1.1.5. Расклинивающие агенты

Расклинивающие агенты - это материалы, используемые для того, чтобы удерживать трещину в открытом состоянии и создавать канал высокой проницаемости. Они образуют слой в трещине, толщина которого в поперечном сечении обычно составляет 10-30 зерен расклинивающего агента. Это состояние пласта называется расклинивающая набивка.

Для того чтобы гарантировать высокую проницаемость и увеличить продуктивность после завершения операции гидроразрыва, следует:

• выдержать правильную концентрацию и

• использовать нужный тип расклинивающего агента.

Тип расклинивающего агента, который следует применять, зависит от максимального давления закрытия трещины, в то время как длина и размер трещин (определяющие их объем), которые нужно расклинить, обуславливают количество применяемого расклинивающего агента

Проводимость трещины определяет, как быстро нефть или газ выходит из про­дуктивного пласта. Проводимость трещины вычисляется как произведение шири­ны трещины на проницаемость расклинивающего заполнителя. Проводимость = ширина трещины х на проницаемость расклинивающего заполнителя.

Проводимость трещины интересует нас постольку, поскольку она должна от­личается от проницаемости пласта. Поэтому, проводимость трещины (и прони­цаемость расклинивающего агента) должна быть намного больше для продуктив­ного пласта проводимостью 100 миллидарси, чем для продуктивного пласта про водимостью 0,1 миллидарси.

Относительная проводимость трещины определяется проницаемостью дан­ного пласта, полудлиной трещины, проницаемостью трещины и шириной трещи­ны. Относительная проводимость трещины уменьшается с увеличением длины трещины. Поэтому для оптимизации продуктивности пласта должно быть достиг­нуто равновесие между характеристиками трещины и свойствами пласта.

Если относительная проводимость высока (>7), трещина имеет, по существу, бес­конечную проводимость. Если относительная проводимость мала (<3), проводи­мость трещины ограничивает добычу. Очевидно, что если относительная прово­димость низка, ширина расклинивающей набивки должна быть увеличена (если это рентабельно). Выбор расклинивающего агента непосредственно влияет на проницаемость трещины. Другие факторы, такие как:

• концентрация полимеров после закрытия трещины,

• движение мелких частиц продуктивной толщи,

• разрушение расклинивающего агента со временем,

так же влияют на проводимость. Чем дольше расклинивающий агент остается в пласте, тем дольше сохраняется остаточная проводимость трещины. Проницаемость трещины расклинивающей набивки зависит от:

• напряжения закрытия,

• проникновения расклинивающего агента в пласт,

• пористости расклинивающей набивки,

• типа и количества полимэра в расклинивающей набивке.

Проницаемость - это степень легкости, с которой добываемые флюиды движутся через расклинивающую набивку. Все факторы, влияющие на проницаемость тре­щины, связаны с воздействием на открытую пористость расклинивающей набив­ки. С помощью компьютерной программы Meyer рассчитывается проводимость трещины, исходя из ширины трещины и предполагаемой проницаемости раскли­нивающей набивки.

Физические свойства расклинивающего агента

Физические свойства расклинивающих агентов очень важны, так как они влияют на проницаемость расклинивающей набивки. Наиболее важными свойствами рас­клинивающих агентов являются:

• прочность,

• округлость и сферичность,

• размер и распределение,

• количество мелких частиц и примесей,

• плотность.

Прочность расклинивающего агента

Для того чтобы открыть и расклинить гидравлическую трещину, местное пластовое давление должно быть превышено. После того, как скважина перево­дится в эксплуатационный режим, это же давление стремится закрыть трещину и воздействует на расклинивающий агент. Местное давление пласта представляе^г1 напряжение закрытия расклинивающей набивки. Напряжение закрытия на рас­клинивающем агенте - это разница между напряжениями в породе (которое стре­мится закрыть трещину) и давлением жидкости в трещине (которое стремится держать трещину в открытом состоянии). Напряжение закрытия сдерживается зернами расклинивающего агента в набивке. Это важно, так как по мере исто­щения пласта во время добычи, напряжение закрытия возрастает.

Если прочность расклинивающего агента недостаточна, напряжение закры­тия разрушит расклинивающую набивку и образовавшиеся обломки закупорят расклинивающую набивку. Проницаемость и, следовательно, проводимость расклинивающей набивки радикально ухудшатся. Существуют расклинивающие агенты различных типов и фракций для того, чтобы обеспечить необходимую проводимость трещин разной формы и размера.

Округлость и сферичность

Округлость и сферичность зерен агента может иметь огромное влияние на проводимость трещины. Проницаемость зависит от открытой пористости расклинивающей набив­ки. Сравним пористость набивки из зерен шаро­образной формы одного размера с набивкой из зерен кубической формы такого же размера. Чем ближе форма зерен расклинивающего агента приближается к идеальной сфере, тем выше про­ницаемость. Форму расклинивающих агентов определяет степень округлости и степень сфе­ричности.

Искусственные керамические расклинивающие агенты имеют более высокую округлость и сферичность, чем расклинивающие пески, но они более дорогие. Округлость зерен расклинивающего агента определяется относительной заост­ренностью углов зерен или кривизной зерна. Сферичность зерна определяет, на­сколько близко форма зерна расклинивающего агента, соответствует идеальной сфере. Когда зерна круглые и примерно одного размера напряжение в расклини­вающем агенте распределяется более равномерно, поэтому для разрушения зерна необходимо приложить большую нагрузку.

Размер зерен

Более крупнозернистые расклинивающие агенты образуют набивку с боль­шим объемом пор и с более крупными порами, обеспечивая лучшую проницае­мость набивки. Однако при его использовании должны учитываться условия в пласте, в который помещают набивку и то, что возрастают сложности при достав­ке расклинивающего агента к месту применения и при самом применении рас­клинивающего агента.

В загрязненных пластах, или таких, в которых мигрирует значительное ко­личество мелких частиц или тех, где выпадает осадок, крупнозернистые раскли­нивающие агенты применять не следует. Мелкие частицы имеют тенденцию внедряться в расклинивающую набивку, вызывая частичное закупоривание и быстрое убывание проницаемости. В таких случаях более подходящими являются мелко­зернистые расклинивающие агенты, препятствующие внедрению мелких частиц. Несмотря на то, что при их использовании начальная проводимость меньше, средняя проводимость за период эксплуатации скважины будет больше и значи­тельно перекроет начальную проводимость, которую обеспечивают более крупно­зернистые расклинивающие агенты (эта хорошая начальная проводимость неред­ко сменяется быстрым снижением продуктивности).

Зерна большего размера, менее устойчивы к разрушению в пласте с высо­ким напряжением закрытия из-за большей восприимчивости к смятию. По мере возрастания размера зерен меньшее количество зерен противостоит напряжению закрытия. Следовательно, на каждое зерно действует большее напряжение и зерна имеют большую тенденцию к смятию. Это приводит к уменьшению проницаемо­сти. Более крупнозернистые расклинивающие агенты быстрее оседают в жидкости для гидроразрыва пласта, что может привести к проблемам при помещении расклинивающего агента в пласт.

Проблемы при помещении расклинивающего агента имеют две стороны:

• для широкой трещины нужен более крупнозернистый расклинивающий агент

• процент осевших зерен возрастает с ростом размерности зерен.

Распределение зерен разного размера.

Если распределение зерен разного размера таково, что преобладают зерна мелкой размерности, проницаемость и, следовательно, проводимость расклини­вающего агента уменьшится. Это происходи из-за того, что более мелкие зерна располагаются в порах между крупными зернами, закупоривая их. Известно, что наибольшая пористость и проницаемость получается тогда, когда все зерна одно­го размера. Полной однородности достичь невозможно, поэтому разброс размеров зерен удерживается в узких пределах. Цель - получить наивысшую проницае­мость расклинивающего агента.

Уменьшение разброса размеров зерен увеличивает проницаемость. Исполь­зование в качестве расклинивающего агента песков естественного происхождения приводит к большим убыткам. Искусственные расклинивающие агенты, такие, как расклинивающие агенты средней прочности, могут производиться с узким разбросом размерности зерен. Обычно расклинивающие агенты размерностью зе­рен 20/40 меш в действительности имеет размерность зерен около 20/30 меш. Как было сказано выше, меньший разброс размеров зерен обуславливает большую стоимость керамических расклинивающих агентов.

Плотность расклинивающего агента

Повышение плотности расклинивающего агента не является свойством, влияющим на проницаемость. Скорее, это последствие необходимости применять более прочные керамические материалы. Плотность расклинивающего агента имеет небольшое влияние на доставку к месту внедрения и его внедрение. Рас­клинивающий агент высокой плотности сложнее поддерживать во взвешенном состоянии в жидкости для гидроразрыва пласта и перемещать по трещине. Помещение расклинивающего агента в трещину может производиться двумя пу­тями:

• с использованием жидкостей высокой вязкости, которые переносят раскли­нивающий агент в глубину трещины с минимальным осаждением или

• с использованием жидкостей малой вязкости, но при более высокой скорости потока.

Очевидно, что при использовании расклинивающего агента большей плотно­сти для образования трещины одного размера требуется большая масса материа­ла. Это увеличивает стоимость, так как расклинивающие агенты поставляются на вес.

Классы расклинивающих агентов

Существует четыре класса расклинивающих агентов:

• обычный песок,

• песок, покрытый смолой (как не вулканизированной, так и вулканизирован­ной),

• расклинивающие агенты средней прочности,

• высокопрочные расклинивающие агенты. Каждый из этих классов будет рассмотрен далее.

Обычный песок

Песок в качестве расклинивающего агента используется наиболее часто. Он самый дешевый, всегда доступен, и обеспечивает достаточную проводимость трещины при напряжении закрытия давлением менее 420 кг/см².

В зависимости от совокупного сочетания физических свойств пески делятся на четыре следующие группы:

• Северный белый песок,

• Техасский бурый песок,

• Колорадский кварцевый песок,

• Аризонский кварцевый песок.

Основываясь на стандартах Американского нефтяного института (АНИ), пе­сок любого происхождения может быть определен и отнесен к указанным выше категориям.

Удельный вес песка приблизительно равен 2.65г/см³

Песок, покрытый смолой

Песок, покрытый смолой, более дорогой, чем обычный песок, но может вы- держать давление до 560 кг/см².

Песок, покрытый смолой, имеет удельный вес 2.55г/см³.

Песок, покрытый смолой, может быть вулканизирован как в процессе про­изводства, что повышает рабочие характеристики расклинивающего агента при высоком напряжении, так и во время остановки нагнетания в скважину для пре­дотвращения вымывания расклинивающего агента. Смола в жидкости для гидро­разрыва пласта химически реагирует с молекулярно связывающими добавкам (Цирконием) и окисляющими разрушителями геля. Реакция с молекулярно связывающими агентами делает эти агенты менее эффективными.

Как правило, предварительная вулканизация песков приводит к 10%-ой потере молекулярно связывающего агента, в то время как применение песков, вул­канизированных в процессе закачки, приводит к 25%-ой потере. Реакция с деэмульгаторами делает их менее работоспособными и из-за этого гель не разрушается так, как ожидается. Положение можно исправить, добавив допол­нительное количество деэмульгатора.

Взаимодействие между песком, покрытым не вулканизированной смолой и молекулярно связанными (сгущенными) жидкостями может, кроме того, умень­шить устойчивость расклинивающего агента к вымыванию. Уменьшение прочно­сти песка, покрытого смолой, особенно сильно при его попадании в щелочные молекулярно связанные боратом жидкости (рН > 10,5). Это происходит из-за того, что примененная для увеличения значения рН щелочь растворяет оболочку смолы с поверхности песка.

Производители песка, покрытого смолой, работают над созданием материа­лов, которые вступают в реакцию с жидкостями для гидроразрыва в меньшей сте­пени. Последние достижения в разработке расклинивающих агентов, такие как PropNET*, позволяют применять альтернативные методы регулирования вымы­вания расклинивающих агентов.

Расклинивающие агенты средней прочности

Расклинивающие агенты средней прочности делают из расплавленной ке­рамики (тогда они обладают низкой плотностью) или из спеченных бокситов (они обладают средней плотностью). Расклинивающие агенты средней прочности из спеченных бокситов изготовляют из бокситовой руды с высоким содержанием муллита. Этим они отличаются от высокопрочных расклинивающих агентов, ко­торые делают из бокситовой руды с высоким содержанием корунда. Расклини­вающие агенты средней прочности используют в условиях, когда напряжение закрытия больше 350 кг/см², но меньше 700кг/см². Удельный вес расклинивающих агентов средней прочности изменяется от 2,7 до 3,2 г/см³. Максимальное напряжение закрытия, при котором можно использовать этот расклинивающий агент - 700 кг/см².

Высокопрочные расклинивающие агенты

Высокопрочные расклинивающие агенты - это очень плотные спеченные бокситы. Они имеют удельный вес 3,49 г/см3 и могут использоваться при напря­жении закрытия до 1050 кг/ см².

Спеченные бокситы и другие высокопрочные расклинивающие агенты обыч­но используют в более глубоких горячих скважинах, где может оказаться очень высокое напряжение закрытия.

Высокопрочные расклинивающие агенты наиболее дорогостоящие.

Выбор расклинивающих агентов

При выборе расклинивающего агента приходится идти на многие компро­миссы, принимая во внимание экономические и практические соображения. Критерии для выбора типа, размера и концентрации расклинивающего агента осно­вываются на требованиях относительной проводимости (проницаемости).

Тип и размер расклинивающего агента должен быть определен исходя из сравнения экономической выгоды и расходов. Программа "predictK" из программы StimLAB позволяет предсказать проницаемость расклинивающего агента на основе результатов большого числа экспериментов. Программу Меуег-2006 следует использовать после этого для выбора наиболее экономичной технологии гидроразрыва пласта.

Выбор расклинивающего агента основан на учете ожидаемого напряжения закрытия и необходимой проницаемости данной трещины.