Een aanzienlijk deel van de Amerikaanse binnenlandse olieproductie is afkomstig van schalie. Voor het winnen van olie en gas uit deze onconventionele reservoirs zijn normaal gesproken het boren van horizontale putten en het gebruik van hydraulische breektechnieken vereist. Toch is het nog steeds onzeker om het volledige effect van deze technieken te voorspellen, omdat het begrip van hoe vloeistof door schalie stroomt nog steeds in ontwikkeling is.

De onderzoeksgroep van dr. David Schechter heeft een nieuw type simulator ontwikkeld die de effecten van deze technieken beter illustreert en voorspelt. Deze robuuste simulator maakt gebruik van gegevens uit laboratoriumexperimenten en combineert deze met bekende geologische gegevens over breuken. Vervolgens gebruikt het ongestructureerde rasters en nieuw ontwikkelde codering om modellen te maken die het begrip verbeteren van:

• hoe breuken de stroom van het reservoir beïnvloeden?
• hoe breekvloeistoffen met toegevoegde oppervlakteactieve stoffen (zepen) de oliewinning beïnvloeden?
• welke processen voor verbeterde oliewinning het beste zijn voor verschillende reservoirsituaties?

Naast het verbeteren van het begrip, de onderzoeksgroep gebruikte deze gegevens en deze modellen om de huidige theorieën over vochtretentie in reservoirs uit te dagen.

Breuken beïnvloeden de stroom

Schechter, een universitair hoofddocent en de Aghorn Energy Career Development Professor in de Harold Vance Department of Petroleum Engineering aan de Texas A&M University, is geen onbekende voor fracturen. Zijn onderzoeksinteresses omvatten geologische en petrofysische analyse, en hij legt snel de basisprincipes van breuken uit.

"Fractures zijn niet per se chaotisch in reservoirgesteenten, "zei Schechter. "Als je de regels van de rotsmechanica kent, en je bestudeert ontsluitingen aan de oppervlakte en de ondergrond met boorgatgereedschap, dan kun je breuknetwerken genereren op basis van bepaalde bekende regels. Sommige fracturen gedragen zich goed met betrekking tot de breukafstand en lengte, sommige niet en sommige zijn onregelmatig verdeeld. Als we genoeg kerngegevens hebben, als we de rotsmechanica begrijpen en de spanningen die het bassin heeft ondergaan, dan houden de resulterende breukpatronen zich meestal aan eenvoudige regels."

Water stroomt in oppervlaktebreuken op rotspartijen. Dit trekt vegetatie aan, zoals te zien op de luchtfoto (met dank aan John Lorenz). In de ondergrond, vergelijkbare breukpatronen maken het transport en de productie van olie mogelijk. Geologen brengen oppervlakte-ontsluitingen van gesteente in kaart met scanlijnen, het maken van kaarten van breukpatronen in vloeistofhoudende formaties. De groep van Schechter zet deze kaarten om in reservoirsimulatierasters met behulp van een techniek die ongestructureerde rasters wordt genoemd. Bij deze techniek, breuken worden weergegeven met complexe veelhoekige rasters, niet de eenvoudige rechte Cartesiaanse rasters die de meeste software gebruikt.

een leerling, Jianlei Zon, schreef een code die breukpatronen en ongestructureerde rasters omzet in geavanceerde simulatierastersystemen. De code bevat eigenschappen die van belang zijn voor de simulator, zoals breukstaking en richting, scheur grootte, en de lengte en hoogte van de breuk.

Andere manieren waarop vloeistof beweegt

Schechter's simulator gaat verder dan het modelleren van breukeigenschappen, het gaat ook over vloeibare eigenschappen. De oliestroom in schaliereservoirs is moeilijk te voorspellen omdat het gesteente door microscopisch kleine poriën een extreem lage doorlaatbaarheid heeft. Het winnen van olie uit dit dichte gesteente wordt gedaan door transportmechanismen, zoals wijziging van de bevochtigbaarheid om de capillaire imbibitie te verbeteren.

De laboratoria van Schechter zijn gespecialiseerd in het bestuderen van bevochtigbaarheid en imbibitie in gesteenten. Bevochtigbaarheid is het vermogen van een vloeistof om contact te houden met een rotsoppervlak en er niet door te worden afgestoten. Imbibitie is het vermogen van het gesteente om breukvloeistoffen te absorberen, zoals water gemengd met oppervlakteactieve stoffen. Deze vloeistoffen stoten olie af en verplaatsen deze in de poriën van het gesteente, zodat de olie kan worden teruggewonnen. Zonder de bevochtigbaarheid te veranderen of te veranderen, capillaire imbibitie kan niet gebeuren.

"Als water van het oppervlak wordt afgestoten, het zal niet in de rots bewegen, " zei Schechter. "Maar als water naar de oppervlakte wordt aangetrokken, het zal water naar binnen trekken, vervanging van met olie verzadigde poriën als gevolg van capillaire imbibitie. Misschien heb je een suikerklontje gepakt en aan de koffie gebracht? Een suikerklontje is verzadigd met lucht (tussen de suikerkristallen) maar het oppervlak van het suikerklontje wordt liever bevochtigd met water of koffie dan met lucht. Als je het koffieoppervlak aanraakt en het die koffie opzuigt, dat is capillaire imbibitie. We kijken naar het verbeteren van de oliewinning met oppervlakteactieve stoffen, die afhankelijk zijn van vloeistof/vloeibare imbibitie. Daarom bestuderen we contacthoeken."

De groep van Schechter bestudeert de effecten van verschillende chemische mengsels in breukvloeistoffen. Ze zijn op zoek naar mengsels die de bevochtigbaarheid van gesteente veranderen van olie-nat naar water-nat, waardoor de vloeistof in laboratoriumomgevingen met olie gevuld gesteente kan doordringen. De experimenten helpen onderzoekers de uitkomsten van contacthoeken te begrijpen en in kaart te brengen. Ze gebruiken een CT-scanner om de resultaten te bevestigen en dragen deze informatie vervolgens over aan hun simulator.

Het vasthouden van vocht in onconventionele reservoirs is gunstig

"De onconventionele revolutie is zo verrassend, " zei Schechter. "We kunnen een conventionele plug van poreus gesteente nemen, zoals zandsteen, en we kunnen er vloeistoffen in pompen. Onder druk, we kunnen er gemakkelijk olie of water doorheen injecteren. De onconventionele rotsen die we bestuderen, zoals schalie, zijn zo strak dat we er niets in kunnen pompen. Echter, wanneer we ze blootstellen aan oppervlakteactieve stoffen die de bevochtigbaarheid veranderen, spontane imbibitie optreedt, waardoor de waterige fase met verrassend hoge snelheden in het gesteente wordt getransporteerd."

Vroeger, bedrijven injecteerden water en zand (of proppant) in conventionele reservoirputten onder hoge druk om breuken te creëren. Men dacht dat het terugwinnen van het meeste water (flowback) gunstig was, zodat water de uitgaande oliestroom niet zou blokkeren. Schechters experimenten met onconventionele gesteenten bewijzen dat niet-poreuze gesteenten zich anders gedragen. Met olie verzadigde monsters werden blootgesteld aan water dat doordrenkt was met oppervlakteactieve stoffen. CT-scans die de dichtheid meten, onthulden dat de minder dichte olie werd vervangen door de dichtere watermengsels door imbibitie. Breuken zorgden er vervolgens voor dat de olie eruit kon stromen.

"We ontdekten dat je wilt dat het reservoir dat water vasthoudt, "zei Schechter. "Het is contra-intuïtief. Het doorbreekt oude gebruiken. Voordat werd aangenomen dat water de formatie binnendringt, dan blokkeert het de oliestroom, waardoor de productiviteit van de put wordt verminderd. Wat we vinden is dat als water door capillaire imbibitie binnendringt en je heel weinig water terug krijgt, de implicatie is dat de waterige fase in het gesteente is opgenomen en olie in de breuken heeft verdrongen en dat is eigenlijk een goede zaak."

Verbeterde voorspellingen komen ten goede aan de industrie

Door het gebruik van chemie, wiskunde en natuurkunde, De groep van Schechter heeft een tool ontwikkeld die de putproductie voor schaliereservoirs beter illustreert en maximaliseert. Hun simulator heeft robuustere voorspellingen gemaakt dan de huidige simulatoren omdat deze gebaseerd is op uitgebreide gegevens. Dit helpt de industrie om onnodige bedrijfskosten te verlagen door ingenieurs te helpen beter te begrijpen hoe onconventioneel gesteente zich gedraagt ​​na specifieke breukbehandelingen.

"Dat is eigenlijk wat ik bestudeer, dat deze rots vol olie is, maar het is verbazingwekkend dat er olie uit deze rots komt omdat het zo strak is, " zei Schechter. "De industrie is geïnteresseerd in de verbetering van het herstel, hetzij door de waterfase te injecteren met oppervlakteactieve stoffen of door gasinjectie, en we onderzoeken alle vormen van verbeterd herstel. We kunnen voorspellen wat er gaat gebeuren. We kunnen onze simulator opschalen naar reservoirafmetingen en de verbetering kwantificeren."