Гидравлический разрыв пласта

Сущность гидравлического разрыва пласта (ГРП) состоит в том, что посредством закачки жидкости при высоком давлении происходит раскрытие естественных или образование искусственных трещин в продуктивном пласте и при дальнейшей закачке песчано-жидкостной смеси или кислотного раствора расклинивание образованных трещин с сохранением их высокой пропускной способности после окончания процесса и снятия избыточного давления.

а) б)

Рисунок 11 – График изменения давления при ГРП с образованием

искусственных трещин (а) и раскрытием естественных

трещин (б)

О раскрытии естественных или образовании искусственных трещин в пласте судят по графикам изменения давления Р и расхода при осуществления процесса. Образование искусственных трещин на графике характеризуется падением давления при постоянном темпе закачки (рисунок 11, а), а при раскрытии естественных трещин расход жидкости растет непропорционально росту давления (рисунок 12, б).

Проектирование процесса ГРП состоит из двух частей: расчет основных характеристик процесса и выбор необходимой техники; определение вида трещины и расчет ее размеров.

Давление гидроразрыва пласта определяется из условия, что гидродинамический напор на забое скважины должен преодолеть давление выше лежащей толщи пород (геостатическое давление) и предел прочности продуктивной породы на разрыв

р = q + σ_р, (7.1)

где р – забойное давление разрыва пласта;

q – горное (геостатическое) давление;

σ_р – прочность породы пласта, обрабатываемого на разрыв в условиях

всестороннего сжатия.

Давление нагнетания на устье скважины определяется по формуле

р_у = q + σ_р + р_тр – р_заб, (7.2)

где р_у – устьевое давление разрыва;

р_тр– потери давления на трение в трубах;

р_заб– забойное давление.

Потери давления на трение в трубах рассчитываются по формуле Дарси-Вейсбаха [10, с.125]

р_тр = , (7.3)

где λ – коэффициент трения;

v – скорость движения жидкости в трубах;

ρ_жп – плотность жидкости-песконосителя;

L_с – глубина залегания обрабатываемого пласта;

g – ускорение свободного падения;

d_э – эквивалентный диаметр трубы.

При прямой промывке d_э численно равен внутреннему диаметру насосно-компрессорной трубы. При обратной промывке (нагнетание идет по межтрубному пространству) согласно [10, с.125]

d_э = , (7.4)

где D – внутренний диаметр обсадной колонны;

d_н – наружный диаметр насосно-компрессорной трубы.

Расчет пластового давления разрыва р_пл при использовании нефильтрующейся жидкости определяется согласно [8, с.215]

; (7.5)

, (7.6)

, (7.7)

где р_гг - горизонтальная составляющая горного давления, МПа;

ν - коэффициент Пуассона горной породы (ν = 0,2÷0,3);

Е - модуль упругости пород, численно равный (1÷2)·10⁴ МПа;

Q - темп закачки жидкости разрыва, м³/с;

μ_жп - динамическая вязкость жидкости разрыва, Па·с;

р_гв - вертикальная составляющая горного давления, МПа.

Для приближенной оценки давления разрыва пласта при использовании фильтрующейся жидкости можно использовать формулу [8, с.216]

, (7.8)

где К – коэффициент, равный (1,5÷1,8) МПа/м.

При закачке жидкости-песконосителя давление на устье определяется согласно [8, с.216)] по формуле

; (7.9)

; (7.10)

, (7.11)

где ρ_жп- плотность жидкости-песконосителя;

ρ_ж- плотность чистой жидкости-песконосителя без песка;

ρ_п- плотность песка (ρ_п= 2500кг/м³ );

β_п - объемная концентрация песка в смеси;

С_п - концентрация песка в 1 м³ жидкости, С_п =250÷300 кг/м³.

Коэффициент трения λ при движении смеси в колонне определяли согласно [10, с.126]

λ = - для турбулентного режима;

λ = 64 / Re - для ламинарного режима.

Число Рейнольдса определяется по формуле [8, с.216]

, (7.12)

где Q - темп закачки, м³ /с;

μ_жп - динамическая вязкость, Па·с.

, (7.13)

где μ_жп - вязкость жидкости, используемой в качестве песконосителя, Па·с.

Если Re ≤ 1530, то поток считается ламинарным [10, с.126]. Если Re > 200, то потери давления на трение увеличиваются в 1,52 раза [8, с.216].

Небходимое число насосных агрегатов определяется по формуле согласно [8, с.216]

, (7.14)

где р _р - рабочее давление агрегата;

Q_p - подача одного агрегата при рабочем давлении;

К_Тс – коэффициент технического состояния, К_Тс = 0,5÷0,8.

Необходимый объем продавочной жидкости при прямой промывке при закачке в НКТ согласно [8, с.217]

. (7.15)

Объем жидкости-песконосителя для осуществления гидроразрыва определяется по формуле [8, с.217]

, (7.16)

где Q_п - количество песка;

С_п - концентрация песка в жидкости.

Время работы агрегата согласно [8, с.217]

. (7.17)

Расчет размеров трещин проводится согласно [8, с.219].

В случае образования горизонтальной трещины ее радиус R_Т можно вычислить по следующей эмпирической формуле:

, м, (7.18)

где μ_ж - вязкость жидкости разрыва, Па·с;

t - время закачки жидкости разрыва, с;

К - проницаемость призабойной зоны.

Ширина (раскрытость) трещины на стенке скважины в случае разрыва фильтрующейся жидкостью рассчитываем по формуле:

, (7.19)

а при разрыве нефильтрующейся жидкостью

. (7.20)

В случае образования вертикальной трещины при разрыве пласта фильтрующейсяжидкостью

раскрытость трещины

, (7.21)

где m – пористость пласта;

длина трещины

. (7.22)

В случае разрыва пласта нефильтрующейсяжидкостью:

раскрытость трещины

; (7.23)

длина трещины

, (7.24)

где h - толщина пласта.

Проверка применимости насосно-компрессорных труб для возможности их использования при гидроразрыве пласта согласно [1, с. 95] проводится в два этапа:

1) на внутреннее избыточное давление;

2) на совместное действие нагрузок в процессе установки пакера.

Внутреннее избыточное давление, при котором наибольшее напряжение в трубах достигает предела текучести, согласно [1, с. 95] определяется по формуле

Р_т = 0,875 ∙ 2 ∙ s ∙ σ_т / D, (7.25)

где s – толщина стенки трубы;

σ_т – предел текучести материала трубы;

D – внутренний диаметр насосно-компрессорной трубы.

Коэффициент 0,875 учитывает разностенность сечения трубы.

Условие прочности труб при внутреннем избыточном давлении согласно [1, с. 95] выглядит следующим образом:

р_ви≤ р_т / n, (7.26)

где n – коэффициент запаса прочности, равный 1,32.

В процессе установки пакера нижняя часть колонны будет находиться в изогнутом состоянии под действием сжатия и изгиба. Поэтому условие прочности для этого участка колонны согласно [1, с. 96] определяется как

; (7.27)

, (7.28)

где G – нагрузка, сжимающая пакер;

F_о – площадь опасного сечения труб (для гладких труб по основной

плоскости);

f – зазор между обсадной колонной и колонной НКТ;

W_o – осевой момент сопротивления опасного сечения трубы;

d – внутренний диаметр трубы в основной плоскости;

D – наружный диаметр по основной плоскости.

Задача 12

Вариант 1. Рассчитать основные характеристики ГРП в добывающей скважине глубиной L. Разрыв провести по НКТ с пакером, условный диаметр dнтк. Проверить колонну НКТ на внутреннее избыточное давление и сделать заключение о пригодности НКТ для проведения ГРП. В качестве жидкости разрыва и песконосителя используется нефильтрующаяся амбарная нефть плотностью rж=945 кг/м и динамической вязкостью mж=0,285 Па×с. Предполагается закачать в скважину Qп, т песка с диаметром зерен 1 мм. Темп закачки Q=0,010 м /с. Использовать агрегат 4АН-700. Рассчитать необходимое число насосных агрегатов, а также время их работы. Определить потребное число пескосмесительных агрегатов 4ПА и автоцистерн для транспортировки на скважину продавочной жидкости. Определить размеры трещин в пласте после ГРП. Толщина пласта h, м.