最適な摩擦低減剤は何ですか? 自分で解決する必要がある

May 12, 2023

摩擦低減剤は、破壊において重要な役割を果たすことが期待されており、そのいくつかは他のものよりも優れています。

シェール生産者は、油層を水力で破砕するのに必要な動力を低減するために使用されるこれらの化学物質の性能を変える可能性のある変数が多数あることに遅ればせながら気づき始めており、より高用量では流体を濃くしてプロパントのより効率的な供給を可能にします。

困難な化学的課題に耐えるように配合された摩擦低減剤に、より多くの費用を支払うことが正当化される井戸もあれば、そうでない井戸もあります。

しかし、これらの主要な添加剤がどのように機能するかを説明するガイドはありません。 評価を行う人は、摩擦低減剤に関する多くの詳細が独自のものであり、貯留層の状態との適合性を徹底的に評価するために必要な情報に関するガイダンスを提供する業界標準がないことを認識するでしょう。

コノコフィリップスの完成液アドバイザー、ポール・カーマン氏は、「摩擦低減剤とその作用を定量的に評価する本当に良い方法はこれまでなかった」と述べ、その方法がどのようなものかはまだ分かっていないという。

最近、オクシデンタル ペトロリアムは、摩擦低減剤の性能評価について論じた論文を発表し、この質問に答えることに挑戦しました。

それは短い答えではありません。 Unconventional Resources Technology Conference (URTeC) で発表された論文には、テストされた製品の名前、プロセスのいずれかの段階でテストされた製品の数、またはトップパフォーマーを特定する可能性のある詳細が記載されていません (URTeC 5249)。

さらに深く掘り下げて破砕の専門家に尋ねると、最適な摩擦低減剤は作業によって異なることがわかるでしょう。 また、情報に基づいた意思決定に必要なデータを収集するには、お金、時間、調査が必要です。

オクシデンタル社が摩擦低減装置を評価するシステムの開発に取り組み始めたとき、その方法についてはほとんど書かれていないことがわかったと、論文の共著者でオクシデンタル社の坑井設計責任者であるナンシー・ザクアア氏は述べた。

井戸の化学的評価に関するシェルからの一般的な論文はありましたが、他にはほとんどありませんでした。 これは、石油会社がいかに性能試験を他社に依存するようになったのかを示している。

シェール事業は最近まで化学的性能にあまり関心を示してこなかった。 シェール油井の性能を段階的に改善できる多くの詳細と、一部の油井での化学反応により摩擦低減剤の性能がどのように低下​​するかを示す研究に大きな注目が集まっています。

破砕中および破砕後の化学反応の影響を受ける可能性のある添加剤はこれらだけではありません。 しかし、摩擦低減剤はいくつかの重要な働きをするため、最も注目を集めています。

「HVFR は、単一のクリーンなシステムで通常の摩擦低減剤とゲル化流体の両方の長所を引き出します」とザクア氏は述べています。

オクシデンタルは、独自の作業を行ってデータベースを構築することにより、臨床検査用の化学物質を選択しました。 その後、独立した研究室を雇い、スタッフの化学者のアドバイスを受けて開発したテストを実施しました。 最終的なテストは、ステージを効果的に破壊するのに必要な時間とコスト、およびそのセクションの生産性に関連するさまざまな方法で測定された破壊性能に基づいていました。

オクシデンタル社が独自の手法を開発したのは、大手石油会社が数十年前に化学品評価事業から撤退し、テストやアドバイスをサプライヤーに依存し始めたためだ。

その関係は近年変化しつつある。 まず、シェール事業の一部の企業は化学物質の供給を圧力ポンプ会社に依存するのをやめ、直接購入し始めた。

最初にコスト削減のために化学物質の購入を管理した企業は、現在、「パフォーマンスに基づいて、何が最適な価値なのか?」という疑問に直面しています。 オクシデンタル社は、評価データベースの構築を開始したとき、サプライヤー情報だけに頼らないことを決定しました。

ザクア氏によると、このプロセスの目的は、独立した研究所にお金を払って、その研究所が選択したテストを実施することでバイアスを排除することだったという。

サプライヤー情報を使用して化学性能データベースを構築すると、提供される情報が異なるという事実が浮き彫りになります。 一部の詳細は専有情報であるため公開されていません。

成分は記載されていないことが多く、提供される性能情報は量と質が異なります。 ザクアワー氏は、同一のパフォーマンスを比較するために必要なデータがまったく入手できなかったと述べた。

供給側の人々も、選択的なデータ開示を考慮しています。 ロックウォーター・エナジー・ソリューションズの技術担当副社長、ブライアン・プライス氏は、さまざまなサプライヤーからの「データを比較するのは難しい」と述べた。

一方で、サプライヤーのテストをガイドする業界標準はありません。 そして、究極のテストは、破砕中に摩擦低減装置がどのように機能するかということです。これには、破砕設計と坑井について多くの詳細を知る必要があります。 事業者が公表する可能性が高いのは、そのような詳細な情報ではない。

標準を作成するには、何を測定するかについての合意が必要です。 プライス氏は、現在ほとんどのテストは、定量化が難しい生産への長期的な影響の可能性を考慮するのではなく、摩擦低減剤が破砕性能にどのような影響を与えるかに焦点を当てていると述べた。

「重要な焦点は馬力、量、フラクを完了するまでの時間であるため、流体の適合性とフォーメーションの適合性は無視されます」と彼は言いました。

オクシデンタルは、ラボテストを通過する数を絞り込むために使用するデータベースを構築することから、「革新的な」HVFR の探索を開始しました。

彼らはサプライヤーのデータに依存することで偏見を回避しようとしましたが、評価プロセスから締め出すことはできませんでした。 ザクア氏は、オクシデンタルが総溶解固形分（TDS）の影響などのパフォーマンス問題に関して「ベンダーの専門知識を活用した」と述べた。

オクシデンタル社の化学者のアドバイスを受けて選択されたテストでは、さまざまな HVFR で増粘した液体に砂が沈降するまでにかかる時間などが測定されました。 彼らはまた、最適な使用量を測定するためにさまざまな濃度をテストしました。

他のテストでは、各製品のポリマーをより小さな分子に剪断するのに必要なブレーカーの量を測定しました。これにより、問題が発生するリスクが軽減されます。 彼らはまた、さまざまな濃度でのブレーカーの性能も観察しました。

このシステムの目標は、さまざまな油井条件で最高のパフォーマンスを特定することでした。 たとえば、高 TDS 生成水で使用される摩擦低減剤は、その特定の混合物に耐えられるように配合する必要があります。

ポンプで水を汲み上げることがそれほど困難ではない仕上げでは、他の貯留層関連の変数によって優先されない限り、より低コストの添加剤が最良の選択となる可能性があります。

化学物質の選択は、破砕に使用される水に依存します。水の多くは頁岩井戸から得られるためです。

企業は水を処理して固形物をろ過し、バクテリアを殺します。 しかし、一般に塩として知られているもの、つまり塩化ナトリウムから主に構成される溶解固体と、カルシウム、鉄、バリウムなどの反応性元素を含む他の塩が残ります。 それらを除去するために利用できる方法は高価であり、これらの固体の処分は問題である。

TDS が高い流体は一部の摩擦低減剤の性能を損なうことは長い間知られていました。 マイナスに帯電した添加剤 (アニオン) が、鉄、カルシウム、マグネシウムなどのプラスに帯電したイオン (カチオン) と反応したときに、摩擦低減剤のポリマーに何が起こるかを調査する研究が増えています。

「アニオン性摩擦低減剤が鉄などのカチオンと接触すると、添加剤中のポリマーが絡み合い、絡み合います」と、ペンシルベニア州ピッツバーグにある国立エネルギー技術研究所（NETL）の研究員ローレン・バローズ氏は述べた。

「摩擦低減剤は、ポリマーが流れの方向に引き伸ばされているときに最も効果を発揮します。そのため、絡み合ってコイル状になった摩擦低減剤は、その機能をあまり発揮できません。この絡み合いのプロセスが極端なレベルで発生すると、摩擦低減剤ポリマーの半固体アマルガムが発生することがよくあります」 「グミベア」と呼ばれる病気が発症する可能性があります」とバロウズ氏は語った。

グミベアの最もよく知られた例はオクラホマ州で発見されており、URTeC の論文 (URTeC 2487) により、グミベアは坑井内の摩擦低減剤と鉄との相互作用によるものである可能性が高いことが明らかになりました。 2020年に論文が発表されて以来、グミベアは他のいくつかの場所でも観察されています（JPTレポート2020）。

たとえば、Reliance Well Services の技術セールス マネージャーは、顧客が 2 つの油田で 100 以上の井戸のうち 3 つの井戸から黒いガンクが出ているのを発見した理由を NETL に尋ねました。

研究室は汚れのサンプルを受け取ったが、チョークバルブを詰まらせるのと同じように、高価な実験装置に損傷を与える可能性があるため、テストを除外した。

代わりに、彼らは問題の井戸で使用されている 2 つの摩擦低減剤のサンプルを求め、それらの少量を鉄と脱イオン水の入ったビーカーに入れて化学変数を厳密に制限しました。 結果:何も変わりませんでした、とリライアンスのテクニカルセールスマネージャーであるデレク・ヒナと一緒に働いていたバロウズ氏は言いました。

しかし、水道水を代用すると摩擦低減剤がゲル化してしまいました。 その水は、井戸で使用される淡水と同様、硬水が一般的な地域で生産されました。 バロウズ氏は、その反応の原因となったものを突き止めようとしていると述べた。

奇妙なことに、使用された摩擦低減剤は、鉄と金属の両方がプラスに変化してカチオン性になるため、通常は鉄と反応しないものでした。

シェブロンは最近、同様の試験について報告しました。この試験では、摩擦低減剤を、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、鉄などの反応性イオンを含む弱酸性流体中の塩水にさらしました (URTeC 5170)。

テストした 4 つの添加剤のうち 3 つは鉄と反応し、粒子またはネバネバした物質を生成しました。

ラウンド 1 の安定した生存者は非イオン性でした。これは電荷を持たず、鉄などの正に帯電したイオンと相互作用する可能性が低くなります。

同紙は、データベース内で独自のラベルが貼られていたため、テストされた他の摩擦低減剤の使用量は「不明」としてリストされていると述べた。 データにこのギャップがあるため、結果をどう判断すべきかを判断することが難しくなります。

アニオンまたはカチオンの状態が不明な 3 つの添加剤の電荷によっては、ほとんどの摩擦低減剤がそれらの条件にさらされると分解する可能性が高いことを示唆している可能性もあれば、単に 3 つの製品が化学にあまり適していない可能性もあります。

論文で説明されているように、これらの摩擦低減剤がマイナスに帯電（アニオン）している場合、鉄のようなプラスに帯電したイオンと反応する可能性が高く、水の化学的性質によりそのような反応が起こりやすい坑井では不適切な選択となります。

このような状況では、同じ電荷を持つ分子間の化学反応が起こりにくいため、より高価な正に帯電した (カチオン性) 摩擦低減剤がよく使用されます。

提起された質問は、摩擦低減剤の構成についてほとんど知識を持たずに摩擦低減剤を購入する人が直面する不確実性を示しています。

オクシデンタル社の最終評価の段階では、生産パフォーマンスを含む、破砕中の摩擦低減剤のパフォーマンスのコスト分析に基づいてパフォーマンスが決定されました。 結果は、従来の摩擦低減剤またはリニアゲルシステムのいずれかを使用したベースライン設計の性能と比較されました。

ラボテストでは、坑井内テスト用に選択されたいくつかの製品に分野が絞り込まれました。

合格したものはそれぞれ坑井テストで汲み上げられ、坑井内の数段階から始まり、他のオプションの性能やベースラインの摩擦低減装置と比較されました。 他の完成設計変数はすべて、結果に影響を与えないように同じままでした。 進歩した製品は最終的に完全な坑井テストで使用され、その後ベースライン設計を使用した坑井と比較されました。

勝者は、効果的な作業の時間とコストを決定する基準 (摩擦の低減と馬力消費量、使用される水の量、各段階の刺激に必要な時間) に基づいて選ばれました。

より高濃度のプロパントを搬送する HVFR の能力は、最大の効率改善と節約をもたらすため、重要な手段であるとザクア氏は述べた。

最良のピックでは生産結果が異なりました。 HVFR を使用したあるケーススタディでは、油井の完成コストが大幅に削減され、流体の生産量が約 37% 増加しました。

2 番目の例では、選択された HVFR オプションでポンプを使用した井戸では、油井よりも総流体量が 15% 少なくなりましたが、節約された時間と水の値が生産量の差の値を超えたと論文は指摘しています。

試験プログラムは、各製品をどれくらいの量を破砕に使用するかを決定するためにも使用されました。 同紙は、請負業者が作業をスムーズに進めるために推奨量を超える摩擦低減剤を注入する場合があり、これにより作業コストが増加すると指摘した。

完了の監視は、テスト プログラムから学んだことを確実に適用し、結果を段階的に改善する方法を探し続けるために必要な長期的な取り組みの 1 つです。

学んだことの価値は、それが将来どのように使用されるかによって決まります。そのためには、完成エンジニアや資産管理者から購買、物流に至るまでの部門からの組織的なサポートが必要になります。

同紙によると、プロジェクトチームは「ボトルネック、抵抗、期待の管理」に対処するため、オクシデンタル社内で運営委員会とスポンサーを募集したという。

「この努力を怠れば、どれか一つでもプロジェクトの成功を妨げる可能性がある」とザクア氏は語った。

資産チームは、油井パッドの条件を満たす最適な選択肢に基づいて摩擦低減剤を選択します。 時間の経過とともに、坑井パラメータの変更や新製品の登場に応じて、さらなるテストが行​​われる場合があります。

「この決定は地理的かつフォーメーションに特有のものだ」とザクホール氏は語った。 契約条件であっても、さまざまな事業者にとってさまざまなレベルの HVFR パフォーマンスの財務的価値に影響を与える可能性があります。

コノコフィリップスには正式な摩擦低減剤の評価システムはないが、現場でいくつかの性能テストを実施しているとカーマン氏は語った。

サプライヤーから有望なサンプルを入手した完成エンジニアは、段階レベルの比較を行うことがあります。 「それがどれほどうまく機能するかを知るには、彼らはそれを現場に持ち出し、エンジニアリングスキルを駆使してステップダウンテストを行う必要があります」とカーマン氏は語った。

この試験では、一連の減圧を使用して、破砕後の坑井付近の破砕部分の導電率を測定します。

同氏は、破砕水の水質は頻繁に変化するため、現在最良の選択が数カ月後にはそうではない可能性があると警告した。 「多くの場合、常に安定した水が得られるわけではありません」とカーマン氏は言う。

URTeC 5249 高粘度摩擦低減剤のテスト、トライアル、および適用ワークフロー: ペルミアン盆地のケーススタディ (N. Zakhour、S. Esmaili、J. Ortiz、J. Deng、Occidental 著)。

URTeC 5170 生産に対する破壊導電率の影響: 非在来型貯留層では実際にどのくらいのプロパントが必要ですか? S. Naik および A. Singh、シェブロン社著

SPE 106162 BJ Services Co.のPS CarmanとKE Cawiezelによるスリックウォーター破砕で使用されるポリアクリルアミド摩擦低減剤のブレーカー最適化に成功

SPE 166471 RF LaFollette および PS Carman、Baker Hughes による、さまざまな頁岩層サンプルにおける破砕流体の組成 pH の破砕壁特性への影響の比較。

グミベアの謎を解くと、より大きなシェール生産が可能になるかもしれない by Stephen Rassenfoss, J Pet Technol

化学薬品の破砕は生産に悪影響を与える可能性がありますか? そう考えるには十分な理由がある、J Pet Technol の Stephen Rassenfoss 著。