Гидравлический разрыв пласта: виды, расчет и технологический процесс

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) служит одним из наиболее эффективных геолого-технических мероприятий, целью которого является интенсификация притока пластового флюида к добывающим скважинам. Применение этой технологии позволяет не только повысить выработку запасов в радиусе дренирования скважины, но и расширить эту область, увеличив конечную нефтеотдачу пласта. Учитывая этот фактор, проектирование разработки месторождения можно производить с обустройством более редкой сетки скважин.

Краткое описание

Сущность гидравлического разрыва пласта описывается следующим процессом:

• на продуктивный пласт воздействуют избыточным давлением (расход технологической жидкости намного больше, чем она может быть поглощена горными породами);
• давление на забой возрастает, пока оно не превысит внутренние напряжения в коллекторе;
• горные породы разрываются в плоскости наименьшей механической прочности (чаще всего в наклонном направлении или по вертикали);
• вновь образованные и старые трещины увеличиваются, появляется их связь с системой естественных пор;
• возрастает зона повышенной проницаемости около скважины;
• в расширенные трещины закачивают специальные зернистые расклинивающие материалы (проппанты) для их фиксации в раскрытом состоянии после устранения давления на пласт;
• сопротивление движению пластовой жидкости становится практически равным нулю, в результате дебит скважины возрастает в несколько раз.

Протяженность трещин в породах может составлять несколько сотен метров, а забой скважины становится связанным с удаленными участками пласта. Одним из важнейших факторов эффективности данной обработки является крепление трещины, позволяющее создать фильтрационный канал. Однако продуктивность скважины не может увеличиваться неограниченно при возрастании размера трещины. Существует ее максимальная длина, при превышении которой дебит не становится интенсивнее.

Область применения

Данная технология используется как для добывающих (увеличение нефтеотдачи), так и для нагнетательных (повышение приемистости), горизонтальных и вертикальных скважин. Выделяют следующие области применения ГРП:

• интенсификация дебита скважин с загрязненной призабойной зоной в пластах с различной проницаемостью;
• разработка неоднородных по структуре залежей;
• улучшение гидродинамической связи скважины с естественной системой трещин в коллекторе;
• расширение зоны притока пластового флюида;
• разработка пластов с низкой проницаемостью и низкорентабельных скважин;
• изменение фильтрационных потоков в нагнетательных скважинах;
• восстановление параметров скважин, не поддающихся воздействию другими методами.

Ограничениями для технологии гидравлического разрыва пласта служат газонефтяные зоны, для которых характерны следующие особенности:

• быстрое конусообразование (подтягивание пластовой воды к забою скважины);
• резкие прорывы воды или газа в ствол скважины;
• истощенные пласты с низкими запасами, нефтенасыщенные линзы небольшого объема (ввиду экономической нерентабельности).

Наиболее часто ГРП применяется в качестве метода интенсификации для средне- и высокопроницаемых пластов. Для них главным фактором увеличения притока пластового флюида является длина образовавшейся трещины, а у залежей с низкой проницаемостью пород – ее ширина.

Гидравлический разрыв пласта: преимущества и недостатки

Достоинствами ГРП являются:

• возможность применения на площадях с разнообразным геологическим строением;
• воздействие как на всю залежь, так и на ее участок;
• эффективное снижение гидравлического сопротивления в призабойной зоне;
• приобщение слабодренируемых прилегающих областей;
• дешевая рабочая жидкость (вода);
• высокая рентабельность.

К недостаткам относятся следующие:

• необходимость наличия больших запасов воды, песка, дополнительных химикатов;
• неконтролируемый процесс создания трещины в породе, непредсказуемость механизма трещинообразования;
• при запуске в работу скважин с большими дебитами после проведения гидравлического разрыва пласта возможен вынос проппанта из трещин, в результате чего наблюдается снижение степени их раскрытия и уменьшение дебита в первые месяцы после начала эксплуатации;
• риск возникновения неуправляемого фонтанирования и загрязнения окружающей среды.

Разновидности процесса

Методы ГРП различаются по типу образования трещин, объему закачиваемой жидкости и проппантов, а также по другим характеристикам. К основным видам гидравлического разрыва пласта относят следующие:

• По области воздействия на пласт: локальный (длина трещин до 20 м) – имеет наибольшее распространение; глубокопроникающий (длина трещин 80-120 м); массированный (1000 м и больше).
• По охвату пластов: однократный (воздействие на все пласты и пропластки); многократный (для скважин, которые вскрыли 2 и более пластов); интервальный (для определенного пласта).
• Специальные методы: кислотный гидроразрыв; технология TSO – формирование коротких трещин для предупреждения их распространения к водонефтяному контакту и снижения объема закачки проппанта (данный способ показывает высокую эффективность в песчаных коллекторах); импульсный (создание в средне- и высокопроницаемых породах нескольких радиально расходящихся трещин для снижения скин-эффекта – ухудшения проницаемости пор из-за их загрязнения частицами, содержащимися в фильтрующемся пластовом флюиде.

Многократный разрыв

Многократный гидроразрыв производится несколькими методами:

1. Вначале проводится создание трещины по обычной технологии. Затем она временно закупоривается путем нагнетания веществ (зернистый нафталин, пластмассовые шарики и другие), закрывающих перфорационные отверстия. После этого делают гидравлический разрыв пласта в другом месте.
2. Разобщение зон производят с помощью пакеров или гидравлических затворов. Для каждого из интервалов проводится ГРП по традиционной схеме.
3. Поэтапный гидроразрыв пластов с изоляцией каждой нижележащей зоны песчаной пробкой.

В глинистых разрезах наиболее эффективным является создание вертикальных трещин, так как они соединяют продуктивные нефтегазоносные пропластки. Такие трещины получают воздействием нефильтрующихся жидкостей или быстрым повышением скорости закачки.

Подготовка к проведению ГРП

Технология гидравлического пласта состоит из нескольких этапов. Подготовительные работы заключаются в следующем:

1. Исследование скважины на приток пластового флюида, способность к поглощению рабочей жидкости и определение давления, необходимого для ГРП.
2. Очистка забоя от песчаной или глинистой корки (промывка водой под давлением, обработка соляной кислотой, гидропескоструйная перфорация и другие способы).
3. Проверка скважины специальным шаблоном.
4. Спуск в ствол скважины труб для подачи рабочей жидкости.
5. Установка герметизирующего пакера и гидравлических якорей для защиты обсадной колонны.
6. Монтаж устьевого оборудования (манифольд, лубрикатор и другие устройства) для подключения насосных агрегатов к нагнетательным трубопроводам и герметизации скважины.

Принципиальная схема обвязки технологического оборудования при ГРП показана на рисунке ниже.

Последовательность гидроразрыва

Техника и технология гидравлического разрыва пласта состоит из следующих процедур:

1. В нагнетательные трубы подают рабочую жидкость (чаще всего нефть – для добывающей скважины или вода – для нагнетательной).
2. Увеличивают давление жидкости разрыва до максимального расчетного значения.
3. Проверяют герметичность пакера (при этом должен отсутствовать перелив жидкости из затрубного пространства).
4. Добавляют в рабочую жидкость проппант после того, как происходит гидравлический разрыв пласта. Об этом судят по резкому возрастанию приемистости скважины (спад давления в насосах).
5. В последнюю партию проппанта включают радиоактивные изотопы для последующей проверки зоны поглощения при помощи ядерного каротажа.
6. Подают продавочную жидкость с наибольшим давлением для надежного расклинивания трещин.
7. Удаляют жидкость разрыва с забоя для обеспечения притока пластового флюида в ствол скважины.
8. Производят демонтаж технологического оборудования.
9. Сдают скважину в эксплуатацию.

Если скважина относительно неглубокая, то рабочую жидкость допускается подавать по обсадным трубам. Возможно также проведение ГРП без пакера – по трубам НКТ и затрубному пространству. Это позволяет снизить гидравлические потери для высоковязких рабочих жидкостей.

Машины и механизмы для ГРП

Оборудование для гидравлического разрыва пласта включает в себя следующие виды техники:

• Наземные машины и устройства: насосные агрегаты (АНА-105, 2АН-500, 3АН-500, 4АН-700 и другие); пескосмесительные установки на шасси автомобилей (ЗПА, 4ПА, УСП-50, Kerui, Lantong и другие); автоцистерны для транспортировки жидкостей (АЦН-8С и 14С, АТК-8, Sanji, Xishi и другие); обвязка устья (манифольд, устьевая головка, запорная арматура, раздаточный и напорный коллектор с обратными клапанами, манометры и другая аппаратура).
• Вспомогательная техника: агрегаты для спускоподъемных операций; лебедки; станции контроля и управления; трубовозы и другая техника.
• Подземное оборудование: пакеры для разобщения пласта, в котором планируется гидроразрыв, от другой части эксплуатационной колонны; якоря для предотвращения подъема подземного оборудования из-за воздействия высокого давления; колонна труб НКТ.

Тип оборудования и количество единиц техники определяются исходя из расчетных параметров ГРП.

Расчетные характеристики

Для расчета гидравлического разрыва пласта используются следующие основные формулы:

1. Забойное давление (МПа) для ГРП при помощи фильтрующейся жидкости: р = 10^-2KL_c, где K – коэффициент, выбираемый из интервала значений 1,5-1,8 МПа/м, L_c – длина скважины, м.
2. Давление закачки жидкости с песком (для расклинивания трещины): р_п = р - ρgL_c + p_t, где ρ – плотность жидкости песконосителя, кг/м³, g = 9,8 м/с², p_t – потери давления на трение жидкости-песконосителя. Последний показатель определяется по формуле: p_t = 8λQ² ρL_c/(πd_B)², где λ – коэффициент гидравлических сопротивлений, Q – скорость закачки, м³/с, d_B – внутренний диаметр НКТ.
3. Количество насосных установок: n = pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, где p_p – рабочее давление насоса, Q_p – его подача при данном давлении, K_T – коэффициент технического состояния машины (выбирается в пределах 0,5-0,8).
4. Количество продавочной жидкости: V = 0,785d_B²L_c.

Если гидравлический разрыв пласта происходит с использованием песка в качестве проппанта, то его количество на 1 операцию принимается равным 8-10 т, а количество жидкости определяется по формуле:

V = Q_sC_s, где Q_s – количество песка, т, C_s – концентрация песка в 1 м³ жидкости.

Расчет данных параметров имеет важное значение, так как при излишне высоком значении давления во время гидравлического разрыва происходит передавливание жидкости в пласт, возникают аварии в эксплуатационной колонне. В противном случае, при слишком низком значении, потребуется остановка ГРП из-за невозможности достичь необходимого давления.

Проектирование гидроразрыва производят следующим образом:

1. Выбор скважин согласно существующей или планируемой системы разработки месторождения.
2. Определение наилучшей геометрии трещины с учетом нескольких факторов: проницаемость пород, скважинная сетка, близость к водонефтяному контакту.
3. Анализ физико-механических характеристик горных пород и выбор теоретической модели формирования трещины.
4. Определение типа проппанта, его количества и концентрации.
5. Выбор жидкости для гидравлического разрыва пласта с подходящими реологическими свойствами и вычисление ее объема.
6. Расчет других технологических параметров.
7. Определение экономической эффективности.

Жидкости для ГРП

Рабочие жидкости (продавочная, для разрыва и песконоситель) – это один из важнейших элементов гидравлического разрыва пласта. Преимущества и недостатки их различных видов связаны в первую очередь с реологическими свойствами. Если ранее применялись только вязкие составы на основе нефти (для снижения их поглощения пластом), то увеличение мощности насосных агрегатов в настоящее время позволило перейти на жидкости на водной основе с невысокой вязкостью. Благодаря этому уменьшилось давление на устье и потери на гидравлическое сопротивление в колонне НКТ.

В мировой практике применяют следующие основные типы жидкостей для ГРП:

• Вода с проппантами и без них. Ее преимуществом является низкая стоимость. Недостаток – малая глубина проникновения в пласт.
• Полимерные растворы (гуар и его производные ГПГ, КМГПГ; гидроксиэтиловый эфир целлюлозы, карбоксиметилцеллюлоза, ксантановая камедь). Для сшивания молекул применяют B, Cr, Ti, Zr и другие металлы. По стоимости полимеры относятся к средней категории. Недостатком таких жидкостей является высокий риск негативных изменений в пласте. К достоинствам относится большая глубина проникновения.
• Эмульсии, состоящие из углеводородной фазы (дизтопливо, нефть, газовый конденсат) и воды (минерализованная или пресная).
• Углеводородные гели.
• Метанол.
• Загущенный диоксид углерода.
• Пенные системы.
• Пеногели, состоящие из сшитых гелей, азотных или углекислотных пен. Они обладают высокой стоимостью, но не влияют на качество коллектора. Другими их преимуществами являются высокая несущая способность в отношении проппанта и саморазрушение с небольшим количеством остаточной жидкости.

Для улучшения функций этих составов применяют различные технологические присадки:

• поверхностно-активные вещества;
• эмульгаторы;
• соединения, снижающие гидравлическое трение;
• пенообразователи;
• добавки, изменяющие кислотность;
• термостабилизаторы;
• бактерицидные и противокоррозионные присадки и другие.

К основным характеристикам рабочих жидкостей гидроразрыва относят:

• динамическая вязкость, необходимая для раскрытия трещины;
• инфильтрационные свойства, определяющие потери жидкости;
• способность переносить проппант без его преждевременного осаждения из раствора;
• сдвиговая и температурная устойчивость;
• совместимость с другими реагентами;
• коррозионная активность;
• экологичность и безопасность.

Жидкости с низкой вязкостью требуют закачки большего объема для достижения необходимого давления в пласте, а с высокой – большего напора, развиваемого насосной техникой, так как при этом происходят значительные потери на гидравлическое сопротивление. Для более вязких жидкостей характерна также меньшая фильтруемость в породах.

Расклинивающие материалы

В качестве проппантов, или расклинивающих материалов, наиболее часто применяют следующие:

• Кварцевый песок. Один из наиболее распространенных природных материалов, а потому его себестоимость невысока. Закрепляет трещины в различных геологических условиях (универсален). Размер зерен песка для гидравлического разрыва пласта подбирается 0,5-1 мм. Концентрация в жидкости-песконосителе варьируется в пределах 100-600 кг/м³. В породах, отличающихся сильной трещиноватостью, расход материала может достигать несколько десятков тонн на 1 скважину.
• Бокситы (окись алюминия Al₂O₃). Достоинством данного вида проппанта является большая прочность по сравнению с песком. Изготавливается путем измельчения и обжига бокситовой руды.
• Окись циркония. Обладает свойствами, аналогичными предыдущему виду проппанта. Широко применяется в Европе. Общим недостатком таких материалов является их высокая стоимость.
• Керамические гранулы. Для ГРП применяют гранулы размером от 0,425 до 1,7 мм. Относятся к среднепрочным проппантам. Показывают высокую экономическую эффективность.
• Стеклянные шарики. Применялись ранее для глубоких скважин, в настоящее время почти полностью вытеснены более дешевыми бокситами.

Кислотный гидроразрыв

Сущность кислотного гидравлического разрыва пласта состоит в том, что на первом этапе искусственно создается трещина (так же, как и при обычной технологии ГРП), а затем в нее закачивается кислота. Последняя реагирует с горной породой, возникают длинные каналы, которые увеличивают проницаемость коллектора в призабойной зоне. В результате возрастает коэффициент извлечения нефти из скважины.

Данный вид процесса гидравлического разрыва пласта является особенно эффективным для карбонатных пород. По данным исследователей, с таким типом коллекторов связано более 40% запасов нефти в мире. Техника и технология гидроразрыва в этом случае незначительно отличается от вышеописанной. Оборудование изготавливается в кислотостойком исполнении. Для защиты машин от коррозии применяют также ингибиторы (формалин, уникол, уротропин и другие).

Разновидностями кислотного ГРП являются двухстадийные обработки с использованием таких материалов, как:

• полимерные соединения (ПАА, ПВВ, гипан и другие);
• латексные составы (СКМС-30, АРК);
• стирол;
• смолы (БНИ-5, ТСД-9, ТС-10).

В качестве кислотных растворителей применяют 15% раствор соляной кислоты, а также специальные композиции (СНПХ-9010, СНПХ-9633 и другие).

Разновидностями кислотного ГРП являются двухстадийные обработки с использованием таких материалов, как:

• полимерные соединения (ПАА, ПВВ, гипан и другие);
• латексные составы (СКМС-30, АРК);
• стирол;
• смолы (БНИ-5, ТСД-9, ТС-10).

В качестве кислотных растворителей применяют 15% раствор соляной кислоты, а также специальные композиции (СНПХ-9010, СНПХ-9633 и другие).