Sand: Både botemedel och gift
Av Adam Calvin | TETRA Direktör för fältteknik | 27 oktober 2023
Inom teknik och medicin är det avgörande att hitta rätt balans. Ta till exempel den klassiska grekiska termen pharmakon -som betyder både "botemedel" och "gift", beroende på avsikten, tillämpningen och effekterna.
Läkemedel och gift
Fracking-boomens läkemedel är utan tvekan sand - ett "botemedel" som ger ökad produktion ... och... ett "gift" för flödesledningar och utrustning.
Som proppant är sand rikligt förekommande, miljövänligt och ofta mer effektivt än alternativ som valnötsskal eller pärlor av stål, glas eller plast.
Men den sand som följer med kolvätena ut ur formationen och borrhålet kan täppa till och erodera flödesledningar och produktionsutrustning, vilket varje år kostar branschen miljontals dollar i reparationer eller förluster. Sand kan till och med skada borrhålet och höljet över en kritisk gräns, vilket leder till att mycket produktiva och 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 orsaka mottryck som minskar produktionsvolymerna, och de kräver praktiskt underhåll dygnet runt - manuell tömning av separatorer och byte av filterskärmar.
En ytterligare svaghet med 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 exponering för risker och kostnaden för mer arbetskraft.
Att skörda virvelvinden
En mycket bättre lösning för sandkontroll är hydrocyklonen, en innovativ enhet som använder centrifugalkraft för att separera fina fasta partiklar från vätskor.
Om man tittar på diagrammet nedan ser man att produktionsströmmen går in i enheten och virvlar runt inuti medan den inverterade koniska formen accelererar innehållet. Hastigheten är tillräcklig för att skapa en virvel som får vätskorna (både vätska och gas) att koncentreras till en stigande kolonn i mitten och de tyngre fasta partiklarna att flyga utåt mot innerväggen och färdas nedåt; vätskorna lämnar överflödet högst upp medan de fasta partiklarna lämnar underflödet längst ned.
En hydrocyklon har inga rörliga delar utan utnyttjar produktionsströmmens hastighet för att generera centrifugalkraften. Den passiva konstruktionen eliminerar i stort sett mekaniska fel och ständigt underhåll, men dess enkelhet som illustreras i diagrammet är bedräglig.
För att en hydrocyklon ska bli effektiv och tillförlitlig vid sandhantering krävs en hel del precisionsarbete - och även här är balansen avgörande. Viktiga faktorer är enhetens storlek i förhållande till vinkeln på den koniska sektionen, storleken på in- och utflödet, placeringen av virvelmätaren och mätvärdena för toppventilen.
För mycket och de fasta fina partiklarna kommer snabbt att erodera innerväggarna eller så kommer en svagt byggd enhet att flyga sönder i ett katastrofalt fel som kan orsaka personskador. Dessutom måste enheten vara tillräckligt robust för att klara de höga - ofta exceptionellt höga - trycken i olje- och gasbrunnar.
Teknisk elegans: TETRA SandStorm
En exakt konstruerad, supereffektiv, tillförlitlig och säker hydrocyklon som nu visar sitt värde i fält är TETRA SandStorm avancerade cyklonteknik. Den skapar inga begränsande mottryck i produktionsflödet och kräver inget konstant praktiskt underhåll.
Faktum är att tekniken enkelt kan kombineras med det automatiserade styrsystemet TETRA BlueLinx för en sandhanteringslösning som inte bara ger en sandavskiljningseffektivitet så hög som 99,4% utan också avsevärt minskar arbets- och underhållskostnaderna.
Vi vet detta eftersom TETRA SandStorm-enheter i upprepade tillämpningar hos kunder har installerats tillsammans med konkurrerande cyklonfällor, båda med andrastegsfiltersystem placerade nedströms för att fånga upp all sand som slinker igenom det första steget. Om och om igen visar filtren att TETRA SandStorm avlägsnar 97-99% av sanden från produktionsflödet och överträffar konkurrerande cykloner avsevärt.
Fallstudie 1: Produktionstakten i Appalachia
I Marcellus Shale Play i nordöstra USA sökte en operatör med ett antal gasbrunnar en bättre lösning för återvinning av sand från frac-flöde. Utmaningen var det mycket höga flödet i brunnarna, upp till 45 MMCFD, och den varierande partikelstorleken hos sanden. Varken en separator eller ett 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 sandåtervinningseffektiviteten, påverkan på produktionsflödet och tiden för att spola bort den infångade sanden (flushrate).
TETRA:s sandhanteringssystem överträffade konkurrentens och återvann 99,4 % av sanden med ett obegränsat flöde på som mest 42 MMCFD. Faktum är att TETRA SandStorm var så effektiv att ett andra steg visade sig vara onödigt och att återflödet nedströms hade noll tvätt, vilket förhindrade abrasiva skador på återflödet och produktionsutrustningen och sparade operatören så mycket som 10.000 USD per brunn.
Förutom sin oöverträffade effektivitet gav TETRA-systemet andra betydande fördelar. För det första är TETRA SandStorm fyra gånger mindre än konkurrentens system, vilket förenklade transport och placering på plats. 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 skarpare.
TETRA SandStorm hydrocyklonteknik fångade i genomsnitt upp 96,63% av sanden från 132.889 fat vätska, med en topp på 100% under en dag och flera dagar med 98% och 99%. Den konkurrerande desandern fångade däremot upp 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 fördubblade den både effektiviteten och halverade fotavtrycket.
Upplösning
Precis som med de ökande volymerna av producerat vatten kommer sandvolymerna att fortsätta öka.
Förutom den sand som vi använder för att spräcka berget och öka produktionen, resulterar längre sidoledningar och djupare, mer okonsoliderade reservoarer i 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 se lösningen som en investering för att skydda utrustning och produktionsvolym.
En klok investering är TETRA SandStorms avancerade cyklonteknik.
