Frac Stack คืออะไร? วิธีการทำงานและเหตุใดจึงมีความสำคัญในน้ำมัน

กอง Frac เป็นส่วนประกอบของหลุมผลิตแรงดันสูงที่ติดตั้งที่พื้นผิวของบ่อน้ำมันหรือก๊าซระหว่างการดำเนินการพร่าพรายแบบไฮดรอลิก ออกแบบมาเพื่อควบคุมและแยกแรงกดดันที่รุนแรงที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวพร่าพรายถูกสูบเข้าไปในชั้นหินในอัตรา 50 ถึง 150 บาร์เรลต่อนาที และความดันสูงถึง 15,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว หรือสูงกว่า เรียกอีกอย่างว่าต้นไม้แตกหักหรือต้นไม้ frac วาล์วเฉพาะทางและชุดประกอบติดตั้งจะอยู่ด้านบนของปลอกหลุมผลิต และทำหน้าที่เป็นส่วนควบคุมแรงดันหลักระหว่างหลุมและอุปกรณ์ปั๊มสำหรับแตกหัก หากไม่มี frac stack ที่ได้รับการจัดอันดับอย่างเหมาะสม การควบคุมหลุมผลิตในระหว่างการดำเนินการแตกหักด้วยแรงดันสูงและแรงดันสูงคงเป็นไปไม่ได้ ทำให้เกิดความเสี่ยงที่จะเกิดภัยพิบัติจากการระเบิดสำหรับบุคลากร อุปกรณ์ และสภาพแวดล้อมโดยรอบ คู่มือนี้อธิบายว่า frac stack คืออะไร วิธีการทำงานของแต่ละส่วนประกอบ พิกัดแรงดันที่ใช้กับหลุมประเภทต่างๆ และ frac stack เปรียบเทียบกับแผนผังการผลิตและตัวป้องกันการระเบิดอย่างไร

แฟรค สแต็ค คืออะไรและแตกต่างจากต้นคริสต์มาสอย่างไร?

frac stack เป็นส่วนประกอบของหลุมผลิตแรงดันสูงชั่วคราวที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับขั้นตอนการแตกหักแบบไฮดรอลิกของหลุมที่สมบูรณ์ ในขณะที่ต้นคริสต์มาส (ต้นไม้การผลิต) เป็นส่วนประกอบถาวรที่ติดตั้งหลังจากเสร็จสิ้นเพื่อการควบคุมการไหลของการผลิตในระยะยาว ทั้งสองชิ้นมีจุดประสงค์ในการดำเนินงานที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง และได้รับการจัดอันดับตามข้อกำหนดแรงดันและการไหลที่แตกต่างกัน

ความแตกต่างมีความสำคัญอย่างมากในการปฏิบัติการภาคสนาม ต้นคริสต์มาสสำหรับการผลิตแบบดั้งเดิมได้รับการออกแบบมาเพื่อควบคุมการไหลของการผลิตในสภาวะคงตัวที่แรงดันบนหลุมผลิตที่ค่อนข้างปานกลาง โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 3,000 ถึง 5,000 psi สำหรับหลุมทั่วไปส่วนใหญ่ ในทางตรงกันข้าม frac stack จะต้องทนทานต่อแรงกดดันสูงแบบไดนามิกที่เกิดขึ้นจากปั๊มพร่าพรายที่มีแรงม้าสูงหลายตัวที่ทำงานพร้อมกัน โดยมีพิกัดแรงดันใช้งานที่ 10,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว, 15,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว หรือในการใช้งานที่มีแรงดันสูงเป็นพิเศษที่ 20,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง frac stack และต้นคริสต์มาส ได้แก่:

• วัตถุประสงค์: สแต็ค Frac จะใช้เฉพาะในระหว่างการดำเนินการแตกหักที่หลุมสมบูรณ์เท่านั้น โดยทั่วไปจะถูกลบออกภายในไม่กี่วันถึงสัปดาห์หลังจากโปรแกรมการแตกหักเสร็จสมบูรณ์ ต้นคริสต์มาสยังคงอยู่ในบ่อน้ำตลอดอายุของขั้นตอนการผลิต ซึ่งมักวัดกันในระยะเวลาหลายทศวรรษ
• ระดับความดัน: Frac Stacks ได้รับการจัดอันดับสำหรับแรงกดดันในการทำงานที่ 10,000 ถึง 20,000 psi แผนภูมิการผลิตมาตรฐานสำหรับบ่อน้ำมันทั่วไปโดยทั่วไปจะได้รับการจัดอันดับที่ 2,000 ถึง 5,000 psi แม้ว่าต้นไม้ของบ่อก๊าซแรงดันสูงอาจได้รับการจัดอันดับที่ 10,000 psi
• การกำหนดค่าเจาะ: Frac stacks ได้รับการกำหนดค่าสำหรับการฉีดด้วยอัตราสูง โดยมีการกำหนดค่าวาล์วที่มีรูขนาดใหญ่ซึ่งช่วยลดการสูญเสียแรงดันจากแรงเสียดทานระหว่างการปั๊ม แผนผังการผลิตให้ความสำคัญกับการควบคุมโช้คและการวัดการไหลเพื่อการผลิตที่มั่นคงในอัตราที่ต่ำกว่า
• ประเภทวาล์ว: กอง Frac ใช้วาล์วประตูที่ออกแบบมาเพื่อต้านทานการกัดเซาะจากสารแขวนลอยที่รับภาระ แผนภูมิการผลิตใช้วาล์วโช้ค วาล์วเข็ม และอุปกรณ์ควบคุมการไหลที่เหมาะสำหรับการผลิตไฮโดรคาร์บอนที่สะอาด
• ข้อมูลจำเพาะของวัสดุ: โดยทั่วไปแล้วตัวสแต็ค Frac ผลิตจากเหล็กโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงพร้อมพื้นผิวภายในที่แข็งและการเคลือบที่ทนต่อการกัดกร่อนเพื่อให้ทนต่อการสัมผัสซ้ำกับสารละลายโพรเพนท์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่ความเร็วสูง

Frac Stack ทำงานอย่างไร? อธิบายส่วนประกอบสำคัญแล้ว

frac stack ทำงานเป็นชุดวาล์วและข้อต่อที่ทำงานได้อย่างอิสระซึ่งวางซ้อนกันในแนวตั้งบนท่อหลุมผลิต โดยแต่ละวาล์วทำหน้าที่ควบคุมแรงดันหรือฟังก์ชันแยกการไหลที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งร่วมกันทำให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถจัดการแรงดันบนหลุมผลิตได้อย่างปลอดภัยในทุกขั้นตอนของการดำเนินการแตกหัก

การอ่านจากล่างขึ้นบนของชุดประกอบ frac stack ทั่วไป ส่วนประกอบหลักคือ:

หัวปลอกและหัวท่อ

หัวปลอกเป็นชิ้นส่วนฐานรากที่ร้อยหรือเชื่อมเข้ากับโครงพื้นผิว และทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมต่อที่มีแรงดันปฐมภูมิระหว่างสายปลอกและส่วนประกอบของหลุมผลิตที่อยู่ด้านบน หัวปลอกมีช่องด้านข้างสำหรับตรวจสอบความดันวงแหวนของปลอก และสำหรับการดำเนินการประสานในบางรูปแบบ หัวท่อตั้งอยู่เหนือหัวท่อและแขวนสายท่อการผลิตไว้ภายในท่อในขณะที่ปิดผนึกช่องว่างรูปวงแหวนระหว่างกัน ส่วนประกอบทั้งสองนี้รวมกันเป็นฐานถาวรซึ่งทั้ง frac stack และต่อมาได้ติดตั้งต้นคริสต์มาสที่ใช้งานจริง

อะแดปเตอร์หลุมผลิตหรือสปูลสเปเซอร์

อะแดปเตอร์หลุมผลิตหรือสปูลเว้นระยะเชื่อมต่อหน้าแปลนหัวท่อเข้ากับด้านล่างของชั้น frac ทำให้มีขนาดหน้าแปลนที่ถูกต้องและการเปลี่ยนระดับความดันระหว่างหัวหลุมถาวรและอุปกรณ์ frac ชั่วคราวที่อยู่ด้านบน หน้าแปลนมาตรฐาน API ระบุไว้ในคลาสแรงดัน ได้แก่ 2,000, 3,000, 5,000, 10,000 และ 15,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว โดยมีขนาดหน้าแปลนที่สอดคล้องกันซึ่งจะต้องตรงกันตลอดการประกอบ frac stack แกนสเปเซอร์ยังมีช่องทางออกด้านข้างที่ใช้สำหรับคิลไลน์ การตรวจสอบ และการฉีดสารเคมีระหว่างการแตกหัก

มาสเตอร์เกทวาล์ว (มาสเตอร์วาล์วตัวล่าง)

วาล์วประตูหลักเป็นวาล์วแยกหลุมเจาะหลักในชั้น frac ซึ่งวางอยู่เหนือหัวหลุมทันทีและสามารถปิดในหลุมได้อย่างสมบูรณ์โดยการปิดตลอดทั้งรูของหลุมผลิตในกรณีฉุกเฉินหรือการปิดระบบตามแผน วาล์วประตูหลักบนชั้น frac โดยทั่วไปแล้วจะเป็นวาล์วประตูเปิดเต็มรูปแบบที่มีขนาดรูที่ตรงกับรูของหลุมผลิต โดยทั่วไปคือ 2-1/16 นิ้ว, 3-1/16 นิ้ว หรือ 4-1/16 นิ้ว ซึ่งอนุญาตให้เครื่องมือแบบมีสายและท่อขดสามารถผ่านได้โดยไม่มีข้อจำกัดเมื่อเปิด วาล์วเหล่านี้ได้รับการจัดอันดับให้มีแรงดันใช้งานเท่ากับ frac stack และได้รับการออกแบบให้ปิดในสภาวะที่มีการไหลของบ่อหากจำเป็น

Swab Valve (วาล์วหลักบน)

วาล์วไม้กวาดตั้งอยู่เหนือวาล์วประตูหลักและทำหน้าที่เป็นจุดแยกหลุมเจาะรอง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เพื่อควบคุมการเข้าถึงหลุมเจาะสำหรับการดำเนินงานแบบมีสาย การทดสอบหลุม และการตรวจสอบแรงดันโดยไม่ต้องใช้งานวาล์วหลักด้านล่าง ในการใช้งานตามปกติ วาล์วก้านสำลีคือวาล์วที่เปิดและปิดบ่อยที่สุด เพื่อรักษาสภาพบ่าวาล์วหลักไว้เพื่อใช้แยกฉุกเฉินอย่างแท้จริง วาล์วไม้กวาดยังเป็นวาล์วบนสุดที่ใช้เชื่อมต่อสารหล่อลื่นหรือกล่องบรรจุเมื่อใช้เครื่องมือสายไฟเข้าไปในบ่อภายใต้ความกดดัน

วิงวาล์วและ Frac Crosses

วาล์วปีกนกจะแยกออกจากรูหลักของกอง frac ที่มุม 90 องศาผ่านข้อต่อแบบกากบาทหรือแบบที เพื่อให้มีเส้นทางการไหลแรงดันสูงซึ่งของเหลวที่แตกหักจะถูกสูบเข้าไปในบ่อ และของเหลวไหลกลับจะกลับสู่พื้นผิวหลังจากการบำบัด frac กากบาท frac มาตรฐานมีรูแนวตั้งหนึ่งรู (เส้นทางของหลุมเจาะผ่านปล่อง) และพอร์ตทางออกแนวนอนสองหรือสี่พอร์ตที่ติดตั้งวาล์วปีกนก วาล์วปีกนกหลายตัวช่วยให้สามารถเชื่อมต่อเหล็กที่แตกหัก, คิลไลน์, เกจวัดแรงดัน และท่อฉีดสารเคมีได้พร้อมกัน ในระหว่างการดำเนินการสูบ วาล์วปีกที่เชื่อมต่อกับเหล็กแตกหักจะเปิดเต็มที่ ในขณะที่วาล์วคิลไลน์และวาล์วตรวจสอบยังคงปิดอยู่

หัวแตกหัก (หัว Frac หรือหัวแพะ)

หัวพร่าพรายหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าหัวแพะเนื่องจากมีลักษณะเป็นช่องจ่ายหลายช่อง เป็นส่วนประกอบบนสุดของชั้น frac และจุดเชื่อมต่อหลักสำหรับเส้นเหล็กพร่าพรายแรงดันสูงที่ส่งของเหลวจากอุปกรณ์สูบน้ำไปยังหลุมผลิต หัวแพะทั่วไปมีช่องทางออกที่เป็นเกลียวหรือหน้าแปลนสี่ถึงแปดช่องซึ่งจัดเรียงตามแนวรัศมีรอบๆ รูตรงกลาง ทำให้สามารถเชื่อมต่อสายปั๊มหลายสายพร้อมกันเพื่อให้ได้อัตราการฉีดของเหลวทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการบำบัดการแตกหัก ทางออกแต่ละแห่งมีวาล์วแยกของตัวเอง ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อ ปลดการเชื่อมต่อ และทดสอบแรงดันในขณะที่ท่ออื่นๆ ยังคงทำงานอยู่ หัวแพะได้รับการจัดอันดับให้มีแรงดันใช้งานเท่ากับส่วนที่เหลือของกอง frac และได้รับการออกแบบมาเพื่อกระจายการไหลของสารโพรเพนท์ความเร็วสูงจากทางเข้าหลายทางไปยังหลุมเจาะเดียว โดยไม่สร้างความปั่นป่วนหรือการกัดเซาะมากเกินไป

การให้คะแนนความดัน Frac Stack และเมื่อมีการใช้การให้คะแนนแต่ละครั้ง

พิกัดแรงดันปล่อง Frac ต้องตรงกันหรือเกินกว่าแรงดันบำบัดพื้นผิวสูงสุดที่คาดการณ์ไว้สำหรับหลุม ซึ่งขึ้นอยู่กับการไล่ระดับความดันแตกหักของชั้นหิน อัตราการฉีดของไหลที่วางแผนไว้ และการสูญเสียแรงดันแรงเสียดทานในหลุมเจาะและการเจาะ

ตารางที่ 1: อัตราแรงดันการทำงานของสแต็ก Frac แรงกดดันในการทดสอบที่สอดคล้องกัน และการใช้งานหลุมทั่วไปตามระดับแรงดันของชั้นหิน

อัตรา 15,000 psi ได้กลายเป็นข้อกำหนดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในการพัฒนาหินดินดานที่แหวกแนวในอเมริกาเหนือ ในละครหลักๆ เช่น Permian Basin, Eagle Ford และ Marcellus แรงกดดันในการบำบัดพื้นผิวจะอยู่ที่ 8,000 ถึง 12,000 psi เป็นประจำในระหว่างการสลายตัวครั้งแรกและระยะแพร่กระจายการแตกหักในระยะแรก ทำให้ frac stack 15K เป็นข้อกำหนดขั้นต่ำมาตรฐานสำหรับโปรแกรมที่สมบูรณ์ส่วนใหญ่ในแอ่งเหล่านี้ แรงดันใช้งาน 15K ให้อัตราความปลอดภัย 25% เหนือแรงดันบำบัดสูงสุด 12,000 psi ซึ่งสอดคล้องกับ API และแนวปฏิบัติด้านความปลอดภัยของอุตสาหกรรม

เหตุใด Frac Stacks จึงมีความสำคัญต่อความปลอดภัยในการแตกหักด้วยไฮดรอลิก

กอง Frac เป็นแนวสุดท้ายในการป้องกันแรงดันของหลุมผลิตในระหว่างการแตกหักด้วยไฮดรอลิก ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่หลุมตั้งใจที่จะรับแรงกดดันที่พื้นผิวสูงสุดเท่าที่จะเคยประสบมา - แรงกดดันที่หากไม่สามารถควบคุมได้ อาจทำให้เกิดความล้มเหลวของหลุมผลิต พื้นผิวระเบิด และการบาดเจ็บของบุคลากรที่เป็นหายนะภายในไม่กี่วินาที

การกักเก็บแรงดันระหว่างการแตกหักแบบหลายขั้นตอน

การทำให้หลุมในแนวนอนเสร็จสมบูรณ์ในรูปแบบหินดินดานเกี่ยวข้องกับขั้นตอนการแตกร้าวแต่ละขั้นตอนตั้งแต่ 20 ถึง 60 ขั้นตอนขึ้นไป โดยแต่ละขั้นตอนต้องใช้การประกอบหัวหลุมผลิตเพื่อบรรจุการฉีดของเหลวแรงดันสูงอย่างปลอดภัยเป็นเวลา 30 ถึง 90 นาทีต่อขั้นตอน โดยที่หัวหลุมทั้งหมดต้องสัมผัสกับความดันสูงซึ่งครอบคลุมหลายวันต่อหลุม โปรแกรมหนึ่งที่เสร็จสมบูรณ์ในลุ่มน้ำเพอร์เมียนอาจเกี่ยวข้องกับการสูบโพรเพนท์จำนวน 20 ถึง 40 ล้านปอนด์ต่อหลุมในทุกขั้นตอน โดยมีอัตราการบำบัดสูงสุดที่ 100 บาร์เรลต่อนาทีต่อขั้นตอน frac stack ต้องรักษาความสมบูรณ์ของการควบคุมแรงดันตลอดทั้งโปรแกรมนี้ โดยไม่มีความทนทานต่อการเสื่อมสภาพของซีลวาล์วหรือความเมื่อยล้าของร่างกาย

การแยกหลุมฉุกเฉิน

ในกรณีที่อุปกรณ์พื้นผิวขัดข้อง เหล็กรั่วแตกหัก หรือเหตุการณ์การควบคุมหลุมเจาะในระหว่างการปั๊ม วาล์วประตูหลักในชั้น frac จะให้ความสามารถในการแยกฉุกเฉินเพื่อปิดในหลุมและหยุดการไหลทั้งหมดภายในไม่กี่วินาที ความสามารถในการแยกส่วนอย่างรวดเร็วนี้คือสิ่งที่แยกเหตุการณ์การควบคุมหลุมที่มีการจัดการออกจากการระเบิด สถิติการควบคุมหลุมอุตสาหกรรมระบุว่า เหตุการณ์การระเบิดที่พื้นผิวส่วนใหญ่ในระหว่างการดำเนินการเสร็จสิ้นนั้นเกี่ยวข้องกับความล้มเหลวของหลุมผลิตหรืออุปกรณ์ที่พื้นผิว ทำให้ความสมบูรณ์และความสามารถในการใช้งานของวาล์ว frac stack ภายใต้สภาวะการไหลเป็นพารามิเตอร์ด้านความปลอดภัยที่สำคัญ วาล์ว frac stack ทั้งหมดถูกกำหนดโดยมาตรฐานอุตสาหกรรม (ข้อมูลจำเพาะ API 6A และ API Spec 16C) เพื่อทดสอบแรงดันใช้งานเต็มที่ก่อนทำการติดตั้งบนบ่อที่มีกระแสไฟฟ้า

การจัดการการกัดเซาะของโพรเพนท์

สารละลายพร่าพรายแบบไฮดรอลิกที่สูบผ่านกอง frac มีความเข้มข้นของโพรเพนต์ 0.5 ถึง 4 ปอนด์ต่อแกลลอนของทรายหรือวัสดุเซรามิกที่เดินทางด้วยความเร็ว 20 ถึง 50 ฟุตต่อวินาทีผ่านตัววาล์วและข้อต่อ ทำให้เกิดสภาวะการกัดเซาะที่รุนแรงซึ่งจะทำลายส่วนประกอบวาล์วมาตรฐานอย่างรวดเร็ว ส่วนประกอบกองซ้อน Frac ที่สัมผัสกับการไหลของสารละลายผลิตจากโลหะผสมเหล็กชุบแข็งที่มีค่าความแข็งพื้นผิว 55 ถึง 65 Rockwell C และในการใช้งานปริมาณมาก ไลเนอร์ภายในคาร์ไบด์หรือเซรามิกในพื้นที่ที่มีการกัดเซาะสูงสุด เช่น ช่องทางออกของหัวแพะและพอร์ตข้าม frac การตรวจสอบอายุการใช้งานส่วนประกอบและกำหนดเวลาการเปลี่ยนเป็นส่วนมาตรฐานของโปรแกรมการบำรุงรักษา frac stack เพื่อป้องกันความล้มเหลวในบริการจากความเสียหายจากการกัดเซาะสะสม

Frac Stacks กับ Blowout Preventers กับ การผลิต Trees: การเปรียบเทียบแบบเต็ม

กอง Frac, ตัวป้องกันการระเบิด (BOP) และต้นคริสต์มาสสำหรับการผลิตให้บริการในสามช่วงอายุของบ่อที่แตกต่างกัน และได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมสำหรับฟังก์ชันการควบคุมแรงดันที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน แม้ว่าทั้งสามอาจปรากฏอยู่ที่ไซต์พร้อมๆ กันในระหว่างขั้นตอนการทำให้เสร็จสมบูรณ์ก็ตาม

ตารางที่ 2: สแต็ค Frac เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ป้องกันการระเบิดและการผลิตต้นคริสต์มาสตามการใช้งาน ระดับแรงดัน ระยะเวลา และคุณสมบัติการออกแบบ

อุตสาหกรรมและประเภทบ่อใดบ้างที่ใช้ Frac Stacks

ชั้น Frac ถูกนำมาใช้ในทุกภาคส่วนของอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซที่มีการแตกหักแบบไฮดรอลิกซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทำให้สมบูรณ์หรือการกระตุ้นบ่อ โดยมีการใช้งานที่เข้มข้นที่สุดในหินดินดานแหวกแนวในอเมริกาเหนือและการเล่นน้ำมันที่แน่นหนา โดยที่การแตกหักไม่ได้เป็นทางเลือก แต่เป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์

น้ำมันและก๊าซจากชั้นหินที่แหวกแนว

การพัฒนาหินดินดานที่แหวกแนวเป็นสาเหตุให้เกิดความต้องการ frac stack ส่วนใหญ่อย่างล้นหลามในอเมริกาเหนือ โดยที่ Permian Basin เพียงอย่างเดียวจะเป็นที่ตั้งของแท่นขุดเจาะที่ใช้งานอยู่กว่า 400 แท่นในช่วงเวลาที่มีกิจกรรมสูงสุด โดยแต่ละหลุมต้องใช้ frac stack สำหรับขั้นตอนการทำให้เสร็จซึ่งภายหลังการขุดเจาะ หลุมแนวนอนในชั้นหินหลักๆ รวมถึงแอ่งเพอร์เมียน อีเกิลฟอร์ด บาคเคน มาร์เซลลัส และเฮย์เนสวิลล์ โดยพื้นฐานแล้วจะไม่เกิดประสิทธิผลหากไม่มีการแตกหักของไฮดรอลิก โดยทั่วไปความสามารถในการซึมผ่านของหินในชั้นหินเหล่านี้อยู่ที่ 0.0001 ถึง 0.001 มิลลิดาร์ซี ซึ่งต่ำกว่าแหล่งกักเก็บทั่วไปหลายพันเท่า ซึ่งหมายความว่าการไหลตามธรรมชาติไปยังหลุมเจาะนั้นน้อยมากหากไม่มีโครงข่ายการแตกหักที่สร้างขึ้นโดยโปรแกรมการแตกหัก บ่อน้ำแนวนอนทุกแห่งจากประมาณ 10,000 ถึง 14,000 หลุมที่สร้างเสร็จทุกปีในอเมริกาเหนือที่มีกิจกรรมสูงสุดต้องใช้ frac stack

แก๊สที่แน่นหนาและการกระตุ้นแบบปกติ

หลุมก๊าซคับแคบทั่วไปในรูปแบบต่างๆ เช่น Pinedale Anticline, Green River Basin และก๊าซในทวีปกลางต่างๆ ยังต้องใช้ frac stack เพื่อให้เสร็จสมบูรณ์ แม้ว่าสิ่งเหล่านี้มักจะเป็นโปรแกรมการแตกหักแบบขั้นตอนเดียวหรือแบบจำกัดขั้นตอน ซึ่งดำเนินการที่แรงกดดันในการบำบัดต่ำกว่าการสำเร็จหินดินดานแบบหลายขั้นตอน บ่อน้ำก๊าซแบบธรรมดาหลายแห่งที่แต่เดิมสร้างเสร็จโดยไม่มีการแตกหักก็ได้รับการแตกหักอีกครั้ง (ฟื้นฟู) โดยใช้กอง frac เพื่อปรับปรุงการผลิตจากโซนที่หมดลง ซึ่งเป็นแนวทางปฏิบัติที่ช่วยยืดอายุทางเศรษฐกิจของบ่อก๊าซธรรมดาที่เติบโตเต็มที่หลายพันแห่งทั่วอเมริกาเหนือและในระดับสากล

การพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพ

การพัฒนาระบบความร้อนใต้พิภพที่ได้รับการปรับปรุง (EGS) ซึ่งใช้การแตกหักแบบไฮดรอลิกเพื่อสร้างเครือข่ายการแตกหักที่ซึมเข้าไปได้ในชั้นหินแห้งร้อนเพื่อการสกัดความร้อน แสดงให้เห็นถึงการใช้งานที่เกิดขึ้นใหม่สำหรับกอง frac ที่อยู่นอกภาคส่วนน้ำมันและก๊าซแบบดั้งเดิม โครงการ EGS รวมถึงโครงการสาธิตในเนวาดา ยูทาห์ และในระดับนานาชาติในออสเตรเลียและเยอรมนี ใช้เทคโนโลยีการแตกหักด้วยแรงดันสูงแบบเดียวกับการทำให้น้ำมันและก๊าซสมบูรณ์ และต้องใช้ frac stack ที่จัดอันดับตามแรงดันบนหลุมผลิตที่เกิดขึ้นระหว่างการกระตุ้น เนื่องจากการพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพขยายตัวภายใต้แรงจูงใจด้านพลังงานหมุนเวียน ความต้องการ frac stack จากภาคส่วนนี้จึงคาดว่าจะเติบโตจนถึงช่วงปลายทศวรรษ 2020

Frac Stacks มีการติดตั้งและทดสอบก่อนงาน Fracturing อย่างไร

การติดตั้ง Frac Stack และการทดสอบแรงดันก่อนงานเป็นขั้นตอนความปลอดภัยบังคับที่ต้องทำให้เสร็จสิ้นและจัดทำเป็นเอกสารก่อนที่จะเชื่อมต่อหรือเพิ่มแรงดันอุปกรณ์ปั๊มแตกหักใดๆ ตามขั้นตอนที่ระบุโดย API Spec 6A และโปรแกรมวิศวกรรมการควบคุมหลุมและการทำให้เสร็จสมบูรณ์ของผู้ปฏิบัติงาน

1. การเตรียมหลุมผลิต: กอง BOP ของการเจาะจะถูกเอาออกจากหัวหลุมหลังจากที่เจาะและยึดหลุมแล้ว หน้าแปลนหลุมผลิตได้รับการตรวจสอบ ทำความสะอาด และติดตั้งปะเก็นวงแหวนที่เหมาะสมสำหรับระดับแรงดันปล่อง frac ที่กำลังติดตั้ง
2. การประกอบ Frac stack: ส่วนประกอบ frac stack ถูกประกอบตามลำดับจากล่างขึ้นบน - สปูลสเปเซอร์, วาล์วหลัก, วาล์วไม้กวาด, frac cross, วาล์วปีกนก และหัวแตกหัก โดยใช้ค่าแรงบิดที่ปรับเทียบแล้วสำหรับสลักเกลียวหน้าแปลนทั้งหมด การเชื่อมต่อหน้าแปลนแต่ละครั้งต้องใช้โบลต์ เกรดโบลต์ และข้อกำหนดแรงบิดตามจำนวนเฉพาะต่อตาราง API Spec 6A
3. การทดสอบฟังก์ชันแรงดันต่ำ: วาล์วทั้งหมดใน frac stack ได้รับการทดสอบการทำงาน (เปิดและปิด) ที่แรงดันต่ำ โดยทั่วไปคือ 300 ถึง 500 psi โดยใช้น้ำเพื่อตรวจสอบว่าวาล์วแต่ละตัวทำงานอย่างถูกต้องและคงแรงดันไว้ทั้งสองที่นั่งก่อนเริ่มการทดสอบแรงดันสูง
4. การทดสอบการรั่วด้วยแรงดันสูง: ชุดประกอบ frac stack ทั้งหมดได้รับการทดสอบแรงดันตามแรงดันทดสอบที่ผู้ปฏิบัติงานกำหนด ซึ่งโดยทั่วไปจะเท่ากับแรงดันในการรักษาพื้นผิวสูงสุดที่คาดการณ์ไว้สำหรับงาน แนวปฏิบัติทางอุตสาหกรรมโดยทั่วไปกำหนดให้กดทดสอบเป็นเวลา 15 นาทีโดยไม่มีแรงดันตกคร่อมเป็นศูนย์ก่อนที่จะยอมรับการทดสอบ แรงดันตกใดๆ จำเป็นต้องระบุและซ่อมแซมแหล่งที่มาของการรั่วไหลก่อนทำการทดสอบซ้ำ
5. เอกสารและการลงนาม: ผลการทดสอบ รวมถึงแรงกดทดสอบ เวลาค้างไว้ แผนภูมิแรงดัน และชื่อของบุคลากรที่เห็นการทดสอบ จะถูกบันทึกไว้ในไฟล์ความสมบูรณ์ของหลุม ผู้ปฏิบัติงานส่วนใหญ่ต้องการให้ตัวแทนบริษัท หัวหน้างานบริการการแตกหัก และเจ้าหน้าที่ความปลอดภัยในบริเวณหลุมลงนามในบันทึกการทดสอบแรงดันก่อนจะเริ่มดำเนินการการแตกหักได้

นวัตกรรมล่าสุดในเทคโนโลยี Frac Stack คืออะไร?

อุตสาหกรรม frac stack กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองต่อแรงกดดันสองเท่าของแรงกดดันในการบำบัดที่สูงขึ้นในหลุมที่ลึกและซับซ้อนมากขึ้น และความต้องการของผู้ปฏิบัติงานสำหรับเวลาขึ้นและลงแท่นขุดเจาะที่เร็วขึ้น เพื่อลดต้นทุนเวลาที่ไม่ได้ประสิทธิผล ขับเคลื่อนนวัตกรรมในด้านวัสดุ ระบบการเชื่อมต่อ และความสามารถในการดำเนินการจากระยะไกล

• การเชื่อมต่อแบบสตั๊ดแทนที่หน้าแปลน: หน้าแปลน API แบบยึดเกลียวแบบดั้งเดิมต้องใช้เวลาและแรงบิดอย่างมากในการประกอบและแตกหัก การออกแบบ frac stack ที่ใหม่กว่าใช้การเชื่อมต่อแบบสตั๊ดที่เชื่อมต่ออย่างรวดเร็วซึ่งสร้างขึ้นได้ในเวลาเสี้ยววินาที ช่วยลดเวลาในการติดตั้ง frac stack จากหลายชั่วโมงเหลือน้อยกว่าหนึ่งชั่วโมงเมื่อทำซ้ำเสร็จสิ้น
• อุปกรณ์พิกัด 20,000 psi: เนื่องจากการสร้างบ่อน้ำที่ลึกเป็นพิเศษในรูปแบบต่างๆ เช่น เป้าหมายก๊าซลึกของ Haynesville Shale และการใช้งานเพื่อเติมน้ำลึกที่เกิดขึ้นใหม่ ทำให้เกิดแรงกดดันในการบำบัดขึ้นไปที่ 15,000 psi อุตสาหกรรมกองซ้อน frac ได้พัฒนาชุดประกอบแรงดันใช้งานเชิงพาณิชย์ 20,000 psi โดยใช้เหล็กโลหะผสมที่ได้รับการปรับปรุงและความทนทานต่อเครื่องจักรที่มีความแม่นยำ ซึ่งก่อนหน้านี้จำกัดเฉพาะการใช้งานต้นคริสต์มาสใต้ทะเล
• การสั่งงานวาล์วด้วยรีโมท: วาล์วสแต็ค frac ที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้าหรือไฮดรอลิกที่สามารถใช้งานได้จากระยะที่ปลอดภัยหรือจากห้องควบคุมจะย้ายบุคลากรออกจากพื้นที่หัวหลุมใกล้เคียงในระหว่างการปั๊มแรงดันสูง ซึ่งช่วยลดการสัมผัสโซนที่ตามมาของเหตุการณ์การปล่อยแรงดันสูงที่อาจเกิดขึ้น
• การตรวจสอบการกัดเซาะแบบรวม: ขณะนี้ชุดประกอบ frac stack ขั้นสูงบางชุดรวมเซ็นเซอร์ความหนาของผนังอัลตราโซนิกไว้ที่ตำแหน่งที่มีการกัดเซาะสูงสุดในหัวแพะและ frac cross โดยให้ข้อมูลความหนาของผนังที่เหลืออยู่แบบเรียลไทม์แก่วิศวกรที่ดำเนินการให้เสร็จสิ้น และช่วยให้การตัดสินใจเลิกใช้ส่วนประกอบที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล แทนที่จะกำหนดตารางเวลาการเปลี่ยนตามปฏิทิน
• การรวมระบบอัตโนมัติกับระบบ e-frac: การเกิดขึ้นของกลุ่มปั๊มพร่าพรายด้วยไฟฟ้า (e-frac) ซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงกว่าและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่ำกว่ากลุ่มปั๊มดีเซล กำลังผลักดันการพัฒนาระบบควบคุม frac stack ที่บูรณาการเข้ากับสถาปัตยกรรมการควบคุมปั๊มอัตโนมัติ ช่วยให้สามารถประสานการตอบสนองแรงดันระหว่างวาล์วหลุมผลิตและอุปกรณ์สูบน้ำโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงของผู้ปฏิบัติงานที่หลุมผลิต

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ Frac Stacks

อะไรคือความแตกต่างระหว่าง frac stack และ frac tree?

frac stack และ frac tree หมายถึงส่วนประกอบเดียวกัน นั่นคือวาล์วหลุมผลิตแรงดันสูงและระบบข้อต่อที่ใช้ระหว่างการดำเนินการพร่าพรายด้วยไฮดรอลิก โดย "frac tree" เป็นคำที่ใช้กันทั่วไปในการปฏิบัติงานภาคสนาม และ "frac stack" ที่ใช้บ่อยกว่าในข้อกำหนดทางวิศวกรรมและอุปกรณ์ ทั้งสองคำนี้อธิบายถึงการประกอบหลุมผลิตชั่วคราวที่มาแทนที่ BOP ของการขุดเจาะหลังจากเสร็จสิ้นหลุมเจาะ และตัวมันเองก็ถูกแทนที่ด้วยต้นคริสต์มาสที่ผลิตถาวรหลังจากโปรแกรมการแยกส่วนเสร็จสมบูรณ์ ข้อกำหนดนี้สามารถใช้แทนกันได้ในบริบทอุตสาหกรรมส่วนใหญ่

frac stack จะอยู่บนบ่อได้นานแค่ไหน?

โดยทั่วไป กอง frac จะยังคงอยู่ในหลุมตลอดระยะเวลาของโปรแกรมการแตกร้าวบวกกับระยะเวลาการไหลกลับเริ่มต้น ซึ่งมีตั้งแต่สองสามวันในการทำให้หลุมเสร็จสมบูรณ์แบบปกติขั้นตอนเดียวไปจนถึงสี่ถึงแปดสัปดาห์สำหรับการสร้างหินดินดานแนวนอนแบบหลายขั้นตอนที่ซับซ้อนด้วยโปรแกรมการไหลกลับแบบขยาย หลังจากโปรแกรมการแตกหักเสร็จสมบูรณ์และจัดการโฟลว์แบ็คเริ่มต้นแล้ว สแต็ก frac จะถูกลบออกและแทนที่ด้วยต้นคริสต์มาสที่ใช้งานจริงถาวร ในกรณีส่วนใหญ่ Frac Stack เป็นอุปกรณ์ให้เช่า โดยมีอัตรารายวันอยู่ระหว่าง 500 ถึง 3,000 เหรียญสหรัฐต่อวัน ขึ้นอยู่กับระดับแรงดันและการกำหนดค่า ทำให้เกิดแรงจูงใจด้านต้นทุนสำหรับผู้ปฏิบัติงานในการลดเวลาที่ Frac Stack อยู่บนบ่อ

มาตรฐาน API ใดที่ควบคุมการออกแบบและการทดสอบ frac stack

กอง Frac ได้รับการออกแบบ ผลิต และทดสอบตามข้อกำหนด API 6A (อุปกรณ์หลุมผลิตและต้นคริสต์มาส) ซึ่งระบุข้อกำหนดของวัสดุ ขั้นตอนการทดสอบแรงดัน มาตรฐานมิติ และข้อกำหนดการจัดการคุณภาพสำหรับวาล์วและข้อต่อของหลุมผลิตทั้งหมด รวมถึงที่ใช้ในการบริการแตกหัก นอกจากนี้ API Spec 6AF2 ยังมีข้อกำหนดเพิ่มเติมสำหรับอุปกรณ์แตกหักโดยเฉพาะ ครอบคลุมถึงความต้านทานการกัดกร่อน การทดสอบแรงดันรอบสูง และข้อกำหนดความแข็งของวัสดุที่เกี่ยวข้องกับบริการสารละลายโพรเพนท์ อุปกรณ์ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมไฮโดรเจนซัลไฟด์ (ก๊าซเปรี้ยว) จะต้องเป็นไปตาม NACE MR0175/ISO 15156 สำหรับการต้านทานการแตกร้าวจากความเค้นซัลไฟด์

สามารถใช้ frac stack หลายครั้งในหลุมต่างๆ ได้หรือไม่

ใช่ -- ชั้น frac ได้รับการออกแบบให้เป็นอุปกรณ์ให้เช่าที่นำกลับมาใช้ซ้ำได้ และมีการใช้เป็นประจำในบ่อหลายแห่งตลอดอายุการใช้งาน โดยต้องผ่านการทดสอบแรงดันและการทำงานที่จำเป็นระหว่างงาน และรับการบำรุงรักษาและการตรวจสอบตามกำหนดเวลาเพื่อจัดการกับความเสียหายจากการกัดเซาะและการสึกหรอของซีลวาล์ว ระหว่างการใช้งาน ส่วนประกอบ frac stack จะถูกแยกชิ้นส่วน ตรวจสอบภายในโดยใช้วิธีการทดสอบด้วยภาพและไม่ทำลาย (การตรวจสอบอนุภาคแม่เหล็ก การวัดความหนาของผนังอัลตราโซนิก) เปลี่ยนซีลและที่นั่งที่สึกหรอ และชุดประกอบได้รับการทดสอบแรงดันและรับรองซ้ำก่อนที่จะนำไปใช้งานในหลุมถัดไป frac stack 15,000 psi ที่ได้รับการดูแลอย่างดีอาจทำให้งานแตกหักได้ 20 ถึง 50 งานหรือมากกว่านั้นตลอดอายุการใช้งานก่อนที่การสึกหรอของร่างกายจะต้องเลิกใช้

อะไรทำให้เกิดความล้มเหลวของ frac stack และจะป้องกันได้อย่างไร

โหมดความล้มเหลวของสแต็ค frac ที่พบบ่อยที่สุดคือการพังทลายของตัววาล์วและบ่าวาล์วจากสารโพรเพนท์ การแตกร้าวเมื่อยล้าที่การเชื่อมต่อหน้าแปลนจากการโหลดแรงดันรอบสูง และความล้มเหลวของซีลที่การอัดตัวของวาล์วจากรอบการเปิดและปิดซ้ำๆ ภายใต้แรงดันที่แตกต่างกันสูง การป้องกันขึ้นอยู่กับการจับคู่แรงดันของอุปกรณ์และระดับการกัดเซาะกับเงื่อนไขการบำบัดจริง การตรวจสอบอย่างละเอียดและการเปลี่ยนส่วนประกอบระหว่างงาน การปฏิบัติตามความเข้มข้นของโพรเพนต์สูงสุดและขีดจำกัดอัตราปั๊มที่ระบุไว้ในพารามิเตอร์การบริการของอุปกรณ์ และการทดสอบแรงดันชุดประกอบกับแรงดันทดสอบที่ต้องการก่อนการใช้งานแต่ละครั้ง การติดตามทางสถิติของการวัดความหนาของผนังส่วนประกอบในงานต่อเนื่องช่วยให้บริษัทผู้ให้บริการสามารถระบุแนวโน้มการกัดเซาะและเลิกใช้ส่วนประกอบก่อนที่จะถึงความหนาของผนังขั้นต่ำที่อนุญาต

จำนวนการเชื่อมต่อปั๊มบนสแต็ก frac ส่งผลต่อการดำเนินการแตกหักอย่างไร

จำนวนพอร์ตการเชื่อมต่อปั๊มบนหัวแพะ frac stack จะกำหนดจำนวนสายปั๊มที่สามารถเชื่อมต่อกับหัวหลุมได้พร้อมกัน ซึ่งจำกัดอัตราการฉีดสูงสุดที่ทำได้โดยตรงสำหรับการบำบัดการแตกหัก หัวแพะสี่ทางออกที่เชื่อมต่อกับสายปั๊มที่แตกหักสี่เส้นซึ่งแต่ละสายไหลที่ 20 บาร์เรลต่อนาที ให้อัตราหัวหลุมผลิตสูงสุดที่ 80 บาร์เรลต่อนาทีผ่านปล่อง frac การทำสำเร็จด้วยอัตราสูงสมัยใหม่ในอ่างเพอร์เมียนและหินดินดานระดับพรีเมี่ยมอื่นๆ มักต้องใช้อัตราการบำบัด 80 ถึง 120 บาร์เรลต่อนาทีเพื่อวางสารโพรเพนท์ในปริมาณมากอย่างมีประสิทธิภาพ โดยต้องใช้หัวแพะแปดทางออกหรือการกำหนดค่าหัวแพะคู่เพื่อให้ความสามารถในการเชื่อมต่อที่เพียงพอสำหรับขนาดกลุ่มปั๊มที่ต้องการเพื่อให้ได้อัตราเหล่านี้

บทสรุป: เหตุใด Frac Stacks จึงยังคงเป็นรากฐานสำคัญของความปลอดภัยในการขุดบ่อให้เสร็จสมบูรณ์

Frac stacks represent one of the most technically demanding categories of oilfield pressure control equipment, operating at the intersection of extreme pressure, highly abrasive flow conditions, and critical safety requirements during the most intensive pressure exposure period in any well's life. บทบาทของพวกเขาในการทำให้เกิดการปฏิวัติน้ำมันและก๊าซแหวกแนวในอเมริกาเหนือ ซึ่งทำให้สหรัฐฯ เปลี่ยนจากการเป็นผู้นำเข้าน้ำมันสุทธิมาเป็นผู้ผลิตน้ำมันดิบรายใหญ่ที่สุดของโลก ไม่สามารถกล่าวเกินจริงได้ หากไม่มีเทคโนโลยี frac stack แรงดันสูงที่เชื่อถือได้ ซึ่งสามารถทนต่อแรงกดดันในการบำบัดและสภาวะการกัดเซาะของโพรเพนท์ของความสำเร็จหลายขั้นตอนสมัยใหม่ การพัฒนาทางเศรษฐกิจของการก่อตัวของหินดินดานคงเป็นไปไม่ได้

ในขณะที่โปรแกรมการทำให้เสร็จสมบูรณ์ยังคงพัฒนาไปสู่เป้าหมายที่ลึกขึ้น ความกดดันในการบำบัดที่สูงขึ้น และปริมาตรโพรเพนต์ต่อหลุมที่ใหญ่ขึ้น เทคโนโลยี frac stack กำลังก้าวหน้าไปพร้อมๆ กันด้วยอัตราแรงดันที่สูงกว่า ระบบการเชื่อมต่อที่เร็วขึ้น ความสามารถในการดำเนินการจากระยะไกล และการตรวจสอบแบบบูรณาการ เพื่อตอบสนองความต้องการของการสร้างหลุมบ่อที่แหวกแนวในยุคต่อไปอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ สำหรับผู้ปฏิบัติงาน ผู้รับเหมาขุดเจาะ หรือวิศวกรต่อชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินการแตกหักด้วยไฮดรอลิก การทำความเข้าใจข้อกำหนด frac stack ข้อกำหนดในการติดตั้ง และมาตรฐานการบำรุงรักษาไม่ใช่ความรู้ทางเลือก แต่เป็นความรู้พื้นฐานด้านความปลอดภัยและความสามารถในการปฏิบัติงาน