Quel est le meilleur réducteur de friction ? Vous devez le comprendre vous-même

May 12, 2023

On s'attend à ce que les réducteurs de friction jouent un rôle essentiel dans la fracturation, certains mieux que d'autres.

Les producteurs de schiste se rendent compte tardivement qu'il existe de nombreuses variables qui peuvent altérer les performances de ces produits chimiques utilisés pour réduire la puissance nécessaire pour fracturer hydrauliquement un réservoir et, à des doses plus élevées, pour épaissir le fluide, permettant de délivrer plus efficacement le proppant.

Il y a des puits qui peuvent justifier de payer plus pour un réducteur de friction formulé pour résister à des défis chimiques difficiles, et d'autres qui ne le peuvent pas.

Mais il n'existe aucun guide décrivant les performances de ces additifs clés. Ceux qui effectuent des évaluations se rendront compte que de nombreux détails sur les réducteurs de friction sont exclusifs et qu'aucune norme de l'industrie ne fournit de conseils sur les informations nécessaires pour évaluer en profondeur leur compatibilité avec les conditions du réservoir.

"Il n'y a pas eu de très bonne méthode pour évaluer quantitativement les réducteurs de friction et ce qu'ils font", a déclaré Paul Carman, conseiller en fluides d'achèvement pour ConocoPhillips, qui n'a pas compris ce que pourrait être cette méthode.

Récemment, Occidental Petroleum a tenté de répondre à la question avec un article discutant de son évaluation des performances du réducteur de friction.

Ce n'est pas une réponse courte. Le document présenté à la Conférence sur les technologies des ressources non conventionnelles (URTeC) ne propose pas les noms des produits testés, combien ont été testés à n'importe quelle étape du processus, ou des détails qui pourraient identifier les plus performants (URTeC 5249).

Ceux qui creusent plus profondément et interrogent des experts en fracturation apprendront que le meilleur réducteur de friction dépendra du travail. Et de l'argent, du temps et des recherches sont nécessaires pour recueillir les données nécessaires à une prise de décision éclairée.

Lorsque Occidental a commencé à travailler sur un système pour évaluer les réducteurs de friction, ils ont découvert que peu de choses avaient été écrites sur la façon de le faire, a déclaré Nancy Zakhour, responsable de la conception du puits chez Occidental, co-auteur de l'article.

Il y avait un document général de Shell sur l'évaluation chimique des puits, mais rien d'autre. Cela montre comment les compagnies pétrolières en sont venues à compter sur d'autres pour effectuer des tests de performance.

L'industrie du schiste n'a pas montré beaucoup d'intérêt pour les performances chimiques jusqu'à récemment. Une plus grande attention s'est portée sur les nombreux détails qui peuvent améliorer progressivement les performances des puits de schiste et sur les recherches montrant comment les réducteurs de friction fonctionnent mal en raison de réactions chimiques dans certains puits.

Ce ne sont pas les seuls additifs susceptibles d'être affectés par des réactions chimiques pendant et après la fracturation. Mais les réducteurs de friction ont attiré le plus d'attention car ils effectuent quelques tâches importantes.

"Les HVFR font ressortir le meilleur des réducteurs de friction réguliers et des fluides gélifiés dans un système unique et propre", a déclaré Zakhour.

Occidental a choisi des produits chimiques pour les tests en laboratoire en faisant ses propres démarches et en créant une base de données. Il a ensuite embauché un laboratoire indépendant pour effectuer des tests qu'il a développés avec les conseils d'un chimiste faisant partie du personnel. Le test ultime était basé sur les performances de fracturation, qui ont été mesurées de diverses manières en fonction du temps et du coût nécessaires pour fracturer efficacement une étape et la productivité de cette section.

Occidental a créé sa propre méthode parce que les grandes compagnies pétrolières se sont retirées du secteur de l'évaluation chimique il y a des décennies lorsqu'elles ont commencé à compter sur des fournisseurs pour des tests et des conseils.

Cette relation a changé ces dernières années. Premièrement, certaines entreprises du secteur du schiste ont cessé de compter sur des entreprises de pompage sous pression pour fournir les produits chimiques et ont commencé à acheter directement.

Les entreprises qui ont d'abord pris le contrôle des achats de produits chimiques pour réduire les coûts sont désormais confrontées à la question : en fonction des performances, quel est le meilleur rapport qualité-prix ? Lorsque Occidental a commencé à créer sa base de données d'évaluation, il a décidé de ne pas se fier uniquement aux informations sur les fournisseurs.

L'objectif du processus était d'éliminer tout biais en payant un laboratoire indépendant pour effectuer les tests qu'il avait choisis, a déclaré Zakhour.

La création d'une base de données sur les performances chimiques à l'aide des informations sur les fournisseurs met en évidence le fait que les informations proposées varient. Certains détails ne sont pas divulgués car ils sont considérés comme exclusifs.

Les ingrédients ne sont souvent pas répertoriés et les informations sur les performances proposées varient en quantité et en qualité. Les données nécessaires pour les comparaisons de performances de pommes à pommes n'étaient tout simplement pas disponibles, a déclaré Zakhour.

Ceux du côté de l'offre voient également une divulgation sélective des données. "Il est difficile de comparer les données" de différents fournisseurs, a déclaré Brian Price, vice-président de la technologie chez Rockwater Energy Solutions.

D'un autre côté, il n'y a pas de norme industrielle guidant les fournisseurs dans les tests. Et le test ultime est de savoir comment le réducteur de friction fonctionne pendant la fracturation, ce qui nécessite de connaître de nombreux détails sur la conception de la fracture et le puits. Ce n'est pas le genre d'informations détaillées que les opérateurs sont susceptibles de rendre publiques.

La création d'une norme nécessite un accord sur ce qu'il faut mesurer. Price a déclaré que la plupart des tests se concentrent désormais sur la manière dont les réducteurs de frottement influencent les performances de fracturation, plutôt que sur l'effet possible à long terme sur la production, qui est difficile à quantifier.

"La compatibilité des fluides et la compatibilité de la formation sont négligées car les principaux points focaux sont la puissance, le volume et le temps nécessaire pour terminer la fracturation", a-t-il déclaré.

Occidental a commencé sa recherche d'un HVFR "qui change la donne" en créant une base de données qu'il a utilisée pour réduire le nombre de tests en laboratoire.

Bien qu'ils aient essayé d'éviter les biais en s'appuyant sur les données des fournisseurs, ils ne les ont pas exclus du processus d'évaluation. Zakhour a déclaré qu'Occidental "a tiré parti de l'expertise du fournisseur" sur les problèmes de performance tels que l'effet des solides dissous totaux (TDS).

Les tests, choisis avec les conseils d'un chimiste occidental, mesuraient notamment le temps nécessaire au sable pour se déposer dans un fluide épaissi avec différents HVFR. Ils ont également testé différentes concentrations pour mesurer les quantités optimales à utiliser.

D'autres tests ont mesuré la quantité de disjoncteur nécessaire pour cisailler les polymères de chaque produit en molécules plus petites, ce qui réduit le risque qu'ils causent des problèmes. Ils ont également observé les performances du disjoncteur à différentes concentrations.

L'objectif du système était d'identifier les meilleures performances dans des conditions de puits variables. Par exemple, un réducteur de friction utilisé avec de l'eau produite à haute TDS doit être formulé pour résister à ce mélange spécifique.

Dans les complétions où l'eau pompée est moins difficile, un additif à moindre coût peut être le meilleur choix, à moins qu'il ne soit supplanté par d'autres variables liées au réservoir.

Les sélections chimiques dépendent de l'eau utilisée pour la fracturation, car une grande partie provient de puits de schiste.

Les entreprises traitent l'eau pour filtrer les solides et tuer les bactéries. Mais ils laissent les solides dissous - composés principalement de ce qu'on appelle communément le sel - le chlorure de sodium - et d'autres sels contenant des éléments réactifs tels que le calcium, le fer ou le baryum. Les méthodes disponibles pour les éliminer sont coûteuses et l'élimination de ces solides est un problème.

On sait depuis longtemps que les fluides à TDS élevé nuisent aux performances de certains réducteurs de friction. De plus en plus de recherches étudient ce qui arrive aux polymères dans les réducteurs de friction lorsqu'un additif chargé négativement (un anion) réagit avec un ion chargé positivement (un cation) tel que le fer, le calcium ou le magnésium.

"Lorsqu'un réducteur de friction anionique rencontre un cation tel que le fer, les polymères de l'additif s'emmêlent et s'enroulent sur eux-mêmes", a déclaré Lauren Burrows, associée de recherche au National Energy Technology Laboratory (NETL) à Pittsburgh, en Pennsylvanie.

"Les réducteurs de friction fonctionnent mieux lorsque les polymères sont étirés dans le sens de l'écoulement, de sorte que les réducteurs de friction enchevêtrés et enroulés ne font pas très bien leur travail. Lorsque ce processus d'enchevêtrement se produit à un niveau extrême, des amalgames semi-solides de polymères réducteurs de friction - souvent appelés "oursons gommeux" - peuvent se développer", a déclaré Burrows.

Les exemples les plus connus d'ours gommeux ont été trouvés dans l'Oklahoma où le papier URTeC (URTeC 2487) a révélé qu'ils sont probablement dus à des interactions entre un réducteur de friction et le fer dans le puits. Depuis la publication de l'article en 2020, des ours gommeux ont été observés dans quelques autres endroits (rapport JPT 2020).

Par exemple, le responsable des ventes techniques de Reliance Well Services a demandé à NETL pourquoi les clients avaient trouvé de la crasse noire sortant de trois puits sur plus de 100 dans les deux champs où ils se produisaient.

Le laboratoire a reçu des échantillons de crasse, mais a exclu de les tester car ils pourraient endommager des équipements de laboratoire coûteux de la même manière qu'ils obstruent les vannes d'étranglement.

Au lieu de cela, ils ont demandé des échantillons des deux réducteurs de friction utilisés dans les puits problématiques, puis en ont mis une petite quantité dans un bécher avec du fer et de l'eau déionisée pour limiter strictement les variables chimiques. Le résultat : rien n'a changé, a déclaré Burrows, qui a travaillé avec Derek Hina, directeur des ventes techniques pour Reliance.

Lorsqu'ils ont remplacé l'eau du robinet, cependant, le réducteur de friction s'est gélifié. Cette eau, comme l'eau douce utilisée dans les puits, a été produite dans une région où l'eau dure est courante. Burrows a déclaré qu'ils essaieraient de déterminer ce qui a contribué à cette réaction.

Curieusement, les réducteurs de friction utilisés étaient ceux qui ne réagiraient normalement pas au fer car eux et le métal sont tous deux modifiés positivement, ce qui les rend cationiques.

Chevron a récemment rendu compte d'un test similaire, où il a exposé des réducteurs de friction à une saumure comprenant des ions réactifs tels que le calcium, le strontium, le baryum et le fer, dans un fluide légèrement acide (URTeC 5170).

Sur les quatre additifs testés, trois ont réagi au fer, créant soit des particules, soit une substance visqueuse.

Le survivant stable au premier tour était non ionique - il n'avait pas de charge, ce qui le rendait moins susceptible d'interagir avec un ion chargé positivement comme le fer.

Le journal indique que la charge des autres réducteurs de friction testés était répertoriée comme "inconnue" car elle était étiquetée comme exclusive dans la base de données. Cette lacune dans les données rend difficile de savoir quoi penser des résultats.

Selon la charge des trois additifs pour lesquels le statut anionique ou cationique était inconnu, cela pourrait suggérer que la plupart des réducteurs de friction sont susceptibles de se décomposer s'ils sont exposés à ces conditions, ou il pourrait s'agir simplement de trois produits mal adaptés à la chimie.

Comme l'explique l'article, si ces réducteurs de friction sont chargés négativement (anioniques), ils réagiraient probablement à un ion chargé positivement comme le fer, ce qui en ferait un mauvais choix dans un puits où la chimie de l'eau rend ces réactions probables.

Dans ces situations, un réducteur de frottement chargé positivement (cationique) plus coûteux est souvent utilisé car les réactions chimiques entre molécules de même charge sont moins probables.

Les questions soulevées montrent l'incertitude à laquelle sont confrontés ceux qui achètent un réducteur de friction avec peu de connaissances sur sa composition.

Au moment des évaluations finales d'Occidental, les performances étaient basées sur une analyse des coûts des performances des réducteurs de friction lors de la fracturation, y compris les performances de production. Les résultats ont été comparés aux performances d'une conception de référence utilisant soit un réducteur de friction conventionnel, soit un système de gel linéaire.

Les tests en laboratoire ont réduit le champ à quelques produits choisis pour les tests en puits.

Chacun de ceux qui ont fait la coupe a été pompé dans un test de puits, en commençant par quelques étapes dans un puits où il a été comparé aux performances d'autres options et à un réducteur de friction de base. Toutes les autres variables de conception de l'achèvement sont restées les mêmes pour s'assurer qu'elles n'affectaient pas les résultats. Ces produits qui ont progressé ont finalement été utilisés dans des tests de puits complets qui ont ensuite été comparés à des puits utilisant une conception de base.

Les gagnants ont été choisis en fonction de critères qui déterminent le temps et le coût d'un travail efficace : réduction de la friction et de la consommation de puissance, volume d'eau utilisé et temps nécessaire pour stimuler chaque étape.

La capacité d'un HVFR à transporter des concentrations plus élevées d'agent de soutènement était une mesure essentielle car elle offrait les plus grandes améliorations et économies d'efficacité, a déclaré Zakhour.

Les résultats de production ont varié pour les meilleurs choix. Dans une étude de cas avec HVFR, il a considérablement réduit le coût de l'achèvement d'un puits qui a produit environ 37 % de fluides en plus.

Dans un deuxième cas, un puits pompé avec l'option HVFR sélectionnée produisait 15 % moins de fluide total qu'un puits d'eau de nappe, mais le document notait que la valeur du temps et de l'eau économisés dépassait la valeur de la différence de production.

Le programme d'essai a également été utilisé pour déterminer la quantité de chaque produit à utiliser pour la fracturation. Le document a souligné que les entrepreneurs pompent parfois plus que la quantité recommandée de réducteur de friction pour assurer le bon déroulement du travail, ce qui augmente le coût du travail.

La surveillance des pratiques d'achèvement fait partie des efforts à long terme nécessaires pour s'assurer que ce qui a été appris du programme de test est appliqué et pour continuer à chercher des moyens d'améliorer progressivement les résultats.

La valeur de ce qui a été appris dépendra de la façon dont il sera utilisé à l'avenir, ce qui nécessitera un soutien organisationnel des départements allant des ingénieurs d'achèvement et des gestionnaires d'actifs aux achats et à la logistique.

L'équipe du projet a recruté un comité directeur et des sponsors au sein d'Occidental pour aider à faire face aux "goulots d'étranglement, à la résistance et à la gestion des attentes", selon le journal.

"Si vous ne faites pas cet effort, n'importe lequel d'entre eux peut entraver le succès du projet", a déclaré Zakhour.

Les équipes d'actifs sélectionneront les réducteurs de friction en fonction du meilleur choix qui répond aux conditions d'une plate-forme de puits. Au fil du temps, d'autres tests peuvent être effectués à mesure que les paramètres du puits changent ou que de nouveaux produits apparaissent.

"La décision est spécifique à la géographie et à la formation", a déclaré Zakhour. Même les clauses contractuelles peuvent affecter la valeur financière de différents niveaux de performance HVFR pour différents opérateurs.

Bien que ConocoPhillips ne dispose pas d'un système formel d'évaluation des réducteurs de friction, il effectue des tests de performance sur le terrain, a déclaré Carman.

Les ingénieurs d'achèvement avec des échantillons prometteurs de fournisseurs effectuent parfois des comparaisons au niveau des étapes. "Pour savoir à quel point il fonctionnera, ils doivent le sortir et utiliser leurs compétences en ingénierie pour effectuer un test de réduction", a déclaré Carman.

Le test utilise une série de réductions de pression pour déterminer la conductivité des fractures près du puits de forage après la fracturation.

Il a averti que le meilleur choix aujourd'hui pourrait ne pas l'être dans quelques mois, car la qualité de l'eau de fracturation change souvent. "Dans de nombreux cas, nous n'obtenons pas d'eau constante tout le temps", a déclaré Carman.

URTeC 5249 Tests, essais et flux de travail d'application des réducteurs de friction à haute viscosité : une étude de cas du bassin permien par N. Zakhour, S. Esmaili, J. Ortiz et J. Deng, Occidental.

URTeC 5170 Impact de la conductivité de rupture sur la production : de combien de soutènement avons-nous vraiment besoin dans les réservoirs non conventionnels ? par S. Naik et A. Singh, Chevron Corp.

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La fracturation des produits chimiques peut-elle nuire à la production ? Il y a de bonnes raisons de le penser par Stephen Rassenfoss, J Pet Technol.