Расчет гидравлической мощности HHP

 

Гидравлическое давление, необходимое для проведения ГРП, создается с помощью поршневых насосов, рассчитанных на закачку жидкости при высоких скоростях и давлениях. Для закачки жидкости и проппанта сервисные компании предоставляют насосные установки. Каждый насос в зависимости от технических характеристик и рабочего состояния рассчитан на определенную мощность HHP.

 

Для планирования ГРП необходимо рассчитать требуемую для осуществления операции мощность HHP. Всегда необходимо иметь запас мощности на случай неисправности насосного оборудования или больших рабочих давлений, так как во время операции нужно длительное время поддерживать высокое давление. В зависимости от операции обычно предусматривается от 50 до 100% резервной мощности.

 

HHP непосредственно зависит от скорости закачки (Q, барр/мин) и устьевого давления (P_surface) и рассчитывается с помощью уравнения 14:

           

                   HHP = P_surface x Q         (Уравнение 14)

                                                           40,8

                               где:

                                           HHP = гидравлическая мощность, л.с.

                                           P_surface = устьевое рабочее давление, psi

                                           Q = скорость закачки, барр/мин

                                           40,8 = переводной коэффициент.

 

 

 

 

 

                       

Глава 7. Жидкости ГРП

 

Назначение жидкостей ГРП:

 

· создание трещины

· развитие трещины до желаемых параметров

· транспортировка проппанта в созданную трещину.

                       

После создания трещины и завершения процесса ГРП проппант должен удерживать трещину в открытом состоянии под воздействием горных напряжений, чтобы сохранить ее проводимость.

 

Свойства жидкости разрыва

Для соответствия жидкости разрыва своему назначению, она должна обладать следующими свойствами:

 

· достаточная способность транспортировать проппант

· достаточная эффективность жидкости или ограниченная водоотдача

· низкие потери давление на трение в трубах

· совместимость с горными породами и пластовыми жидкостями

· легкость удаления из пласта

· оптимальность затрат

· безопасность в обращении

 

Способность транспортировать проппант

Необходимым  свойством жидкости, используемой при ГРП, является ее способность транспортировать проппант во взвешенном состоянии через поверхностное оборудование, НКТ и перфорационные отверстия в пласт. Способность жидкости транспортировать проппант в основном зависит от ее вязкости, а также размера, плотности и концентрации проппанта.

 

Вязкость жидкости

Жидкости ГРП, используемые в настоящее время являются высокоспециализированными жидкостями, которые зависят от сложных химических добавок, используемых для обеспечения их вязкостных характеристик. Жидкости ГРП изготавливаются из ньютоновских жидкостей (таких как вода), вязкость которых при данной температуре является постоянной величиной независимо от скорости сдвига, при которой она измеряется. Таким образом, при добавлении полимеров в ньютоновские жидкости их вязкостные характеристики (способность транспортировать проппант) совершенствуются, и жидкость становится неньютоновской. Вязкость загущенной жидкости, как неньютоновской жидкости, должна всегда определяться как функция скорости сдвига. Как правило, чем больше скорость сдвига, тем меньше кажущаяся вязкость.

Загущенные жидкости, используемые при ГРП рассматриваются как жидкости, подчиняющиеся степенному закону, и их вязкость описывается кажущейся вязкостью μ_a при данной скорости сдвига. Степенной закон – это модель обобщенного закона (описывающего ньютоновские жидкости), созданная для определения поведения неньютоновских жидкостей.

 

Кажущаяся вязкость загущенной жидкости может быть рассчитана с помощью уравнения степенного закона:

 

                   μ_a = __ 4,788 x 10⁴ K ’___        (Уравнение 15)

                       (скорость сдвига)^1-n’

где:

        μ_a = кажущаяся вязкость, сантипуаз (сП)

        K’ = коэффициент консистенции, фунтосила – сек^n’/фут²

        n’ = показатель степени, безразмерный

       скорость сдвига = скорость сдвига жидкости, сек^-1

 

Реологические свойства жидкостей, разработанных для процесса ГРП, определяются в лабораторных условиях для различных величин скорости и напряжения сдвига при различных температурах. Пример зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига представлен на рис.27.

 

Для ньютоновских жидкостей напряжение сдвига линейно зависит от скорости сдвига. Что касается неньютоновских жидкостей, то в этом случае напряжение сдвига нелинейно зависит от скорости сдвига (рис.27).

 

 

  

  0.6

   

   0.4                                                          n ’

K ’                                                         

                                                                               

  0.2                                                         Ньютоновская жидкость

                                                              

                                                                     Неньютоновская жидкость

                                            

                   20      40      60      80     100

	Начальная скорость сдвига, с-1

 

 

Рис.27. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига

 

Если вы анализируете прямолинейный участок кривой напряжения сдвига для неньютоновских жидкостей, то величиной угла его наклона будет показатель степени n ’, а величина, полученная проецированием прямого участка кривой на ось напряжений, дает значение коэффициента консистенции K ’.

 

Реология каждой жидкости ГРП специфична, а величины n’ и K’ являются входными параметрами для дизайна ГРП и компьютерного моделирования поведения трещины.

 

Кажущаяся вязкость неньютоновских жидкостей зависит от напряжения сдвига (Уравнение 27). Во время ГРП жидкость подвергается сдвигу при ее закачке в пласт. Жидкость, достигшая трещины попадает в особый режим напряжений. Для разных условий скорость сдвига может быть оценена следующими уравнениями:

 

Для круглых труб и перфорационных отверстий:

 

                   Скорость сдвига (сек^-1) = 1642 Q     (Уравнение 16)

                                                            D³

Для трещины:

 

                   Скорость сдвига (сек^-1) = 40,3 Q     (Уравнение 17)

                                                              h w²

где:

 

       V = скорость течения, фут/сек

       D = диаметр труб, дюйм

       w = ширина трещины, дюйм

       h = высота трещины, фут

       Q = скорость закачки, барр/мин

 

Поведение неньютоновских жидкостей выгодно для инженера-проектировщика. Так как неньютоновские жидкости разжижаются при сдвиге, их вязкость снижается при их закачке в пласт. Такие свойства ведут к снижению потерь давления на трение. При достижении трещины скорость сдвига жидкости снижается, и вязкость восстанавливается. Такое восстановление вязкости жидкости способствует увеличению ширины трещины и транспортирующей способности.

 

В таблице 7 представлены реологические параметры сшитых жидкостей (величины n’ и K’) как функции температуры. Величины кажущейся вязкости μ_a рассчитываются с помощью уравнения 15.

 

Таблица 5. Реологические параметры сшитых жидкостей