Гидравлический разрыв пласта

Для увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта, наряду с другими способами, применяется гидравлический разрыв пласта (ГРП).

Гидравлический разрыв пласта - технологический процесс увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта за счет образования трещин или расширения и углубления в нем естественных трещин. Для этого в призабойную зону пласта закачивается жидкость под высоким давлением, превышающим горное давление и прочностные свойства породы пласта, в образовавшиеся при этом трещины вместе с жидкостью закачивается отсортированный кварцевый песок, чтобы не сомкнулись трещины после снятия давления на пласт.

Гидравлический разрыв пласта происходит, как правило, при давлении ниже полного горного давления для глубоких скважин и равным или несколько большим, чем полное горное давление, для

скважин небольшой глубины. Чаще всего давление разрыва на забое скважины превышает в 1,5-2 раза гидростатическое давление.

Трещины, образовавшиеся в процессе гидравлического разрыва пласта шириной 2-4 мм, могут достигать в длину нескольких десятков метров и, соединяясь между собой и с другими трещинами, значительно увеличивают проницаемость призабойной зоны продуктивного пласта. Гидравлический разрыв пласта является одним из эффективных способов повышения дебитов скважин. Дебиты скважин после ГРП увеличиваются в 2 и более раза. Однако в промысловой практике имеются случаи увеличения дебитов нефти по скважинам после ГРП в десятки и более раз. Гидравлический разрыв пласта не только интенсифицирует выработку запасов, находящихся в зоне дренирования скважины, но и зачастую существенно расширяет эту зону, приобщая к выработке слабодренируемые пропластки, за счет чего увеличивается конечное нефтеизвлечение.

■:■'■.

Рис. 124. Последовательность проведения кислотной обработки в динамическом режиме с использованием передвижного ком­прессора и клапана: а - расположение подземного оборудования в скважине, замещение скважинной жидкости на кислотный раствор; 6 -продавца кислотного раствора в пласт, в - спуск шарового отсекателя, вы­теснение воздухом скважинной жидкости в межтрубное пространство; г - отток кислотного раствора из пласта за счет создавшейся депрессии; д - закачка кислотного раствора в пласт продавочной жидкостью; 1 -НКТ;2-корпус клапана; 3 - пакер; 4 - шаровой отсекатсль

Гидравлический разрыв пласта применяется:

- для интенсификации добычи нефти из скважин с сильно загрязненной призабойной зоной за счет
создания трещин;

- с целью обеспечения гидродинамической связи скважины с системой естественных трещин пласта и
расширения зоны дренирования;

 

- для ввода в разработку низкопроницаемых залежей и перевода забалансовых запасов нефти в
промышленные;

- при вводе в разработку сложнопостроенных и неоднородных пластов с целью увеличения темпов
отбора нефти и повышения конечного нефтеизвлечения;

- для увеличения продуктивности нефтяных скважин;

- для увеличения приемистости нагнетательных скважин;

- в скважинах с высоким пластовым давлением, но с низкой проницаемостью пласта.

Не рекомендуется проводить гидравлический разрыв пласта в скважинах, расположенных вблизи водонефтяных и газонефтяных зон, в которых возможно ускоренное конусообразование и прорыв воды и газа в добывающие скважины; в истощенных пластах с низкими остаточными запасами, а также в карбонатных коллекторах с хаотичной трещиноватостью. Гидроразрыв пласта производят в следующем порядке. В скважину спускаются насосно-компрессорные трубы (НКТ), а выше кровли продуктивного пласта или пропластка, в котором планируется провести ГРП, устанавливают пакер и якорь. Скважину промывают водой с целью очистки забоя от глины и механических примесей. При необходимости иногда перед ГРП проводят соляно-кислотную обработку, дополнительную перфорацию и т.д. Затем в скважину по насосно-компрессорным трубам нагнетается жидкость разрыва в объемах, необходимых для создания на

забое давления, необходимого для разрыва пласта. Пакер спускается для предохранения обсадной колонны от воздействия высокого давления, создаваемого насосами во время ГРП. Пакер устанавливается над пластом или пропластком, где проводится ГРП. Он полностью разобщает зону продуктивного пласта от вышележащей части скважины При этом давление, создаваемое насосными агрегатами, действует только на пласт или пропласток и на нижнюю часть пакера. В процессе гидроразрыва пласта на пакер снизу вверх действуют большие усилия от создаваемого давления, и если не принимать соответствующие меры, то пакервместе с насосно-компрессорными трубами будет подниматься вверх. Чтобы не допустить этого, на НКТ устанавливается гидравлический якорь (устройство, не допускающее смещение пакера). Создаваемое в НКТ давление при закачке жидкости в скважину передается на поршни гидравлического якоря, они выходят из своих гнезд и прижимаются к обсадной колонне. При этом, чем выше давление, тем с большей силой поршни прижимаются к эксплуатационной колонне. Кольцевые грани на торце поршней врезаются в эксплуатационную колонну и препятствуют перемещению НКТ с пакером.

Жидкости для гидравлического разрыва пласта разделяются на три категории: жидкость разрыва, жидкость-песконоситель и продавочная жидкость.

Рабочие жидкости не должны уменьшать ни абсолютную, ни фазовую проницаемость породы продуктивного пласта. В этой связи при гидравлическом разрыве пласта в нефтяных скважинах применяются жидкости на углеводородной основе, а в нагнетательных на основе воды. Однако в скважинах с карбонатными коллекторами в качестве рабочих жидкостей могут быть использованы водные растворы соляной кислоты или другие жидкости на ее основе.

Жидкость разрыва пласта должна хорошо проникать в пласт и в естественно существующие в нем трещины. Жидкости разрыва в основном применяются:

1) углеводородные;

2) водные растворы;

3) эмульсии.

Указанные жидкости приведены в таблице 17.

Таблица 17. Рабочие жидкости при ГРП

Углеводородные жидкости	Водные растворы	Эмульсии
1. Дегазированная нефть	1. Сульфат-спиртовая барда (ССБ)	1. Гидрофобная водо-нефтянаяэмульсия
2. Амбарная нефть	2. Раствор соляной кислоты	3. Гидрофильная водо-нефтянаяэмульсия
3. Мазут или его смеси с нефтями	3. Загущенные растворы соляной кислоты	3. Нефтекислотные эмульсии
4. Дизельное топливо (или керосин), загущенное специальными реагентами	4. Загущенная различными реагентами вода	4. Керосинокислотные эмульсии

В нефтяных скважинах, которые переводятся в нагнетательные, при ГРП могут быть использованы жидкости на водной основе.

Рабочие жидкости для ГРП не должны содержать посторонних механических примесей, а при соприкосновении с породой и пластовой жидкостью не должны образовывать нерастворимых осадков.

Наибольшее предпочтение при ГРП должно отдаваться жидкостям, полностью растворимым в пластовых жидкостях. Во время проведения ГРП вязкость рабочих жидкостей должна быть стабильной. Чаще всего жидкости на углеводородной основе применяют при ГРП в нефтедобывающих скважинах. В нагнетательных скважинах в качестве жидкости разрыва применяют чистую или загущенную воду. К загустителям относятся компоненты, имеющие крахмальную основу, полиакриламид (ПАА), сульфат-спиртовая барда (ССБ), карбоксилметилцеллюлоза (КМЦ). Применяя жидкости на водной основе, следует учитывать ее взаимодействие с породой пласта, так как некоторые глинистые компоненты пластов при соприкосновении с водой набухают. В таких случаях в жидкости на водной основе добавляют химические реагенты, которые стабилизируют глины при смачивании. Эмульсии приготавливаются механическим перемешиванием компонентов насосами с добавкой в них химических реагентов. Жидкостъ-песконосителъ применяется для подачи песка с поверхности в образуемые в пласте трещины. Жидкость-песконосительдолжна быть не фильтрующейся или с быстро снижающейся фильтруемостью, а также должна обладать высокой пескоудерживающей способностью. В качестве жидкостей-песконосителей применяются те же жидкости, что и для разрыва пласта.

Наполнитель служит для заполнения образовавшихся трещин и недопущения их смыкания при снятии давления. Для закрепления трещин, образуемых во время гидравлического разрыва пласта,

применяется кварцевый песок с размером зерен 0,4—1,2 мм. Песок должен быть чистым, не загрязненным пылевидными или глинистыми частицами. При первых ГРП следует вводить в каждую трещину не менее 1,5-2 т песка.

При закачке в пласт больших количеств песка (более 15-20 т) с целью более глубокого проникновения его по трещинам, первые порции песка (30-40%) закачивают мелкозернистым песком мелкой (0,4-0,6 мм) фракции с последующим переходом на закачку песка более крупной фракции. Применяемые на практике концентрации песка в жидкости-песконосителе меняются в пределах от 200 до 1000 г/л и зависят от пескоудерживающей способности жидкости и технических возможностей применяемых насосов. Кварцевый песок имеет большую плотность (2650 кг/м³), которая значительно отличается от плотности жидкости, вследствие чего песок преждевременно оседает из потока жидкости и затрудняет заполнение трещин. Кроме того, его плотность на смятие в ряде случаев бывает недостаточной. С учетом этого применяют в качестве наполнителя стеклянные шарики, зерна агломерированного боксита, молотую скорлупу грецкого ореха, проппанат и др. Плотность стеклянных шариков близка к плотности кварцевого песка (2650 кг/м³), но они прочнее и меньше вдавливаются в породу. Плотность порошка агломерированного боксита 1400 кг/м³. В последнее время применяются наполнители из особо прочных искусственных синтетических полимерных веществ, имеющих плотности 1100 кг/м³песконосителя. В настоящее время на промыслах при ГРП для закрепления трещин в пласте применяют вещество, называемое проппанат, которое состоит из керамического материала, в составе которого 71% Аl₂O₃ и 29% Fе₂О₃. Размер зерен от 0,4 до 4 мм. Перед ГРП необходимо устанавливать зависимость приемистости скважины от давления нагнетания рабочей жидкости. Для этого включается в работу на первой или второй скорости один из насосных агрегатов, и закачивают жидкость разрыва в скважину до тех пор, пока не установится давление на устье. Измеряется давление и расход жидкости при этом давлении. После этого темп нагнетания жидкости увеличивается, вновь замеряется давление и расход жидкости. При увеличении темпа нагнетания жидкости определяется зависимость расхода жидкости от давления, по которой определяется момент разрыва пласта и ожидаемое давление нагнетания песчано-жидкостной смеси.

Если коэффициент приемистости, то есть отношение расхода жидкости к давлению нагнетания, при максимальном расходе жидкости возрастает в 3—4 раза по сравнению с коэффициентом приемистости при работе одного насосного агрегата на низшей скорости, то в пласте образовались трещины и можно приступать к закачке жидкости-песконосителя с песком. В случае, когда разрыв пласта, несмотря на максимально возможные темпы нагнетания жидкости разрыва, не зафиксирован, процесс повторяют с применением жидкости повышенной вязкости, обладающей минимальной фильтруемостью.

После установления факта разрыва пласта с целью дальнейшего развития трещин и облегчения ввода песка в них рекомендуется перед жидкостью-песко носителем в скважину закачивать 3-4 м³ cлабо фильтрующейся жидкости повышенной вязкоcти. На практике нередко применяют поинтервальный гидроразрыв. При поинтервальном ГРП намеченный для образования трещин интервал изолируется сверху и снизу двумя пакерами, якорем, и жидкость разрыва нагнетается в намеченный интервал продуктивного пласта. После разрыва пласта или пропласткапакеры освобождаются и устанавливаются в пределах второго интервала, который обрабатывается как самостоятельный, и так далее. Поинтервальный гидроразрывприменяется, когда несколько пластов или пропластков разрабатываются общим фильтром, а пласты и пропластки изолированы друг от друга слоями непроницаемых пород.

Применяется также направленный гидроразрыв пласта. При направленном гидроразрыве пласта с помощью пескоструйной перфорации производится дополнительная перфорация в заданном интервале продуктивного пласта, в котором планируется получить трещины гидроразрыва. При этом применяются как «точечная» гидропескоструйная перфорация, так и щелевая. После проведения дополнительной пескоструйной перфорации производится гидравлический разрыв пласта по обычной технологии.

В последнее десятилетие в нашей стране гидроразрыв пласта получил более широкое применение за счет совершенствования существующих и создания новых технологий ГРП.

Одной из эффективных новых технологий ГРП является технология осаждения проппаната на конце трещины (или концевое экранирование трещины (ТSО)), которая позволяет целенаправленно увеличивать ширину трещины, останавливая ее рост в длину, за счет чего значительно увеличивается проводимость. Для интенсификации выработки запасов из низкопроницаемых слоев и снижений риска попадания трещины в водоносные или газоносные пласты применяется технология селективного гидроразрыва.

Для предотвращения выноса проппаната из трещины создана технология РгорNЕТ, в которой предусматривается закачка в пласт одновременно с проппанатом специального гибкого стекловолокна, которое, заполняя промежутки между частицами проппаната, обеспечивает максимальную устойчивость проппанатной пачки. Разработаны и применяются низкополимерные жидкости разрыва LOWGuar и система добавок к деструктору CleanFlow для снижения остаточного загрязнения трещины.

Наиболее широкое распространение имеет локальный гидроразрыв для снижения сопротивления призабойной зоны и увеличения эффективного радиуса скважины. При локальном гидроразрыве пласта достаточно создать трещины длиной 10-20 м, зачать в них десятки м³ жидкости и единицы тонн проппаната, дебит скважин при этом увеличивается в 2-3 раза. Одним из наиболее быстро развивающихся методов интенсификации добычи нефти в настоящее время является гидравлический разрыв пласта в средне- и высоко проницаемых пластах.

В высокопроницаемых пластах главным фактором увеличения дебита скважин является ширина трещины, а в низкопроницаемых - длина трещины. Для создания широких трещин применяется технология ТSО, при которой снижается объем жидкости гидроразрыва до 1-5 м³ с одновременным увеличением проппаната до 20 т и более. Осаждение проппаната на конце трещины препятствует увеличению длины трещины. При дальнейшей закачке жидкости, содержащей проппанат, ширина трещины увеличивается до 25 мм, тогда как при обычном ГРП ширина трещин составляет не более 2-4 мм, и эффективная проводимость трещины повышается до 500-3000 мкм. На основании проведения опытно-промышленных работ выявлено, что в пластах с проницаемостью 0,01-0,05 мкм оптимальная длина закрепленной трещины обычно составляет 40-60 м, и увеличение длины закрепленной трещины не приводит к увеличению дебита жидкости. Объем закачки при этом составляет десятки-сотни м³ жидкости и десятки тонн проппаната. При проницаемости пласта около 0,001 мкм² оптимальная длина закрепленной трещины равна 100-200 м, объем закачки жидкости - сотни кубических метров и 100-200 - проппаната.

Для ввода в промышленную разработку газовых залежей c коллекторами сверхнизкой проницаемости (менее 10-⁴ мкм²) применяют технологию массированного ГРП. При применении этой технологии образуются трещины длиной около 1000 м с закачкой жидкости от сотен до тысяч кубометров и от сотен до тысяч тонн проппаната. Дебит увеличивается при этом в 3-10 раз.

Получают развитие технологии проведения гидравлического разрыва пласта в горизонтальных скважинах.

Определение мест образования трещин. На практике место образования трещин в продуктивном пласте определяется несколькими методами. Один из них основан на активизации радиоактивными изотопами песка или иного гранулирование материала, используемого при гидравлическом разрыве песка. Небольшой объем активированного песка вводят в жидкости песконоситель на завершающей стадии закрепления трещин. Сравнивая результаты гамма-каротажа, проведенного до и после гидроразрыва, определяют место нахождения активированного песка. Против зоны разрыва пласта при повторном гамма-каротаже фиксируются повышенные значения интенсивности гамма-излучения.

Второй метод основан на сравнении результатов глубинных измерений дебитомерами или расходомерами, проводимых, до и после ГРП. По изменению профилей притока жидкости в нефтяной скважине или приемистости в нагнетательной скважине, определяют зоны образования трещин.

Техника для гидравлического разрыва пласта. Перед гидроразрывом пласта устье скважины оборудуется специальной арматурой типа 1АУ-700 или 2АУ-700, к которой подключаются агрегаты для нагнетания в скважину жидкостей разрыва.

К основному оборудованию для ГРП относятся:

- насосные агрегаты 4АН-700 или 5АН-700;

- пескосмесительные установки типа ЗПА или 4ПА;

- автоцистерны для перевозки жидкостей ЦР-20;

- агрегаты для перевозки блока манифольда 1БМ-700;

- агрегаты для перевозки наполнителя и т.д.

Насосные агрегаты (4АН-700 и 5АН-700) изготавливаются в износостойком исполнении, монтируются на шасси трехосных грузовых автомобилей КРАЗ-257, максимальное давление этих агрегатов 70 МПа при подаче 6 л/с. В качестве привода силовому агрегату используется дизельный двигатель мощностью 588 кВт. Двигатель установлен на платформе автомобиля и через коробку скоростей связан с приводным валом силового насоса.

Для смешивания жидкости-пескосмесителя с песком (или другим наполнителем) применяются пескосмесительные установки типа ЗПА или 4ПА, смонтированные на автомобилях с высокой проходимостью. Смешение песка с жидкостью и подача смеси на прием насосных агрегатов механизированы.

Пескосмесительный агрегат 4ПА имеет грузоподъемность 50 т. Агрегта оборудован загрузочным шнеком. В этих агрегатах готовится смесь песка с жидкостью необходимой концентрации.

Перевозка жидкостей, потребных при ГРП, осуществляется в автоцистернах. При ГРП чаще используются автоцистерны ЦР-20, которые монтируются на автоприцепах 4МЗАП-552 и транспортируются седельными тягачами КРАЗ-258. Кроме автоцистерны на шасси прицепа монтируется двигатель ГАЗ-51, центробежный насос 8К-18 и трехплунжерный насос 1В. Насосы приводятся в действие через коробку скоростей и редукторы от двигателя ГАЗ-51. Цистерна имеет емкость 17м³, поплавковый указатель уровня и змеевик для подогрева жидкости с помощью паропередвижной установки (ПП У) в зимнее время. Трехплунжерный насос 1В снабжен воздушным компрессором, имеет подачу 13 л/с, максимальное давление 1,5 МПа при 140 ходах в минуту. Центробежный насос 8К-18 имеет подачу 60-10 л/с (по воде), напор до 20 м и предназначен для подачи жидкости в пескосмесительный агрегат. Блок манифольда 1БМ-700 высокого давления (70 МПа) с подъемной стрелой для погрузки и разгрузки деталей манифольда предназначается для обвязки выкидных линий нескольких насосных агрегатов высокого давления и присоединения их к арматуре устья скважины.

Манифольдный блок транспортируется на специально изготавливаемой платформе вездеходного автомобиля. Для дистанционного контроля за процессом ГРП применяется станция контроля и управления. Эта станция комплектуется контрольно-измериельнойт и регистрирующей дистанционной аппаатуройр, а

также громкоговорителями и усилителями для звуковой и телефонной связи с отдельными агрегатами и исполнителями. Для соблюдения техники безопасности все агрегаты оснащаются искрогасителями и располагаются рдиаторамиа от скважины, чтобы, можно было беспрепятственно отъехать при аварийной или пожарной опасности. Это особенно важно, когда ГРП проводится с использованием жидкостей на нефтяной основе.

В последнее время применяются агрегаты для перевозки наполнителя и подачи его с помощью шнековых винтов ко второму, специальному агрегату-смесителю, снабженному шнековыми винтами, насосом, подающим жидкость-песконоситель в смесительную камеру, и различными дополнительными механизма, автоматизирующими дозировку жидкости и наполнителя в зависимости от требуемой концентрации и темпов закачки песко носите ля в скважину. Бункерный агрегат и смесительная машина монтируется на шасси тяжелогрузных автомобилей. Совшенствуютсяер и создаются новые тенологиих ГРП. Вместе с этим совершенствуются и создаются новые, более эффективные агрегаты и оборудование для ГРП.