پشته های Frac چیست و چرا برای عملیات تکمیل چاه مدرن حیاتی هستند؟

پشته‌های Frac مجموعه‌های سر چاهی با فشار بالا هستند که برای کنترل و هدایت سیال شکست هیدرولیکی به داخل چاه مورد استفاده قرار می‌گیرند - و آنها مهمترین قطعه تجهیزات کنترل فشار در طول هر عملیات شکستگی هستند.

در صنعت نفت و گاز، موفقیت و ایمنی یک کار شکست هیدرولیک به شدت به یکپارچگی تجهیزات سطح بستگی دارد. در میان تمام اجزای دخیل، پشته های فراک به عنوان ضروری برجسته شوید. این که آیا شما یک مهندس ارزیابی تجهیزات تکمیل هستید یا یک متخصص تدارکات در مقایسه مجموعه‌های دارای رتبه فشار، درک پشته‌های فراکس - طراحی، عملکرد، رتبه‌بندی و معیارهای انتخاب آنها - ضروری است.

این راهنما نگاهی جامع به پشته‌های فرک ارائه می‌کند: چه هستند، چگونه کار می‌کنند، چگونه با تجهیزات سرچاهی سنتی تفاوت دارند، و چه عواملی تعیین می‌کنند که کدام پیکربندی پشته فرک برای یک چاه معین مناسب است.

پشته فراک چیست؟

الف پشته فراک یک مجموعه تخصصی کنترل فشار سر چاه است که در سطح چاه نفت یا گاز به طور خاص برای عملیات شکست هیدرولیکی نصب شده است. برخلاف یک سر چاه استاندارد که برای تولید طولانی مدت طراحی شده است، یک پشته فرک برای مقاومت در برابر فشارهای شدید و دوغاب های ساینده مرتبط با پمپاژ سیال شکستگی - اغلب مخلوطی از آب، مواد افزودنی شیمیایی - در اعماق سازند طراحی شده است.

الفt its core, a frac stack typically consists of:

• الف master valve - شیر قطع کننده اولیه در پایه پشته
• الف swab valve - امکان دسترسی به چاه برای ابزارهای سیمی را فراهم می کند
• دریچه های بال - جریان مستقیم به و از خطوط شکست
• الف frac head (or goat head) - منیفولد بالایی که چندین خط آهن تصفیه را به هم متصل می کند
• شیرها را چک کنید و خطوط را بکشید - برای کنترل چاه و کاهش فشار اضطراری

این اجزا با هم به خدمه اجازه می‌دهند تا مایع شکستگی را با فشارهای بسیار بالا پمپ کنند - معمولاً بین 5000 و 15000 PSI ، اگرچه کاربردهای فوق فشار بالا می تواند از آن فراتر رود 20000 PSI - با دقت و ایمنی

چگونه یک پشته Frac در طول یک کار شکست هیدرولیک کار می کند؟

الف frac stack acts as the primary interface between high-pressure surface pumping equipment and the wellbore, controlling fluid injection throughout every stage of the fracturing program.

هنگامی که یک کار شکست هیدرولیکی شروع می شود، پمپ های فشار بالا سیال شکستگی را از طریق خطوط آهنی که به سر شکستگی متصل می شوند، وادار می کنند. سر فرک - که اغلب به دلیل پیکربندی چند پورت آن، "سر بز" نامیده می شود - مایعات را از چندین کامیون پمپ به طور همزمان به داخل چاه توزیع می کند. این به اپراتورها اجازه می دهد تا به نرخ های تزریق بسیار بالا (گاهی بیش از حد) دست یابند 100 بشکه در دقیقه ) برای شکستن سازندهای سفت لازم است.

در طول عملیات:

• را شیر اصلی می تواند فوراً بسته شود تا در مواقع اضطراری در چاه بسته شود
• دریچه های بال برای مدیریت جریان برگشت و خطوط درمان باز یا بسته می شوند
• را دریچه سواب ورود مجدد را با ابزارهای سیمی بین مراحل امکان پذیر می کند
• خطوط را بکش به اپراتورها اجازه دهید تا مایع کشنده را پمپ کنند تا در صورت نیاز، کنترل خوبی را به دست آورند

الفfter fracturing is complete, the frac stack may be removed and replaced with a production tree, or it may remain temporarily during flowback operations.

پشته فراک در مقابل چاه سنتی: تفاوت های کلیدی

پشته‌های Frac و مجموعه‌های سرچاهی معمولی اهداف مختلفی را دنبال می‌کنند و با استانداردهای متفاوتی ساخته می‌شوند. جدول زیر تمایزات انتقادی را خلاصه می کند.

جدول 1: مقایسه بین پشته های فرک و مجموعه های سنتی سر چاه/درخت تولید در پارامترهای عملیاتی کلیدی.

رتبه بندی فشار فراک پشته: معنی آنها چیست؟

رتبه بندی فشار تنها مهم ترین مشخصه در هنگام انتخاب یک پشته فرک است - این به طور مستقیم تعیین می کند که آیا مجموعه می تواند به طور ایمن حفره چاه و فشارهای معالجه کننده را داشته باشد یا خیر.

پشته‌های فراک به ازای هر بار دارای رتبه‌بندی فشار هستند الفPI 6A و الفPI 16C استانداردها کلاس های فشار کاری رایج (WP) عبارتند از:

• 5000 PSI WP - مناسب برای سازندهای کم فشار و کم عمق
• 10000 PSI WP - پرکاربردترین رتبه بندی در نمایشگاه های بزرگ شیل ایالات متحده
• 15000 PSI WP - در چاه های عمیق و پرفشار مانند اهداف عمیق تر حوضه پرمین استفاده می شود
• 20000 PSI WP - کلاس نوظهور برای سازندهای فوق عمیق یا بسیار تنگ که نیاز به فشارهای تصفیه شدید دارند

توجه به این نکته ضروری است که رتبه بندی فشار کاری پشته فراک باید برابر یا بیشتر از آن باشد حداکثر فشار سطحی مورد انتظار (MASITP) برای کار، از جمله حاشیه ایمنی. اپراتورها معمولاً الف را اعمال می کنند حاشیه ایمنی 10 تا 15 درصد بالاتر از MASITP محاسبه شده هنگام انتخاب رتبه بندی فشار پشته فراکس.

الف mismatch — using an under-rated frac stack — can result in catastrophic blowout or equipment failure. According to industry analysis, حوادث سرچاهی مربوط به فشار همچنان یکی از اصلی ترین دلایل آسیب جدی است در طول عملیات تکمیل، تاکید بر اینکه چرا انتخاب رتبه بندی مناسب غیر قابل مذاکره است.

اجزای کلیدی یک مجموعه فراک پشته

هر جزء در پشته فرک نقش خاصی در حفظ کنترل چاه و هدایت سیال شکست دارد.

1. شیر اصلی

شیر اصلی اولین خط دفاعی در کنترل چاه است - می‌تواند با یک عملیات به طور کامل در سوراخ چاه بسته شود. به طور معمول یک شیر دروازه تمام سوراخ، مستقیماً بالای قرقره پوشش یا سر چاه نصب می شود. در طول عملیات پمپاژ معمولی، شیر اصلی کاملاً باز می ماند تا افت فشار به حداقل برسد. در مواقع اضطراری، می توان آن را از راه دور یا دستی در عرض چند ثانیه بسته کرد.

2. سواب سواب

شیر سواب بالای شیر اصلی قرار می گیرد و نقطه دسترسی مهر و موم شده با فشار را برای ابزارهای سیمی، تفنگ های سوراخ کننده یا ابزارهای تنظیم پلاگین فراهم می کند. در تکمیل پلاگین و پرف - تکنیک غالب در عملیات شیل ایالات متحده - دریچه سواب به طور مکرر بین مراحل شکست برای اجرای اجراهای سوراخ‌دار و تنظیمات پلاگین استفاده می‌شود.

3. شیرهای بال (درمان و جریان برگشتی)

دریچه های بال به صورت افقی از بدنه پشته فرک امتداد یافته و به خطوط آهن تصفیه (برای پمپاژ) و خطوط جریان برگشت (برای برگشت پس از شکست) متصل می شوند. یک پشته فرک معمولی حداقل دو دریچه بال دارد - یک بال فشار قوی و یک بال برگشتی با فشار پایین. دریچه های بال فشار بالا در پشته های فرک مدرن ویژگی دارند تریم کاربید تنگستن برای مقاومت در برابر فرسایش ناشی از دوغاب مملو از پروپانت.

4. Frac Head (سر بز)

هد فرک بالاترین جزء پشته فرک و نقطه اتصال اولیه برای خطوط آهن چندگانه از کامیون های پمپ است. سر فرک معمولا دارد 4 تا 8 پورت ورودی ، به چندین پمپ اجازه می دهد تا به طور همزمان تزریق کنند. این قابلیت تزریق موازی چیزی است که نرخ جریان بسیار بالا مورد نیاز برای تکمیل های چند مرحله ای مدرن را ممکن می کند. سر frac همچنین دارای شیرهای چک یکپارچه برای جلوگیری از جریان برگشتی است.

5. Kill Line و Check Valves

خطوط کشنده یک مسیر کمکی برای پمپاژ سیال سنگین به داخل چاه برای به دست آوردن کنترل مجدد در صورت وقوع حادثه کنترل چاه فراهم می کنند. دریچه های بازرسی در سرتاسر پشته فرک ادغام شده اند تا از برگشت سیالات یا گازهای چاه به داخل خطوط پمپ هنگام درمان افت فشار جلوگیری کنند.

انواع پشته های فراک: پیکربندی های تک، دوگانه و زیپ

پشته های Frac بسته به طراحی چاه، طرح های حفاری پد و اهداف عملیاتی در چندین پیکربندی مستقر می شوند.

جدول 2: پیکربندی های رایج پشته فراک، توضیحات آنها و سناریوهای کاربردی بهینه.

پذیرش از زیپ فرک و simul-frac تکنیک‌ها در حوضه پرمین و دیگر نمایش‌های اصلی شیل ایالات متحده، نوآوری قابل‌توجهی در طراحی پشته‌های فرک ایجاد کرده است. در عملیات simul-frac، اپراتورها گزارش داده اند بهبود راندمان تکمیل 40-60٪ در مقایسه با شکستگی معمولی تک چاهی، به طور چشمگیری هزینه هر پای جانبی را کاهش می دهد.

انتخاب مواد و مقاومت در برابر سایش در پشته های فرک

انتخاب مواد بسیار مهم است زیرا پشته های فرک در معرض دوغاب های مقاوم بسیار ساینده قرار می گیرند - خرابی سایش یکی از دلایل اصلی توقف و جایگزینی پشته فرک است.

ملاحظات اصلی مواد عبارتند از:

• مواد بدنه و کاپوت: الفISI 4130/4140 alloy steel, heat-treated to meet API 6A PSL-3 or PSL-4 requirements
• تزئینات صندلی و دروازه: کاربید تنگستن یا فولاد ضد زنگ 17-4 PH سخت شده برای مقاومت در برابر فرسایش در جریان محرک با سرعت بالا
• مهر و موم: مهر و موم الاستومری باید با شیمی مایع شکست، از جمله سیستم های آب لغزنده با pH بالا و مایعات تحریک کننده مبتنی بر اسید سازگار باشد.
• محیط های خدمات ترش (H2S): در صورت وجود سولفید هیدروژن، مواد منطبق با NACE MR0175/ISO 15156 اجباری هستند.

مطالعات در بخش تجهیزات تکمیل نشان می دهد که دریچه های بریده شده با کاربید تنگستن نشان دادن عمر مفید 3-5 برابر طولانی تر نسبت به شیرهای فولادی استاندارد در کاربردهای با غلظت بالا، به طور قابل توجهی هزینه های تکمیل کلی را از طریق تعویض تجهیزات کمتر کاهش می دهد.

الفPI Standards Governing Frac Stack Design and Testing

پشته های Frac باید با استانداردهای API شناخته شده بین المللی مطابقت داشته باشند - انطباق اختیاری نیست. این یک الزام قانونی و قراردادی در اکثر عملیات نفت و گاز است.

• الفPI 6A (Wellhead and Christmas Tree Equipment): بر طراحی، مواد، آزمایش و علامت گذاری اجزای سر چاه از جمله پشته های فرک نظارت می کند. سطوح PSL-2، PSL-3، و PSL-4 الزامات کیفیت و قابلیت ردیابی به تدریج سخت‌گیرانه‌تر را تعریف می‌کنند.
• الفPI 16C (Choke and Kill Equipment): الفpplies to high-pressure well control components including kill lines and choke manifolds often integrated with frac stacks.
• الفPI 6FA / 6FB (Fire Testing): شیرهای انباشته شکسته تست آتش ممکن است در محیط هایی با خطر آتش سوزی بالا مشخص شوند.
• NACE MR0175: الزامات مواد برای کاربردهای خدمات ترش که در آن غلظت H2S از آستانه فراتر رود.

برای چاه های بحرانی و محیط های پرخطر، اپراتورها معمولاً مشخص می کنند PSL-3 یا PSL-4 پشته های فرک رتبه بندی شده، که به قابلیت ردیابی کامل مواد، NDE تکمیلی (معاینه غیر مخرب)، و آزمایش پذیرش کارخانه (FAT) نیاز دارند.

نحوه انتخاب پشته Frac مناسب: یک چک لیست عملی

انتخاب پشته فرک صحیح مستلزم ارزیابی سیستماتیک شرایط چاه، الزامات عملیاتی و تعهدات نظارتی است.

جدول 3: چک لیست عملی انتخاب پشته فراکسی که پارامترهای کلیدی مهندسی و عملیاتی را پوشش می دهد.

Frac Stack Maintenance, Inspection, and Service Life

تعمیر و نگهداری مناسب برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد پشته های شکست ضروری است - خرابی دریچه یا آب بندی دمیده شده در حین کار پمپاژ فشار بالا هم خطر ایمنی و هم یک خاموشی برنامه ریزی نشده پرهزینه را نشان می دهد.

بهترین شیوه های صنعت برای نگهداری پشته فرک عبارتند از:

• تست فشار قبل از کار: الفll frac stacks must be pressure-tested to the working pressure rating (typically a low-pressure test at 250 PSI and a full working pressure test) before every job.
• بازرسی پس از کار: سوپاپ ها، نشیمنگاه ها و آب بندی ها باید بعد از هر کار بازرسی شوند. روکش سوپاپ و نشیمنگاه های گیت از اقلامی هستند که بیشترین سایش را دارند.
• فواصل کامل بازسازی: بسیاری از اپراتورها جداسازی کامل و تایید مجدد را در هر زمان مشخص می کنند 12-18 ماه یا بعد از تعداد مشخصی از ساعات کاری، هر کدام که زودتر بیاید.
• اسناد و قابلیت ردیابی: سوابق تعمیر و نگهداری، گواهی تست فشار، و اسناد ردیابی مواد باید همراه با همه پشته های فراک در بازارهای تنظیم شده باشد.

نادیده گرفتن چرخه های تعمیر و نگهداری یکی از دلایل اصلی خرابی پشته فرک در میدان است. داده های صنعت نشان می دهد که برنامه‌های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، خرابی‌های پشته شکسته را تا 70 درصد کاهش می‌دهند. ، باعث صرفه جویی قابل توجهی در هزینه در طول عمر یک برنامه تکمیل می شود.

نوآوری در فناوری Frac Stack

فن آوری Frac stack برای پشتیبانی از برنامه های تکمیل تهاجمی فزاینده مورد نیاز اپراتورهای شیل به سرعت در حال تکامل است.

• شیرهای الکتریکی و هیدرولیک فعال: انباشته‌های شکسته از راه دور به اپراتورها این امکان را می‌دهند که دریچه‌ها را از فاصله ایمن باز و بسته کنند و قرار گرفتن در معرض پرسنل را در طول عملیات با فشار بالا کاهش دهند.
• الفutomated pressure monitoring: مبدل‌های فشار یکپارچه و ادغام بلادرنگ SCADA، نظارت مداوم بر یکپارچگی پشته فراکسی را در طول پمپاژ امکان‌پذیر می‌سازد.
• 20000 PSI-class systems: الفs operators target deeper, tighter formations, next-generation frac stacks rated to 20,000 PSI are entering wider commercial use.
• طراحی های فشرده و سبک: پشته‌های فرک مدولار طراحی‌شده برای نصب و برون‌کردن سریع در محل‌های پد چند چاهی، زمان کامل تکمیل در هر چاه را کاهش می‌دهند.
• حفاری پریز فرک با سرعت بالا: لوله‌های یکپارچه و سیستم‌های جریان برگشتی جفت‌شده با پشته‌های فرک، سوراخ‌کاری سریع‌تر پلاگین بین مراحل را امکان‌پذیر می‌کنند و از برنامه‌های تکمیل فرکانس بالا پشتیبانی می‌کنند.

این نوآوری ها در مجموع از حرکت صنعت به سمت حمایت می کنند تکمیل سریعتر و کارآمدتر در حالی که خطر مواجهه انسان با تجهیزات پرفشار را کاهش می دهد.

سوالات متداول در مورد Frac Stacks

نتیجه گیری: چرا درست کردن پشته های فراک مهم است

پشته های فراک یک کالای کالایی نیستند - آنها مجموعه هایی با مهندسی دقیق و حیاتی هستند که انتخاب صحیح، نگهداری و عملکرد آنها مستقیماً بر ایمنی چاه، راندمان تکمیل و در نهایت اقتصاد هر برنامه شکست هیدرولیکی تأثیر می گذارد.

از انتخاب کلاس فشار صحیح و اندازه سوراخ تا تعیین درجه مواد مناسب برای سرویس ترش یا ساینده، هر تصمیمی در پیکربندی پشته فرک پیامدهای پایین دستی دارد. همانطور که برنامه های تکمیل تهاجمی تر می شوند - جانبی عمیق تر، طولانی تر، فشار درمان بالاتر، مراحل بیشتر در هر چاه - نقش پشته های فرک با کارایی بالا و تایید شده به درستی مهم تر می شود.

مهندسان و متخصصان تدارکاتی که اصول فنی پشته‌های فرک را درک می‌کنند، در موقعیت بهتری برای اتخاذ تصمیماتی هستند که ایمنی عملیاتی را بهبود می‌بخشد، زمان خرابی تجهیزات را کاهش می‌دهد و هزینه کلی تکمیل چاه را بهینه می‌کند.