Гидроразрыв пласта

Введение

В увеличении добычи нефти большое значение, несомненно, имеют методы воздействия на призабойную зону скважин.

Для обеспечения высокого уровня добычи нефти и газа, наряду с разведкой и освоением новых месторождений, особое внимание уделяется увеличению нефтеотдачи и интенсификации добычи нефти.

Во многих случаях для этого необходимо проводить интенсификацию притока, которая позволяет очистить призабойную зону, загрязненную после бурения и цементирования, освоения и ремонта или после продолжительной эксплуатации.

Восстановление проницаемости продуктивных отложений можно достичь путем проведения химических и физико-химических операций, комплексно воздействующих на призабойную зону пласта. В связи с тем, что существует множество причин нарушения гидродинамической связи пласта со скважинами, в настоящее время разработано и используется довольно большое число способов устранения этих нарушений.

Одним из таких способов является гидравлический разрыв пласта. Этот способ используется в пластах, представленных твердыми, плотными породами (песчаники, известняки, доломиты и т.д.) с низкой проницаемостью.

Гидравлический разрыв, воздействуя на пласты и призабойную зону, повышает производительность скважин, одновременно ускоряет отбор нефти и увеличивает нефтеотдачу. Повышение производительности скважин и нефтеотдачи пласта обусловливает широкое применение метода при разведке и разработке нефтяных месторождений.

Гидравлический разрыв может быть определен как физический процесс, при котором порода разрывается по плоскостям минимальной прочности благодаря воздействию на пласт давления, создаваемого закачкой в скважину флюида. После разрыва давление флюида увеличивает трещину, обеспечивая ее связь с системой естественных, природных трещин, не вскрытых скважиной, а также с зонами повышенной проницаемости, расширяя, таким образом площадь дренажа скважины и способствуя значительному увеличению ее дебита.

Совершенствование теоретических знаний одновременно с улучшением характеристик функционирования, жидкостей разрыва и расклинивающих материалов обеспечили достижение коэффициента успешности операции трещинообразования, близкого к 90%. Положительные результаты привели к общему признанию этого способа в качестве необходимого этапа в освоении эксплуатационных или нагнетательных скважин, которые вскрывают плотные пласты, представленные твердыми породами.

В настоящее время накоплен достаточно большой опыт по применению ГРП, обработка и анализ которого дадут возможность усовершенствовать технику и технологию метода.

1. Геологическое строение Малодушинского месторождения

1.1 Общие сведения о месторождении

В административном отношении Малодушинское нефтяное месторождение находится в Речицком районе Гомельской области.

Ближайшими к территории месторождения населёнными пунктами являются Василевичи, Бабичи, Луки, ближайшие города ― Речица, Гомель. Ближайшей шоссейной дорогой является трасса Речица ― Хойники. Имеется сеть грунтовых дорог, трудно проходимых в осеннее-весений дождливый период. К северо-западу от месторождения вдоль шоссейной дороги Гомель―Калинковичи проходит нефтепровод «Дружба».

Территория Малодушинского месторождения представляет слегка всхолмленную, заболоченную равнину, значительная часть которой покрыта хвойным и лиственным лесом.

Абсолютные отметки поверхности земли составляют +100 ― +130 м. Гидрографическая сеть района представлена реками: Днепром и Березиной и их притоками, а также имеется широкая сеть мелиоративных каналов и небольших водоёмов. Реки характеризуются широкими заболоченными поймами и спокойным течением.

Климат умеренно-континентальный. Средняя температура января -4,4ºС, июля +17ºС, среднегодовая температура воздуха +7ºС. Годовое количество осадков достигает 585―648 мм, причем наибольшее количество их выпадает в летнее время.

Месторождение введено в промышленную разработку в 1979 г.

1.2 Краткая характеристика стратиграфии и литологии осадочного разреза месторождения

Геологический разрез Малодушинского месторождения сложен архейско-протерозойскими породами кристаллического фундамента и осадочными образованиями, начиная с верхнего протерозоя и заканчивая мезокайнозойскими отложениями. Полная мощность осадочного чехла вскрыта тремя скважинами и составляет от 3344,2 м до 4430 м.

Архей-протерозойская группа. Породы архей-протерозойской группы в пределах Малодушинского месторождения представлены: биотитово-амфиболитовыми плагиогнейсами чёрными, трещиноватыми; гранито-гнейсами, биотитовыми гнейсами с реликтами гранитов, в кровле ─ корой выветривания гранитов, т.е. глиноподобной гидрослюдистой монтмориллонитовой ожелезненной массой (3,3 м). Вскрытая мощность составляет от 3 м до 37 м.

Верхнепротерозойская группа, эокембрий. Эокембрийскими отложениями начинается осадочный чехол месторождения. Литологически породы представлены песчаниками светло-серыми, кварцевыми, слюдистыми, массивными, среднезернистыми с прослоями глин тёмно-серых, песчанистых, массивных, и ангидритов светло-розовых крупнозернистых, массивных.

Вскрытая мощность составляет от 3 м до 15 м.

Палеозойская группа. Отложения палеозойской группы залегают на нижележащих породах с резким угловым и стратиграфическим несогласием. В пределах описываемого района палеозойская группа представлена девонской, каменноугольной и пермской системами.

Девонская система. Представлена средним и верхним отделами.

Средний отдел. Подразделяется на эйфельский и живетский ярусы.

Эйфельский ярус. Включает витебско-пярнуские и наровские отложения.

Витебско-пярнусский горизонт. На описываемой территории отложения витебско-пярнусского горизонта распространены повсеместно, на нижележащих отложениях залегают с несогласием. Представлены глинами аргилитоподобными, зеленовато-серыми с тёмно-красными пятнами, микрочешуйчатыми, гидрослюдистыми, не слоистыми, песчано-алевритовыми, неравномерно доломитизированными. Ниже глины постепенно переходят в гравелиты светло-серые, разнозернистые, полешпатово-кварцевые с глинисто-карбонатным сульфатным цементом, с тонкими прослоями глины. В нижней части интервала встречаются обломки розовато-серых гранитов. Мощность отложений составляет 16-17 м.

Породы наровского горизонта согласно залегают на пярнуских, распространены по всей площади.

Отложения представлены в нижней части мергелями доломитовыми, пестроцветными, с прослоями глин гидрослюдистых, доломитовых, с примесью песчано-алевритового материала и ангидрита, с прослоями песчаников и глин; выше по разрезу преобладающее положение постепенно занимают глины красновато-бурые или тёмно-серые, доломитистые, слабослюдистые, с прослоями песчаников и алевролитов. Мощность горизонта варьирует от 50 м до 62,2 м.

Живетский ярус. Отложения староскольского горизонта с перерывом залегают на нижележащих породах, имеют повсеместное распространение и представлены пестроцветными песчано-алевролитово-глинистыми породами, равномерно чередующихся между собой. Мощность горизонта составляет 47 м―108,4 м.

Верхний отдел. Представлен отложениями франского и фаменского ярусов.

Франский ярус. Включает ланский, саргаевский, семилукский, речицкий, воронежский, евлановский и ливенский горизонты.

Ланский горизонт имеет повсеместное распространение. Представлен песчаниками, алевролитами, глинами аргилитоподобными. Мощность горизонта меняется от 21 м до 60,6 м.

Саргаевский горизонт повсеместно распространён на месторождении. Представлен карбонатными породами: известняками, доломитами, мергелями. В нижней части горизонта наблюдается переслаивание глинистых и слабоглинистых доломитов. Мощность горизонта меняется от 37,2 м до 48 м.

Семилукский горизонт на описываемой территории распространён повсеместно. Представлен в основном доломитами ангидритизированными, кавернозными с многочисленными нефтяными признаками. Местами наблюдаются глинистые прослои, встречаются остатки фауны. В нижней части горизонта встречаются прослои известняков. Мощность горизонта составляет от 24,4 м до 28 м.

Речицкий горизонт регионально перекрывает семилукские отложения. Представлен глинами слоистыми, гидрослюдистыми, известняковыми, с растительными остатками и микрозёрнами пирита, в верхней части горизонта встречаются прослои мергелей, а также известняков. Мощность горизонта изменяется от 18 м до 35 м.

Воронежский горизонт имеет повсеместное распространение, залегает согласно на отложениях речицкого горизонта. Отложения горизонта подразделяются на две пачки: нижнюю и верхнюю.

Нижняя пачка представлена, в основном, известняками серыми, глинистыми, неясно слоистыми с редкими остатками фауны. Мощность пачки ― от 34 м до 42 м.

Верхняя пачка представлена известняками тёмно-серыми, с прослоями ангидрита светло-серого; в нижней части пачки ― доломиты. Мощность пачки 40―42 м.

Общая мощность воронежского горизонта меняется от 75 м до 95,6 м.

Евлановский горизонт повсеместно перекрывает воронежские отложения. Литология горизонта довольно разнообразна. Глинисто-ангидритовые породы переслаиваются с известняками, доломитами, мергелями, песчаниками. Мощность горизонта составляет 124 м ― 174 м.

Ливенский горизонт распространён повсеместно. Отложения ливенского горизонта представлены каменной солью с прослоями глинистых, карбонатных и сульфатных пород. Мощность горизонта меняется в пределах: от 299 м до 943 м.

Фаменский ярус. Подразделяется на домановичский, задонский, елецкий, петриковский, лебедянский и полесский горизонты.

Отложения домановичского, задонского, елецкого и петриковского горизонтов в пределах площади отсутствуют в узкой полосе простирающейся с северо-запада на восток. В северном и южном направлениях от зоны отсутствия этих отложений происходит постепенное увеличение мощности горизонта.

Отложения этих горизонт представлены известняками, мергелями. Широко распространены прослои туфогенных пород. Мощность отложений изменяется от 0 м до 842 м.

Лебедянский горизонт. Представлен переслаиванием терригенно-карбонатных пород: ангидритов, песчаников, глин, известняков, доломитов, мергелей с каменной солью. Мощность горизонта составляет 334―2643 м.

Нерасчленённые отложения каменноугольной системы и дансковского горизонта верхнего девона залегают согласно на нижележащих породах, представлены преимущественно глинами с прослоями различных песчано-карбонатных пород: песчаников, алевролитов, доломитов, мергелей, известняков. Мощность меняется от 59 м до 1534 м.

Пермская система представлена переслаиванием песчаников, песков и алевролитов. Мощность варьирует от 34 м до 204 м.

Мезозойская группа включает отложения триасовой, юрской и меловой систем.

Триасовая система. Представлена пестроцветными глинами с редкими прослоями песчаников. Мощность― от 38 м до 361 м.

Юрская система. Нижняя часть ― песчано-глинистая; верхняя ― известково-мергелистая. Мощность колеблется от 100 до 170 м.

Меловая система. Отложения представлены внизу ― тёмно-серыми плотными глинами; выше ― глауконитовыми песчаниками; вверху ― писчим мелом. Мощность ― от 58 м до 184 м.

Кайнозойская группа. Палеогеновая и четвертичная системы. Представлены кварцевыми песками с редкими прослоями серой глины; выше―песками с галькой изверженных пород и суглинками. Мощность меняется от 0 до 154 м.

1.3     Тектоническая характеристика продуктивных горизонтов

Малодушинское месторождение относится к северной тектонической зоне Припятской впадины.

В осадочном чехле в пределах Малодушинской структуры, как и всей Северной тектонической зоне впадины, по данным структурно-формационных исследований выделяются три структурных этажа, отражающие основные этапы её развития: нижний, средний и верхний.

Нижний структурный этаж представлен подсолевыми отложениями, соответствует платформенному этапу развития впадины. Он характеризуется блоковым строением, сложившимся в результате тектонических подвижек фундамента по разломам. Локальные структуры подсолевых отложений представляют собой моноклинали или слабо выраженные гемиантиклинали. Моноклинальный блок обычно ограничен субширотным региональным разломом и субмеридиальными разломами. Малодушинское месторождение ограничено с запада, юга и востока региональным сбросом. Амплитуда регионального субширотного сброса составляет 1000 м.

Поднятие характеризуется моноклинальным залеганием пород с общим падением в северном направлении, угол падения пород составляет, в среднем, 20º, амплитуда поднятия 400 м в пределах изогипсы 3700 м, площадь поднятия составляет 15 км×1,4 км.

Средний структурный этаж объединяет нижнесоленосные, межсолевые, верхнесоленосные, надсолевые девонские и каменноугольные отложения, соответствует авлакогеновому этапу развития впадины. Он характеризуется пликативно-блоковыми структурными формами, обусловленными как тектоническими движениями фундамента, так и влиянием соляного тектогенеза нижней соленосной толщи.

Верхний структурный этаж включает пермские и мезо-кайнозойские отложения, соответствует позднеплатформенному этапу развития припятской впадины. Он характеризуется уменьшением степени дислоцированности пород.

Палеогеновые и антропогеновые отложения залегают почти горизонтально.

1.4   Нефтегазоносность

Промышленная нефтеносность Малодушинского месторождения связана с подсолевыми отложениями (воронежский и семилукский горизонты). Непромышленные притоки получены при испытании межсолевых отложений (скв. 31, 16).

Пласты-коллекторы семилукской залежи представлены, в основном, доломитами трещиноватыми и кавернозными.

Тип залежи пластовая, тектонически экранированная. Нефтенасыщенная толщина в среднем составляет 16 м, максимальные её значения приурочены к северо-западной части залежи, закономерно увеличиваясь от приконтурной зоны к её сводовой части.

В настоящее время залежь разрабатывается с поддержанием пластового давления методом приконтурного заводнения.

Коллекторами воронежской залежи являются доломитизированные известняки пористо-кавернозные, трещиноватые. Они выделены только в нижней пачке воронежского горизонта. Максимальные нефтенасыщенные толщины приурочены к приконтурной зоне западного блока воронежской залежи. Залежь имеет линзовидное строение и разрабатывается единичными скважинами. Разработка её осуществляется на естественном режиме.

Основным объектом разработки является залежь семилукского горизонта. Залежь воронежского горизонта эксплуатируется единичными скважинами.

Залежь нефти семилукского горизонта имеет блоковое строение (центральный и восточный) и содержит основной объём (98,4%) извлекаемых запасов.

Запасы нефти:

Воронежский горизонт

Балансовые 222 у. е.

Извлекаемые 44 у. е.

Семилукский горизонт

Балансовые 5792 у. е.

Извлекаемые 2675 у. е.

2. Описание технологии разрыва пластов для различных условий

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) - это метод образования новых трещин или расширение некоторых существующих в пласте вследствие нагнетания в скважину жидкости или пены под высоким давлением. Чтобы обеспечить высокую проницаемость, трещины наполняют закрепляющим агентом, например кварцевым песком. Под действием горного давления закрепленные трещины смыкаются не полностью, в результате чего значительно увеличивается фильтрационная поверхность скважины, а иногда включаются в работу и зоны пласта с лучшей проницаемостью.

ГРП применяется для:

интенсификации скважин (в первую очередь с загрязнённой призабойной зоной) путём увеличения эффективного радиуса за счёт создания высокопроводящих трещин;

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

ввода в разработку низкопроницаемых залежей с потенциальной производительностью скважин в 2―3 раза ниже уровня рентабельной добычи, и перевода забалансовых запасов в промышленные;

разработки сложных расчленённых и неоднородных пластов, характеризующихся высокой степенью прерывистости, путём комплексной оптимизации системы разработки с целью увеличения темпа отбора извлекаемых запасов и повышения нефтеотдачи за счёт вовлечения в активную разработку слабо дренируемых зон и пропластков и увеличения охвата пласта.

Для проведения ГРП пласты должны иметь следующие геолого-физические характеристики:

неоднородность по простиранию;

высокую расчленённость;

выдержанность и толщину литологических экранов;

выработанность извлекаемых запасов не более 30%;

запас пластовой энергии и достаточную мощность пласта, обеспечивающие окупаемость ГРП.

Основными ограничениями на применение ГРП являются:

водонефтяные и газонефтяные зоны (опасность ускоренного конусообразования);

истощённые пласты с низкими остаточными запасами и нефтенасыщенные линзы малого объёма (не обеспечивается окупаемость ГРП).

Для проведения гидравлического разрыва пласта применяют три технологические схемы:

однократный, когда воздействию закачиваемой жидкости гидроразрыва подвергаются все пласты или пропластки, эксплуатируемые скважиной;

многократный, когда последовательно гидроразрыву подвергаются два или более пластов или пропластков, вскрытых скважиной;

поинтервальный (направленный) гидроразрыв пласта, когда разрыву преднамеренно подвергается один заранее определенный пласт или пропласток из вскрытых скважиной.

Образование двух или более трещин в пределах вскрытой толщины пласта может произойти и вследствие разрыва пласта по технологической схеме однократного гидроразрыва, если пласт представлен чередующимися пропластками, а давление разрыва приближается к геостатическому давлению (полному горному). Однако методом многократного разрыва пласта принято называть метод преднамеренного образования нескольких трещин. Практические результаты показывают, что применение технологии однократного гидроразрыва малоэффективно, особенно в скважинах, вскрывших два и более пластов. Образование новых трещин или раскрытие существующих возможно, если давление, созданное в пласте при нагнетании жидкости из поверхности, становится больше местного горного давления. Заметим, что образование новых трещин характеризуется резким снижением давления в устье скважины на 3-7 МПа. Раскрытие существующих трещин происходит при постоянном давлении или его незначительном увеличении. В обоих случаях возрастает коэффициент приемистости скважины, который после ГРП должен увеличиться как минимум в 3-4 раза, что считают критерием возможности закрепления трещин песком.

Трещины ГРП в неглубоких (до 900 м) скважинах имеют горизонтальную ориентацию, а в глубоких - вертикальную, наклонную, близкую к вертикальной. Трещины развиваются в той плоскости, где отмечаются наименьшие силы сопротивления, т.е. наименьшее горное давление.

ГРП применяют в любых породах, кроме пластичных сланцев и глин. Это метод не только восстановления природной продуктивности скважин, но и значительного ее увеличения.

Применяемые технологии обычных ГРП ньютоновскими жидкостями предполагают закрепление трещин (около 5-10 т песка при концентрации 50-200 кг/м³) и обеспечивают двух ― трехкратное увеличение текущего дебита нефтяных, газовых или приемистости нагнетательных скважин в низкопроницаемых пластах с загрязненной призабойной зоной.

С увеличением количества песка до 20 т проводят глубокопроникающий гидравлический разрыв (ГГРП), который содействует значительному увеличению фильтрационной поверхности, изменяет характер притока жидкости от радиального к линейному с подключением новых зон пласта изолированных вследствие макронеоднородности. Трещины такого ГРП достигают 100-150 м в длину при ширине 10-20 мм.

Технологии мощных ГРП (МГРП) осуществляются неньютоновскими жидкостями - гелями, которые обладают очень большой кажущейся вязкостью, меньшими гидравлическими потерями и высокой несущей способностью закрепляющего агента - керамического проппанта (до 1000 кг/м³), обеспечивают увеличение проводимости широких закрепленных трещин в несколько раз по сравнению с обычным ГРП. Увеличение проводимости трещин МГРП достигается за счет значительного повышения концентрации закрепляющего агента до 300-800 кг/м³ в гелях, а общее количество закрепляющего агента может оставаться на уровне 6-20 т. Продолжительность эффекта увеличения дебита скважин после МГРП обычно составляет 1,5-3 г.

В газоносных пластах проницаемостью до 0,001 мкм² применяют массивный ГРП высоковязкими гелями, во время которого развиваются трещины длиной до 1000 м, закрепленные проппантом в количестве до 300 т. Массивный ГРП - очень дорогостоящий, поэтому он предусмотрен в смете строительства скважины и увеличивает ее стоимость на 50%.

При мощных и массивных ГРП используют дорогостоящую технику, при обычных ГРП могут применяться отечественные техника и материалы (жидкости, закрепляющие агенты, пакеры, оборудование устья).

Сравнение показателей эффективности обычных ГРП и МГРП, а также стоимости этих процессов свидетельствует, что, несмотря на значительно меньшую добычу нефти после обычных ГРП, экономически они вполне конкурентоспособны вследствие меньшей стоимости.

При обычных ГРП фильтрующейся жидкостью развиваются глубокие (50-100 м) трещины небольшой ширины (3-5 мм) в глубь продуктивного пласта (а не вверх или вниз, как при МГРП гелями). При этом практически не возникают ситуации выпадания закрепляющего агента или упаковки трещины, сопровождающейся ростом давления до допустимого. После этого в стволе скважины остается большая пробка закрепителя. Таким образом, обычные ГРП фильтрующими жидкостями имеют хорошие технико-экономические показатели, осуществляются с меньшими осложнениями, и их следует применять в дальнейшем наряду с новыми технологиями.

Технология обычных ГРП осуществляется по следующей схеме.

Для проведения обычных ГРП в скважину на НКТ опускают пакер, который делит ее ствол на две части и защищает верхнюю часть эксплуатационной колонны от высокого давления. Устье скважины обустраивают арматурой, например 2АУ-700, на рабочее давление до 70 МПа. Все насосные агрегаты (до 10) для нагнетания жидкостей ГРП, например 4АН-700, обвязывают с арматурой устья скважины через блок манифольда (1БМ-700). Жидкости для ГРП транспортируют автоцистернами вместимостью по 20 м³ либо сливают в стационарный резервуар (по 50 м³) общей вместимостью 100-300 м³. Вспомогательные насосные агрегаты (ЦА-320М) закачивают жидкость в пескосмеситель (4ПА), из которого центробежным насосом вначале только жидкость, а затем жидкость с песком направляются на выход насосных агрегатов (4АН-700) для нагнетания в скважину.

Чтобы провести ГРП, из скважины поднимают НКТ и другое глубинное оборудование (насосное, газлифтное), шаблонируют эксплуатационную колонну, спускают пакер на НКТ и спрессовывают их. Процесс ГРП начинается с проверки приемистости скважины при наименьшем расходе жидкости разрыва, которую постепенно увеличивают, например, от 250 до 450, 900, 1500 м³/сут, вплоть до значения, при котором обеспечивается закрепление трещин (2000-3000 м³/сут). Далее нагнетают жидкость-песконоситель, обычно концентрацией Сп песка 50-200 кг/м³. Концентрация зависит от вязкости жидкости. В завершение процесса необходимо вытеснить смесь жидкости с песком из ствола скважины в пласт продавливающей жидкостью и закрыть НКТ, пока давление в скважине не снизится до атмосферного. После поднимают НКТ с пакером и спускают глубинное оборудование для эксплуатации скважины. Обычные ГРП проводят ньютоновскими жидкостями. Для проведения обычных ГРП требуется закрепляющий агент (кварцевый песок) в количестве Q_пс = 10÷20 т, фракции 0,6…1 мм, жидкость разрыва пласта (V_р = 10÷ЗО м³), жидкость-песконоситель (Vп = 100÷300 м³), жидкость для продавливания в пласт (Vпр) песконосителя в объеме той части полости скважины, по которой поступают жидкости. Небольшую часть жидкости-песконосителя без закрепителя, нагнетаемую после жидкости разрыва для предварительного раскрытия трещин, называют буферной жидкостью. Жидкость разрыва пласта должна быть совместимой с пластовыми флюидами, хорошо фильтроваться в низкопроницаемую породу, не уменьшать ее проницаемости, не греть, быть доступной, недорогостоящей, поэтому часто используют водные растворы ПАВ. Жидкость-песконоситель должна быть совместимой с пластовыми флюидами, иметь свойство удерживать песок, плохо фильтроваться сквозь поверхность трещин, не гореть, быть доступной и недорогостоящей. Для обычных ГРП применяют водные растворы с добавкой 0,1-0,3% ПАВ и полимеров (ПАА, КМЦ, ССБ). Например, в Предкарпатье применение 0,4%-водного раствора ПАА обеспечивает развитие и закрепление трещин песком в количестве до 10т при концентрации С_п = 100 кг/м³, объеме жидкости 100 м³ и расходе 2000-3000 м³/сут с применением раствора 0,4%-ного ПАА. Возможно, также проведение процесса поэтапно в течение двух-трех дней с закреплением трещин 24-72 т песка по технологии, осуществляемой в НГДУ «Долинанефть».

Для глубокопроницаемых ГРП по технологии ВНИИнефти применяют неньютоновские жидкости с динамической вязкостью 50-200 мПа-с при скорости сдвига 650-1100 с^-1 (q = 2100÷3500 м³/сут) и температуре 20° С не менее 8 ч, стабильные (2 ч) при пластовой температуре. Также ВНИИКРнефтью предложена рецептура на водной основе, содержащая 1-2,5% КМЦ, 1-3% хроматов, 0,2-0,7% лигносульфата, 0,75-2,1% соли хлорноватой кислоты, которая применяется для пластовых температур 60-150° С. Новые типы песконосителей разработаны на Украине. Продавливающая жидкость должна быть маловязкой и не гореть. Обычно применяют водные растворы с добавкой 0,1-0,3% ПАВ. Для закрепления трещин в скважинах глубиной до 3000 м, как установлено практикой, пригоден кварцевый песок. В скважинах большей глубины, где обычно горное давление превышает 50-70 МПа, следует использовать более крепкие закрепители-проппанты.

2.1 Технология разрыва пласта для терригенных пород

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) - процесс обработки призабойной зоны скважины с целью расширения и углубления естественных и образования новых трещин в породах призабойной зоны. Достигается это путем создания высоких давлений на забоях скважин закачкой в пласт вязких жидкостей при больших расходах, что обеспечивает быстрое повышение давления на забое. Когда давление превысит гидростатическое примерно в 1,5-2,5 раза, произойдет разрыв или расслоение пласта, т.е. расширятся естественные и образуются новые трещины. Для сохранения трещин в раскрытом состоянии их заполняют песком, который вводят вместе с вязкой жидкостью. В дальнейшем эта жидкость извлекается из призабойной зоны в процессе эксплуатации скважины.

Создание в ПЗС одной или нескольких трещин, проникающих в пласт на десятки метров, приводит к увеличению проницаемости пласта в зоне распространения трещин и к значительному улучшению условий притока жидкости.

ГРП применяют для:

а) увеличения продуктивности нефтяных (газовых) и приемистости нагнетательных скважин;

б) регулирования притоков и приемистости по продуктивной толщине пласта;

в) создания водоизоляционных экранов в обводненных скважинах.

Различают три основных процесса ГРП:

а) однократный;

б) многократный;

в) поинтервальный (направленный).

При однократном разрыве предполагается образование одной трещины в продуктивной толщине пласта, многократном - нескольких трещин по всей вскрытой продуктивной толщине пласта; направленном - образование трещин в заранее предусмотренных интервалах толщины пласта.

До начала работ по ГРП определяют глубину забоя скважины, при необходимости промывают ее для удаления забойной пробки. Затем скважину исследуют на приток. Иногда для снижения давления разрыва и повышения эффективности процесса применяют гидропескоструйную перфорацию, солянокислотную обработку или перестрел интервала фильтра. Поскольку при ГРП в большинстве случаев (за исключением мелких скважин) давления превышают допустимые для обсадных колонн, то в скважину на НКТ спускают пакер, изолирующий кольцевое пространство и предохраняющий колонну от давления. Пакер спускают с якорем-устройством, предупреждающим смещение пакера по колонне (рис. 2.1), и устанавливают его выше верхних отверстий фильтра (кровли пласта). Устье оборудуют головкой, к которой подключают агрегаты для нагнетания рабочих жидкостей (рис. 2.2). Процесс ГРП состоит из следующих последовательных этапов (рис. 2.3):

) закачки в скважину жидкости разрыва для создания трещины в пласте;

) закачки жидкости-песконосителя;

3) закачки продавочной жидкости для проталкивания песка в трещины и предохранения их от смыкания.

По спущенным НКТ нагнетают сначала жидкость разрыва в таких объемах, чтобы создать на забое давление, достаточное для разрыва пласта. При этом непрерывно наблюдают за давлением и расходом жидкости на устье. Момент разрыва на поверхности отмечается резким увеличением расхода жидкости (поглотительной способности скважины) при одном и том же давлении на устье или резким уменьшением давления на устье при одном и том же расходе. Обычно о моменте гидроразрыва судят по условному коэффициенту

где Q - расход жидкости, м³/с;_y-давление на устье, МПа.

При резком увеличении К_y в процессе закачки жидкости разрыва происходит гидроразрыв пласта.

После разрыва пласта, не снижая давления, в скважину закачивают жидкость-песконоситель - вязкую жидкость, смешанную с песком (180-400 кг песка на 1 м³ жидкости), которая под воздействием продавочной жидкости (маловязкой углеводородной жидкости) проталкивается в НКТ и в пласт.

Общую продолжительность процесса гидроразрыва (в часах) можно определить по формуле

где Vp-объем жидкости разрыва, м³;

Vжп-объем жидкости-песконосителя м³;

Vпр-объем продавочной жидкости, м³;

Q - средний расход жидкости, м³/ч.

Потребное число агрегатов устанавливают, исходя из подачи одного агрегата q_аг и максимального расхода Qmax жидкости в процессе ГРП с учетом одного резервного агрегата:

В неглубоких скважинах для разрыва пласта жидкость обычно закачивают непосредственно в обсадную колонну.

При большой толщине продуктивного пласта проводят многократный разрыв, т.е. несколько разрывов в пласте за одну операцию.

Многократный ГРП с применением упругих пластмассовых шариков или закупоривающих материалов. Вначале проводят ГРП по обычной технологии, а затем в нагнетаемый поток жидкости вводят пластмассовые шарики диаметром 12-18 мм и плотностью, примерно равной плотности нагнетаемой жидкости. Один шарик может перекрыть одно перфорационное отверстие. Потоком жидкости шарики устремляются в те перфорационные отверстия, где скорость потока наибольшая (против интервала разрыва), упираются в них и перекрывают отверстия. Тем самым достигается уменьшение или даже прекращение потока жидкости в образовавшуюся трещину. Давление на забое возрастает, что вызывает образование новой трещины в другом прослое. Это контролируется на поверхности увеличением условного коэффициента К_y. Затем в поток снова вводят шарики без снижения давления (через специальное лубрикаторное устройство) для закупорки второй образовавшейся трещины. Таким образом осуществляют двух-, трех- или многократный разрыв пласта.

Аналогичным образом производят многократный ГРП с использованием временно закупоривающих веществ (например, зернистого парафина). В этом случае после получения первой трещины в скважину вместе с жидкостью вводят временно закупоривающие вещества, что приводит к закупорке образовавшейся трещины, к повышению давления и разрыву пласта в другом интервале. Затем в жидкость разрыва вновь вводят закупоривающее вещество и добиваются разрыва в новом интервале. Таким образом осуществляют многократный разрыв. При освоении скважины закупоривающие вещества либо растворяются в нефти (нафталин) и удаляются из трещин, либо выносятся потоком на поверхность (шарики из пластмассы).

Если в скважине общим фильтром разрабатывается несколько пластов или пропластков, то применяют поинтервальный ГРП, т.е. в заданном прослое. Такой гидроразрыв пласта осуществим, если эксплуатационные объекты изолированы слоями непроницаемых пород (например, глин), имеющих толщину нескольких метров, с хорошим перекрытием. Это необходимо для размещения пакеров и якорей выше и ниже намеченного для ГРП интервала, а также для предотвращения ухода жидкости в другие пласты.

В случае направленного разрыва интервал, предназначенный для этой цели, разобщают двумя пакерами (сверху и снизу зоны разрыва), после чего проводят разрыв.

Для определения глубины образовавшейся в процессе разрыва трещины в последнюю порцию песка добавляют некоторое количество песка, активированного радиоактивными изотопами. Сравнивая результаты гамма-каротажа по диаграммам, снятым до и после ГРП, определяют глубину с повышенной по сравнению с естественным фоном интенсивностью гамма-излучения, которая и характеризует глубину образовавшейся трещины.

При значительной толщине пласта или при наличии в скважине нескольких продуктивных горизонтов (пропластков) можно провести многократный поинтервальный ГРП путем последовательной перфорации каждого продуктивного интервала, проведения ГРП, последующей засыпки песком этого интервала, вскрытия перфорацией вышележащего объекта, проведения ГРП в этом интервале и т.д.

На рис. 2.4 показана последовательность многократного поинтервального ГРП в скважине, в которой планируется одновременная эксплуатация трех пропластков одним общим фильтром.

В этом случае применяют избирательную перфорацию нижнего пропластка в узком интервале, затем после установления пакера осуществляют гидроразрыв этого пропластка (см. рис. 2.4, а), применяют избирательную перфорацию среднего пропластка в узком интервале, засыпают песком скважину в интервале нижнего пропластка и проводят гидроразрыв среднего пропластка (см. рис. 2.4, б); применяют избирательную перфорацию верхнего пропластка в узком интервале, засыпают песком средний пропласток и проводят гидроразрыв верхнего пропластка (см. рис. 2.4, в). После этого промывают скважину до забоя, спускают оборудование и пускают скважину в эксплуатацию (см. рис. 2.4, г).

При планировании процесса ГРП необходимо знать объем жидкости разрыва, объем жидкости-песконосителя, концентрацию песка в ней и количество песка.

Объем жидкости разрыва устанавливают исходя из конкретных условий. По опытным данным при плотных породах (при вскрытой толщине пласта не более 20 м) объем жидкости разрыва следует устанавливать из расчета 4-6 м³ на 1 м толщины пласта. При вскрытой толщине пласта более 20 м-на каждые 10 м толщины количество жидкости разрыва должно быть увеличено на 1-2 м³.

Если пласт сложен из слабосцементированных пород, то количество жидкости разрыва увеличивают в 1,5-2 раза по сравнению с указанными.

Объем жидкости-песконосителя (в м³)

где Q_П-количество закачиваемого песка, кг;

С-концентрация песка в жидкости, кг/м³,

Концентрацию песка в жидкости-песконосителе определяют по эмпирической формуле

C=4000/u

где С-оптимальная концентрация песка, кг/м³;

u-скорость падения зерен песка, м/ч (эта скорость зависит от вязкости жидкости и определяется опытным путем).

Для заполнения трещин при ГРП используют кварцевые пески с размерами зерен 0,5 - 0,8 мм.

Количество песка Qn для закачки в пласт зависит от степени трещиноватости пород. При определении Qn учитывают конкретные условия и обычно основываются на опыте ранее проведенных ГРП. Обычно принимают Qn равным 8000 - 20000 кг.

В качестве рабочих жидкостей для ГРП используют углеводородные жидкости (сырую вязкую нефть, керосин или дизельное топливо, загущенные мылами, нефтекислотные эмульсии и др.) и водные растворы (вода, сульфит-спиртовая барда, загущенные растворы соляной кислоты и др.). Углеводородные жидкости применяют в нефтяных скважинах, а водные растворы-в нагнетательных.

Жидкость разрыва выбирают в соответствии с геолого-эксплуатационной характеристикой скважины, т.е. с учетом вязкости и фильтруемости, а жидкости-песконосители - с учетом ее способности удерживать песок во взвешенном состоянии.

На практике в качестве рабочей жидкости (жидкости разрыва, жидкости-песконосителя и продавочной) широко используют эмульсии (гидрофобную и гидрофильную водонефтяную, нефте-керосинокислотную и др.). Рабочая жидкость должна удовлетворять следующим требованиям:

не снижать абсолютную и фазовую проницаемости породы;

не содержать механических примесей, а при соприкосновении с пластовыми жидкостями и породой пласта не образовывать нерастворимых осадков;

обладать стабильной вязкостью в условиях обрабатываемого пласта в процессе проведения ГРП.

В качестве жидкости-песконосителя в соответствии с характеристикой пород пласта рекомендуется применять вязкие, слабофильтрующиеся жидкости, а в качестве продавочной - сырые, маловязкие нефти или воду, обработанную ПАВ. Продавочная жидкость при всех условиях должна обладать малой вязкостью и способствовать отмыву пласта от жидкости-песконосителя.

Песок при ГРП применяют для закрепления трещин и сохранения их высокой проницаемости после разрыва пласта и снижения давления.

Чтобы удержать трещину в раскрытом состоянии, песок должен быть хорошо отсортирован, не содержать пылеватых, илистых, глинистых и карбонатных частиц, а также обладать достаточной прочностью и не разрушаться во время сжатия (смыкания) трещины. Поэтому твердость песка должна быть выше твердости пород пласта.

2.2 Технология разрыва пласта для карбонатных пород

В карбонатных породах проводят гидрокислотные разрывы. Они пред-назначены для улучшения фильтрационных свойств пласта и призабойной зоны путем создания сети трещин, пустот, каналов разъедания. При взаимодействии соляной кислоты и карбонатных пород происходят следующие реакции:

для известняков

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂,

для доломитов

CaMg(CO₃)₂ + 4HCl = CaCl₂ + MgCl₂ + 2H₂O + 2CO_2.

Продукты реакции соляной кислоты с карбонатами - двухлористый кальций (CaCl₂) и двухлористый магний (MgCl₂) - хорошо растворимые в воде, а также остаток непрореагировавшей кислоты при промывке скважины извлекаются на поверхность. Углекислый газ (CO₂) в зависимости от давления либо растворяется в воде, либо выделяется в виде свободного газа и легко удаляется из скважины.

Под действием соляной кислоты в породах ПЗС образуются пустоты, каверны, каналы разъедания, вследствие чего увеличивается проницаемость пород, а, следовательно, и производительность нефтяных (газовых) скважин и приемистость нагнетательных скважин.

Концентрированную соляную кислоту разбавляют водой до заданного содержания HCl (рабочий раствор) на месте ее хранения или непосредственно у скважины перед началом операции.

Так как соляная кислота, поступающая с заводов, может иметь различную концентрацию, необходимо определить количество воды, потребное для ее разбавления до за данной концентрации.

Объем концентрированной товарной кислоты V_т, необходимо для получения объема V_р рабочего раствора заданной концентрации (в м³), определяют по формуле

Где р - плотность товарной кислоты, кг/м³;

р - плотность готового рабочего раствора, кг/м³;

Зная объем концентрированной товарной кислоты нетрудно определить количество воды, необходимое для смешивания с товарной кислотой для получения рабочего раствора заданной концентрации:

Раствор заданной концентрации приготавливают следующим образом.

Соответственно расчету в емкость наливают воду, добавляют ингибитор, стабилизатор и техническую соляную кислоту. После перемешивания добавляют хлористый барий, снова перемешивают до исчезновения хлопьев этого реагента, что контролируют анализом проб. Затем добавляют интенсификатор, перемешивают и далее дают раствору отстоятся до полного осветления и осаждения сернокислого бария.

Добавки ингибитора, стабилизатора и интенсификатора обычно настолько незначительны, что поправки на объемы этих реагентов не вводят.

К рабочему раствору соляной кислоты, как указывалось, добавляют следующие реагенты.

1. Ингибиторы-вещества, снижающие коррозионное воздействие кислоты на оборудование. Обычно ингибиторы добавляют в количестве до 1%.

В качестве ингибиторов используют: формалин (0,6%); уникод (0,1%); реагент И-1-А (0,4%) в смеси с уротропином (0,8%); катапин А (0,1%) и др. Указанные ингибиторы снижают коррозионную активность соляной кислоты от 7-8 (формалин) до 20 раз (катапин А).

2. Интенсификаторы-поверхностно-активные вещества (ПАВ), снижающие в 3-5 раз поверхностное натяжение на границе нефть-нейтрализованная кислота, ускоряющие и облегчающие очистку призабойной зоны от продуктов реакции и от отреагировавшей кислоты.

В качестве интенсификаторов применяют некоторые ингибиторы, такие как катамин А, ОП-10, ОП-7 и др.

3. Стабилизаторы-вещества, необходимые для удержания в растворенном состоянии некоторых продуктов реакции примесей раствора НСl с железом, цементом и песчаниками, а также для удаления из раствора соляной кислоты, вредной примеси серной кислоты и превращения ее в растворимую соль бария:

₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO4 + 2НС₂.

В этом случае раствор НСl перед закачкой в скважину обрабатывают раствором хлористого бария (ВаCl₂). Образующийся сернокислый барий (BaSO₄) удерживается в растворе и удаляется в жидком состоянии вместе с другими продуктами реакции.

В качестве стабилизатора используют уксусную и плавиковую кислоты.

Соляная кислота, взаимодействуя с глинами, образует соли алюминия, а с цементом и песчаником - гель кремниевой кислоты, выпадающие в осадок. Для удержания во взвешенном состоянии солей алюминия и геля кремниевой кислоты используют стабилизаторы-уксусную (СНзСООН) и плавиковую (фтористоводородную-HF) кислоты.

В целом технология проведения солянокислотного разрыва пласта аналогична простой, только вместо жидкости-песконосителя применяется соляная кислота.

3. Анализ технологии процессов ГРП проведённых в ПО «Белоруснефть»

В настоящее время наиболее актуальной задачей для ПО Белоруснефть является поддержание добычи нефти на достигнутом уровне. Важнейшая роль при этом отводится методам интенсификации притока нефти к забою скважины. Одним из наиболее перспективных методов воздействия на пласт является гидравлический разрыв пласта. В настоящее время в мировой практике накоплен большой опыт работ по ГРП. Значительные объемы таких работ выполнены и в ряде нефтегазодобывающих районов России, особенно в Западной Сибири.

Весь накопленный опыт может быть использован при внедрении ГРП на скважинах, эксплуатирующих низкопродуктивные пласты месторождений ПО Белоруснефть.

При рассмотрении перспектив внедрения ГРП в ПО Белоруснефть рассматривались и прорабатывались два варианта работ:

Первый вариант - привлечение специализированных фирм для выполнения работ по схеме сервисных услуг.

Второй вариант - закупка импортного оборудования и выполнение работ по ГРП собственными силами.

.1 Выбор скважин и подготовка геолого-промысловых данных для планирования ГРП

Оценка перспектив ГРП на нефтяных месторождениях ПО Белоруснефть показала, что фонд скважин, по которому можно ожидать окупаемость затрат, небольшой. Для установления соответствия выполненного прогноза фактической успешности работ по ГРП было принято решение включить в число первой группы опытных скважин, скважины как технологически успешные по прогнозу, так и неуспешные.

В результате выбора и обсуждения в первую группу скважин для выполнения опытных работ по ГРП включили следующие скважины: 238, 250 Речицкого, 72, 76 Мармовичского и 115 Вишанского месторождений. На выполнение работ по этим скважинам был заключен контракт с фирмой «Довелл Шлюмберже».

В конце 1996 - начале 1997 года институтом БелНИПИнефть по указанным скважинам для фирмы «Довелл Шлюмберже» была подготовлена исходная геолого-техническая информация, необходимая для расчета технологических режимов и процесса ГРП. В перечень информации входили сведения о пласте и скважине, истории ее работы. В качестве примера в таблице 3.2.1 приведены данные, которые институт БелНИПИнефть готовил и представлял фирме «Довелл Шлюмберже» по каждой скважине.

По каждой из скважин были выполнены гидродинамические исследования по оценке текущих фильтрационных свойств пласта, околоствольной зоны и пластового давления. Вся подготовленная информация по факсу была передана фирме «Довелл Шлюмберже».

Как показали гидродинамические исследования все выбранные для ГРП скважины относятся к низкодебитному фонду. Дебит жидкости по ним не превышает 6 т/сут., а нефти - 5 т/сут. (табл. 3.2.1). Околоствольная зона скважин 72, 76 Мармовичского и 250 Речицкого месторождений в значительной степени раздренирована. Показатель скин-эффекта по этим скважинам находится в пределах минус 7. Только по скважинам 238-Речицкая и 115-Вишанская показатель скин-эффекта - положительный (8,2 и 0,2 ед. соответственно). Замеры пластовых давлений по залежам показали, что они в значительной степени снижены. Так, по скважине 72-Мармовичская пластовое давление составляет 83% от гидростатического, по скважине 76-Мармовичская - 76% от гидростатического. По скважинам Речицкого месторождения эти показатели еще ниже - 59% по скважине 238 и 40% - по скважине 250. Только по скважине 115-Вишанской пластовое давление на 12% превышает гидростатическое.

Проницаемость пластов составляет (табл. 3.2.1.) по скважине 72-Мармовичская - 0,2 мД, по скважине 76-Мармовичская - 0,4 мД, по скважине 115-Вишанская - 11,4 мД, по скважине 238-Речицкая - 34 мД и по скважине 250-Речицкая - 0,8 мД.

После изучения фактического материала и выполнения соответствующих расчетов специалисты фирмы Шлюмберже приняли решение на скважинах 238-Речицкая (эксплуатирует ланский горизонт) и 250-Речицкая (эксплуатирует воронежский горизонт) провести гидравлический разрыв пласта с закачкой в трещины в качестве расклинивающего агента пропанта, а на скважинах 72 -, 76 - Мармовичская и 115 - Вишанская, работающих с задонского горизонта, провести гидрокислотный разрыв с закачкой порций 24%-ной соляной кислоты. Причем на скважинах 238 и 250-Речицкие перед основным разрывом для изучения свойств пластов и корректировки технологических режимов его проведения запланировали провести мини-разрыв.

3.2 Подготовка геолого-промысловых данных и выбор скважин для проведения ГРП

месторождение скважина геологический гидроразрыв

В 1995 году совместно с представителями фирмы «Довел Шлюмберже» специалистами института БелНИПИнефть была выполнена подготовка геолого-промысловых данных, материалов гидродинамических исследований и сведений о конструкции и качестве крепления по скважинам Южно-Тишковского, Барсуковского, Мармовичского, Березинского, Речицкого, Вишанского, Славаньского, Борисовского и Сосновского месторождений. Отобрано более 100 скважин, большинство из которых относится к категории низкопродуктивных. С целью определения фильтрационных характеристик проанализировано 30 КВД по скважинам рассматриваемых месторождений по методам Хорнера и наложения (двойных логарифмических координат). Результаты анализа приведены в таблице 3.1.1.

Специалистами фирмы «Довел Шлюмберже» выполнен расчет и дана оценка технологической эффективности внедрения ГРП по отдельным группам низкопродуктивных скважин НГДУ «Речицанефть». В качестве примера в таблице 3.1.2 приведены результаты расчета технологического эффекта по скважинам Речицкого месторождения. Следует отметить, что все проанализированные КВД характеризуют фильтрационные свойства пластов и околоствольной зоны на дату исследований. Между датой исследования и датой анализа прошло от 5 до 20 лет (табл. 3.1.1). За этот период гидродинамическая обстановка в зоне дренирования рассмотренных скважин значительно изменилась. Поэтому выполненные фирмой «Довел Шлюмберже» расчеты и технологическая оценка эффективности не совсем корректны. Кроме того, по ряду скважин гидродинамическая информация или не интепретируется из-за низкого качества или вообще отсутствует. Поэтому по большинству скважин из-за отсутствия качественных КВД показатель скин-эффекта приняли равным нулю.

Таблица 3.1.1. Результаты интерпретации кривых восстановления давления (D. Schlumberger)

В табл. 3.1.2 приведены результаты расчета для условия, что при ГРП значения скин-эффекта от 0 до -4 - первый вариант и от 5 до -4 - второй вариант. Как видно из приведенных результатов расчета эффективность работ по ГРП в значительной степени определяется состоянием околоствольной зоны. Так, расчетная накопленная добыча за первый календарный год эксплуатации скважин после ГРП по первому варианту в 1,8-2,2 раза ниже, чем по второму, соответственно отличаются и расчетные дебиты скважин.

Таблица 3.1.2. Технологическая эффективность ГРП (расчет Dowell Schlumberger).