Was ist ein Frac-Verteiler? Eine vollständige Anleitung zu Typen, Komponenten, Druckstufen und Auswahl

A Frac-Verteiler ist ein Hochdruck-Flüssigkeitsverteilungssystem, das bei hydraulischen Frakturierungsvorgängen verwendet wird, um unter Druck stehende Frakturierungsflüssigkeit von mehreren Pumpeneinheiten gleichzeitig zu einem oder mehreren Bohrköpfen zu sammeln, zu leiten und zu steuern. Ohne sie wäre es physikalisch unmöglich, die Leistung von 10 bis 40 Hochdruckpumpen in einem einzigen Bohrloch mit den Durchflussraten zu koordinieren, die für moderne Komplettierungen erforderlich sind. Dieser Leitfaden deckt alles ab, was Ingenieure, Betreiber und Beschaffungsteams wissen müssen – von Kernkomponenten und Konstruktionsarten bis hin zu Druckstufen, Materialstundards und betrieblichen Best Practices.

Was ist ein Frac-Verteiler und wie funktioniert er?

A Frac-Verteiler fungiert als zentraler Flüssigkeitsknotenpunkt einer hydraulischen Frakturierungsausbreitung – er bündelt den Fluss von mehreren Pumpeneinheiten, sorgt für Isolations- und Flusskontrollfähigkeit und liefert Flüssigkeit mit kontrolliertem Druck an das Behandlungseisen am Bohrlochkopf. Stellen Sie es sich wie einen Autobahnknotenpunkt vor: Mehrere Fahrspuren mit hohem Verkehrsaufkommen (Pumpwagen) verschmelzen zu einem kontrollierten Verkehrsfluss, der zu einem einzigen Ziel (dem Bohrloch) führt.

In einem typischen Bohrlochlayraus wird der Frac-Verteiler installiert flussabwärts des Flugkörpers (Frac-Pumpe-Ausgangskopf) und stromaufwärts der Frac-Bäume (auch Frac-Stacks genannt) auf jedem einzelnen Bohrloch. Die Spaltflüssigkeit fließt von den Pumpeneinheiten in den Hochdruckverteiler des Verteilers, wo Ventile steuern, welches Bohrloch zu einem bestimmten Zeitpunkt Flüssigkeit erhält.

Ein typisches Bruchverteiler müssen Arbeitsdrücken von standhalten 10.000–20.000 psi und Durchflussmengen überschreiten 100 Barrel pro Minute (bpm) Damit ist es eines der mechanisch anspruchsvollsten Geräte auf jeder Bohrstelle. In einer Zipper-Fracking-Konfiguration ermöglicht der Verteiler den nahezu kontinuierlichen Betrieb von Pumpwagen, indem der Flüssigkeitsfluss schnell von einem Bohrloch zum anderen umgeschaltet wird, was die Geräteauslastung erheblich verbessert.

Schlüsselkomponenten eines Frac-Verteilers

Jeder Frac-Verteiler, unabhängig von der Konfiguration, basiert auf einem Kernsatz druckhaltender und flusskontrollierender Komponenten. Für die Beschaffung, Inspektion und Wartung ist es wichtig, jedes Teil zu verstehen.

1. Frac-Ventile (Absperrschieber)

Frac-Ventile sind die primären Flusskontrollelemente. Sie sind sowohl in manueller als auch in hydraulischer (betätigter) Konfiguration erhältlich und sind die Komponenten, die am anfälligsten für Erosion durch abrasive, mit Stützmitteln beladene Flüssigkeiten sind. Moderne Designs verfügen über eine Vollbohrungsgeometrie zur Minimierung des Druckabfalls, eine Zwei-Wege-Dichtung und federunterstützte Dichtungen, die die Lebensdauer erheblich verlängern. Zu den gängigen Bohrungsgrößen gehören: 4-1/16", 5-1/8", 7-1/16" und 9" .

2. Frac Head (Ziegenkopf)

Die Frac-Kopf , auch Ziegenkopf genannt, bietet mehrere Einlässe an einem einzigen Körper – typischerweise 2 bis 4 seitliche Auslässe – und ermöglicht so den gleichzeitigen Anschluss mehrerer Pumpwagen an den Verteiler. Es ist der primäre Konvergenzpunkt für Hochdruckflüssigkeit, die in das Verteilersystem eintritt.

3. Abstandsspulen

Distanzspulen Stellen Sie die geraden Rohrabschnitte zwischen den Fittings bereit, behalten Sie die erforderlichen Bohrungsabmessungen bei und ermöglichen Sie die Konfiguration des Verteilers, um ihn an den Bohrlochplattenabstand anzupassen. Sie müssen der Druckklasse und Materialspezifikation aller angeschlossenen Komponenten entsprechen.

4. Besetzte Kreuze und T-Shirts

Kreuze und T-Stücke sind die Verzweigungsstücke, die die Mehrfachauslassarchitektur des Verteilers bilden. Sechs-Wege-Kreuze werden in Konfigurationen mit hoher Dichte verwendet, sodass Flüssigkeit ohne zusätzliche Rohrleitungen zu mehreren Frac-Bäumen geleitet werden kann. Diese werden typischerweise als ein einziger Körper geschmiedet, um die Druckfestigkeit zu maximieren.

5. Integraler Skid

Die rutschen ist die strukturelle Basis, die alle Verteilerkomponenten in einer festen, vorgefertigten Anordnung trägt. Eine integrierte Kufe sorgt für hohe Stoßfestigkeit, vereinfacht den Aufbau und stellt sicher, dass alle Komponenten auch unter Pumpbedingungen mit starken Vibrationen richtig ausgerichtet bleiben. Auf einem Rahmen montierte Verteiler können als einzelne Einheit transportiert und mit minimalem Montageaufwand vor Ort verbunden werden.

Welche Arten von Frac-Verteilern sind verfügbar?

Frac-Verteiler fallen in mehrere unterschiedliche Designfamilien, die jeweils für bestimmte Bohrlochkonfigurationen und Betriebsstrategien optimiert sind. Die Wahl des richtigen Typs wirkt sich direkt auf die Pumpeffizienz, die Aufbauzeit und die Gesamtkosten für die Fertigstellung aus.

Einwelliger (konventioneller) Verteiler

Die simplest design, used when fracturing only one wellbore at a time. All pump truck outputs converge at a single high-pressure header leading to one frac tree. While straightforward, this approach results in significant pump downtime between stages as equipment is repositioned. It remains common in older single-well completions.

Verteiler mit Reißverschluss (Umleitung).

Die Reißverschluss-Frac-Verteiler ist das vorherrschende Design für Multi-Well-Pad-Vervollständigungen. Es ist mit den Ausgängen mehrerer Frac-Bäume verbunden und nutzt sein Ventilsystem, um den Frakturierungsdruck schnell von einem Bohrloch zum anderen umzuleiten, sodass Pumpwagen nahezu ununterbrochen laufen können. Dadurch wird die Nebenzeit (NPT) drastisch reduziert. Zipper-Verteiler sind in gerader, 30-Grad-, H-förmiger und L-förmiger Konfiguration erhältlich, um zu verschiedenen Pad-Layouts zu passen.

Frac-Umleitungsverteiler (mehrere Durchgänge)

Diese Systeme wurden speziell für die gleichzeitige Multi-Well-Frakturierung entwickelt und verfügen über zwei, drei, vier oder mehr unabhängige Passagen, jeweils mit eigenem Einlass und Auslass. Konfigurationen umfassen Dual-Vertikal, Dreifach-Vertikal, Dreifach-Scud, und andere. Durch den Kettenbetrieb können mehrere Bohrlöcher in schneller Folge stimuliert werden, ohne dass die Pumpenausrüstung bewegt werden muss.

Verteiler mit großer Bohrung

Verteilersysteme mit großem Durchmesser ersetzen die herkömmlichen mehrsträngigen Eisenverbindungen herkömmlicher Frac-Aufbauten durch einen einzelnen Einlass mit großem Durchmesser, der mit dem Zipper-Verteiler verbunden ist. Dadurch werden die Gesamtzahl der Verbindungen, potenzielle Leckpfade und die Aufbauzeit erheblich reduziert. Ein einzelner Einlass mit großer Bohrung reduziert Flüssigkeitsturbulenzen, senkt die Arbeitskosten und entfernt Personal aus risikoreichen Verbindungszonen.

Zipper-Verteiler vs. herkömmlicher Frac-Verteiler: Ein direkter Vergleich

Die zipper manifold offers decisive advantages over conventional single-well setups in pad drilling environments. The table below summarizes the key differences.

Tabelle 1: Vergleich des konventionellen Frac-Verteilers und des Zipper-Frac-Verteilers hinsichtlich der wichtigsten Betriebsparameter.

Frac-Verteilerdruckwerte: So wählen Sie die richtige Klasse aus

Auswahl der richtigen Druckstufe für a Frac-Verteiler ist die sicherheitskritischste Entscheidung bei der Geräteauswahl. Unterdimensionierung birgt das Risiko eines katastrophalen Ausfalls; Überdimensionierung erhöht unnötiges Gewicht und Kosten. Standard-Arbeitsdruckklassen sind 5.000 psi (5K), 10.000 psi (10K) und 15.000 psi (15K) , wobei einige Spezialsysteme für ultratiefe oder Hochdruckformationen auf 20.000 psi ausgelegt sind.

Alle druckführenden Frac-Verteilerkomponenten müssen hydrostatisch getestet werden 1,5-fache ihres Arbeitsdrucks vor der Bereitstellung gemäß den API 16C-Anforderungen. Das bedeutet, dass ein 10.000 psi-Verteiler einem Prüfdruck von 15.000 psi ohne Leckage oder bleibende Verformung standhalten muss.

Tabelle 2: Standarddruckklassen für Frac-Verteiler, hydrostatische Testanforderungen und typische Anwendungsumgebungen.

Materialien und Metallurgie: Warum die Materialauswahl für Frac-Verteiler wichtig ist

Frac-Verteilerkomponenten arbeiten in einer der härtesten mechanischen Umgebungen in der Öl- und Gasindustrie – anhaltend hoher Druck kombiniert mit stark abrasiven, oft korrosiven Frakturierungsflüssigkeiten, die Stützmittel (Sand oder Keramik) mit Geschwindigkeiten transportieren, die Stahl schnell erodieren lassen können. Die Materialauswahl ist daher keine zweitrangige Überlegung, sondern ein primärer Designfaktor.

Die most widely used base material for pressure-containing components is Chrom-Molybdän-Stahl AISI 4130 , hergestellt durch integrales Schmieden – nicht durch Gießen oder Herstellen. Geschmiedeter Stahl bietet im Vergleich zu gegossenen Gegenstücken bessere mechanische Eigenschaften, eine feinere Kornstruktur und eine höhere Beständigkeit gegen Ermüdungsrisse. Das Schmieden stellt außerdem sicher, dass es keine inneren Hohlräume oder Porositäten gibt, die bei zyklischer Druckbelastung zu Rissen führen könnten.

Für Anwendungen mit Schwefelwasserstoff (H₂S) in sauren Betriebsumgebungen müssen die Komponenten den Anforderungen entsprechen NACE MR0175 / ISO 15156 um Sulfid-Spannungsrisse zu verhindern. Ventilgarnituren – die inneren Dichtungs- und Durchflusskontrollelemente, die der Erosion am stärksten ausgesetzt sind – können gehärteten Stahl, Stellite-Überzüge oder Keramikbeschichtungen enthalten, um die Wartungsintervalle zu verlängern.

So wählen Sie den richtigen Frac-Verteiler für Ihren Betrieb aus

Die right frac manifold selection depends on a structured evaluation of six key parameters. Rushing this decision leads to mismatched equipment, costly field modifications, and safety exposure.

Schritt 1: Bestimmen Sie den maximalen Behandlungsdruck

Überprüfen Sie das Bohrlochdesign, den Formationsbruchgradienten und den erwarteten Oberflächenbehandlungsdruck für die Fertigstellung. Wählen Sie eine Verteilerdruckklasse mit einer Designmarge von mindestens 10–15 % über dem maximal erwarteten Behandlungsdruck.

Schritt 2: Definieren Sie die Anzahl der zu stimulierenden Wells

Für den Einzelbrunnenbetrieb reicht ein herkömmlicher Verteiler aus. Für Pad-Bohrungen mit zwei oder mehr Bohrlöchern ist ein Zipper-Frac-Verteiler die geeignete Wahl. Die Anzahl der Brunnen bestimmt, wie viele Durchgänge, Auslässe und Frac-Ventile der Verteiler bereitstellen muss.

Schritt 3: Bewerten Sie die Anforderungen an die Durchflussmenge

Berechnen Sie die gesamte Flüssigkeitsdurchflussrate, die für das Stimulationsdesign erforderlich ist, in Barrel pro Minute (bpm). Der Durchmesser der Verteilerbohrung – typischerweise 4-1/16“, 5-1/8“, 7-1/16“ oder 9“ – muss so bemessen sein, dass die Flüssigkeitsgeschwindigkeit innerhalb der Erosionsgrenzen bleibt und gleichzeitig die erforderliche Durchflussrate ohne übermäßigen Druckabfall bereitgestellt wird.

Schritt 4: Bewerten Sie das Layout des Bohrlochpads und die physischen Einschränkungen

Die pad geometry determines which manifold configuration — straight, L-shape, H-shape, or 30-degree — will fit with minimal additional iron. Many frac manifolds are modular, allowing field adjustment to match varying well spacing between 10 and 30 feet or more.

Schritt 5: Bestätigen Sie die API-Konformität und Rückverfolgbarkeit

Alle druckführenden Bauteile müssen entsprechend gefertigt und geprüft sein API-Spezifikation 6A and API-Spezifikation 16C . Fordern Sie für jede Komponente eine vollständige Materialrückverfolgbarkeitsdokumentation an – Werkszertifikate, Wärmebehandlungsaufzeichnungen, Maßkontrollberichte und Drucktestzertifikate –, bevor Sie die Lieferung annehmen.

Schritt 6: Berücksichtigen Sie die Art der Ventilbetätigung

Manuelle Ventile sind kostengünstiger, lassen sich aber langsamer betätigen, was die Umschaltzeit zwischen Bohrlöchern verlängert. Hydraulisch betätigte Ventile ermöglichen ein schnelles Umschalten, reduzieren die Belastung des Personals durch Hochdruckzonen und ermöglichen eine digitale Fernsteuerung. Bei hochfrequenten Zipper-Fracking-Vorgängen bietet die hydraulische oder elektrohydraulische Betätigung einen erheblichen Effizienzvorteil.

Betriebliche Best Practices und Frac-Verteilerwartung

Durch ordnungsgemäße Wartung und Betriebsdisziplin unterscheiden sich hochverfügbare Frac-Verteilersysteme von solchen, die kostspielige unproduktive Zeiten (NPT) verursachen. Befolgen Sie diese bewährten Praktiken:

• Hydrostatische Prüfung vor der Arbeit: Führen Sie vor Arbeitsbeginn und nach jedem Komponentenaustausch einen Drucktest an der gesamten Verteilerbaugruppe mit dem 1,5-fachen Arbeitsdruck durch.
• Sichtprüfung aller Verbindungsstellen: Überprüfen Sie vor jeder Stufe Flügelverschraubungen, Bolzenverbindungen und Hammerverschraubungsgewinde auf Erosion, Korrosion oder mechanische Beschädigungen.
• Ventilfettung und -schmierung: Halten Sie die Fetteinspritzung des Frac-Ventils gemäß den Herstellerintervallen ein. Trockene oder unzureichend geschmierte Ventile sind die Hauptursache für Ventilausfälle in der Praxis.
• Ventilzyklen verfolgen: Jedes Frac-Ventil hat eine Nennlebensdauer. Führen Sie ein Betätigungsprotokoll und tauschen Sie die Ventile aus, bevor sie die vom Hersteller empfohlene Wartungsgrenze erreichen.
• Nachspülen: Spülen Sie den Verteiler nach jeder Arbeit mit klarem Wasser aus, um Stützmittel zu entfernen, die interne Kanäle verstopfen und die Korrosion während der Lagerung beschleunigen können.
• Dokumentierte Demontage und Inspektion: Zerlegen, reinigen und prüfen Sie zwischen den Arbeiten die Bohrung der Frac-Ventile und -Kreuze auf erosive Abnutzung. Ersetzen Sie Bauteile, die mehr als 10 % ihrer Wandstärke verloren haben.

Häufig gestellte Fragen zu Frac-Verteilern