Wie kann der Ölfluss lange aufrechterhalten werden? Bauen wir eine fließende „Autobahn“ für Öl!

„Schiefergestein hat eine sehr hohe Dichte, und selbst wenn Öl verfügbar wäre, könnte es nicht gefördert werden. Selbst wenn es gefördert würde, wäre die Ausbeute nicht hoch.“ Dies ist seit langem die „Schlussfolgerung“. Der Grund für diese „Schlussfolgerung“ liegt darin, dass das Rohöl im Schieferreservoir in Poreneinschnitten im Nanomaßstab gespeichert ist und unter natürlichen Bedingungen nicht effektiv in das Bohrloch fließen kann. Um eine effektive Ausbeutung des Schieferöls zu erreichen, ist es daher notwendig, moderne Ingenieurtechnologien einzusetzen, um das dichte Schieferreservoir aufzubrechen und einen „Hochgeschwindigkeitskanal“ zwischen der Schieferporenöffnung und dem Bohrloch zu bauen, damit das Rohöl fließen kann. Wie baut man also einen solchen Kanal auf? Dies ist mit der Technologie des hydraulischen Aufbrechens möglich.

Das Reservoir „aufbrechen“, um das Ausströmen von Öl und Gas zu ermöglichen

Im Jahr 1947 führten die Vereinigten Staaten das weltweit erste Experiment zur Produktionssteigerung durch hydraulisches Aufbrechen durch, das den Auftakt zur Technologie zur Produktionssteigerung in Lagerstätten und zur Umwandlung von Öl und Gas bildete. Bei hydraulischen Frakturierungsvorgängen verwenden Erdölingenieure Pumpwagen, um Frakturierungsflüssigkeit mit hochfesten Stützmitteln durch das Bohrloch in das Reservoir zu injizieren, wodurch die Formation aufbricht und sich unter hohem Druck Risse bilden. Die Stützwirkung der Proppants wird dann genutzt, um nach dem Fracking einen „Hochgeschwindigkeitskanal“ für die Öl- und Gasmigration im Reservoir zu bauen.

Da jedoch unkonventionelle Öl- und Gasvorkommen zunehmend zum wichtigsten Schlachtfeld für Exploration und Entwicklung werden, können mit der herkömmlichen Fracking-Technologie zwar künstliche Risse mit einer gewissen Leitfähigkeit im Reservoir geöffnet werden, aufgrund der dichten Reservoireigenschaften ist es für das Öl und Gas in den Matrixporen jedoch immer noch schwierig, in die Risse zu fließen, was eine effektive Öl- und Gasförderung unmöglich macht. Angesichts dieses Problems entstand die Technologie der volumetrischen Frakturierung. Das Konzept besteht darin, das Reservoir mit ingenieurtechnischen Mitteln aufzubrechen und dabei mehrere Hauptbrüche zu bilden, während sich an den Seiten der Hauptbrüche mehrere Ebenen sekundärer Brüche bilden, wodurch ein komplexes Bruchnetzwerk entsteht. Im Vergleich zum herkömmlichen hydraulischen Aufbrechen entspricht das volumetrische Aufbrechen dem Bau eines mehrstufigen „Autobahnnetzes“ wie „Stadtstraßen“ und „Dorfstraßen“ beim Bau einer „Hauptstraße“. Nachdem Öl und Gas aus dem nanoskaligen „Schlafzimmer“ geflossen sind, können sie auf kürzestem Weg in das „Autobahnnetz“ gelangen, was die Verkehrseffizienz erheblich verbessert.

Die Höhe und Länge künstlicher Risse sind nicht gut genug

Auf der Grundlage vorläufiger Untersuchungen zum Gulong-Schieferöl kamen einige internationale Ölkonzerne zu dem Schluss, dass „das Risiko einer kommerziellen Ölförderung sehr hoch ist und keine vergleichbaren Seeschieferblöcke bekannt sind, die einen kommerziellen Erschließungswert besitzen.“ Warum ist die Förderung des Gulong-Schieferöls schwierig? Dafür gibt es zwei Hauptgründe.

Der erste Grund besteht darin, dass der Tongehalt der Zielschichten anderer Schieferöllagerstätten, die in großem Maßstab erschlossen wurden, im Allgemeinen weniger als 10 % beträgt, während der durchschnittliche Tongehalt des Gulong-Schiefers über 35 % liegt, was der Lagerstätte extrem starke plastische Eigenschaften verleiht (d. h. die Fähigkeit, unter Einwirkung äußerer Kräfte seine Form beliebig zu ändern, ohne zu zerbrechen). Es ist, als würden wir Plastilin kneten. Die Form des Plastilins ändert sich, aber es bricht nicht. aber wenn wir auf das Glas schlagen, zerbricht das Glas, was zeigt, dass das Plastilin plastischer ist als Glas. Beim Brechen in der Gulong-Schieferschicht ist das Speichergestein relativ anfälliger für Verformungen, es ist jedoch schwierig, weitreichende Risse zu erzeugen, was die Reservoirreichweite der Bruchverbindung stark einschränkt.

Der zweite Grund besteht darin, dass sich im Gulong-Schiefer umfassende, komplexe Schichtungsbrüche mit einer Dichte von Hunderten bis Tausenden pro Meter entwickelt haben. Es sieht aus wie ein Stapel aus hartem, weichem, dickem, dünnem und unebenem Karton, der übereinander gestapelt ist. Erdölgeologen bezeichnen diese Struktur bildlich als „Tausend-Schichten-Pfannkuchen“. Um den Schiefer mit der „tausendschichtigen Pfannkuchen“-Struktur vertikal zu durchdringen, wird die Fracking-Flüssigkeit zweifellos auf mehrere Schichten von Hindernissen stoßen. Die horizontalen Schichtbrüche werden zu relativ vorteilhaften Kanälen für den Fluss der Fracking-Flüssigkeit. Aufgrund der kombinierten Wirkung von Tonmineralien und der komplexen Bruchmorphologie der Schichtung ist es jedoch schwierig, horizontale Risse weit auszudehnen. Durch Überwachungsdaten vor Ort stellten Erdölingenieure fest, dass die effektive Höhe der durch das Gulong-Schieferöl gebildeten künstlichen Risse weniger als 10 Meter beträgt, die effektive Länge weniger als 200 Meter beträgt und das effektive Umwandlungsvolumen nur 40 % des Volumens dichter Öllagerstätten bei gleichem Baumaßstab beträgt.

„Nah kontrollieren und weit ausdehnen“, um ein komplexes Rissnetzwerk zu bilden

Wie lässt sich das Problem der Frakturierung und der produktionssteigernden Umwandlung des „Tausend-Schichten-Pfannkuchen“-Reservoirs des Gulong-Schieferöls lösen? Im Rahmen von Wasserschutzprojekten bauen Ingenieure Dämme, um die in den verschiedenen Nebenflüssen des Hauptflusses verstreuten Wasserressourcen zentral zu verwalten. So wird eine größere Fließkraft für die Stromerzeugung und andere Zwecke geschaffen und die Nutzung der Wasserressourcen verbessert. Erdölingenieure verfolgten einen ähnlichen Ansatz und schlugen ein innovatives Fracking-Designkonzept vor, bei dem „Kontrolle aus der Nähe und Ausweitung in die Ferne“ im Mittelpunkt steht.

Die sogenannte „Kontrolle nahe“ bedeutet, dass die Fracking-Flüssigkeit ihre Stärke konzentrieren und eine kombinierte Kraft bilden kann, um eine großflächigere „Hauptstraße“ zum Fracking zu schaffen. Wir haben festgestellt, dass reines Wasser leichter in Mikrorisse eindringt als Honig, da Honig im Vergleich zu Wasser eine höhere Viskosität aufweist. Bei Fracking-Vorgängen können Erdölingenieure die Viskosität der Flüssigkeit zudem deutlich erhöhen und den Verlust von Fracking-Flüssigkeit in Mikrorissen verhindern, indem sie der Fracking-Flüssigkeit Additive mit bestimmten Inhaltsstoffen hinzufügen.

„Weiter ausdehnen“ bedeutet, dass die Fracking-Flüssigkeit in weit von den Bohrlöchern entfernten Gebieten mehr „Landstraßen“ und „Dorfstraßen“ um die „Hauptstraßen“ herum anlegen kann, sodass mehr Öl und Gas auf kürzestem Weg in das „Straßennetz“ gelangen und schließlich auf den „Hauptstraßen“ zusammenlaufen und durch das Bohrloch gefördert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, verwenden Erdölingenieure hochviskose Fracking-Flüssigkeit, um eine „Hauptstraße“ zu schaffen, und wechseln dann geschickt zu einem bestimmten Anteil niedrigviskoser Fracking-Flüssigkeit, um diese weiterhin mit hoher Verdrängungsrate in die Formation zu injizieren. Diese Fracking-Flüssigkeiten folgen den Hauptbrüchen bis in den entfernteren Bohrbereich und wirken sich weiter auf das Reservoir aus. Aufgrund ihrer geringeren Viskosität können sie leichter in die Schichtrisse eindringen und ein komplexes Rissnetzwerk bilden.

„Slim Oil Flows Long“ zur Erhaltung der Fließfähigkeit von Schieferöl

Nach Abschluss des Fracking-Vorgangs ist die Ölquelle bereit für die Produktion. Allerdings muss Rohöl aus Schieferporen fließen, die nur ein Tausendstel des Durchmessers eines Haares (etwa 70 Mikrometer) betragen, und mehrstufige Rissnetzwerke durchqueren, so dass die Förderung langwierig und langsam ist.

Erdölingenieure erforschen seit den ersten Entwurfsphasen des hydraulischen Aufbrechens, wie sich das Fließen von Rohöl verbessern lässt. Durch Erhöhen der Menge an Fracking-Flüssigkeit oder Hinzufügen eines in Rohöl leicht löslichen Gases zum Fracking-Flüssigkeitssystem kann Rohöl verdrängt, der Formationsdruck erhöht und dadurch die Ölproduktion gesteigert werden. Durch die Zugabe von Tensiden zur Fracking-Flüssigkeit kann die Oberflächenspannung der Öl-Wasser-Grenzfläche verringert und die Fließfähigkeit des Öls verbessert werden.

Nach einer gewissen Zeit der Schieferölförderung nehmen Druck und Fördermenge ab. Wenn der Druck zu schnell abfällt, schließen sich die Risse und die Hochgeschwindigkeitsströmungskanäle werden geschlossen. Daher kann die Schieferöl-Entwicklungsstrategie der „kontrollierten Druckproduktion und des langfristigen Ölflusses“ die Formationsenergie auf geordnete Weise freisetzen, wodurch nicht nur die Antriebsenergie für einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden kann, sondern auch die vorzeitige Schließung des Fließkanals vermieden wird, die stabile Produktionsperiode verlängert wird und die endgültige Gewinnungsrate sowie die Entwicklungsvorteile verbessert werden.

Autor: Meng Siwei, Liu Yishan (Chinesisches Forschungsinstitut für Erdölexploration und -entwicklung), Deng Dawei (Daqing Forschungsinstitut für Ölfeldexploration und -entwicklung)