Основы гидроразрыва пласта

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВЫ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА

С момента внедрения, гидроразрыв пласта (ГРП) был и останется одним из основных инженерных инструментов увеличения производительности скважин. Эффект достигается за счет:

• создания проводящего канала (трещины) через повреждённую (загрязнен­ную) призабойную зону пласта вокруг скважины, с целью проникновения за гра­ницы этой зоны;

• распространения канала (трещины) в пласте на значительную глубину с це­лью дальнейшего увеличения производительности скважины;

• создания канала (трещины), который позволил бы изменить, повлиять на те­чение флюида в пласте;

В последнем случае, ГРП действительно становится эффективным инстру­ментом, позволяющим управлять работой пласта (в том числе изменять его фильтрационные характеристики) и реализовывать долгосрочные стратегические программы разработки. Концепция ГРП достаточно проста. В общем, для относи­тельно простой геологии, физические основы теории ГРП достаточно хорошо разработаны и проверены. В основном, сложности сводятся к двум проблемам: реальным геологическим условиям и сложной многодисциплинарной природе са­мого процесса ГРП.

Исторически (в силу специфики работ с использованием насосных агрегатов, пакеров, необходимостью учитывать ограничения по давлению и т.д.), контроль над процессом ГРП являлся задачей буровых и добывающих подразделений. Тем не менее, окончательный результат (и окончательный проект) является главным образом инженерно-технологической задачей, при этом проектирование ГРП и разработка пласта тесно переплетаются друг с другом. В то же время, процесс проектирования ГРП с целью достижения определённого результата тесно связан с механикой горных пород (влияющей на геометрические параметры трещины), гидромеханикой жидкости (в которой решаются задачи управления течением ра­бочей жидкости и размещением проппанта в трещине) и химией, которая опреде­ляет поведение материалов, используемых при проведении ГРП. Причем проект ГРП обязательно должен учитывать физические ограничения, накладываемые спецификой реального месторождения и скважины. Кроме того, чтобы достичь желаемых результатов, операцию ГРП необходимо проводить в строгом соответ­ствии с расчетами (т.е. полный цикл, в котором каждая операция играет свою роль). Таким образом, правильное проектирование ГРП тесно связано со следую­щими дисциплинами:

• Технология добычи;

• Механика горных пород;

• Механика жидкости;

• Выбор оптимальных материалов;

• Технология сервисных операций;

Поскольку подход существенно многодисциплинарный, то в отношении ГРП есть только одно практическое правило: никаких эмпирических методов.

Многодисциплинарность совместно с трудностями в точном определении многих параметров привносит в ГРП элемент искусства. ГРП нельзя назвать таинством и в большинстве случаев, физика, описывающая этот процесс чётко определена. Но множество переменных, используемых при расчётах, совместно с неопределённо­стью абсолютных величин этих переменных, ставит на первое место грамотное инженерное решение.

Что такое ГРП?

Если рабочая жидкость закачивается в скважину быстрее, чем она может фильтроваться в пласт, то давление неизбежно возрастает и в определённый мо­мент что-то ломается. Поскольку горная порода, обычно, слабее чем сталь, то именно в породе и происходит разрушение, что приводит к растрескиванию ство­ла скважины вдоль своей оси, под действием возникающих по окружности растя­гивающих усилий, вызванных внутренним напряжением. При этом простая идея щелевого растрескивания скважинного ствола, усложняется для обсаженных и проперфорированных скважин, а так же для невертикальных скважин.

Цели ГРП:

• Создание высокопроницаемого протока от пласта к скважине.

• ГРП создает глубокие высокопроницаемые трещины в низкопроницаемые зоны пласта, которые:

Ø способствуют увеличению нефтеотдачи при стадии вторичной разработки месторождения

Ø увеличивают продуктивность скважины

Ø соединяют проницаемые зоны пласта

Ø увеличивают суммарную добычу

Ø облегчают инъективность (способность скважины принимать жидкость).

ГРП используется:

При низкой проницаемости пласта

Ø При низком притоке жидкости к скважине

Когда естественный уровень добычи продукции из пласта ниже уровня эко­номической эффективности

Как метод создания проходного канала сквозь призабойную зону скважины (если она загрязнена или запарафинизирована - увеличение скин эффекта) чтобы избежать потерь в перепаде давления (затрачиваемого пластом на преодоление этой зоны).

Основные понятия и определения

Градиент разрыва - давление в пласте, превышение которого приводит к образо­ванию трещины, деленное на глубину залегания пласта.

Давление закрытия трещины – предел давления, при котором трещина закрывается.

Давление разрыва (ВDP) - давление, при котором образуется трещина.

Давление горной породы (ОВ) - суммарное давление вышележащих пластов гор­ной породы.

Минимальное сопротивление пласта (minimum in-situ stress). Представим себе часть пласта кубической формы, залегающий на глубине 2500 м. Этот кубик бу­дет подвергаться давлению горной породы (вертикальный стресс OB = maximum principle stress) и горизонтальному воздействию (minimum and intermediate principle in-situ stress). Если мы приложим определенное (BDP) давление к любой из сторон этого кубика, то он треснет, причем крылья этой трещины будут раскрываться перпендикулярно наименьшему давлению сопротивления пласта(minimum in-situ stress).

Расчеты

Основной целью разрыва пласта является увеличение эффективной призабойной зоны скважины путем образования трещины определенной длины, чья удельная проводимость намного выше, чем у самого пласта.

Где – проводимость трещины;

– проводимость пласта.

• Оптимальный F_CD находится в пределах 2 до 10.

• Для длинных трещин в низкопроницаемых пластах безразмерная проводимость должна быть выше.

• Для коротких трещин в высокопроницаемых пластах - меньше.

Трещина может быть трех видов:

· KGD (полдлины < высота, высота = const),

· PKN (полдлины > высота, высота = const)

· радиальная модель (полдлины = высота).

Затем в трещину закачивается проппант, который находится в жидкости разрыва в подвешенном состоянии, концентрация его в жидкости зависит от ширины тре­щины и увеличивается ближе к забою. Цель закачки проппанта - удержание тре­щины в раскрытом положении. Ширина трещины зависит от полезного давления в трещине P_net и коэффициента приемистости пласта С_f:

2. ;

Где P_net зависит в основном от вязкости закачиваемой жидкости и скорости закач­ки (чем выше скорость закачки или вязкость или и то и другое, тем шире трещи­на) и равна разнице давлений закачки P_frac и закрытия трещины Р_с:

3.

Давление закрытия трещины равно градиенту разрыва на данной глубине и опре­деляется из DataFRAC или по формуле Итона:

;

где P_v - давление керна;

P_f- давление в пласте;

D - глубина;

F - полевая константа,

5. ;

где v - Коэффициент Пуассона,

6. ,

описывающий изменения в экземпляре керна после приложения к нему давления (определенное давление, приложенное к экземпляру керна и изменяет его размерные характеристики - диаметр и высоту, причем существует такое давление, при котором эти изменения становятся необратимыми).

Модуль Юнга:

Это мера жесткости породы или параметр, описывающий сопротивление пласта определенной нагрузке.

Модуль Юнга очень важен в ГРП, т.к. он прямым образом влияет на геомет­рию трещины и дает представление, как широко откроется трещина при данном забойном давлении.

Длина и ширина искусственной трещины зависит от жесткости породы. Ка­сательная модуля Юнга используется в работах по интенсификации скважин:

Давление ГРП

Это нагрузка на пласт во время ГРП и равна сумме давления на поверхности (wellhead treating) P_WH и гидростатического давления столба жидкости ГРП минус сопротивление трения. Сопротивление трения P_fr включает в себя трение в НКТ P_tf и зоне перфорации, а также сопротивление искривления направления потока Р_t.

;

;

7. , где

, где

BHP – забойное давление;

P_pf - трение в зоне перфорации;

N - количество рабочих перфорационных отверстий;

D - диаметр перфорационных отверстий (in);

S - площадь перфорации ( призабойной зоны);

G - модуль сдвига;

Q - скорость закачки (bpm).

Мощность, необходимая для развития данного P_WH определяется следующим об­разом:

8. ;

где

Q – скорость закачки (bpm);

P – давление закачки (psi);

40.8 – переводная константа.

Жидкости для гидроразрыва

Жидкости для гидроразрыва используются для осуществления двух основных функций:

• Жидкости для гидроразрыва должны обеспечивать давление, необходимое для создания трещин и их распространения в пласт.

Жидкости для гидроразрыва должны быть способны переносить расклинивающий агент на всю глубину трещины, для того, чтобы пласт не возвращался в свое первоначальное состояние при остановке насосов и уменьшении давления до обычной величины.

В то время как для создания трещин используются многие специальные жидкости и системы жидкостей, основные их типы подразделяются на две категории, а именно, на линейные и молекулярно связанные жидкости. Линейные жидкости обладают одной и той же вязкостью от смешивания до закачки в пласт, в то время как молекулярно связанные жидкости используют полимеры для увеличе­ния вязкости в течении определенного периода времени в процессе образования разрывов в пласте