Определение градиента давления ГРП

Величина градиента разрыва породы получается в результате деления забойного давления на вертикальную составляющую глубины скважины (обычно измеренную до середины интервала перфорации). 

 

Устьевое давление плюс давление, создаваемое столбом жидкости, минус потери давления на трение дает значение градиента давления ГРП. Градиент давления ГРП - это давление, необходимое для удержания трещины в открытом состоянии.

 

Существует два градиента давления ГРП для любой породы: градиент разрыва и градиент развития трещины (см. рис.18). Градиент разрыва – это минимальное забойное давление, необходимое для инициирования трещины. Градиент развития трещины – это давление необходимое для роста трещины. Давление, необходимое для инициирования трещины, больше, чем давление, необходимое для развития трещины. Это можно объяснить тем, что сначала необходимо преодолеть предел прочности породы на разрыв.

 

Разрыв породы и характер развития трещины в различных типах пород отличаются. Например, при проведении ГРП с технологией Frac & Pack в мягких слабосцементированных породах инициирование трещины может быть незаметным событием, так как давление разрыва породы ненамного отличается от давления развития трещины. С другой стороны, градиент разрыва твердых низкопроницаемых известняков может быть на несколько сотен psi выше давления развития трещины. Зачастую в трещиноватых коллекторах разрыв породы может и не наблюдаться, так как в процессе ГРП может происходить развитие уже существующих трещин.

 

Давление разрыва и развития трещины обычно измеряются при проведении информационного ГРП (такого как Data Frac или Minifrac), проводимого перед основным ГРП. Такие непосредственные измерения позволяют произвести необходимые изменения в плане работ основной операции. Для проектного расчета ГРП на новой скважине обычно используются градиенты давлений, полученные на соседних скважинах, или данные о пласте и свойствах горных пород.

 

Для измерения градиента развития трещины в полевых условиях необходимо провести закачку в пласт жидкости при давлениях превосходящих давление разрыва (давление, полученное при информационном ГРП, показано на рис.18). В завершение нагнетательного теста скорость закачки необходимо мгновенно снизить до нуля. При остановке насосов устьевое давление падает до давления мгновенной остановки насосов ISIP. Градиент развития трещины рассчитывается с помощью ISIP:

 

Градиент давления =__ ISIP__ + градиент жидкости (Уравнение 10)

                                глубина

где:

 

ISIP = мгновенное давление остановки насосов (psi)

 

Градиент жидкости = гидростатический градиент жидкости в НКТ

                                           когда ISIP измерено в psi/фут

 

Глубина = вертикальная составляющая глубины скважины, измеренной до середины интервала перфорации (фут)

 

Влияние «чистого» давления P_net на ISIP

Для получения точного значения градиента давления ГРП вскоре после инициирования трещины, стабилизации скорости и давления закачки и дальнейшего развития трещины необходимо определить ISIP. При дальнейшей закачке жидкости для получения больших величин длины трещины происходит увеличение сопротивления развитию трещины, которая начинает расти в высоту. Сопротивление развитию трещины характеризуется чистым давлением. Так как большинство трещин является ограниченным, то понятно, что рабочее давление в большинстве случаев увеличивается, потому что, чем больше объем закачки, тем труднее разместить жидкость и проппант в созданной трещине. Такое поведение может быть использовано для объяснения разности измеряемых ISIP при информационном и основном ГРП. Давление мгновенной остановки, измеренное в конце основного ГРП обычно на несколько сотен psi больше, чем измеренное при информационном ГРП. Характер изменения чистого давления может быть использован в качестве диагностического инструмента и будет подробно рассмотрен позднее в следующей главе.

Определение градиента жидкости разрыва P_hydrostatic

 

Градиент жидкости разрыва, называемый гидростатическим градиентом жидкости, напрямую зависит от ее плотности (фунт/галлон). Подобно градиенту давления ГРП градиент жидкости может оказывать влияние на рабочее устьевое давление. Двумя очень важными свойствами жидкости разрыва являются ее способности развивать трещину и транспортировать проппант. 

 

Существует три основных типа жидкости разрыва, используемых при ГРП с применением проппанта: на водной основе, на нефтяной основе и многофазные. Так как градиент жидкости зависит от плотности, то для его определения необходимо знать тип используемой жидкости. Градиенты основных жидкостей разрыва представлены в таблице 5.

 

Таблица 5 Градиенты основных типов жидкостей ГРП
Тип жидкости	Градиент жидкости, psi/фут
загущенная вода загущенная нефть эмульсия пена двуокись углерода азот	0,44 0,36 0,39   0,45 0,22*   * Приблизительный градиент жидкости; плотности азотных пен могут значительно варьироваться в зависимости от давления и температуры.

 

Гидростатическое давление жидкости может быть рассчитано по формуле 11:

 

   P_hydrostatic = (0,05195) x ρ_{жидкости разрыва}, фунт/галлон x глубина (Уравнение 11)

                                               

где:

       ρ_{жидкости разрыва} = плотность жидкости разрыва, фунт/галлон

       глубина = вертикальная составляющая глубины, измеренная до середины интервала перфорации, фут

           

В каждой из жидкостей градиент будет увеличиваться с повышением концентрации проппанта, снижая таким образом рабочее устьевое давление необходимое для поддержания процесса развития трещины (т.е. чем выше плотность жидкости, тем меньше необходимо дополнительного давления на поверхности). С другой стороны с увеличением концентрации проппанта возрастают потери давления на трение (высокая концентрация проппанта увеличивает эффективную вязкость жидкости). Влияние потерь давления в НКТ будет рассмотрено позднее.

 

Плотность проппантной смеси (в фунт/галлон) может быть рассчитана с помощью уравнения 12:

                   ρ_slurry = (ρ_{frac fluid} + P_con)                (Уравнение12)

                               [1 + (AVF x P_con)]

где:

                   ρ_slurry = плотность жидкости-песконосителя, фунт/галлон

                   ρ_{frac fluid} = плотность рабочей жидкости, фунт/галлон

                   AVF = абсолютный объемный коэффициент, галлон/фунт

                   P_con = концентрация проппанта, фунт/галлон

 

В таблице 6 представлены величины абсолютного объемного коэффициента (функция удельной плотности) для основных типов проппанта.

 

Таблица 6. Абсолютный объемный коэффициент (AVF) для различных видов проппанта
Тип проппанта	Удельная плотность	AVF, галлон/фунт
Песок Песок, покрытый смолой EconoProp/ValuProp CarboLite/Naplite CarboProp/Interprop Боксит	2,65 2,56 2,70 2,73 3,29 3,59	0,0456 0,0472 0,0448 0,0443 0,0367 0,0337

 

Как правило, влияние повышенной плотности жидкости компенсируется увеличением вязкости, получаемой при добавлении проппанта. Чем выше вязкость жидкости, тем большее давление необходимо для ее закачки. Диаграммы, отображающие влияние проппанта на плотность жидкости и потери давления на трение предоставляются сервисными компаниями.

 

Оценка потерь давления в перфорационных отверстиях P_perfs

Как видно из уравнения 9, потери давления на трение в перфорационных отверстиях являются важной составляющей устьевого давления. Трение возникает при закачке жидкости через перфорационные отверстия.

 

Потери давления на трение в перфорационных отверстиях P_perfs являются функцией размера отверстий и скорости закачки жидкости (баррелей в минуту через каждое перфорационное отверстие). В общем, чем больше размер перфорационных отверстий, тем меньше в них трение. Также чем выше скорость закачки (а именно скорость/перфорационное отверстие), тем выше потери давления на трение.

 

С совершенствованием технологий перфорирования в настоящее время можно создавать глубоко проникающие в продуктивный интервал отверстия. В некоторых случаях при проведении ГРП в твердых низкопроницаемых породах глубокие перфорационные отверстия могут способствовать образованию множественных трещин. В других случаях, когда направление перфорационных отверстий может не совпадать с направлением развития трещины, создаются дополнительные потери давления на трение (из-за извилистости траектории движения жидкости). В большинстве случаев множественные трещины и извилистость могут быть нейтрализованы (с помощью закачки проппантных пробок (1000-2000 фунтов) в начальной стадии для закупорки трещин, мешающих развитию основной трещины, и обеспечения непосредственного канала для закачиваемой жидкости).

 

Ограниченный ГРП используется для воздействия на многочисленные продуктивные зоны при обработке интервалов длиной в несколько сотен футов за одну операцию (позднее эта технология будет детально описана при рассмотрении изоляции интервалов). При использовании такой технологии общее число перфорационных отверстий специально ограничивается так, чтобы, рабочего давления не смотря на потери давления на трение, было достаточно для закачки жидкости в пласт. Поступление жидкости в пласт контролируется количеством перфорационных отверстий, предназначенных для определенного интервала. Ограниченные ГРП намного сложнее проектировать, поэтому можно не обеспечить эффективного воздействия каждой их зон. К тому же такие операции оказываются намного дороже. Иногда проведение перфорирования или ГРП отдельных интервалов (начиная с нижнего, заканчивая верхним, изолируя интервалы с помощью разбуриваемых пробок, устанавливаемых на ГНКТ) может быть намного эффективнее.

 

Потери давления на трение в перфорационных отверстиях могут быть рассчитаны с помощью уравнения 13:

 

                   P_perfs =   0,2369 Q² ρ            (Уравнение 13)

                                  D⁴ C²

Где:

       P_perfs = потери давления на трение в перфорационных отверстиях, psi

       Q = скорость закачки (бар/мин/перф.отв.)

       D = диаметр перфорационных отверстий (дюйм)

       C = коэффициент расхода жидкости при истечении из отверстия (обычно 0.95)

       ρ = плотность жидкости, фунт/галлон

 

Уравнение 11 применимо для расчета потерь на трение с учетом плотности и размера перфорационных отверстий. С помощью этого уравнения может быть рассчитана скорость закачки для определенного значения потерь давления.

                       

Примечание: Когда неизвестен азимут трещины, необходимо производить перфорацию с плотностью 6 отверстий на фут и фазировкой 60^o (с минимальным диаметром 0.30 дюймов). Такая перфорация обеспечивает хорошее сообщение трещины со скважиной, относительно небольшое давление разрыва (в том числе благодаря снижению влияния извилистости траектории движения жидкости). Другие программы перфорирования (например, 120^o) также применимы во многих операциях для предотвращения образования многочисленных трещин.

 

Когда определен азимут трещины, для улучшения качества ГРП может быть использовано направленное перфорирование (с фазировкой 180⁰).

 

При ориентированном перфорировании перфораторы располагаются в плоскости развития трещины, и вероятность образования множественных трещин значительно снижается. Дополнительным преимуществом ориентированного перфорирования является снижение количества проппанта выносимого из трещины при вводе скважины в эксплуатацию.

 

Определение потерь давления в НКТ P_pipe

Потери давления на трение в НКТ при закачке рабочей жидкости оказывает влияние на устьевое рабочее давление. Потери давления на трение в НКТ являются функцией:

 

типа жидкости

концентрации гелеобразующих агентов (или понизителя трения)

скорости закачки

диаметра НКТ

 

Так как эти параметры значительно меняются от операции к операции, как правило, производят расчеты характерных величин потерь давления на трение в НКТ с использованием опытных данных сервисных компаний. Данные о потерях давлений для различных типов жидкостей, размеров НКТ и скоростей закачки имеются в наличии у сервисных компаний.

 

На рис.26 представлена диаграмма потерь давления на трение в трубах различного диаметра (НКТ 2 7/8” (2.441” ID)) и обсадная колона 4 1/2”) при закачке сшитого геля. Потери давления на трение на данных диаграммах обычно выражаются в единицах “psi/1000футов” или “psi/100футов”. Действительные потери рассчитываются умножением величин, полученных из диаграммы, на измеренную до середины интервала перфорации глубину скважины с последующим делением на 1000 или 100 (в зависимости от шкалы).

 

Рис.26. Диаграмма потерь давления на трение

(сшитый гель на водной основе)

 

Потери давления на трение определенной жидкости могут различаться в рамках месторождения. Так как при ГРП используются   сшитые жидкости, для получения необходимой вязкости в них добавляют химические загустители (сшиватели). Назначение сшивателя заключается в соединении высокомолекулярных полимерных цепей между собой для обеспечения необходимой вязкости при довольно низкой концентрации полимера (фунт/1000 галлонов). Так как сшивание является химическим процессом, то температура и время влияют на свойства получаемой жидкости, что в свою очередь влияет на величину потерь давления при закачке данной жидкости. Во многих жидкостях реакция сшивания замедлена до момента достижения жидкостью перфорационных отверстий. Это ведет к уменьшению потерь давления на трение в НКТ и обеспечивает большую вязкость для транспортировки проппанта при приближении к трещине. В настоящее время количества имеющихся знаний о потерях давления на трение достаточно для проектирования операций по ГРП, расчета устьевого рабочего давления и определения необходимой мощности оборудования.

Оценка чистого давления P_net

Потери давления на трение в трещине (чистое давление P_net) определяют величину дополнительного давления, необходимого для роста трещины под воздействием границ пласта, горных напряжений и трения жидкости о стенки трещины. Потери давления на трение о стенки скважины полагаются незначительными, поэтому их величиной обычно пренебрегают. Чистое давление P_net используется для контроля процесса ГРП.

 

В настоящее время разработано множество методик измерения забойного давления при проведении ГРП в режиме реального времени. Однако в большинстве случаев чистое давление рассчитывается выражением P_net из уравнения 9 для устьевого давления (P_surface). Хотя этот способ обеспечивает качественное определение P_net, его точность зависит от точности величин P_pipe и P_perf. Наилучшими данными являются значения забойного давления, полученные с помощью забойных датчиков или рассчитанные через устьевое давление в затрубном пространстве, не подверженного влиянию потерь давления на трение. Мониторинг чистого давления предложили Нольте (Nolte) и Смит (Smith). Было написано несколько статей, касающихся интерпретации поведения чистого давления (см. ссылки).