fracturation pour ajouter des perspectives souterraines aux résultats de surface.

Figues. 1 à 4 montrent comment le sable a été réparti entre les amas lors d'une étape de test en surface qui a permis de mesurer la quantité qui s'est écoulée de chaque amas (SPE 209141).

Les deux parties à la discussion conviennent qu'il faut accorder plus d'attention à l'agent de soutènement et à sa destination.

Cramer a déclaré que l'industrie avait besoin d'un modèle mis à jour pour prédire les flux de soutènement et de fluide parmi les grappes de perforations et les fractures hydrauliques. Pour preuve, il note qu'un modèle qu'il a développé en 1987 est toujours utilisé. ConocoPhillips fait maintenant partie d'un projet industriel conjoint de huit entreprises cherchant à le faire.

Les deux conviennent également que les entreprises doivent accorder une plus grande attention à la conformité du sable acheté avec leurs spécifications.

Sur la base du sable utilisé lors des tests de rupture, Snider a déclaré qu'il y avait "des différences radicales dans la qualité du sable". Une observation était que les grains de sable extrêmement anguleux sont plus abrasifs que les grains arrondis et pourraient accélérer le taux d'érosion des équipements de pompage et des perforations.

Leurs tests ont montré qu'un maillage 40/70 plus grand est plus susceptible de dépasser les stades antérieurs que le maillage 100 ; mais en pratique, la taille des grains commercialisés en 40/70 et 100 mesh est très variable et peut se chevaucher.

Par exemple, 100 mesh est défini comme un mélange de 70 à 140 mesh, mais cela n'est pas établi par une norme de l'industrie. Le sable livré peut être un mélange concentré dans la partie supérieure ou inférieure de cette plage et même bien au-delà de ses limites.

Cramer a étudié les différences dans la gamme de taille réelle et promise des agents de soutènement des mines, dont certaines sont beaucoup plus proches des spécifications que d'autres.

Ses préoccupations incluent les particules de 50 mesh ou plus, car elles peuvent provoquer un pontage - essentiellement s'auto-assembler dans une structure qui peut bloquer les canaux d'écoulement proches du puits de forage comme un déviateur.

Le groupe GEODynamics a effectué un total de 20 séries de tests en tenant compte de variables telles que l'agent de soutènement de grande taille, des taux de pompage inférieurs et si l'agent de soutènement s'écoule plus uniformément lorsque le trou de perforation est tiré sous un angle, comme une bretelle de sortie sur une autoroute. Ils aimeraient présenter un article sur des tests ultérieurs, tels que l'impact du pompage d'agents de soutènement de plus grande taille ou des taux de pompage plus faibles.

Sur la base des deux articles, il est logique de supposer que plus la taille de l'agent de soutènement est grande, plus il glissera vers le côté orteil du puits. Mais sur la base de l'expérience passée, ne placez pas de gros paris là-dessus.

SPE 209141 Exécution et enseignements des deux premiers tests de surface reproduisant la fracturation non conventionnelle et le transport d'agents de soutènement par Phil Snider et Steve Baumgartner, GEODynamics ; Mike Mayerhofer, Liberty Oilfield Services ; et Matt Woltz, PDC Energy.

SPE 209178 Modélisation du transport d'agents de soutènement dans le tubage et les perforations sur la base d'essais de surface de transport d'agents de soutènement par Jack Kolle, Oil States Energy Services ; Alan Mueller, ACMS ; Steve Baumgartner et David Cuthill, GEODynamics.

SPE 201376 Diagnostics de pompage pour les traitements Plug-and-Perf par David D. Cramer, Jon Snyder et Junjing Zhang, ConocoPhillips Company.

SPE 163856 Distribution d'agents de soutènement dans les puits fracturés hydrauliques à plusieurs étages : une enquête à grande échelle sur le tubage intérieur par Freddy Crespo, Nevil Kunnath Aven et Janette Cortez, Halliburton ; MY Soliman, Texas Tech University; Atul Bokane, Siddharth Jain et Yogesh Deshpande, Halliburton.

SPE 209184 Améliorant l'exécution de l'achèvement grâce à une analyse détaillée des données d'imagerie acoustique et de stimulation par Mark Watson, Mitch Schinnour, David D. Cramer et Matt White, ConocoPhillips Company.