Архив WinRAR_1 / Лекции_ХИМИЯ
.pdfРасклинивающие материалы и проппанты
Как уже говорилось выше, после проведения ГРП в терригенном коллекторе трещина должна оставаться открытой для обеспечения доступа углеводородов в скважину. С этой целью применяются различные закрепляющие агенты, различающиеся происхождением (пески и синтетические проппанты), размером (от 100 меш до 8 меш), прочностью (выдерживающих давление от 40 до 100 МПа), а также наличием и отсутствием специальных покрытий (покрытые полимером для закрепления внутри трещины). Закрепляющий агент не считается добавкой, а считается материалом.
Первым и наиболее широко используемым материалом для закрепления трещин являлись пески, плотность которых составляет приблизительно 2,65 г/см3. Пески обычно используются при гидроразрыве пластов, в которых напряжение сжатия не превышает 40 мПа. Среднепрочными являются керамические проппанты плотностью 2,7 - 3,3 г/см3, используемые при напряжении сжатия до 69 мПа. Сверхпрочные проппанты, такие как спеченный боксит и окись циркония, используются при напряжении сжатия до 100 мПа, плотность этих материалов составляет 3,2 - 3,8 г/см3. Использование сверхпрочных проппантов ограничивается их высокой стоимостью.
Прочность является основным критерием при подборе проппантов для конкретных пластовых условий с целью обеспечения длительной проводимости трещины на глубине залегания пласта. В глубоких скважинах минимальное напряжение - горизонтальное, поэтому образуются преимущественно вертикальные трещины. С глубиной максимальное вертикальное напряжение возрастает приблизительно на 19 мПа/км. Поэтому по глубине проппанты имеют следующие области применения: кварцевые пески - до 2500 м; проппанты средней прочности - до 3500 м; проппанты высокой прочности - свыше 3500 м.
Наиболее часто применяют проппанты с размерами гранул 0,425 - 0,85 мм
(20/40 меш), реже 0,85 - 1,7 мм (12/20 меш), 0,85 - 1,18 мм (16/20 меш), 0,212 - 0,425
мм (40/70 меш). Выбор нужного размера зерен проппанта определяется целым комплексом факторов. Чем крупнее гранулы, тем большей проницаемостью обладает упаковка проппанта в трещине. Однако использование проппанта крупной
22
фракции сопряжено с дополнительными проблемами при его переносе вдоль трещины. Прочность проппанта снижается с увеличением размеров гранул. Кроме того, в слабосцементированных коллекторах предпочтительным оказывается использование проппанта более мелкой фракции, так как за счет выноса из пласта мелкодисперсных частиц упаковка крупнозернистого проппанта постепенно засоряется и ее проницаемость снижается.
От округлости и сферичности гранул проппанта зависит плотность его упаковки в трещине, ее фильтрационное сопротивление, а также степень разрушения гранул под действием горного давления. Плотность проппанта определяет перенос и расположение проппанта вдоль трещины. Проппанты высокой плотности труднее поддерживать во взвешенном состоянии в жидкости разрыва при их транспортировании вдоль трещины.
Оборудование для тестирования жидкостей ГРП
Для проверки пригодности базовой жидкости (воды или нефти), а также для исследования основных показателей самих жидкостей ГРП (гелей, эмульсий и т.д.) и проппантов, необходимо всегда проводить стандартизированный набор лабораторных исследований, гарантирующих максимальный эффект от обработки и минимизацию рисков в процессе обработки.
В случае если базовой жидкостью является вода, проводятся следующие тесты: 1) измерение температуры жидкости. Производится термометром. В полимерсодержащих жидкостях температура влияет на скорость гидратации полимера и на его последующую сшивку. В случае недостаточной температуры, полимер может не набрать необходимой вязкости, а время сшивки будет сильно замедлено, что может негативно сказаться на песконесущей способности жидкости ГРП. В случае очень высокой температуры полимер может разрушаться, а процесс сшивки происходить за очень короткое время, что будет выражаться в увеличении потерь давления на трение. В бесполимерных и углеводсодержащих жидкостях температура также влияет на конечное качество жидкости ГРП и всегда должна находиться в оптимальных пределах для конкретного типа жидкости. 2) измерение pH базовой жидкости и самой жидкости ГРП. Производится pH-метром. Значение
23
pH важно только для водосодержащих жидкостей ГРП. В полимерсодержащих жидкостях на водной основе значение водородного показателя влияет на скорость гидратации полимера (чем pH базовой жидкости ниже (до определенного значения), тем скорость гидратации полимера выше), а также влияет на стабильность сшитого геля. Чем pH геля выше, тем он стабильнее. 3) плотность базовой жидкости является общим показателем, характеризующим качественные свойства этой жидкости. Определяется ареометром. 4) содержание ионов солей в воде влияет на качество жидкостей ГРП, т.к. ионы могут вступать в химические реакции с компонентами жидкости ГРП и приводить к ухудшению качества таких жидкостей. Содержание всех ионов определяется при помощи титрования. Ионы железа оказывают влияние главным образом на стабильность сшитого геля, железо способно образовывать комплексные связи с полимером по аналоги с бором. Однако комплексные связи железа более слабые, чем образуемые с бором, таким образом, гель, частично сшитый при помощи ионов железа, будет менее стабильным. Бикарбонаты, растворенные в воде, при их большой концентрации способны замедлять скорость гидратации геля и влиять на качество сшитого геля за счет своих буферных свойств. Содержание ионов солей жесткости в воде может приводить к ухудшению стабильности сшитого геля (при высоких рН, > 9,5), ибо при нагревании при большом содержании в воде оных , они будут образовывать малорастворимые гидроксиды и удалять из воды, перетягивая на себя значительную часть гидроксидионов, таким образом, уменьшая рН геля и приводя к снижению стабильности сшитого геля.
Приготовление жидкостей ГРП обычно производится при помощи следующего лабораторного оборудования: перемешивание – при помощи электрических мешалок либо специализированных блендеров. Также в некоторых случаях допускается ручное перемешивание. Нагрев жидкости до заданной температуры осуществляется при помощи водяных бань различной модификации.
Для определения основных параметров жидкостей ГРП (вязкость, коэффициент неньютоновского поведения, индекс консистентности) применяются ротационные вискозиметры различных конструкций и модификаций, а также фильтр прессы. В зависимости от сложности конструкции вискозиметра он способен
24
измерять вязкость при различных температурах и напряжениях сдвига, осуществляя контроль параметров технологических жидкостей. В случае необходимости определения реологических параметров при высокой пластовой температуре, могут применяться вискозиметры, способные использовать давление инертного газа для предотвращения вскипания исследуемых жидкостей и проведения экспериментов при заданных повышенных температурах. Также вискозиметры более сложного строения позволяют осуществлять анализ влияния напряжения сдвига, продолжительности сдвига и температуры на изменение параметров жидкости ГРП, и являются незаменимым инструментом при оптимизации жидкости для дизайна ГРП.
Как правило, вискозиметры более сложного устройства применяются в стационарных лабораториях для анализа параметров сшитых высоковязких гелей, а вискозиметры простого устройства, отличаясь своими малыми габаритными размерами, могут применяться как в стационарных, так и в полевых лабораториях для анализа линейных гелей и маловязких жидкостей ГРП.
Для анализа линейного геля необходимо поместить требуемый объем геля в стакан. Установить стакан на прибор и поднять его до погружения вращающегося сосуда (боба) и стационарного противовеса (коаксиального цилиндра Куэтта) в гель до нанесенной на боб отметки. Следующим шагом будет выбор необходимой для анализа скорости сдвига (обычно используют скорость вращения сосуда, равную 300 об/мин, и эквивалентную скорости сдвига 511с-1). Показания вязкости снимаются по шкале прибора.
Для анализа сшитого геля необходимо поместить требуемый объем геля в специальный герметичный стакан и закрепить этот стакан в приборе. В случае повышенных температур подать давление в прибор из газового баллона. Задать параметры тестирования (скорость сдвига и температуру нагрева). Снимать показания вязкости на панели прибора или на мониторе специального компьютера. В зависимости от модели вискозиметров, способных анализировать высоковязкие системы, задание параметров тестирования и снятие значений тестирования может осуществляться различными методами в соответствии с инструкцией к прибору.
25
Другим прибором, являющимся незаменимым при нахождении параметров жидкости ГРП и оптимизации дизайна ГРП, является фильтр-пресс высокого давления и температуры. Он позволяет определить фильтрационные свойства жидкости, такие как коэффициент мгновенных утечек (Sp) и коэффициент образования фильтрационной корки (Cw), которые характеризуют утечки жидкости в пласт и образование антифильтрационной корки при проведении ГРП.
Этапы проведения анализа на фильтр-прессе являются следующими: в фильтр-пресс закладывается фильтрующая диафрагма (в соответствии с выбранной методикой), либо фильтровальная бумага, либо эталонный керн, либо натуральный керн). Затем помещается требуемый объем исследуемой жидкости. Система термостатируется до заданной (обычно пластовой) температуры и подается давление газа из баллона. Через капилляр фильтр-пресса, находящийся под фильтрующей диафрагмой, начинает просачиваться фильтрат. Замеряется объем выделившегося фильтрата через определенные промежутки времени. После этого строится график зависимости объема выделившегося фильтрата и корня квадратного из времени, по которому определяются основные параметры, характеризующие исследуемую жидкость.
Для определения качества проппанта также используется разнообразное оборудование. Для параметров округлости и сферичности, влияющих на характер размещения проппанта в трещине ГРП, обычно используют микроскоп либо другое увеличивающее устройство для определения формы частиц проппанта. Поместить проппант под объектив микроскопа и, глядя в окуляр, навести резкость до появления четких очертаний зерен проппанта. Затем при помощи таблицы, разработанной Крумбейном и Шлоссом, определяют форму частиц.
Для установления размера частиц проппанта используются специальные сита с заданным размером ячеек. Просеивание допускается либо ручным, либо механическим способом. Сита из набора ставятся в ряд, начиная с сита с наибольшим размером ячеек и заканчивая ситом с наименьшим размером ячеек. Снизу комплект сит закрывается глухой крышкой, предотвращающей высыпание проппанта из системы. Затем сита устанавливаются либо в специальное вибрационное устройство, либо держатся в руках (в зависимости от выбранной
26
методики). На верхнее сито засыпается навеска исследуемого проппанта, система закрывается глухой крышкой сверху и начинает производиться интенсивное встряхивание в течение заданного промежутка времени. Разделившись на фракции, оставшийся на ситах проппант взвешивается и определяется его принадлежность к тому или иному размеру.
Для выявления прочности проппанта используются специальные ячейки высокой прочности, устанавливающиеся в пресс с регулируемым давлением нажатия. В таких ячейках проппант подвергается воздействию давления, а после снятия нагрузки определяется количество разрушенного проппанта и, таким образом, его сопротивление раздавливанию. Для проведения испытания навеска проппанта закладывается в ячейку, разравнивается по уровню и закрывается специальным цилиндром, при помощи которого будет осуществляться воздействие давления на проппант. Ячейка, наполненная проппантом и закрытая цилиндром, ставится в пресс. Пресс запускается на заданную нагрузку и время. После снятия нагрузки, частично разрущенный проппант переносится на систему вибросит, где определяется размер частиц пропанта по фракциям. После испытания значения ситового анализа после нагрузки сравниваются со значениями ситового анализа до нагрузки, определяется степень разрушения проппанта и его пригодность для ГРП.
Наиболее сложным методом анализа проппанта и жидкости ГРП является тест с использованием фильтрационной ячейки высокой температуры и давления. Такая фильтрационная ячейка позволяет охарактеризовать фильтрационные свойства жидкости, позволяет определить начальную и остаточную проницаемость породы коллектора, а также начальную и остаточную проницаемость и проводимость трещины ГРП, давая возможность оценить негативное влияние технологической жидкости на пласт и трещину ГРП. Данный анализ требует наличие специальной ячейки, в которую закладывается тестируемый проппант, затем ячейка изолируется. Температура системы при помощи нагревательных элементов доводится до пластовой и производится фильтрация исследуемой жидкости ГРП через проппантную набивку. Жидкость фильтруется под давлением газа или вытесняющей жидкости, создаваемым специальными насосами. Также фильтрационная установка позволяет создавать противодавление, имитирующее сопротивление пластовой
27
жидкости, а также боковое давление на систему, имитирующее давление горных пород. По изменению давления в процессе прокачки технологических жидкостей через систему определяется влияние жидкостей ГРП на пачку проппанта. Аналогичные фильтрационные исследования могут проводиться с керновым материалом. Тогда будет оцениваться влияние технологических жидкостей на породу коллектора.
В случае использования для ГРП углеводородсодержащих жидкостей необходимо проводить дополнительный ряд исследовании: определение количественного содержания воды; определение давления насыщенных паров; определение температуры вспышки в открытом тигле. Определение количественного содержания воды в углеводородных жидкостях необходимо в связи с отрицательным влиянием воды на качество получаемых гелей. Повышенное содержание воды (> 1,0 % масс.) приводит к снижению качества реологических характеристик углеводородных гелей и понижению их термической стабильности. Определение давления насыщенных паров по методу Рейда, а также определение температуры вспышки углеводородных жидкостей в закрытом или открытом тигле, позволяют проводить оценку нефтепродуктов, предполагаемых для приготовления жидкости ГРП, с точки зрения их взрывопожаробезопасности.
Для установления количества воды в нефтепродукте используется метод Дина-Старка. Данный метод основан на азеотропном отделении воды от нефтепродуктов. Нефтепродукт смешивается со специальным органическим растворителем (в объемах, предусмотренных методикой), образующим с водой азеотропную смесь (кипящую при определенной температуре и имеющую постоянный состав при кипении), в дистилляционной колбе. Затем смесь нагревается до кипения (азеотроп будет являться низкокипящим компонентом) и происходит отгонка азеотропа. После отгонки, пары конденсируются в водяном холодильнике и стекают в делительную воронку. В делительной воронке происходит разделение воды и растворителя. После того, как объем делительной воронки перестанет изменяться, вычисляется количество образовавшейся воды.
Прибор Рейда состоит из металлической цилиндрической воздушной камеры и металлической цилиндрической бензиновой камеры, в которую наливается нефть
28
или нефтепродукт. Камеры имеют соотношение объемов 4:1 (воздушная:бензиновая) и соединяются при помощи резьбы. К верхнему донышку воздушной камеры привинчивается манометр. После того как бомба собрана, ее интенсивно встряхивают несколько раз. Показание значения манометра и будет давлением насыщенных паров нефтепродукта при температуре окружающей среды (методики проведения исследования могут иметь определенные отличия). Определение давления насыщенных паров (упругости паров) нефтей и нефтепродуктов необходимо для оценки возможности применения данной жидкости для приготовления жидкости для ГРП с точки зрения ее взрывопожаробезопасности. Из мирового опыта применения нефти и нефтепродуктов в качестве основы для приготовления жидкости разрыва принято, что этот показатель не должен превышать 1,5 psi (77,6 мм рт. ст.).
Получение значения температуры вспышки производится следующим образом: в цилиндрический резервуар заливается определенный объем углеводородной жидкости, предназначенной для исследования. Этот цилиндрический резервуар помещается в нагревательный прибор, обеспечивающий нагрев пробы жидкости. По мере нагрева пробы жидкости специальной горелкой проводят над поверхностью исследуемой пробы. Если паров достаточно для воспламенения, они вспыхивают, при этом засекается значение температуры на термометре, опущенном в пробу жидкости. Если вспышки не произошло, продолжают нагревание пробы. Температура вспышки исследуемой жидкости в закрытом тигле будет ниже, чем в открытом тигле, поэтому следует обратить особое внимание на метод, которым производится измерение температуры вспышки.
Значение температуры вспышки углеводородных жидкостей должно быть известно для определения возможности их использования для приготовления жидкостей разрыва с точки зрения взрывопожаробезопасности.
Из мирового опыта применения нефти и нефтепродуктов в качестве основы для приготовления жидкости разрыва принято, что их температура вспышки в закрытом тигле не должна быть ниже 28оС.
Проведение всех необходимых анализов жидкостей ГРП является критичным, т.к. несоблюдение норм и требований может приводить не только к снижению
29
качества проводимого ГРП, но также может подвергать технологический персонал на месте работ неоправданному риску.
30
Кислотные обработки
Введение
На протяжении всего существования скважины, с момента ее бурения до момента ремонтов в процессе добычи, призабойная зона пласта (ПЗП) – зона, находящаяся в непосредственной близи к забою скважины, является самым загрязненным участком продуктивного пласта. Загрязнения образуются в результате воздействия бурового раствора при бурении, фильтрации цементного раствора при цементировании, жидкостей глушения во время проведения различных ремонтных операций, связанных с остановкой скважины, при перфорировании скважины. Кроме того, загрязнения образуются в процессе добычи пластового флюида (отложение солей и асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО)), в результате закачки жидкостей для поддержания пластового давления (ППД), а также жидкостей для интенсификации скважины (жидкости гидравлического разрыва пласта (ГРП), жидкости для кислотных обработок и т.д.).
Существует логарифмическая зависимость перепада давления, вызванного загрязнениями пласта, от радиального расстояния (удаления вглубь пласта от ствола скважины). Чем дальше расположено загрязнение от ствола скважины, тем меньшее сопротивление оказывается добываемому пластовому флюиду, и тем слабее такое загрязнение будет влиять на добычу пластового флюида по данной скважине в целом.
Кислотная обработка представляет собой химический метод воздействия на продуктивный пласт, при котором кислотный состав закачивается продуктивную зону, при давлениях, не вызывающих разрыва этого пласта. Кислотное воздействие может характеризоваться либо очисткой порового пространства породы от привнесенных загрязнений, как в случае обработки терригенного коллектора или песчаника, или же образованием сетки высокопроводимых каналов-червоточин, как в случае обработки карбонатного коллектора. В зависимости от типа пород, на которые будет производиться воздействие, будут различаться методы воздействия и цели, достижение которых будет поставлено.
31