Гидравлический разрыв пласта

• технику для определения оптимальных  параметров нагнетания с учетом характеристик  проппанта и технологических  ограничений;

• комплексный алгоритм, позволяющий  оптимизировать геометрические параметры  и проводимость трещины с учетом продуктивности пласта и системы  расстановки скважин, обеспечивающий баланс между фильтрационными характеристиками пласта и трещины, и основанный на критерии максимизации прибыли от обработки  скважины.

Создание  оптимальной технологии ГРП подразумевает  соблюдение следующих критериев:

• обеспечение оптимизации выработки  запасов месторождения;

• максимизация глубины проникновения  проппанта в трещину:

• оптимизация параметров нагнетания жидкости разрыва и проппанта;

• минимизация стоимости обработки;

• максимизация прибыли за счет получения  дополнительной нефти и газа. В  соответствии с этими критериями можно выделить следующие этапы  оптимизации проведения ГРП на объекте:

1. Выбор скважин для обработки  с учетом существующей или  проектируемой системы разработки, обеспечивающий максимизацию добычи  нефти и газа при минимизации  затрат.

2. Определение оптимальной геометрии  трещины – длины и проводимости  с учетом проницаемости пласта, системы расстановки скважин,  удаленности скважины от газо- или водонефтяного контакта.

3. Выбор модели распространения  трещины на основе анализа  механических свойств породы, распределения  напряжений в пласте и предварительных  экспериментов.

4. Подбор проппанта с соответствующими  прочностными свойствами, расчет  объема и концентрации проппанта,  необходимых для получения трещины  с заданными свойствами.

5. Подбор жидкости разрыва с  подходящими реологическими свойствами  с учетом характеристик пласта, проппанта и геометрии трещины.

6. Расчет необходимого количества  жидкости разрыва и определение  оптимальных параметров нагнетания  с учетом характеристик жидкости  и проппанта, а также технологических  ограничений.

7. Расчет экономической эффективности  проведения ГРП.

Совместными усилиями Американского газового исследовательского института (GRI) и крупнейших нефтяных и газовых компаний США (Mobil Oil Co., Amoco Production Co., Schiumberger и др.) разработан новый технологический комплекс, включающий в себя мобильное оборудование GRI для тестирования и контроля качества операции ГРП, агрегат GRI для исследования реологии, трехмерную компьютерную программу  для "дизайна" трещины FRACPRO, приборы  для определения профиля напряжений в пласте и микросейсмическую  технику для определения высоты и азимута трещины.

Использование новой технологии позволяет подобрать  жидкость разрыва и проппант, максимально  соответствующие конкретным условиям, и проконтролировать распространение  и раскрытие трещины, транспортировку  проппанта во взвешенном состоянии  вдоль всей трещины, успешное завершение операции. Знание профиля напряжений в пласте позволяет не только определить давление гидроразрыва, но и предсказать  геометрию трещины. При высоком  различии напряжений в коллекторе и  в непроницаемых барьерах трещина  распространяется на большую длину  и меньшую высоту, чем в пласте с незначительной разницей этих напряжений. Учет всей информации в трехмерной модели позволяет быстро и достоверно прогнозировать геометрию и фильтрационные характеристики трещины. Апробация  новой технологии ГРП на шести  газовых месторождениях США (в шт.Техас, Вайоминг и Колорадо) показала ее высокую  эффективность для низкопроницаемых коллекторов.

В некоторых случаях гидравлический разрыв происходит при значительно  более низких давлениях, чем начальные  напряжения в пласте. Охлаждение пласта в результате закачки в нагнетательные скважины холодной воды, существенно  отличающейся по температуре от пластовой, приводит к снижению упругих напряжений и гидравлическому разрыву в нагнетательных скважинах при забойных давлениях, используемых при заводнении. Исследования, проведенные на месторождении Прадхо-Бей (США), показали, что полудлина трещин, появившихся таким образом, колеблется в пределах 6…60 м. В настоящее время общепризнано, что в нагнетательных скважинах при большом контрасте температур пласта и закачиваемой воды происходит гидравлический разрыв.

При проведении ГРП в наклонных скважинах, направление которых отклоняется от плоскости разрыва, возникают проблемы, связанные с образованием нескольких трещин от различных интервалов перфорации и с искривлением трещины вблизи скважины. Для создания единой плоской трещины в таких скважинах используется специальная технология, основанная на ограничении числа перфорационных отверстий, определении их размеров, количества и ориентации по отношению к направлениям главных напряжений в пласте.

В последние годы разрабатываются  технологии применения ГРП в горизонтальных скважинах. Ориентация трещины по отношению к оси скважины определяется направлением горизонтального ствола по отношению к азимуту минимального главного напряжения в пласте. Если горизонтальный ствол параллелен направлению минимального главного напряжения, то при гидроразрыве образуются поперечные трещины. Разработаны технологии создания нескольких трещин в одной горизонтальной скважине. В этом случае число трещин определяется с учетом технологических и экономических ограничений и обычно составляет 3.-.4.

Первый  промысловый эксперимент по созданию нескольких трещин в наклонной скважине был проведен компанией Mobil в 60-х  годах. Гидроразрывы в нефтяных горизонтальных скважинах проводились на месторождениях в датской части Северного  моря . На газовом месторождении  в Северном море (Нидерланды) в пласте с проницаемостью 1-10 ^-3 мкм ² в горизонтальной скважине созданы две поперечные трещины.

Крупнейший  проект осуществлен на газовом месторождении  Золинген в Северном море (Германия), характеризующемся сверхнизкой  проницаемостью (10^-6. ..10 ^-4мкм²), средней пористостью 10…12 % и средней толщиной пласта около 100 м. В горизонтальном стволе с длиной 600 м создано четыре поперечные трещины, полудлина каждой из которых составляет около 100 м. Пиковый дебит скважины был 700 тыс. м ³/сут, в настоящее время скважина работает со средним дебитом 500 тыс.м ³/сут.

Если  горизонтальный участок скважины параллелен направлению максимального горизонтального  напряжения, трещина гидроразрыва будет  продольной по отношению к оси  скважины. Продольная трещина не может  дать значительного увеличения дебита горизонтальной скважины, но сама горизонтальная скважина с продольной трещиной может  рассматриваться как трещина  очень высокой проводимости. Учитывая, что рост проводимости является определяющим фактором увеличения дебита скважин  с трещинами в средне- и высокопрони-цаемых пластах, при разработке таких пластов  возможно использование гидроразрыва в горизонтальных скважинах с  образованием продольных трещин. Опытные  работы по определению эффективности  продольных трещин, проведенные на месторождении Купарук-Ривер (Аляска) в четырех горизонтальных скважинах, показали, что продуктивность в среднем  увеличилась на 71 %, а затраты на 37 %. Во всех случаях выбор между  проектированием вертикальных скважин  с ГРП, горизонтальных скважин или  горизонтальных скважин с ГРП  осуществляется на основе оценки экономической  эффективности той или иной технологии.

Технология импульсного гидроразрыва позволяет создавать в скважине несколько радиально расходящихся от ствола трещин, что может эффективно использоваться для преодоления скин-эффекта в призабойной зоне, особенно в средне- и высокопроницаемых пластах .

Гидроразрыв средне- и высокопроницаемых  пластов является одним из наиболее интенсивно развивающихся в настоящее время методов стимулирования скважин. В высоко-проницаемых пластах основным фактором увеличения дебита скважины вследствие ГРП является ширина трещины, в отличие от низкопроницаемых пластов, где таким фактором является ее длина. Для создания коротких широких трещин используется

технология  осаждения проппанта на конце  трещины (TSO-tip screen out) , которая состоит  в продавливании проппанта в  первую очередь к концу трещины  путем постепенного увеличения его  концентрации в рабочей жидкости в ходе обработки. Осаждение проппанта  на конце трещины препятствует ее росту в длину. Дальнейшая закачка  жидкости, несущей проппант, приводит к увеличению ширины трещины, которая  доходит до 2,5 см, тогда как при обычном ГРП ширина трещины составляет 2…3 мм. В результате эффективная проводимость трещины (произведение проницаемости и ширины) составляет 300…3000 мкм ²м. Для предотвращения выноса проппанта в ходе последующей эксплуатации скважины технология TSO обычно сочетается либо с использованием смолопокрытого проппанта, который схватывается и оказывает сопротивление вязкому трению во время добычи, либо с гравийной набивкой, когда проппант удерживается в трещине при помощи фильтра (Frac-and-Pack). Эта же технология используется для предупреждения прорастания трещины к во-до-нефтяному контакту. Технология TSO успешно применяется на месторождении Прадхо-Бей (США), в Мексиканском заливе, Индонезии, Северном море.

Создание  коротких широких трещин в скважинах, вскрывающих средне- и высокопроницаемые  пласты, дает хорошие результаты при  значительном ухудшении коллекторских  свойств в призабойной зоне как  средство увеличения эффективного радиуса  скважины; в многопластовых песчаных коллекторах, где вертикальная трещина  обеспечивает непрерывную связь  тонких песчаных пропластков с зоной  перфорации; в коллекторах с миграцией  мельчайших частиц, где за счет снижения скорости течения вблизи ствола скважины предотвращается вынос песка; в  газовых пластах для снижения негативных эффектов, связанных с  турбулизацией потока вблизи скважины. К настоящему времени в США  проведено более 1 млн успешных ГРП, обработано более 40 % фонда скважин, в результате чего 30 % запасов нефти  и газа переведено из забалансовых в промышленные. В Северной Америке  прирост добычи нефти в результате применения ГРП составил около 1,5 млрд. м ³.

В конце 70-х годов с созданием  новых прочных синтетических  проппантов начался подъем в области  применения ГРП на газовых и нефтяных месторождениях Западной Европы, приуроченных к плотным песчаникам и известнякам, расположенным на больших глубинах. К первой половине 80-х годов приурочен  второй пиковый период в проведении операций ГРП в мире, когда число  обработок в месяц достигало 4800 и было направлено в основном на плотные газовые коллекторы. В  Европе основные регионы, где проводился и проводится массированный ГРП, сосредоточены на месторождениях Германии, Нидерландов и Великобритании в  Северном море, и на побережье Германии, Нидерландов и Югославии. Локальные гидроразрывы проводятся также на норвежских месторождениях Северного моря, во Франции, Италии, Австрии и в странах Восточной Европы.

Наиболее  крупные работы по проведению массированных  ГРП были предприняты в Германии в газоносных пластах, расположенных  на глубине 3000…6000 м при температуре 120…180 °С. В основном здесь использовались средне- и высокопрочные искусственные проппанты. В период 1976-1985 гг. в Германии было проведено несколько десятков массированных ГРП. Расход проппанта при этом составлял в большинстве случаев порядка 100 т/скв., в трети случаев – 200 т/скв., а при проведении наиболее крупных операций доходил до 400...650 т/скв. Длина трещин варьировалась от 100 до 550 м, высота от 10 до 115 м. В большинстве случаев операции оказались успешными и привели к увеличению дебита в 3...10 раз. Неудачи при проведении отдельных ГРП были связаны в основном с высоким содержанием воды в пласте.

Крепление трещин гидроразрыва в нефтесодержащих  пластах, в отличие от газосодержащих, осуществлялось в основном с использованием песка, поскольку глубина залегания  этих пластов составляет всего 700…2500 м, лишь в некоторых случаях использовались среднепрочные проппанты. На нефтяных месторождениях Германии и Нидерландов  расход проппанта составлял 20…70 т/скв., а в Венском бассейне Австрии  оптимальный расход проппанта составлял  всего 6…12 т/скв. Успешно обрабатывались как старые, так и новые добывающие скважины с хорошей изоляцией  соседних интервалов.

Газовые месторождения Великобритании в  Северном море обеспечивают около 90 % потребности  страны в газе и сохранят доминирующую роль в газоснабжении до конца  века. Расход проппанта при ГРП  в газоносных песчаниках, расположенных  на глубинах 2700.-.3000 м, составлял 100… 250 т/скв. [II]. Причем если сначала трещины  закрепляли либо песком, либо средне- или  высокопрочным синтетическим проппантом, то с начала 80-х годов получила распространение технология последовательной закачки в трещину проппантов, различающихся как по фракционному составу, так и по другим свойствам. Согласно этой технологии в трещину  сначала закачивалось 100…200 т песка  с размером зерен 20/40 меш, затем 25…75 т среднепрочного проппанта с  размером зерен 20/40 или 16/20. В некоторых случаях успешно использовался трехфракционный метод с последовательной закачкой проппантов 20/40, 16/20 и 12/20 либо 40/60, 20/40 и 12/20.

Наиболее  распространенный вариант двухфракционного гидроразрыва состоял в закачке  основного объема песка или среднепрочного проппанта типа 20/40 с последующей  закачкой средне- или высокопрочного проппанта типа 16/20 или 12/20 в количестве 10…40 % общего объема. Имеются различные  модификации этой технологии, в частности, хорошие результаты дает первоначальная закачка в трещину тонкозернистого  песка типа 40/70 или даже 100 меш, затем  основного количества песка или  проппанта типа 20/40, и завершение трещины прочным крупнозернистым  проппантом 16/20 или 12/20. Преимущества такой  технологии состоят в следующем: