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Sand: Heilmittel und Gift zugleich

In den Bereichen Technik und Medizin ist es entscheidend, das richtige Gleichgewicht zu finden. Nehmen wir zum Beispiel den klassisch griechischen Begriff pharmakon, dersowohl "Heilmittel" als auch "Gift" bedeutet, je nach Absicht, Anwendung und Wirkung.

Heilmittel und Gift

Das Pharmazeutikum des Fracking-Booms ist zweifellos Sand - ein "Heilmittel", das die Produktion steigert ... und... ein "Gift" für Leitungen und Anlagen. 

Als Stützmittel ist Sand reichlich vorhanden, umweltverträglich und oft effektiver als Alternativen wie Walnussschalen oder Perlen aus Stahl, Glas oder Kunststoff. 

Der Sand, der die Kohlenwasserstoffe aus der Formation und dem Bohrloch begleitet, kann jedoch Fließleitungen und Produktionsanlagen verstopfen und erodieren, was die Industrie jedes Jahr Millionen von Dollar an Reparaturen oder Verlusten kostet. Sand kann sogar das Bohrloch und die Verrohrung über eine kritische Schwelle hinaus beschädigen, was zum vorzeitigen Ende sehr produktiver, hochprofitabler Bohrlöcher führt.

Die Entfernung des Sandes aus dem Produktionsstrom ist daher eine grundlegende Notwendigkeit. Jahrelang wurde dies in erster Linie mit Schwerkraftabscheidern oder Filtersystemen bewerkstelligt. Beide haben jedoch schwerwiegende Nachteile: Sie können einen Rückstau verursachen, der das Produktionsvolumen senkt, und sie erfordern rund um die Uhr eine praktische Wartung - manuelles Entleeren der Abscheider und Wechseln der Filtersiebe. 

Ein zusätzlicher Schwachpunkt von Schwerkraftabscheidern ist die geringe Effizienz, die in der Regel eine Reihe von sperrigen Einheiten erfordert, um den gesamten Sand aufzufangen. Der erhöhte Wartungsaufwand für beide Systeme erhöht zudem das Risiko für das Personal und die Kosten für mehr Arbeit.

Den Wirbelwind ernten

Eine weitaus bessere Lösung für die Sandkontrolle ist der Hydrozyklon, ein innovatives Gerät, das die Zentrifugalkraft nutzt, um feine Feststoffe von Flüssigkeiten zu trennen. 

In der Abbildung unten sieht man, dass der Produktionsstrom in das Gerät eintritt und darin herumwirbelt, während die umgekehrte konische Form den Inhalt beschleunigt. Die Geschwindigkeit reicht aus, um einen Wirbel zu erzeugen, der bewirkt, dass sich die Flüssigkeiten (sowohl Flüssigkeit als auch Gas) in der Mitte zu einer aufsteigenden Säule konzentrieren und die schwereren Feststoffe nach außen gegen die Innenwand fliegen und nach unten wandern; die Flüssigkeiten verlassen den Überlauf oben, während die Feststoffe den Unterlauf unten verlassen.

Ein Hydrozyklon hat keine beweglichen Teile, sondern nutzt die Geschwindigkeit des Produktionsstroms, um die Zentrifugalkraft zu erzeugen. Durch die passive Konstruktion sind mechanische Ausfälle und ständige Wartung praktisch ausgeschlossen, aber die im Diagramm dargestellte Einfachheit täuscht.

Hydrozyklon Illustration Diagramm

Damit ein Hydrozyklon bei der Sandbewirtschaftung effektiv und zuverlässig arbeitet, ist eine Menge an präziser Technik erforderlich - auch hier ist das Gleichgewicht entscheidend. Zu den Schlüsselfaktoren gehören die Größe des Geräts im Verhältnis zum Winkel des konischen Abschnitts, die Größe des Ein- und Auslasses, die Platzierung des Wirbelfinders und die Metrik des Apex-Ventils. 

Wenn die Geschwindigkeit nicht ausreicht, ist die Abscheidung nur geringfügig; wenn sie zu hoch ist, erodieren die festen, feinen Partikel schnell die Innenwände, oder eine schwach gebaute Einheit fliegt auseinander und verursacht einen katastrophalen Ausfall, bei dem das Personal verletzt werden könnte. Außerdem muss das Gerät robust genug sein, um den hohen - oft außergewöhnlich hohen - Drücken in Öl- und Gasbohrungen standzuhalten.

Technische Eleganz: TETRA SandStorm

Ein präzise entwickelter, hocheffizienter, zuverlässiger und sicherer Hydrozyklon, der sich jetzt in der Praxis bewährt hat, ist die fortschrittliche TETRA SandStorm-Zyklontechnologie. Sie übt keinen restriktiven Gegendruck auf den Produktionsstrom aus und erfordert keine ständige praktische Wartung.

Die Technologie lässt sich problemlos mit dem automatisierten TETRA BlueLinx-Kontrollsystem zu einer Sandmanagementlösung kombinieren, die nicht nur eine Sandabscheideeffizienz von bis zu 99,4 % erzielt, sondern auch den Arbeits- und Wartungsaufwand erheblich reduziert.

Wir wissen das, weil in wiederholten Anwendungen bei Kunden TETRA SandStorm-Einheiten neben konkurrierenden Zyklonabscheidern aufgestellt wurden, beide mit nachgeschalteten zweitstufigen Filtersystemen, um Sande aufzufangen, die durch die erste Stufe rutschen. Immer wieder zeigen die Filter, dass der TETRA SandStorm 97-99 % des Sandes aus dem Produktionsstrom entfernt und die Leistung von Zyklonen der Konkurrenz deutlich übertrifft.

Fallstudie 1: Produktionsrate in den Appalachen

Im Marcellus Shale Play im Nordosten der USA suchte ein Betreiber mit einer Reihe von Gasbohrungen nach einer besseren Lösung für die Sandrückgewinnung aus dem Frac-Flowback. Die Herausforderung bestand in der sehr hohen Durchflussrate der Bohrungen von bis zu 45 MMCFD und der unterschiedlichen Partikelgröße des Sandes. Weder ein Abscheider- noch ein Filtersystem waren aufgrund ihrer Einschränkungen bei der Fördermenge akzeptabel.

Der TETRA SandStorm wurde vorgeschlagen, und auf Wunsch des Betreibers wurde die Technologie parallel zu der eines Wettbewerbers aufgebaut. Beide Bohrlöcher wiesen dieselbe Durchflussrate, Sandmenge und Sandpartikelgröße auf, was einen fairen, direkten Vergleich der Sandrückgewinnungseffizienz, der Auswirkungen auf den Produktionsfluss und der Zeit zum Spülen der aufgefangenen Sande (Flushrate) ermöglichte.

Das TETRA-Sandmanagementsystem übertraf das des Wettbewerbers und gewann 99,4 % des Sandes bei einer uneingeschränkten Durchflussrate von bis zu 42 MMCFD zurück. Das TETRA-SandStorm-System war sogar so effektiv, dass eine zweite Stufe überflüssig wurde und der nachgeschaltete Rückfluss keine Auswaschungen aufwies. Dadurch wurden abrasive Schäden an der Rückfluss- und Produktionsausrüstung vermieden und der Betreiber konnte bis zu 10.000 US-Dollar pro Bohrloch sparen.

Zusätzlich zu seiner unübertroffenen Effizienz bot das TETRA-System noch weitere bemerkenswerte Vorteile. Erstens ist das TETRA-SandStorm-System viermal kleiner als das System des Mitbewerbers, was den Transport und die Platzierung vor Ort vereinfacht. Zweitens eliminiert sein einfaches, aber robustes Design praktisch das Potenzial für das Versagen von Komponenten, praktische Wartung und damit verbundene Risiken und Ausfallzeiten. Und drittens dauerte es weniger als fünf Minuten, den Sand aus dem TETRA SandStorm zu entleeren, deutlich weniger als die 45 Minuten, die für das Spülen des Konkurrenzsystems benötigt wurden.

Fallstudie 2: Management von Permian-Sand 

Ein weiterer direkter Vergleich wurde im Permian Basin in Westtexas durchgeführt. Wie im obigen Fall wurden zwei Bohrlöcher mit Sandmanagement-Systemen und nachgeschalteten Filtern ausgestattet, um deren Wirksamkeit zu messen, aber in diesem Fall war der Kontrast noch krasser.

Die TETRA-SandStorm-Hydrozyklontechnologie fing durchschnittlich 96,63 % des Sandes aus 132.889 Fässern Flüssigkeit auf, mit einer Tagesspitze von 100 % und mehreren Tagen mit 98 % und 99 %. Im Gegensatz dazu konnte der konkurrierende Entsander im Durchschnitt nur 45,55 % des Sandes aus 126.472 Fässern Flüssigkeit auffangen, mit einem Tageshöchstwert von 60 %. Die TETRA-Lösung war außerdem doppelt so klein wie die des Mitbewerbers, so dass sie letztlich sowohl die Effizienz verdoppelte als auch den Platzbedarf halbierte.

Auflösung

Ebenso wie die Produktionswassermengen werden auch die Sandmengen weiter zunehmen. 

Zusätzlich zu den Sanden, die wir zum Aufbrechen des Gesteins und zur Steigerung der Produktion verwenden, führen längere Bohrlängen und tiefere, weniger gefestigte Lagerstätten dazu, dass mehr Sand aus dem Bohrloch kommt. Schwerkraftabscheider und Filtersysteme bleiben in bestimmten Situationen nützliche Hilfsmittel, aber wenn das Sandmanagement kritisch ist, ist es am klügsten, die Lösung als eine Investition zur Sicherung der Ausrüstung und des Produktionsvolumens zu betrachten. 

Eine sinnvolle Investition ist die fortschrittliche Zyklontechnologie TETRA SandStorm.

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