Руководство по шлангам для гидроразрыва: типы, материалы и применение на нефтяных месторождениях

Что такое шланг для гидроразрыва?

Шланги для гидроразрыва — формально шланг для перекачки гидроразрыва пласта — представляет собой гибкий трубопровод высокого давления, предназначенный для перемещения больших объемов жидкости между наземным оборудованием во время операций по стимуляции нефтяных и газовых скважин. На типичной площадке гидроразрыва эти шланги соединяют насосные агрегаты высокого давления, блендеры, резервуары для гидроразрыва, манифольды и устьевое оборудование, перекачивая все: от сырой воды и жидкости для гидроразрыва до насыщенного проппантом раствора и химических добавок при постоянном, высокоцикловом давлении.

В отличие от стандартных промышленных шлангов, шланги для гидроразрыва должны одновременно удовлетворять четырем конкурирующим требованиям: сопротивление давлению (рабочее давление 500–15 000 фунтов на квадратный дюйм в зависимости от положения в контуре), устойчивость к истиранию против потоков, насыщенных проппантом, химическая совместимость с широким спектром присадок, используемых в жидкостях заканчивания, и полевая долговечность при повторяющихся циклах развертывания, перетаскивания и соединения на пересеченной местности нефтяных месторождений. Выбор материала внутренней трубки — ТПУ, резина или композит — является основным рычагом, определяющим, насколько шланг соответствует всем четырем требованиям.

Применение шлангов для гидроразрыва в нефтедобывающей промышленности

Одна операция гидроразрыва пласта включает в себя несколько отдельных контуров жидкости, каждый из которых оказывает различное давление, температуру и химический состав жидкости на задействованные шланги. Понимание этих схем необходимо для выбора правильного шланга для каждого положения.

Линии гидроразрыва высокого давления и линии «насос-устье скважины»

Местом наибольшего напряжения в любой схеме гидроразрыва является место соединения манифольда насоса высокого давления и устья скважины. Рабочее давление здесь обычно достигает 10 000–15 000 фунтов на квадратный дюйм , требующие стального чугуна для гидроразрыва или гибкого шланга сверхвысокого давления, рассчитанного на полное устьевое давление. Эти линии работают с жидкостью гидроразрыва — водой, гелем или жидкой водой — смешанной с кремнеземом или керамическим проппантом в концентрации до 8 фунтов на галлон.

Линии перекачки и всасывания низкого давления

На стороне всасывания насоса — между резервуарами гидроразрыва, блендерами и приемными устройствами насоса — давление падает до 50–300 фунтов на квадратный дюйм диапазон. Здесь плоские или всасывающие шланги большого диаметра (3–6 дюймов) переносят смешанную жидкость гидроразрыва с высокими скоростями потока. Преобладающими механизмами деградации являются абразивное воздействие проппанта и химическое воздействие биоцидов, ингибиторов отложений и понизителей трения.

Линии водоснабжения и передачи

Большие объемы исходной воды — обычно От 3 до 15 миллионов галлонов на стадию гидроразрыва в нетрадиционных месторождениях — должны быть перемещены из водохранилищ, ям или трубопроводов в локальное хранилище. Эти линии передачи охватывают расстояния от сотен метров до нескольких километров по неподготовленной местности, что делает предпочтительным решением легкий, устойчивый к истиранию плоский шланг.

Линии химического впрыска

Концентрированные химические добавки — кислоты, поверхностно-активные вещества, ингибиторы коррозии, гелеобразователи — впрыскиваются в поток гидроразрыва с точной скоростью через шланги для закачки химикатов малого диаметра (½–2 дюйма). Эти линии требуют превосходной химической стойкости в широком диапазоне pH, часто от pH 1 (кислотная стимуляция) до pH 13 (обработка высокощелочными отложениями).

Обратная отработка и перекачка пластовой воды

После гидроразрыва скважина производит обратную жидкость — смесь закачанной воды гидроразрыва, пластового рассола, углеводородов и остаточного проппанта — которую необходимо улавливать, перемещать и обрабатывать или утилизировать. Шланги обратного потока должны одновременно обрабатывать содержание углеводородов, повышенное содержание растворенных твердых веществ (TDS) и взвешенных твердых веществ.

Устойчивый к истиранию шланг для использования на нефтяных месторождениях

Проппант — кварцевый песок или инженерная керамика — является основным абразивным агентом в нефтепромысловых шлангах. На участках ГРП концентрация проппанта в растворе может достигать 4–8 фунтов/галлон (480–960 кг/м³) , а скорости потока в линиях передачи обычно превышают 3 м/с. В этих условиях стандартное внутреннее отверстие из бутадиен-нитрильного каучука разрушается со скоростью, которая может привести к разрушению шланга за одну стадию гидроразрыва.

ТПУ (термопластичный полиуретан) это материал, который изменил экономику замены нефтепромысловых шлангов. При испытаниях на истирание согласно DIN 53516 объемные потери соединений ТПУ составляют 20–60 мм³ по сравнению со 150–300 мм³ для стандартного NBR — улучшение в 5–15 раз. В полевых условиях с применением кремнеземного проппанта срок службы в несколько раз превышает срок службы резиновых эквивалентов с той же толщиной стенок.

Преимущество в производительности достигается за счет структуры ТПУ с разделением микрофаз: жесткие твердые сегменты противостоят проникновению частиц, а гибкие мягкие сегменты поглощают энергию удара и предотвращают возникновение трещин. Для эксплуатации на нефтепромыслах внутренние трубы из ТПУ обычно указываются по адресу: Шор А 88–95 , с толщиной стенок 4–8 мм в зависимости от концентрации проппанта и скорости потока.

Помимо внутреннего отверстия, внешняя оболочка также требует устойчивости к истиранию: нефтепромысловые шланги обычно протаскивают по калишам, гравийным подушкам и стальным решеткам. Наружное покрытие из термополиуретана или бутадиен-стирольного каучука, устойчивого к УФ-излучению, с твердостью по Шору А не менее 60 является стандартом для шлангов для нефтепромыслового обслуживания.

Шланг из ТПУ для работы на пересеченной местности

Нефтепромыслы представляют собой одни из самых сложных условий местности для развертывания гибких шлангов. Кустовые площадки на нетрадиционных месторождениях — Пермский бассейн, Игл-Форд, Марцеллус, Хейнсвилл — обычно строятся на калишах, утрамбованном гравии или коренных камнях, а окружающие подъездные пути пересекают неулучшенные дороги, дренажные канавы, линии заборов и неровные пастбища.

Линия перекачки воды длиной 500 метров в резиновом шланге NBR диаметром 4 дюйма весит примерно 650–800 кг — необходимость использования техники для укладки и извлечения. Эквивалентный плоский шланг из ТПУ весит 380–500 кг , сокращение, которое позволяет меньшим бригадам развертывать и восстанавливать линии вручную или с помощью более легкого оборудования, что напрямую снижает эксплуатационные затраты на каждый этап.

Снижение веса увеличивается при проведении полного ГРП. На площадке с 8–12 скважинами, требующими водоперекачивающих линий длиной 300–800 метров каждая, совокупная разница между ТПУ и резиной может составлять вес шланга несколько тонн , что влияет на транспортную логистику, утомляемость экипажа и время развертывания на этапе.

Производительность в холодную погоду одинаково важна и в северных пьесах (Баккен, Монтни, Дюверне). Резина NBR существенно затвердевает при температуре ниже -20 °C, что затрудняет сматывание шлангов большого диаметра и увеличивает риск перекручивания и повреждения муфты при развертывании холодным утром. ТПУ сохраняет свою гибкость в −40 °С , устраняя ограничения при работе при низких температурах.

Легкий гибкий промышленный шланг: почему это важно на площадках ГРП

Эксплуатационный темп гидроразрыва пласта, при котором часы работы насоса напрямую определяют экономику скважины, создает сильное давление, направленное на минимизацию времени подъема и демонтажа буровой установки. Каждый час, потраченный на прокладку шланга или устранение неполадок в перекрученной или вышедшей из строя линии, сокращает количество стадий гидроразрыва, выполняемых за день, а затраты на одну стадию в дорогостоящих бассейнах достигают десятков тысяч долларов.

Легкие гибкие шланги сокращают время монтажа благодаря трем механизмам. Во-первых, меньший вес на единицу длины позволяет бригаде из двух человек обрабатывать линии, для которых в противном случае потребовался бы вилочный погрузчик или кран. Во-вторых, превосходная низкотемпературная гибкость исключает период прогрева, который требуется резиновым шлангам, прежде чем их можно будет безопасно размотать в холодную погоду. В-третьих, меньший диаметр катушки (ТПУ лежит более ровно и наматывается более плотно, чем резина) позволяет перевозить больше шлангов на одной катушке, уменьшая количество грузов, необходимых для большой подушки.

В частности, для шлангов для перекачки воды с плоской укладкой формат плоской упаковки обеспечивает дополнительные логистические преимущества: 500-метровая секция 4-дюймового плоского шланга из ТПУ складывается в рулон. 300–400 мм в диаметре по сравнению с резиновым шлангом с жестким отверстием, который вообще невозможно сложить. Эта разница определяет, можно ли транспортировать шланг в кузове-пикапе или требуется специальный прицеп для катушки со шлангом.

Шланг для перекачки воды для участков гидроразрыва

Управление водными ресурсами является одной из крупнейших логистических проблем при нетрадиционном заканчивании скважин. Для одной горизонтальной скважины в Пермском бассейне требуется От 10 до 20 миллионов галлонов воды по всей программе завершения; полная разработка площадки с восемью скважинами может потребовать от 80 до 160 миллионов галлонов. Перемещение этого объема от источника к скважине, а также управление обратным потоком и попутной водой со скважины на утилизацию требует надежной инфраструктуры многоразовых шлангов.

Для перекачки поверхностных вод — из ям, прудов, рек или трубопроводов — стандартным решением является плоский или полужесткий всасывающий/сливной шланг большого диаметра в От 3 до 8 дюймов (75–200 мм) диапазон. Ключевые параметры спецификации включают в себя:

• Рабочее давление : 6–16 бар для плоской разгрузки; 6–10 бар при полном вакууме (-0,9 бар) для всасывающего шланга.
• Материал внутреннего отверстия : ТПУ обеспечивает длительную стойкость к истиранию от взвешенных отложений и накипи; Резина EPDM для воды с температурой выше 70 °C.
• Армирование : Высокопрочная полиэфирная пряжа или полиэфирная ткань для плоского шланга; стальная спираль для всасывающего шланга, требующего устойчивости к смятию.
• Тип соединения : Фитинги Camlock (кулачково-пазовые) из алюминия или ковкого чугуна для быстрого соединения в полевых условиях; обвязаны или обжаты для постоянного заделки.
• устойчивость к ультрафиолетовому излучению : Внешняя оболочка, стабилизированная техническим углеродом или устойчивая к УФ-излучению, обязательна для шлангов, хранящихся и эксплуатируемых на открытом воздухе круглый год.

Возможность повторного использования в ходе нескольких операций ГРП является основным экономическим фактором: плоско уложенный шланг для перекачки воды из ТПУ, используемый на 8–12 стадиях ГРП перед заменой, обеспечивает более низкую стоимость каждой стадии, чем резиновый шланг, заменяемый каждые 2–3 стадии, даже при более высокой закупочной цене за единицу.

Химически стойкий шланг для применения на нефтяных месторождениях

Жидкости для заканчивания нефтяных месторождений представляют собой уникальную обширную и агрессивную химическую среду. Современный состав жидкости для гидроразрыва может содержать От 15 до 25 различных химических добавок , включая соляную кислоту (для стадий кислотной стимуляции обычно 7,5–15% HCl), понизители трения (на основе полиакриламида), биоциды (глутаральдегид, DBNPA), ингибиторы отложений (на основе фосфонатов), гелеобразователи (гуаровая камедь, HPG), разжижители (окислительные или ферментативные) и сшивающие агенты (соединения циркония или бора).

Ни один полимер не превосходит всех этих химических веществ. Практическая основа выбора шлангов для нефтепромысловых химикатов:

• ТПУ на основе эфира : Отличная стойкость к разбавленным кислотам, щелочам и добавкам на водной основе. Устойчив к гидролизу при эксплуатации в условиях постоянной влажности. Стандартный выбор для шлангов для перекачки жидкости общего назначения.
• ТПУ на основе сложного эфира : Превосходные механические свойства, но подвержен гидролизу при длительном погружении в воду. Подходит для сухого или периодического влажного переноса химикатов.
• Шланг с футеровкой из СВМПЭ : Лучшая в своем классе химическая стойкость практически ко всем нефтепромысловым химикатам, включая концентрированную HCl и углеводородные растворители. Требуется для линий впрыска концентрированной кислоты.
• NBR-каучук : Хорошая стойкость к алифатическим углеводородам и жидкостям на нефтяной основе. Предпочтителен для перекачки пластовой воды и нефти при высоком содержании углеводородов.
• Шланг с футеровкой из ПТФЭ : Универсальная химическая стойкость, включая ароматические растворители и окисляющие кислоты. Предназначен для впрыска дорогостоящих химикатов, где необходимо исключить риск загрязнения.

Всегда сверяйте конкретный химический состав, включая концентрацию и температуру, с опубликованной таблицей химической совместимости производителя шлангов, прежде чем переходить к спецификации материала. Неисправности шлангов для инъекций химикатов в полевых условиях в непропорциональной степени вызваны несовместимым выбором внутренней трубки, а не перегрузкой давления.

Объяснение шланга для бурового раствора

Шланг для бурового раствора, также называемый вращающийся шланг, ведущего шланга или шланг возврата бурового раствора в зависимости от положения в циркуляционной системе — передаёт буровой раствор (раствор) между стояковым манифольдом, вертлюгом или верхним приводом и бурильной колонной при активных буровых работах. Это один из наиболее критичных с точки зрения безопасности шлангов на буровой установке, работающий при давлении до 7500 фунтов на квадратный дюйм (517 бар) одновременно изгибаясь и вращаясь вместе с талевым блоком.

Роторные шланги изготавливаются API 7К стандарты, которые определяют шесть классов обслуживания (от A до F) по рабочему давлению и размеру отверстия. Типичный вращающийся шланг диаметром 4 дюйма на наземной буровой установке работает при рабочем давлении 3000–5000 фунтов на квадратный дюйм , с минимальным давлением разрыва, в четыре раза превышающим рабочее давление. Конструкция состоит из внутренней трубки из нитрильного каучука, нескольких слоев спирального армирования из высокопрочной стальной проволоки (обычно от 4 до 6 слоев), тканевого разделительного слоя и устойчивой к истиранию внешней оболочки.

Буровой раствор сам по себе представляет собой сложную жидкость: растворы на водной основе (РВБ) содержат глинистые суспензии, баритовые утяжелители и различные химические добавки; В буровых растворах на нефтяной основе (OBM) используется дизельное или синтетическое базовое масло, и они представляют собой более агрессивную химическую среду для резиновых смесей. Внутренние трубки на основе сложного эфира или NBR хорошо справляются с WBM; Для обслуживания OBM обычно требуется гидрированный нитрил (HNBR) или фторэластомер (FKM) внутренние соединения для адекватной устойчивости к набуханию.

Помимо вращающегося шланга, система циркуляции буровой установки включает в себя шланги вибратора (подключение стояка к вращающемуся шлангу, поглощающее пульсацию насоса), задушить и убить шланги (API 16C, рассчитано на полное давление закрытия устья для контроля скважины) и шланги возврата грязи (линии большого диаметра и низкого давления, возвращающие буровой раствор из раструбного ниппеля в вибросита).

Шланги обратного потока и системы перекачки сточных вод

После ГРП скважина открывается в эксплуатацию и начинается обратная отработка. Жидкость, возвращающаяся на поверхность в первые дни или недели после стимуляции — называется обратный поток — представляет собой сложную смесь, которая значительно меняется со временем: первоначально в ней преобладает закачиваемая вода гидроразрыва, она постепенно приобретает все более характеристики пластового рассола с увеличением TDS (общее количество растворенных твердых веществ, иногда превышающее 200 000 мг/л ), содержание углеводородов (газа и конденсата), природных радиоактивных материалов (НОРМ), сероводорода (H₂S) в кислых коллекторах и остаточных фракций проппанта.

Этот профиль жидкости создает строгие спецификации шлангов, которые сочетают в себе требования, обычно предъявляемые к отдельным продуктам:

• Устойчивость к углеводородам : Конденсат и сырая нефть разбухают и разрушают внутренние трубки, не устойчивые к воздействию алифатических углеводородов. NBR и HNBR являются стандартными вариантами; Эфирные сорта ТПУ обладают умеренной устойчивостью к углеводородам.
• Устойчивость к H₂S : Сероводород разъедает как металлические муфты, так и некоторые эластомеры. Соответствие NACE MR0175/ISO 15156 определяет выбор материала для муфт для эксплуатации в кислых средах; Внутренние трубки из FKM предназначены для работы в средах с высоким содержанием H₂S.
• Устойчивость к истиранию : Остаточные частицы проппанта и пластовый песок остаются во взвешенном состоянии во время обратного притока, что делает истирание ствола скважины активным механизмом разрушения. Шланги с покрытием из ТПУ предпочтительнее, если содержание твердых частиц является значительным.
• Допуск температуры : Температура обратной жидкости на поверхности зависит от глубины ствола скважины и геотермического градиента; Глубокие скважины в горячих бассейнах могут добывать жидкости при 60–90 °С , приближаясь к верхнему рабочему пределу стандартного ТПУ.

Передача пластовой воды — перемещение очищенного или неочищенного пластового рассола с буровой площадки в отводные скважины, испарительные ямы или установки по переработке — представляет собой постоянное требование на протяжении всего эксплуатационного срока эксплуатации скважины, а не только во время ее завершения. Для замены трубопроводов пластовой воды на большие расстояния или временной прокладки трубопроводов большого диаметра. Плоский шланг из ТПУ диаметром от 4 до 8 дюймов представляет собой экономически эффективное решение с возможностью повторного развертывания, позволяющее избежать получения разрешений и капитальных затрат на постоянное заглубление трубы.

Системы перекачки сточных вод также должны соответствовать требованиям вторичной локализации согласно EPA и государственным нормам. Шланговые системы, используемые вблизи экологически чувствительных зон или поверхностных водоемов, обычно размещаются внутри вторичных защитных берм или в сочетании с конструкциями шлангов с двойными стенками, которые обеспечивают промежуточный слой для обнаружения утечек между внутренними и внешними трубками.