Прогрессивные технологии сооружения скважин

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАЗРЫВ ПЛАСТА

Гидравлический разрыв пласта - процесс воздействия жидко­сти на пластовую породу под высоким давлением при ее нагне­тании в пласт. В основе гидравлического разрыва лежит принцип изменения структуры породы при высоких репрессиях. Теорети­чески скелет горной породы будет разрушаться при воздействии на пласт, превышающем горное давление на заданной глубине. Как показала практика, гидроразрыв породы наблюдается при существенно меньших репрессиях. Это обстоятельство объясня­ется, во-первых, наличием начальной трещиноватости пород, разломов и неоднородностей, а во-вторых, существенно мень­шими предельно допустимыми напряжениями породы на разрыв, чем на сжатие.

Гидроразрыв наблюдается в трещиноватых породах с ярко выраженными природно-пластичными свойствами. Различают направленный гидроразрыв для определенного интервала пласта и общий гидроразрыв по всей мощности пласта.

Направленный гидроразрыв проводится в перспективных об­ластях, и, как правило, имеет поинтервальный характер. После проведения опробования скважины и выделения основных ин - 90 Тервалов притока в нее спускают специальную компоновку сна­ряда, содержащую два пакера, разделенных перфорированной трубой. Инструмент фиксируют поочередно в каждом заданном интервале. Пакера приводят в рабочее положение. Качество рас - пакеровки контролируют по наличию циркуляции в затрубном пространстве скважины, а также специальными затрубными ма­нометрами с регулятором давления. В случае качественной гер­метизации выделенного интервала, который проверяется опрес - совкой, начинают гидроразрыв пласта.

В скважину нагнетают жидкость, которая может иметь вод­ную или углеводородную основу (в зависимости от типа коллек­тора). В случае обработки водозаборных и гидрогеологических скважин на минеральные воды и парогидротермы следует ис­пользовать в качестве жидкости воду либо соленую воду. Жид­кость нагнетают через колонну бурильных труб и поверхностную обвязку цементировочными агрегатами ЦА-320М и ЦА-400. Можно использовать насосные установки высокого давления.

В начальный момент нагнетания на первой скорости работы цементировочного или насосного агрегата расход поглощения минимален, происходит резкое увеличение перепада давления на пласт, прессование. В некоторых случаях при средней или высо­кой начальной приемистости пласта расхода, обеспечиваемого одним цементировочным агрегатом, бывает недостаточно. Увели­чение подачи из-за снижения давления нагнетания препятствует созданию требуемой репрессии на пласт. Поэтому при повышен­ной проницаемости пласта для гидроразрыва используют не­сколько спаренных цементировочных агрегатов.

Увеличение давления нагнетания приводит к проникновению жидкости в начальные пустоты, небольшие трещины и возникно­вению расклинивающего эффекта. При достижении давлением нагнетания предельного значения естественные трещины в пла­сте начинают расширяться и распространяться в глубь пласта. Расклинивающий эффект, действующий на расклинивающуюся трещину, позволяет раскрыть ее при перепадах давления, суще­ственно меньших горного давления, как это предполагается тео­ретически.

При раскрытии трещин расход поглощения увеличивается и снижается давление нагнетания. В начальный момент гидрораз­рыва (первый этап) происходит раскрытие только нескольких наиболее проницаемых трещин, через которые и растет расход поглощения. Уменьшение давления после стабилизации расхода поглощения не позволяет, как правило, обработать трещины меньшего размера, и они не участвуют в развитии процесса. При первом скачке давления обычно образуется несколько горизон-

91

Тальных или наклонных трещин в направлении естественной трещиноватости.

На втором этапе производства работ увеличивают расход по­глощения обычно за счет увеличения числа спаренных цементи­ровочных агрегатов. Происходит повторное прессование, после чего трещины раскрываются, образуя новые ответвления, и рас­ход поглощения увеличивается, а затем стабилизируется. При возрастании расхода поглощения давление нагнетания падает, а после стабилизации расхода стабилизируется.

Характерно, что трещины гидроразрыва образуются после формирования нескольких продольных каналов в направлении, близком к перпендикулярному направлению естественного про­стирания пласта. Это объясняется тем, что в вертикальной плос­кости трещину формировать и расширить проще, так как для этого необходимо преодолеть усилие, пропорциональное величи­не горного давления, умноженной на коэффициент бокового рас­пора, значения которого всегда меньше единицы. В этой связи при гидроразрыве формируется сетчатая структура трещин, вза­имно перпендикулярных. С интенсификацией воздействия на пласт число вертикальных или восстающих трещин существенно превышает число горизонтальных трещин. Горизонтальные тре­щины, возникшие на первом этапе гидроразрыва, впоследствии соединяются между собой рядом вертикальных разломов.

Гидравлический разрыв пласта имеет многоцикловый харак­тер. Поэтому возможно проведение нескольких этапов по увели­чению расхода поглощения, прессованию, стабилизации расхода и давления. На каждом новом этапе формируются дополнитель­ные структуры трещин, а старые расширяются, расчленяя естест­венный скелет породы продуктивного пласта и улучшая его фильтрационные свойства.

Число этапов обработки пласта зависит от планируемого удельного дебита скважины. После каждой стабилизации расхода поглощения его замеряют и определяют величину репрессии на пласт, при которой произошла очередная стабилизация. Делени­ем расхода поглощения Wo на величину репрессии на пласт J Определяют удельную приемистость интервала обработки, т. е.

Qu = Wo/J. (2.1)

Необходимо учесть, что после гидравлического разрыва пла­ста и снятия давления трещины частично сомкнутся и заполнят­ся наполнителем, что приведет к снижению их проницаемости и удельной приемистости. Учитывая, что общая приемистость уве­личивается для п интервалов в N раз, можно записать

92

W0

Qn = an—0,

Где A - коэффициент снижения проницаемости трещин после обработки; N - число интервалов гидроразрыва.

Теоретически удельная приемистость скважины соответствует ее удельному дебиту при откачке с понижением, соответствую­щем репрессии при наливе. Однако в реальных условиях прие­мистость скважины оказывается существенно меньшей, чем удельный дебит. Соотношение удельного дебита Q и приемисто­сти можно уравнять для определенных условий с помощью по­нижающего коэффициента B, который определяется эксперимен­тально, т. е.

Qn = Bq. (2.3)

Подставляя в выражение (2.2) значения, рассчитанные по формуле (2.3), получим соотношение удельной приемистости qn как функцию планируемого эксплуатационного дебита и двух коэффициентов A и B

Qn = J = (2.4)

J an

Эксперименты показали, что отношение коэффициентов B и A В реальных условиях близко к единице. В этой связи с достаточ­ной точностью (для практических условий) гидроразрыв можно прекращать, когда удельный расход поглощения соответствует удельному дебиту в перерасчете на мощность интервала обра­ботки.

После сформирования трещин гидроразрыва важно предот­вратить или по возможности минимизировать их закрытие после окончания обработки. Для этого после раскрытия трещин до рас­четного расхода поглощения в них закачивают наполнитель. Ре­комендуется в качестве наполнителя использовать кварцевый однородный окатанный песок фракции 0,5-1 мм. При выборе более крупных частиц наполнителя, несмотря на их повышенную фильтрационную способность, затрудняется проникновение та­ких частиц в глубь трещин, и они закупоривают развившиеся структуры в непосредственной близости от скважины. После снятия давления остальная часть трещин смыкается.

Песчаную смесь закачивают в скважину насосами цементиро­вочных агрегатов. Для улучшения работы клапанной и поршне­вой систем перед закачкой песка его следует тщательно просеять от крупных и пылеватых фракций, промыть, а в жидкость - носитель добавить соль или полимерные компоненты. Концен-

93

Трация песка при использовании водяных жидкостей-носителей составляет 5-10 %, но не должна превышать 15 %. В случае ис­пользования в качестве жидкости-носителя вязкого раствора на углеводородной основе рабочая концентрация может быть увели­чена до 20-30 %. Песчаную смесь приготавливают в пескосмеси - тельных агрегатах. Готовую пульпу подают на всасывающую ма­гистраль насоса цементировочного агрегата. При небольших объ­емах закачки песчаную смесь готовят в специальных емкостях и смесителях. Имеется опыт переоборудования емкостей цементи­ровочных агрегатов для приготовления песчаной смеси.

Наиболее трудоемкой считается работа по транспортировке песка в процессе гидроразрыва в пределах буровой площадки. Автором разработан струйный пневмосмеситель с приводом от компрессора, позволяющий засасывать пески с воздухом и транспортировать его по гибкому шлангу диаметром 100 мм на расстояние до 20-25 м. Применение струйного пневмосмесителя позволяет механизировать процесс особенно при отсутствии пес - космесительных агрегатов.

В скважину при гидроразрыве закачивают обычно от 2 до 40 т песка. Сложность точного определения объемов закачки связана с невозможностью определения объемов раскрывшихся трещин. Поэтому авторами предлагается контролировать процесс закачки песка в трещины по изменению давления нагнетания. При заполнении песком отдаленных участков трещин будет про­исходить постепенное увеличение давления нагнетания, которое приведет к распространению и развитию новых ответвлений трещин, но уже в близлежащей к скважине зоне. Рост давления будет постепенным до тех пор, пока трещины в своем основании у стенок скважины не заполнятся песком. В этом случае сразу прекращать закачку смеси не следует, так как прессование дав­ления и перекрытие песком уже образовавшихся трещин приве­дут к формированию новых продольных, а затем и сети верти­кальных трещин, которые по мере развития будут заполняться наполнителем.

После закачки в трещины расчетного объема песка нагнетание прекращают. В некоторых случаях при продуктивных пластах, сложенных карбонатными породами, после гидроразрыва реко­мендуется проводить кислотную обработку. В процессе гидрав­лического разрыва важно не допустить проникновения в пласт мелких и тонких частиц, примесей, которые в совокупности с песком и частицами пластовой породы могут образовывать сла­бопроницаемую смесь, повышать гидравлическое сопротивление и снижать дебит.

При высоких репрессиях процесс гидроразрыва захватывает

94 Отдаленные участки пласта, отстающие от скважины на 80­100 м. '

После обработки заданного интервала гидроразрыва инстру­мент промывают, пакера приводят в транспортное положение и перемещают снаряд в новую зону обработки. После чего опера­ции по гидроразрыву повторяют. При многоинтервальном гидро­разрыве трещины, образованные в различных зонах, соединяются между собой, формируя единую фильтрационную систему. По - интервальный метод обработки пласта предпочтительнее особен­но в неоднородных пластах большой мощности. При обработке одного интервала в таких условиях появляется опасность нерас­крытия трещин по основной длине зоны обработки и проведения только частичного разрыва пласта, неравномерно сосредо­точенного по длине продуктивного интервала.

Поинтервальный метод гидравлического разрыва пласта пре­дусматривает многократную установку пакеров в стволе скважи­ны и герметизацию выделенной зоны. Это может быть обеспече­но только в случае или однородного устойчивого ствола при от­сутствии каверн, или при конструкции забоя, предусматриваю­щего цементацию обсадной колонны с последующей ее перфора­цией.

При неоднородном и относительно неустойчивом стволе скважины с открытым забоем поинтервальный метод гидрораз­рыва применим быть не может. Нерационально также использо­вать многоинтервальный гидроразрыв при малой мощности пла­ста и его относительной однородности по фильтрационным свой­ствам. В этих случаях можно использовать упрощенную схему гидроразрыва.

В скважину на бурильных трубах спускают специальную компоновку с пакером, циркуляционным переходником и фильт­ром. Инструмент компонуют таким образом, чтобы при фикса­ции пакера выше башмака обсадной колонны фильтр распола­гался напротив продуктивного интервала. При достижении сна­рядом заданной глубины спуска пакер разжимают, проверяют качество герметизации, после чего начинают проводить гидро­разрыв в последовательности, аналогичной для поинтервального метода.

После окончания работ бурильные трубы отсоединяют от па­кера и извлекают на поверхность. В скважине остается фильтро­вая колонна, установленная «впотай» и обсыпанная высокопро­ницаемым наполнителем. Схема одноинтервального гидроразры­ва рациональна в относительно неустойчивых породах, когда в процессе эксплуатации возможен вынос из трещин наполнителя и другой породы. Песчаный слой вокруг фильтра будет препят-

95

Ствовать такому выносу, а значит будет предотвращать постепен­ное смыкание трещин и снижение дебита.

При правильном выполнении и существенной зоне охвата пласта обработкой гидроразрывом можно получить многократное увеличение дебита. Однако гидроразрыв применим только в про­дуктивных пластах, сложенных трещиноватыми породами.