Гидравлический разрыв пласта

  

4. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ГРП

 

Технология гидроразрыва пласта осуществляется следующим образом. Поскольку при ГРП в большинстве  случаев (за исключением мелких скважин) возникают давления, превышающие  допустимые для обсадных колонн, то предварительно в скважину спускают НКТ, Способные выдержать это  давление. Выше кровля пласта или пропластка, в котором намечается произвести разрыв, устанавливают пакер, изолирующий  кольцевое пространство и колонну  от давления, и устройство, предупреждающее  его смещение и называемое якорем. По спущенным НКТ нагнетается  сначала жидкость разрыва в таких  объемах, чтобы получить на забое  давление, достаточное для разрыва  пласта. Момент разрыва на поверхности  отмечается как резкое увеличение расхода  жидкости (поглотительной способности  скважины) при том же давлении на устье скважины или как резкое уменьшение давления на устье при  том же расходе. Давление горных пород  равно:

 

Р_г = r_ПgН (4)

 

Силы сцепления частиц породы равно:

 

Р_р = Р_г + s_Z (5)

 

более объективным показателем, характеризующим момент ГРП, является коэффициент поглотительной способности

 

k_п = Q/(p_з – р_п) (6)

 

где Q—расход нагнетаемой жидкости;

р_п—пластовое давление в районе данной скважины;

р_з—давление на забое скважины в процессе ГРП.

 

При ГРП происходит резкое увеличение k_п. Однако вследствие трудностей, связанных с непрерывным контролем за величиной р_з, а также вследствие того, что распределение давлений в пласте - процесс существенно неустановившийся, о моменте ГРП судят по условному коэффициенту k.

 

k = Q/р_у (7)

 

где р_у—давление на устье скважины.

 

Резкое увеличение k в процессе закачки также интерпретируется как момент ГРП. Имеются приборы для снятия этой величины.

После разрыва пласта в  скважину закачивают жидкость-песконоситель  при давлениях, удерживающих образовавшиеся в пласте трещины в раскрытом  состоянии. Это более вязкая жидкость, смешанная (180—350 кг песка на 1 м³ жидкости) с песком или другим наполнителем. В раскрытые трещины вводится песок: на возможно большую глубину для предотвращения смыкания трещин при последующем снятии давления и переводе скважины в эксплуатацию. Жидкости-песконосители проталкивают в НКТ ив пласт продавочной жидкостью, в качестве которой используется любая маловязкая недефицитная жидкость.

Для проектирования процесса ГРП очень важно определить давление разрыва р_р, которое необходимо создать на забое скважины.

Накоплен большой статистический материал по величине давления разрыва  пласта р_р по различным месторождениям мира и при различных глубинах скважин, который говорит об отсутствии четкой связи между глубиной залегания пласта и давлением разрыва. Однако все фактические значения р_р лежат в пределах между величинами полного горного и гидростатического давлений. Причем при малых глубинах (менее 1000 м) р_р ближе к горному давлению и при больших глубинах — к гидростатическому.

На  основании этих данных можно рекомендовать  такие приближенные значения для  давления разрыва:

для неглубоких скважин (до 1000 м)

 

р_р = (1,74 - 2,57) р_ст,………………………………………………(8)

 

для глубоких скважин (Н > 1000м)

 

р_р =(1,32 - 1,97) р_ст,……………………………………………….(9)

 

где р_ст — гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта.

 

Сопротивление горных пород  на разрыв обычно мало и лежит в  пределах s_р=1,5 … 3 МПа, поэтому оно не влияет существенно на р_р.

Давление разрыва на забое  р_р и давление на устье скважины р_у связаны очевидным соотношением

 

р_р = р_у + р_ст – р_{тр,………………………………………………………………………........(10)}

 

где р_тр – потери давления на трении в НКТ.

 

Из уравнения (10) следует:

 

р_у = р_р + р_тр - р_ст,…………………………………………….....(11)

 

р_ст - статическое давление, определяется с учетом кривизны скважины

 

р_ст = r_ж g Н cos b,………………………………………………(12)

где H - глубина скважины; b - угол кривизны (усредненный);

r_ж - плотность жидкости в скважине, причем если жидкость содержит наполнитель (песок, стеклянные шарики, порошок из полимеров и др.), то плотность подсчитывается как средневзвешенная

 

r=r_ж(1–n/r_н)+n,…………………………………………………(13)

 

где n — число килограммов наполнителя в 1м³ жидкости;

р_н—плотность наполнителя (для песка р_н=2650 кг/м³).

 

Потери  на трение определить труднее, так как  применяемые жидкости иногда обладают неньютоновскими свойствами. Присутствие  в жидкости наполнителя (песка) увеличивает  потери на трение.

В американской практике используются различные графики зависимости  потерь давления на трение на каждые 100 футов НКТ разного диаметра при прокачке различных жидкостей с заданным объемным расХОдом. При больших темпах закачки, соответствующих турбулентному течению, структурные свойства используемых жидкостей (с различными загустителями и химическими реагентами) обычно исчезают, и достаточно приближенно потери на трение для этих жидкостей можно определить по обычным формулам трубной гидравлики.

 

р_тр = l(Н/d) * (w²/2g) * rga,…………………………………………....(14)

 

где l - коэффициент трения, определяемый по соответствующим формулам в зависимости от числа Рейнольдса;

w - линейная скорость потока в НКТ ;

d – внутренний диаметр НКТ; r - плотность жидкости, Н – длина НКТ;

 

g = 9,81 м/с²; a - поправочный коэффициент, учитывающий наличие в жидкости наполнителя (для чистой воды a = 1) и зависящий от его концентрации.

 

5. ОБОРУДОВАНИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ  ПРИ ГРП

 

При гидроразрыве пласта используют целый  комплекс наземного оборудования: насосные агрегаты типа 2АН-500 или 4АН-700, пескосмесительный  агрегат 4ПА. Для перевозки жидкости разрыва применяют автоцистерны 4ЦР или ЦР-20.

Агрегат 4АН-700 конструкции  Азинмаша является основным в комплекте  наземного оборудования. Он отличается повышенными мощностью и производительностью, удобен в эксплуатации. Рабочее давление агрегата позволяет проводить гидроразрыв  пластов и осуществлять гидропескоструйные процессы и в глубоких скважинах. Все узлы его смонтированы на грузовом трехосном автомобиле КрАЗ-257 грузоподъемной силой 100—120 кН и представляют из себя следующее: силовую установку; коробку  передач; трехплунжерный насос ; манифольд, систему управления.

На раме автомобиля, непосредственно  за кабиной водителя, расположена  силовая установка агрегата, состоящая  из двигателя с многодисковой  фрикционной муфтой и центробежным вентилятором, систем питания, смазки и охлаждения, установки воздухоочистителя  и других вспомогательных узлов.

Двигатель агрегата-дизельмотор  двенадцатицилиндровый, четырехтактный имеет мощность 588 кВт при частоте  вращения коленчатого вала 2000 об/мин. Двигатель с помощью многодисковой  фрикционной муфты соединен с  приемным валом коробки передач.

Насос 4Р-700 трехплунжерный, горизонтальный одинарного действия. Плунжеры предусмотрены размерами 100 и 120 мм, что обеспечивает работу насоса соответственно при давлениях до 70 и 50 МПа. Производительность агрегата при давлении 70 МПа составляет 6,3 л/с и при 20 МПа - 22 л/с. Масса агрегата 20200 кг, габаритные размеры 9800 х 2900 x 3320 мм. Управление агрегатом производится с центрального пульта, расположенного в кабине автомобиля, где размещены педали управления топливным насосом и фрикционной муфтой двигателя, рукоятка управления коробкой передач и необходимая контрольно-измерительная аппаратура.

Для транспортировки песка  нужных фракций к скважине, в которой  намечено произвести гидроразрыв пласта, и для последующего механического  приготовления песчано-жидкостной смеси применяют специальные пескосмесительные агрегаты типа 4ПА.

На самоходном шасси автомашины КрАЗ-257 смонтированы бункер 1 для сыпучего материала с загрузочным шнеком 2 и рабочим шнеком 3, камера гидравлического  смещения 5, смеситель 7 с поплавковым  регулятором уровня 6, а также  приемный коллектор 11 и раздаточный  коллектор 10 с насосом 9 для перекачки  песка. В верхней разгрузочной части  шнека 3 установлена поворотная заслонка 4, соединенная с поплавковым регулятором 6. К стенкам и днищу бункера 1 прикреплены пневмовибраторы, обеспечивающие надежное поступление сыпучего материала  самотеком в приемник шнека 3.

Загрузочный и рабочий  шнеки, а также лопастная мешалка  приводятся в действие гидродвигателями при помощи масляного насоса 8. Все  агрегаты установки управляются  с пульта, размещенного в кабине автомобиля.

Песчано-жидкостная смесь  с небольшой концентрацией песка  приготавливается следующим образом. Жидкость через приемный коллектор 11 попадает в камеру гидравлического  смещения 5, в которую из бункера 1 шнеком 3 подается сыпучий материал. Количество сыпучего материала регулируется частотой вращения рабочего шнека и  заслонкой 4 при помощи поплавкового регулятора уровня 6 в зависимости  от уровня смеси в смесителе 7. Избыточное количество сыпучего материала по отводящему патрубку поступает обратно в  бункер. В камере гидравлического  смешения 5 приготавливается раствор  требуемой концентрации, который  поступает в смеситель 7, где при  помощи лопастной мешалки поддерживается равномерность концентрации песка. Из смесителя 7 раствор подается Песковым насосом 9 через раздаточный коллектор 10 к месту потребления.

При приготовлении песчано-жидкостной смеси с большой концентрацией  сыпучего материала камера гидравлического  смешения заменяется проходной трубой, а жидкость из коллектора 11 и сыпучий  материал из бункера 1 поступают непосредственно  в смеситель 7, через сменную трубу (указана пунктиром). Готовая смесь  отбирается так же, как и в первом случае.

 

Рис. 4. Схема пескосмесительного агрегата

 

Емкость бункера 6,5 м³. Максимальная производительность рабочего шнека (по песку) 50 т/ч, максимальная грузоподъемная сила 90 кН, производительность загрузочного шнека 12-15 т/ч. Масса агрегата с грузом 23 000 кг, габаритные размеры 8700 х 2625 х 3600 мм. Пескосмесительный агрегат обслуживается одним шофером-мотористом. При проведении гидроразрыва пласта пескосмесительный агрегат с помощью гибких шлангов соединяется с автоцистернами и с насосными агрегатами. К агрегату 4ПА можно присоединить одновременно две автоцистерны и четыре насосных агрегата (по два с каждой стороны).

Автоцистерна 4ЦР предназначена  для перевозки жидкости, используемой для гидравлического разрыва  пласта, и подачи ее в пескосмесительный  или насосный агрегат. Автоцистерна 4ЦР (рис. 5) смонтирована на шасси автомобиля КрАЗ-219 грузоподъемной силой 120 кН и  состоит из цистерны 1, вертикального  плунжерного насоса 2, системы обвязки  насоса с арматурой 3, коробки отбора мощности 4, узла трансмиссии 5, узла жесткой  буксировки б и искрогасителя 7.

Цистерна оборудована  специальным устройством для  подогрева жидкости паром. Для определения  количества жидкости, отобранной из цистерны, внутри ее смонтирован поплавковый  указатель уровня. Жидкость перекачивается из автоцистерны с помощью трехплунжерного  вертикального насоса, имеющего производительность 16,7 л/с и максимальное давление 2,0 МПа.

Объем цистерны 9 м³. В зависимости от плотности жидкости в ней масса автоцистерны достигает 21435 кг. Габаритные размеры 10100 x 2700 х 2740 мм. Время подогрева жидкости от 20° до 50°С равно 2 ч. В настоящее время выпускают автоцистерны для жидкости разрыва емкостью 17 м^3. под шифром ЦР-20, смонтирована цистерна на тягаче с прицепом. Кроме подогревательного устройства и вертикального насоса, автоцистерна снабжена центробежным. насосом производительностью по воде 100 л/с с максимально развиваемым давлением 0,2 МПа.

При гидравлическом разрыве  пласта устье скважины оборудуют  специальной арматурой типа 1АУ-700, которая крепится на резьбе к эксплуатационной колонне. Арматура рассчитана на работу с давлением 70 МПа и состоит  из крестовины, устьевой головки, пробковых  кранов, предохранительного клапана  и прочих элементов обвязки.

Для регулирования работы всего комплекса оборудования и  агрегата при гидравлическом разрыве  пласта используется самоходный блок манифольда типа 1БМ-700, который состоит  из напорного и раздаточного коллекторов, подъемной стрелы и комплекта 60-мм насосно-компрессорных труб с шарнирным  и быстросборным соединениями. Все  оборудование блока манифольда монтируется  на шасси грузового автомобиля повышенной проходимости (ЗИЛ-157К).

Напорный коллектор состоит  из клапанной коробки с шестью отводами для соединения с насосными  агрегатами; центральной трубы с  датчиком контрольно-измерительных  приборов (манометра, плотномера и расходомера) для работы со станцией контроля и  управления процессами, двух отводов  для соединения с арматурой на устье скважины; пробковых кранов и предохранительного клапана. Раздаточный  коллектор служит для распределения  рабочих жидкостей (продавочного раствора, воды, песчано-жидкостной смеси и  т. д.) насосным агрегатам.