5.2 Гидравлический разрыв пласта.

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) – искусственный метод образования новых или раскрытия уже существующих трещин в породах призабойной зоны путем закачки жидкости в пласт под высоким давлением. Для предотвращения смыкания берегов трещин после окончания операции и снижения давления до первоначального в пласт вместе с жидкостью закачивают зернистый материал – кварцевый песок. Трещины разрыва проникают в глубь пласта, соединяя ствол скважины с удаленными от забоя продуктивными частями пласта.

Гидроразрыв пластов состоит из следующих последовательно проводимых операций:

1. закачки в пласт жидкости разрыва для образования трещин в пласте;

2. закачки жидкости-песконосителя с песком, предназначенным для заполнения трещин;

3. закачки продавочной жидкости для продавливания песка в трещины.

Механизм образования трещин при разрыве можно представить следующим образом. В осадочных горных породах имеются естественные микротрещины, которые сжаты под действием горного давления. Проницаемость таких трещин очень мала. Под давлением, создаваемым насосами, жидкость, закачиваемая в скважину, фильтруется в первую очередь по зонам наибольшей проницаемости, в том числе в естественные трещины. При этом между пропластками по вертикали создается разность давлений, так как в более проницаемых пропластках и трещинах давление будет больше чем в малопроницаемых или практически непроницаемых. В результате возникает усилие, действующее на кровлю и подошву проницаемого пласта; вышележащие породы подвергаются деформации, и на границах пропластков образуются новые трещины или же расширяются старые.

Одним из важнейших параметров проведения гидроразрыва пласта является давление, при котором образуются трещины в материале породы. В идеальных условиях давление раскрытия трещин р_р должно быть не меньше горного давления р_г создаваемого толщей вышележащих пород. Однако в реальных условиях чаще всего величина разрыва бывает даже меньше, чем горное давление. Это объяснятся тем, что после бурения скважин меняется напряженно-деформированное состояние горных пород, залегающих в кровле или в самом нефтяном пласте. Возникают пластические деформации глин и глинистых пород. Это приводит к возникновению разрушающих сводов в зоне пластов, охваченных пластической деформацией, и вследствие этого горное давление оказывается уменьшенным вблизи скважины, поэтому давление гидроразрыва снижается.

Практикой установлено, что давление разрыва р_р на забое скважин колеблется в пределах от 1,5ρgh до 2,5 ρgh, где ρ – плотность породы, h – глубина скважины.

В качестве рабочих жидкостей гидроразрыва применяют различные жидкости, которые по физико-химическим свойствам можно разделить на две группы: жидкости на углеводородной основе и жидкости на водяной основе. По своему назначению жидкости разделяются на три категории: жидкость разрыва, жидкость-песконоситель и продавочная жидкость.

Углеводородные жидкости применяют в нефтяных скважинах; к ним относятся нефть повышенной вязкости, мазут, дизельное топливо или керосин, загущенные нефтяными мылами. Водяные же растворы применяют в нагнетательных скважинах, к ним относятся: водный раствор сульфит-спиртовой барды, пресная или солевая вода, соляная и плавиковая кислоты, загущенные реагентами-загустителями. Широко применяются в качестве жидкостей гидроразрыва различные эмульсии: нефтекислотные (гидрофобные), водонефтяные (гидрофильные) и кислотно-керосиновые.

Эмульсии приготавливаются путем механического перемешивания компонентов центробежными или шестеренчатыми насосами с введением необходимых химических реагентов. Для приготовления эмульсий в качестве одной из фаз используют керосин, дизельное топливо, различные нефти, в качестве второй фазы – воду или соляную кислоту.

Все жидкости, применяемые при гидроразрыве, должны удовлетворять следующим требованиям.

1. Рабочие жидкости не должны уменьшать ни абсолютную, ни фазовую проницаемость породы пласта. При фильтрации жидкостей с углеводородной основой через водонасыщенные породы фазовая проницаемость последних для воды существенно снижается. Также снижается фазовая проницаемость нефтенасыщенных пород для углеводородных жидкостей после фильтрации через них жидкостей с водной основой, поэтому при гидроразрыве в нефтяных скважинах применяют жидкости с углеводородной основой, а в нагнетательных – с водной. Рабочие жидкости для гидроразрыва не должны содержать механических примесей и при соприкосновении с пластовыми жидкостями и породами не должны образовывать нерастворимых осадков.

2. Рабочие жидкости должны обладать свойствами, обеспечивающими сохранение проницаемости пород пласта за счет наиболее полного извлечения их из созданных трещин и порового пространства пород. При этом лучшими будут жидкости, полностью растворяющиеся в пластовых жидкостях.

3. При применении вязких жидкостей вязкость их должна быть стабильной в условиях обрабатываемого пласта и в пределах времени проведения процесса гидравлического разрыва.

4. При проведении процесса в зимних условиях рабочие жидкости должны иметь низкую температуру замерзания.

5. Рабочие жидкости должны быть недорогими и недефицитными.

6. Жидкость разрыва должна иметь определенную вязкость. При малой вязкости для достижения давления разрыва потребуется закачка значительного объема жидкости в пласт и, соответственно, значительное число одновременно работающих насосных агрегатов. При большой вязкости жидкости разрыва для образования трещин необходимы очень высокие давления.

При разрыве ненарушенных пластов, лишенных естественной трещиноватости, жидкость разрыва должна хорошо фильтроваться через пористую среду. При гидроразрыве пластов с развитой системой естественных трещин следует применять жидкости, не фильтрующиеся или фильтрующиеся с быстрым снижением скорости фильтрации.

К жидкости-песконосителю, помимо общих требований, предъявляются следующие: она должна иметь минимальную фильтруемость и такую вязкость, которая бы давала возможность удерживать песок во взвешенном состоянии. Высокая удерживающая способность жидкости-песконосителя должна предупредить возможность оседания песка на пути движения песконосителя до забоя, а также потерю подвижности песка в самой трещине.

Повышение вязкости и уменьшение фильтруемости жидкостей достигают введением в них добавок. Такими добавками для углеводородных жидкостей являются соли органических кислот, высокомолекулярные и коллоидные соединения нефтей.

Продавочные жидкости закачивают в скважину только для того, чтобы довести жидкость-песконоситель до забоя скважины. Таким образом, объем продавочной жидкости равен объему НКТ, через которые ведется закачка жидкости-песконосителя. К расчетному объему НКТ прибавляется объем затрубного пространства между башмаком НКТ и верхними дырами фильтра. Продавочная жидкость при всех условиях должна иметь минимальную вязкость в целях снижения потерь напора при прокачке. В качестве продавочной жидкости используется практически любая недорогая жидкость, имеющаяся в достаточном количестве, и чаще всего обычная вода.

Наполнитель служит для заполнения образовавшихся трещин и предупреждения их смыкания при снятии давления и должен удовлетворять следующим требованиям:

• иметь достаточную механическую прочность, чтобы не разрушаться в трещинах под действием веса пород;

• сохранять высокую проницаемость.

Этим условиям удовлетворяет хорошо окатанный однородный кварцевый песок. Однако песок имеет очень большую плотность, которая сильно отличается от плотности жидкости, что способствует его оседанию из потока жидкости и затрудняет заполнение трещин. В связи с этим в мировой практике в последнее время находят применение в качестве наполнителя стеклянные шарики, а также зерна боксита соответствующего размера и молотая скорлупа грецкого ореха. Применяются наполнители из особо прочных искусственных синтетических полимерных веществ, имеющих плотность, близкую к плотности жидкости песконосителя.

Технология гидравлического разрыва пласта.

Для гидравлического разрыва пласта выбирают следующие скважины:

• с низкой продуктивностью;

• с высоким пластовым давлением, но с низкой проницаемостью коллектора;

• с загрязненной призабойной зоной;

• с высоким газовым фактором;

• нагнетательные с низкой приемистостью;

• нагнетательные для расширения интервала поглощения.

Не рекомендуются проводить гидроразрыв в скважинах, технически неисправных и расположенных близко от контура водоносности или от газовой шапки.

Для выяснения приемистости скважины и величины ожидаемого давления разрыва необходимо предварительно испытать скважину на поглощение при различных давлениях и определить опытным путем давление на разрыв и расход жидкости разрыва. Такое испытание проводят путем закачки в скважину маловязкой жидкости в нарастающих объемах.

Перед началом работ забой скважины необходимо очистить лучше всего промывкой. В отдельных случаях для улучшения фильтрационных свойств пластов рекомендуется проводить соляно-кислотную или грязевую обработку и дополнительную перфорацию. Эти мероприятия снижают давление разрыва и повышают его эффективность. Наилучший эффект дает гидропескоструйная перфорация интервала, намеченного для разрыва.

После очистки в скважину спускают насосно-компрессорные трубы, чтобы при продавке иметь меньше потери давления. Для предохранения обсадной колонны от воздействия большого давления над разрываемым пластом иногда устанавливают пакер. При больших давлениях при гидоразрыве на пакер снизу действуют очень большие усилия. Для предотвращения сдвига пакера по колонне на трубах выше пакера устанавливают гидравлический якорь.

После спуска труб с пакером и якорем на устье скважины устанавливают головку, к которой и подключают насосные агрегаты для нагнетания.

Вначале жидкость разрыва закачивают насосными агрегатами. По мере закачки давление постепенно повышается. В момент, когда давление на забое достигнет определенной величины, пласт разорвется и образуется трещина. Момент разрыва обнаруживается по резкому спаду давления на манометре, установленном на выкидной линии. После разрыва давление на устье падает, а расход нагнетаемой жидкости сильно возрастает – начинает работать трещина и скважина начинает принимать жидкости больше, чем она принимала перед разрывом.

После разрыва пласта переходят к нагнетанию жидкости-песконосителя. Наибольший эффект достигается при закачке жидкости-песконосителя с большими скоростями и при высоких давлениях нагнетания.

Затем жидкость с песком продавливают в пласт путем нагнетания продавочной жидкости при максимальном давлении и с максимальной скоростью, для обеспечения быстрейшего заполнения трещин песком. Для этого подключают наибольшее число насосных агрегатов. Количество продавочной жидкости должно быть равно емкости колонны труб. При прокачке излишнего количества продавочной жидкости она может оттеснить песок в глубь пласта и после снятия давления трещина в непосредственной близости к забою скважины может сомкнуться, тогда эффект от разрыва может быть сведен к нулю.

В качестве продавочной жидкости используют нефть для нефтяных и воду для нагнетательных. После продавки устье закрывают и скважину оставляют в покое, пока давление на устье не упадет до нуля. Затем скважину промывают, очищая от песка, и приступают к освоению.

Водяные нагнетательные скважины после промывки некоторое время поршнюют для извлечения из трещин закачанной вязкой жидкости.

Большие масштабы внедрения гидравлического разрыва пластов и широкие теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в этой области, способствовали совершенствованию и разработке различных технологических схем.

В зависимости от геомеханических и эксплуатационных характеристик нефтяного пласта или отдельных продуктивных объектов, а также в зависимости от условия рентабельности самой технологической схемы выбирается та или другая разновидность метода гидравлического разрыва пластов.

Разновидность гидравлического разрыва определяется направлением и числом трещин. Направлением трещин обусловлен горизонтальный и вертикальный гидравлические разрывы пласта, а числом их – многократный (селективный) или поинтервальный.

Кроме того, существуют и гидроразрывы следующих видов: гидравлический разрыв с магнием, гидравлический разрыв в сочетании с пескоструйной перфорацией, многоэтапный разрыв с кислотой без ввода песка в трещину.

Оборудование для гидравлического разрыва пласта.

При гидравлическом разрыве применяют комплекс оборудования, в который входят: насосные агрегаты, пескосмесительные машины, автоцистерны для транспортировки жидкостей разрыва, арматура устья скважины, пакеры, якори и другое вспомогательное оборудование. Основное оборудование – насосные агрегаты. Они монтируются на шасси трехосных тяжелых грузовых машин грузоподъемностью 10 – 12 т.

Для приготовления смеси жидкости с песком применяют пескосмесительные агрегаты, иногда со сложными автоматическими дозирующими жидкость и песок устройствами. Агрегаты монтируются на шасси тяжелого грузовика.

Осн.: 1. [154-174], 3. [222-242]

Контрольные вопросы:

1. В каких скважинах рекомендуется осуществление ГРП?

2. Как отмечается момент разрыва породы при осуществлении гидроразрыва пласта?

3. Что необходимо для образования вертикальных трещин в породе?

4. Что необходимо для образования горизонтальных трещин в породе?