Давление гидроразрыва

I 0,1

J 1 1

Гидравлический разрыв пласта

Меры безопасности при приготовлении растворов и проведении кислотных обработок скважин, охрана окружающей среды

1. Приготовление растворов и обработка скважин ядовитыми вещест­вами должны производиться в соответствии с инструкцией по обра­ботке ОПЗ и разработанными корпоративными инструкциями.

2. Работы по приготовлению рабочих растворов кислот рекоменду­ется производить в закрытых емкостях с использованием грузо­подъемных механизмов, стоя с наветренной стороны, группой ра­бочих не менее двух человек.

3. Работы по приготовлению и закачке рабочих растворов кислот производить в резиновых фартуках, прорезиненных перчатках и очках.

4. На рабочих местах необходимо иметь 3% раствор соды, запас пре­сной воды и комплект спецодежды (аварийный запас).

5. При попадании кислот на кожу или в глаза необходимо сначала хорошо промыть пораженные участки содовым раствором, затем большим количеством воды, при необходимости обратиться к вра­чу.

6. Не допускать разлива химреагентов, попадания сыпучих ядовитых веществ на рельеф.

7. После закачки рабочих растворов кислот трубы, оборудование и бочки необходимо хорошо промыть водой, остатки слить в специ­альную емкость, нейтрализовать известью и все вывезти в отве­денное место.

Сущность гидравлического разрыва пласта (ГРП) 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.

ГРП является одним из наиболее сложных видов работ в нефтега­зовой отрасли. Эта технология была впервые использована в США в конце 40-х годов для приобщения к разработке пластов с нарушен­ной проницаемостью возле ствола скважины и увеличения продук­тивности скважин в низкопроницаемых коллекторах. В СССР про-

мышленное внедрение гидроразрыва пласта начато в 1954 г.

В настоящее время ГРП широко применяется во всем мире как в низкопроницаемых, так и в высокопроницаемых пластах-коллек­торах.

Цели ГРП для пластов с низкой проницаемостью следующие:

- увеличить добычу или приемистость созданием каналов с высо­кой продуктивностью;

- улучшить движение флюидов между скважиной и пластом.

Цели ГРП для пластов с высокой проницаемостью следующие (рис. 8.2.1):

- изменение радиального характера притока жидкости из пласта к
забою скважины на линейный или билинейный, в случае ради­
ального движения жидкости к забою скважины происходит деста­
билизация пласта. Объясняется это явление тем, что скорости
фильтрации вблизи забоев скважин выше, чем в пласте. Соответ­
ственно, возникает значительный перепад давлений между различ­
ными участками пласта, скорость движения флюида вблизи забоя
скважины сильно возрастает и существует проблема разрушения
породы пласта и засорения мехпримесями призабойной зоны сква­
жины:

Область загрязнения

Скважина до ГРП. Радиальный приток

Скважина после ГРП. Линейный приток

1 I \ I

¹t t f tit¹

Билинейный приток, низкая проницаемость

Рис. 8.2.1. Характер притока жидкости из пласта

решение проблемы снижения проницаемости призабойной зоны скважины, возникшего в результате воздействия физических или химических факторов (солеотложения, засорение пор призабой­ной зоны пласта мехпримесями из раствора глушения, проникно­вение бурового раствора в пласт, образование АСПО и т.д.); улучшение сообщаемости ствола скважины с призабойной зоной; миниминизация напряжений в пласте;

снижение скоростей, минимизация миграции тонкодисперсных фракций.

п Проппант набивается в дальнюю границу трещины

*

Проппант

Потеря жидкости

При производстве ГРП должны быть решены следующие задачи:
создание трещи­
ны гидроразрыва
путем закачки
специально подо­
бранной жидко- ^А
сти ГРП;
удержание тре­
щины в раскры­
том состоянии
путем добавления
в жидкость гид­
роразрыва проп- в
панта с зернами
определенного
размера и опреде­
ленной прочнос­
ти;

Проппант заполняет трещину

Р

удаление жидко­
сти гидроразрыва с
для восстановле­
ния высоких
фильтрационных
характеристик
призабойной
зоны скважины.
повышение про­
дуктивности пла­
ста.---------------------------------------

На месторожде- Рис. 8.2.2. Технология концевого экранирования

ниях ОАО "Томскнефть" для увеличения производительности сква­жин применяется метод создания в высокопроницаемых пропласт-ках коротких и широких трещин, проникающих за пределы зоны заг­рязнения, который называется технологией концевого экранирования (TSO).

Технология концевого экранирования (рис. 8.2.2) является моди­фикацией операции гидроразрыва, при которой создаются короткие трещины (несколько десятков метров) шириной до 30 мм. Это дости­гается путем контролируемого распространения трещины до запла­нированной длины и последующего ее закрепления проппантом, за­качиваемым с рабочей жидкостью. Благодаря фильтрационным утеч­кам рабочей жидкости через поверхности трещины, концентрация проппанта возрастает на фронте закачки, что приводит к образова­нию проппантных пробок вблизи конца трещины, которые препят­ствуют ее дальнейшему распространению. Закачка проппанта, про­должаемая после остановки трещины, позволяет повысить давление внутри трещины, увеличивая тем самым ее раскрытие. При такой тех­нологии ГРП уменьшаются затраты на проведение работ за счет умень­шения объемов закачиваемой жидкости и проппанта и сокращения времени проведения операций.

Эффект образования перемычек и повышенной упаковки проп­панта в конце трещины считался одним из серьезных осложнений при проведении ГРП, сопровождающихся преждевременным выпадени­ем проппанта и остановкой распространения трещин, но закачка мог­ла быть продолжена и после этого еще некоторое время. Инженерное решение состояло в использовании данного эффекта для решения задач управления распространением трещин и оптимизации их рас­крытия. Процесс образования перемычек и повышенной упаковки проппанта в конце трещины можно успешно использовать для созда­ния коротких и широких трещин в высокопроницаемых пластах-кол­лекторах. Увеличение раскрытия закрепленной трещины ведет к уве­личению ее проводимости. Значение безразмерного параметра гид­равлической проводимости С позволяет оценить продуктивность скважины после ГРП методом подстановки в формулу Дюпюи эф­фективного радиуса скважины вместо фактического. Эффективный радиус скважины пропорционален длине трещины, умноженной на функцию гидравлической проводимости трещины:

C=(Wk_pmp)/{xk_form), (8.2.1)

где W— раскрытие трещины, k_prop — проницаемость проппантной на­бивки, х — полудлина трещины, kj-_onn — проницаемость пласта.

Для месторождений Западной Сибири безразмерная проводимость трещины Снаходится в пределах от 0,5 до 1,5.

Особенности технологии TSO:

— предотвращает нежелательное распространение трещины после
прекращения закачки. При использовании традиционных техно­
логий ГРП после закрытия скважины большой объем буферной
жидкости обычно остается перед рабочей жидкостью ГРП с проп-
пантом, и поэтому трещина может продолжать распространяться,
что может уменьшить проводимость трещины;

- возможность предотвращения выноса проппанта за счет достиже­
ния более равномерного распределения напряжений по упаковке
проппанта.

Трещины, созданные с использованием традиционных методов, смыкаются дольше, позволяя некоторому количеству проппанта осесть, что создает более высокие концентрации проппанта в ниж­ней части трещины. В результате увеличивается вероятность локаль­ного каналообразования или формирования "карманов" в проппан-тной упаковке с низким сжимающим трещину напряжением, что об­легчает вынос проппанта при добыче. Технология TSO, в которой фильтрационные утечки рабочей жидкости подавляются в меньшей мере для создания высоких концентраций проппанта на фронте за­качки, обеспечивает более быстрое смыкание трещин и позволяет, тем самым, минимизировать вынос проппанта.

-е--е- т

0,01

	^ C = {W-k„p)/{x-kform)

0,5

1,5

0,01

Рис. 8.2.3. Проводимость трещины

Вертикальная трещина F1 > F2> F3 Горизонтальная трещина F2 >F1 > F3

Рис. 8.2.4. Направление трещины при ГРП

ffiraEfane ffeneflraflbo (jn)

Образование тре­щин гидроразрыва и направление их разви­тия

ИМ И+-НЦ Перемычки

По мере заполне­ния скважины жид­костью и создания на поверхности давле­ния, давление жид­кости в порах породы возрастает и действу­ет равномерно во всех направлениях.

Рис. 8.2.5. Направление трещины при ГРП в реальных условиях

При повышении давления жидкости до момента, когда разрывающая сила жидкости, действую­щая на породу, пре­высит силы сцепления этой породы, скала расколется и произойдет разрыв. Трещины могут быть горизонтальными, вертикальными и на­клонными. Пространственная ориентация трещины определяется на­пряженным состоянием горных пород в зоне скважины и изменени­ями, обусловленными распределением напряжений. Напряжения формируются, главным образом, под действием гравитационных сил.

Для песчаников и известняков коэффициент бокового распора составляет 0,25—0,4; для глин - около 1.

Принято считать, что на глубине свыше 300 м вертикальное на­пряжение гораздо выше двух других составляющих. Поэтому трещи­на всегда должна быть вертикальной, в силу того, что образование трещины происходит в направлении, перпендикулярном наименьшей из нагрузок.

На самом деле реальная картина несколько сложней. В зависимо­сти от местных особенностей и строения пластов (микротрещины, на­личие псевдопластических характеристик пород, разгрузка продук­тивного пласта в зоне скважины и т.д.) при ГРП могут возникать как горизонтальные, так и вертикальные трещины (рис. 8.2.4,8.2.5). В слу­чае образования вертикальных трещин, азимут трещины определяет­ся амплитудой двух минимальных горизонтальных напряжений.

Ограничение трещины по высоте и ее геометрия тесно связаны со свойствами породы пласта, напряженным состоянием пород, изло-мостойкостью породы и плотностными свойствами проппанта.

Если образующаяся при гидроразрыве трещина приближается к поверхности раздела слоев и породы ограничивающих горизонтов об­ладают более высокими прочностными характеристиками, чем обра­батываемый пласт, то теоретически рост трещины по вертикали бу­дет приостановлен (если поверхность раздела не пересекают ранее образовавшиеся трещины). Примером этого может служить пласт песчаника с выше- и нижезалегающими глинистыми пропластками, работающими как перемычки. Минимальное напряжение у песчани­ков ниже, значит дальнейший рост трещины будет сдерживаться.

Таким образом, рост трещины по высоте — сложная функция рео­логии жидкости, объемной скорости закачки, давления, создаваемо­го в трещине, и проявление сдерживания механизмов развития тре­щины в вертикальном направлении. Первые три фактора — регули­руемые параметры обработки, а последний определяется механикой горных пород, в том числе поведением пласта и трещины. Определе­ны следующие механизмы сдерживания трещин по высоте:

- различие напряжений в обрабатываемом и смежных с ним плас­тах;

- различие упругих свойств обрабатываемого и смежных с ним пла­стов.

Прочность обрабатываемого и смежных с ним пластов измеряется коэффициентом интенсивности напряжения, который зависит от гео­метрии трещины, свойств жидкости разрыва, объемной скорости за­качки и давления обработки при гидроразрыве пласта. Этот показа­тель определяет распространение трещины в вертикальном и гори-

Рис. 8.2.6. Формирование барьеров при ТРИ

зонтальном направ­лениях. Коэффици­ент интенсивности напряжения снижа­ется, когда трещина достигает высоко­пластичного или ма-лопроницаемого пласта. Если отсут­ствуют барьеры, ог­раничивающие рас­пространение тре­щины по вертикали (контраст напряже­ний не достаточно высок), то возможно образование неогра­ниченной трещины, имеющей радиальную форму.

Одним из наиболее важных факторов ограничения трещины по вертикали является сопротивление течению в узких зонах у верхнего и нижнего краев трещины (рис. 8.2.6). Расклинивающий агент с вы­сокой концентрацией отлагается в узких зонах в верхней и нижней частях трещины и снижает проводимость и проницаемость этих уча­стков. Жидкость, которая течет в широком центральном канале, мо­жет не проникать ни в верхний, ни в нижний забитые расклиниваю­щим материалом узкие края трещины. Это способствует формирова­нию верхнего и нижнего барьеров, которые исключат дальнейшее развитие трещины в вертикальном направлении.

Благодаря воздействию вышеуказанных факторов, ограничиваю­щих вертикальное развитие трещины, при поддержании правильно­го расхода жидкости можно получить высокопроводимую трещину желаемой длины.

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

p_c = q + s_p, (8.2.2)

где р_с — забойное давление разрыва пласта; q - горное давление; s_p - прочность породы обрабатываемого пласта на разрыв.

Давление нагнета­ния на устье скважины вычисляется по фор­муле: Pyd ⁼ 9 + s_p + p_mp-p_wl,

(8.2.3) где р_уд — устьевое дав­ление разрыва; р_тр - потери давления в трубах и в зоне перфо­рации;/^ - пластовое давление.

Создаваемое избы­точное давление дол- ^Рис- ⁸-²- ⁷- Развитие трещины жно обеспечивать осу­ществление трех этапов роста трещины:

- увеличение трещины до достижения барьеров;

- рост трещины в длину в рамках барьеров, ограничивающих верти­кальный рост;

- рост трещины по высоте, когда давление достигает предела раз­рыва.

Р_ш=Р_с + Р_ШТ-Р_к + Р#, (8.2.4)

где Р_с - давление смыкания трещины; P_h — гидростатическое давле­ние; Ptf— общие потери давления на трение; Р^ет~ чистое давление; Рлет⁼?w~ Ро?w~ избыточное давление, Р_с - давление смыкания. При P_NET< О трещина будет закрываться. При P_NET> О трещина будет оставаться открытой.