Sand: Både botemedel och gift
Av Adam Calvin | Chef för fältteknik | 27 oktober 2023
Inom teknik och medicin är det viktigt att hitta rätt balans. Tänk till exempel på den klassiska grekiska termen pharmakon- som betyderbåde "botemedel" och "gift", beroende på avsikten, tillämpningen och effekterna.
Botemedel och gift
Frackingboomens farmakakon är utan tvekan sand - ett "botemedel" som ger ökad produktion ... och... ett "gift" för flödesledningar och utrustning.
Sand är ett rikligt förekommande, miljövänligt och ofta effektivare alternativ än t.ex. valnötsskal eller pärlor av stål, glas eller plast.
Men sanden som följer med kolvätena ut ur formationen och borrhålet kan täppa till och erodera flödesledningar och produktionsutrustning, vilket varje år kostar industrin miljontals dollar i reparationer eller förluster. Sand kan till och med skada borrhålet och foderröret bortom en kritisk gräns, vilket leder till att mycket produktiva och mycket lönsamma brunnar måste stängas i förtid.
Att avlägsna sanden från produktionsflödet är därför en grundläggande nödvändighet. I åratal har detta främst gjorts med gravitationsseparatorer eller filtreringssystem, men båda har allvarliga nackdelar: de kan skapa mottryck som sänker produktionsvolymerna, och de kräver praktiskt underhåll dygnet runt - manuell tömning av separatorer och byte av filterskärmar.
En ytterligare svaghet hos gravitationsseparatorer är den dåliga effektiviteten som vanligtvis kräver en serie skrymmande enheter för att fånga upp all sand. Det ökade praktiska underhållet som krävs för båda systemen ökar också både personalens riskexponering och kostnaden för mer arbetskraft.
Att skörda virvelvinden
En mycket bättre lösning för sandkontroll är hydrocyklonen, en innovativ anordning som använder centrifugalkraften för att separera fina fasta ämnen från vätskor.
Om man tittar på diagrammet nedan kommer produktionsströmmen in i enheten och virvlar runt inuti medan den inverterade koniska formen accelererar innehållet. Hastigheten är tillräcklig för att skapa en virvel, vilket gör att vätskorna (både vätska och gas) koncentreras till en stigande kolonn i mitten och de tyngre fasta ämnena flyger utåt mot innerväggen och rör sig nedåt; vätskorna lämnar överflödet upptill medan de fasta ämnena lämnar underflödet nedtill.
En hydrocyklon har inga rörliga delar, utan utnyttjar produktionsflödets hastighet för att generera centrifugalkraften. Den passiva konstruktionen eliminerar praktiskt taget mekaniska fel och ständigt praktiskt underhåll, men dess enkelhet som illustreras i diagrammet är bedräglig.
Det krävs mycket exakt teknik för att göra en hydrocyklon effektiv och pålitlig vid sandhantering - återigen är balansen kritisk. Viktiga faktorer inkluderar enhetens storlek i förhållande till vinkeln på den koniska sektionen, storleken på in- och utflödet, placeringen av virvelfinnern och mätvärdena för toppventilen.
För hög hastighet leder till att de fasta partiklarna snabbt eroderar innerväggarna eller att en svagt konstruerad enhet flyger isär och orsakar ett katastrofalt fel som kan leda till personskador. Dessutom måste enheten vara tillräckligt robust för att klara de höga, ofta exceptionellt höga, trycken i olje- och gaskällor.
Teknisk elegans: TETRA SandStorm
En exakt konstruerad, supereffektiv, tillförlitlig och säker hydrocyklon som nu bevisar sitt värde på fältet är TETRA SandStorms avancerade cyklonteknik. Den ger inga begränsande mottryck i produktionsflödet och kräver inte heller konstant praktiskt underhåll.
Faktum är att tekniken enkelt kan kombineras med det automatiserade styrsystemet TETRA BlueLinx för en sandhanteringslösning som inte bara ger en sandsepareringseffektivitet på hela 99,4% utan också avsevärt minskar arbets- och underhållskostnaderna
Vi vet detta eftersom TETRA SandStorm-enheter i upprepade tillämpningar hos kunder har ställts upp bredvid konkurrerande cyklonfällor, båda med filtersystem i andra steget placerade nedströms för att fånga upp all sand som slinker igenom det första steget. Gång på gång visar filtren att TETRA SandStorm avlägsnar 97-99% av sanden från produktionsflödet och är betydligt bättre än konkurrerande cykloner.
Fallstudie 1: Produktionsnivå i Appalacherna
I Marcellus Shale Play i nordöstra USA sökte en operatör med ett antal gaskällor en bättre lösning för återvinning av sand från fracflödet. Utmaningen var brunnarnas mycket höga flödeshastighet, upp till 45 MMCFD, och sandens varierande partikelstorlek. Varken separator- eller filtersystem var acceptabla på grund av deras begränsningar av produktionsflödet.
TETRA SandStorm föreslogs, och på operatörens begäran installerades tekniken parallellt med en konkurrents. Båda brunnarna hade samma flödeshastighet, sandvolym och sandpartikelstorlek, vilket möjliggjorde en rättvis jämförelse sida vid sida av sandåtervinningseffektivitet, påverkan på produktionsflödet och tid för att spola bort den infångade sanden (flushrate).
TETRAs sandhanteringssystem överträffade konkurrentens och återvann 99,4% av sanden med ett obegränsat flöde på 42 MMCFD. Faktum är att TETRA SandStorm var så effektivt att ett andra steg visade sig vara onödigt och att nedströmsflödet inte utsattes för någon tvätt, vilket förhindrade slipskador på flödes- och produktionsutrustningen och gjorde att operatören kunde spara så mycket som 10 000 USD per brunn.
Förutom den oöverträffade effektiviteten gav TETRA-systemet andra betydande fördelar. För det första förenklade TETRA SandStorm transport och placering på plats eftersom det är fyra gånger mindre än konkurrentens system. För det andra eliminerade den enkla men robusta konstruktionen praktiskt taget risken för komponentfel, praktiskt underhåll och därmed sammanhängande risker och stilleståndstid. För det tredje tog det mindre än fem minuter att tömma TETRA SandStorm på sand, vilket är betydligt kortare tid än de 45 minuter som krävdes för att spola konkurrentens system.
Fallstudie 2: Förvaltning av Permian Sand
En annan jämförelse sida vid sida genomfördes i Permian Basin i västra Texas. Precis som i fallet ovan utrustades två brunnar med sandhanteringssystem och nedströmsfilter för att mäta deras effektivitet, men i det här fallet var kontrasten ännu tydligare.
Hydrocyklontekniken TETRA SandStorm fångade i genomsnitt upp 96,63% av sanden från 132.889 fat vätska, med en toppnotering på 100% under en dag och flera dagar med 98% och 99%. Den konkurrerande avsandaren fångade däremot i genomsnitt endast 45,55% av sanden från 126.472 fat vätska, med en toppnotering på 60% under en dag. TETRA-lösningen var också dubbelt så liten som konkurrentens, så i slutändan både fördubblade den effektiviteten och halverade fotavtrycket.
Upplösning
I likhet med de ökande volymerna av producerat vatten kommer sandvolymerna att fortsätta att öka.
Förutom den sand som vi använder för att spräcka berget och öka produktionen leder längre sidoledningar och djupare, mer okonsoliderade reservoarer till att mer sand kommer ut ur brunnen. Gravitationsseparatorer och filtersystem kommer att förbli användbara verktyg i vissa situationer, men när sandhanteringen är kritisk är det klokast att betrakta lösningen som en investering för att skydda utrustning och produktionsvolym.
En klok investering är den avancerade cyklontekniken TETRA SandStorm.
