СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА И КРЕПЛЕНИЯ ПЛАСТОВ, СЛОЖЕННЫХ РЫХЛЫМИ НЕСЦЕМЕНТИРОВАННЫМИ ПОРОДАМИ
METHOD OF HYDRAULIC FRACTURING AND ATTACHMENT OF FORMATIONS FORMED WITH LOOSE UNCEMENTED ROCKS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для повышения дебитов добычных скважин и приемистости нагнетательных скважин способом гидравлического разрыва пласта (ГРП) в коллекторах, сложенных рыхлыми несцементированными породами.
Известен способ повышения продуктивности скважин путем ГРП (Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта. - М.: Недра, 1986, с.105-112). Давление разрыва достигается закачкой в скважину жидкости, в качестве которой в проницаемых пластах используются гельобразующие жидкости. При закачке этих жидкостей под действием перепада давления в продуктивном пласте открываются существующие трещины, расширяются микротрещины или создаются новые, которые существенно улучшают гидродинамическую связь скважины с пластом. После снятия давления гидравлического разрыва пласта трещины могут сомкнуться. Для предупреждения «смыкания трещины» разрыва в жидкость для ГРП вводятся расклинивающие агенты - проппанты (кварцевый песок, скорлупа грецких орехов, стеклянные шарики и т.п.). После проведения технологической операции ГРП жидкость-носитель разлагается на месте и/или вымывается из трещины добываемым флюидом («очистка трещины»), а проппант остается в пласте, сохраняя в дальнейшем трещину в раскрытом состоянии.
Способ имеет определенные недостатки в случае выполнения гидравлического разрыва пласта в пластах, представленных рыхлыми несцементированными породами. В этих условиях из-за многообразия влияющих факторов невозможно предсказать величину раскрытия трещин. Часто не удается подобрать тип расклинивающего агента или его фракционные характеристики. В результате большая часть трещин, а также участки отдельных трещин после снятия давления гидравлического разрыва пласта могут закрыться. Смыкание стенок трещины и ее закрытие происходит также в результате внедрения проппанта в рыхлую породу.
Известен способ крепления призабойной зоны пласта, когда через перфорационные отверстия эксплуатационной колонны в призабойную зону пласта (ПЗП) закачивают силикат щелочного металла (натрия, калия и др.) и спиртовой раствор соли кальция (гидрат хлорида кальция, хелатный кальций и другие соли кальция, растворимые в спирте). При взаимодействии этих компонентов в пласте образуется цементирующий материал (патент США 5101901 А от 03.12.1990, кл. Е21В 33/13, 43/04, 43/12, дата публикации 07.04.1992).
Недостатком указанного способа является недостаточная эффективность из-за невысокой прочности сформированного закрепленного слоя и снижение емкостных и фильтрационных характеристик коллекторов в ПЗП. Обусловлено это тем, что при закачке водный раствор силиката щелочного металла, двигаясь по пути наименьшего сопротивления, заполняет в первую очередь крупные поры. При этом остаются незаполненными капиллярные зоны с незамещенной пленкой, связанной с поверхностью песка воды из-за их прочной связи. При закачивании в песчаный барьер спиртового раствора хлорида кальция происходит его быстрое взаимодействие с находящимся в порах водным раствором силиката натрия/калия, в результате чего образуется высоковязкий экран, который не позволяет проникнуть закрепляющему составу далеко в пласт, закупоривает часть перового пространства, ухудшает его емкостные и фильтрационные характеристики. Эти недостатки особенно усугубляются, если продуктивный пласт сложен рыхлой мелкозернистой породой.
В итоге техническим результатом известного способа является лишь закрепление пород призабойной зоны продуктивного пласта в небольшом радиусе с одновременным снижением фильтрационных и емкостных свойств коллектора.
Известен способ ГРП, предусматривающий использование натриевого среднемодульного жидкого стекла, концентрированной соляной кислоты и воды в качестве жидкости разрыва при следующем соотношении компонентов, об.%: указанное жидкое стекло - 8-17; 20-23%-ная указанная кислота - 0,05-3,6; вода - остальное (патент RU 2190093 С2 от 20.06.2000, кл. Е21В 43/26, дата публикации 27.09.2002).
Недостатком данного способа является невозможность его использования для закрепления рыхлых слабосцементированных пород призабойной зоны продуктивного пласта. Способ можно использовать только для гидравлического разрыва пласта с образованием трещин, заполнением их проппантом и последующей деструкцией используемой жидкости водным раствором NaOH. При указанном по способу концентрационном соотношении используемых компонентов образуется очень прочный гель с низким показателем фильтруемости, а среднее время гелеобразования составляет приблизительно 30 мин. Эти факторы не позволяют применяемой жидкости проникать в породу пласта на достаточное расстояние. Последующая деструкция и удаление жидкости разрыва оставляет проппант в трещине с незакрепленной породой пласта, что в последующем приводит к его внедрению в рыхлую породу и смыканию стенок трещины.
Целью настоящего изобретения является повышение продуктивности скважин за счет создания больших поверхностей фильтрации путем ГРП с одновременным предупреждением смыкания образованных в ходе этого процесса трещин в продуктивных пластах, сложенных слабосцементированными рыхлыми породами.
3
Поставленная цель достигается тем, что для гидравлического разрыва и крепления пластов, сложенных рыхлыми несцементированными породами, через насосно-компресорные трубы в продуктивный пласт осуществляют закачку жидкости разрыва, содержащей водный раствор среднемодульного жидкого стекла состава, мас.%: силикат натрия 17-20, вода 80-83, и ацетоно-спиртовый раствор, состоящий из безводных ацетона и метилового спирта в объемном соотношении 0,4:1, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный раствор жидкого стекла - 75-85 и указанный ацетоно-спиртовый раствор - 15-25. При достижении гидравлического разрыва пласта в жидкость разрыва дополнительно вводят проппант в количестве 100-150 кг на 1 мжидкости для крепления рыхлых, несцементированных пород коллектора в призабойной зоне продуктивного горизонта, после завершения закачки расчетного количества жидкости разрыва с проппантом в пласт закачивают водно-спиртовый раствор хлорида кальция состава, мас.%; хлорид кальция - 17,0-19,0; этиловый спирт - 25,0-45,0; остальное - вода. Предпочтительно, что закачку жидкости разрыва в пласт осуществляют через 30-40 минут после ее приготовления.
Известно, что при взаимодействии силиката натрия с агентом-сшивателем выделяется кремниевая кислота, которая образует золь, переходящий со временем в ге-леобразное состояние. Если золь представляет собой водный высокодисперсный текучий раствор, то гелеобразное состояние системы характеризуется образованием прочной пространственной сетки из частиц дисперсной фазы, в петлях которой находится дисперсионная среда, и практически полным отсутствием текучести. Скорость процесса гелеобразования и физико-химические характеристики геля во многом зависят от концентрационных соотношений компонентов. Так, экспериментально доказано (Горбунов А.Т., Старковский А.В., Рогова Т.С. Физико-химические и фильтрационные исследования силикатно-полимерных гелей и их применение для изоляции высокопроницаемых зон пласта в нагнетательных и добывающих скважинах // пос.Новоспасское, Материалы научно-практической конференции, 2000 г., с.124-137), что при введении в 6% водный раствор силиката натрия в качестве агента-сшивателя 0,9 или 0,8%-ного раствора соляной кислоты время начала гелеобразования составляет 1, 2 и 5 часов соответственно. Вязкость геля спустя 40 минут после начала процесса возрастает с 2 до 60 мПа×с, а динамика роста вязкости имеет параболический характер. Поэтому для обеспечения одновременного протекания процессов ГРП и закрепления породы пласта очень важным и необходимым условием является оптимизация выбора компонентного состава жидкости разрыва и последовательности поэтапного проведения операций.
Сущность заявляемого способа описывается следующими примерами.
Пример 1(промысловый)
Проведен гидравлический разрыв пласта в призабойной зоне продуктивного пласта скважины, дренирующей хадумские отложения газового месторождения. Скважина сильно обводнена, и в связи с этим запланировано использовать ее как экспериментальную для проведения исследований по совместной добыче остаточных углеводородов и пластовой воды. Продуктивный пласт мощностью 40 м сложен алевритами, местами содержит прослои глинистых алевролитов. Эксплуатационная колонна скважины диаметром 168 мм спущена на глубину 690 м, интервал перфорации 646-656 м. Пластовое давление 4,2 МПа. Последовательность проведения процесса следующая.
1. Проводят весь стандартный набор операций подготовки процесса ГРП.
2. Спускают НКТ на глубину 641 м с установкой пакера на глубине 637 м.
3. Пескосмесительную установку и цементировочный агрегат обвязывают жесткой линией со скважиной.
4. Приготавливают жидкость разрыва из расчета заполнения ею перового заколонного продуктивного пласта, а также трещин разрыва на расстоянии до 0,5 м от плоскости внедрения. Жидкость разрыва, включает: водный раствор среднемодудьного жидкого стекла состава, мас.%: силикат натрия 20, вода 80, и ацетоно-спиртовый раствор, состоящий из безводных ацетона и метилового спирта в объемном соотношении 0,4:1, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный раствор жидкого стекла - 80 и указанный ацетоно-спиртовый раствор - 20.
5. В пескосмесительной установке проводят смешивание указанных компонентов. При этом образуется гель по физико-химическим характеристикам близкий к гелям, получающимся при использовании в качестве агента-сшивателя соляной кислоты, но обладающий низкой коррозионной активностью.
6. В начальный момент гелеобразования, когда вязкость геля еще невысокая, начинается процесс закачки полученного раствора цементировочным агрегатом через НКТ в продуктивный пласт. Невысокое начальное значение вязкости обеспечивает проникновение геля в пласт на достаточные расстояния.
3
7. При достижении гидравлического разрыва пласта в жидкость разрыва дополнительно вводят проппант в количестве 100 кг на 1 м жидкости и продолжают закачку жидкости-песконосителя в пласт. К этому времени вязкость силикатного геля повышается до степени, при которой обеспечивается достаточная удерживающая способность для жидкости-песконосителя.
8. После завершения закачки расчетного количества жидкости разрыва с проппантом в пласт, всасывающий манифольд агрегата закачки переключают на выход гидратационной установки, в которой предварительно был подготовлен водно-спиртовый раствор хлорида кальция. Используя этиловый спирт и хлорид кальция осуществляют приготовление водно-спиртового раствора хлорида кальция следующего состава, мас.%: хлорид кальция - 18,0; этиловый спирт - 35,0; остальное - вода.
9. Производят закачку водно-спиртового раствора хлорида кальция, который на первом этапе выполняет роль продавочной жидкости для жидкости-песконосителя, а при поступлении его в поровое пространство продуктивного пласта и в межзерновой объем гравийного заполнения трещин разрыва он становится жидкостью закрепления. Известно, что адгезионная способность вещества к гидрофильным поверхностям песка обусловливается присутствием в его структуре высокоактивных и реакционноспособных гидроксильных групп. Такая группа содержится в структуре этилового спирта, поэтому он хорошо смачивает поверхность песка и отнимает воду от силикатного геля, что приводит к его коагуляции и быстрому закреплению на поверхности песка.
10. После завершения прокачки расчетного количества водно-спиртового раствора хлорида кальция закрывают скважину на время полного взаимодействия компонентов - около 48 часов. Образовавшийся гидросиликат кальция обеспечивает высокую прочность закрепленной породы и гравийного заполнения трещин разрыва с одновременным сохранением проницаемости породы в пределах не менее 65% исходной.
11. После завершения ГРП по предлагаемому способу вызывают приток пластового флюида по стандартным технологиям, которые легко вымывают из пласта оставшийся и не прореагировавший водно-спиртовый раствор хлорида кальция. После этого скважина сдается в эксплуатацию.
12. Проведенные гидродинамические исследования показали, что, несмотря на небольшое снижение проницаемости породы продуктивного пласта в зоне проведения ГРП, продуктивность скважины увеличилась в 1,5 раза, кроме этого наблюдается полное отсутствие суффозии в экспериментальный период эксплуатации скважины.
Пример 2 (лабораторный)
Для выявления эффективности закрепления породы пласта предлагаемым составом жидкости ГРП в кернодержатель установки испытания проницаемости кернов помещают заранее приготовленный в пресс-форме из песка фракции 0,05-0,1 (крупный алеврит) и порошка глины в соотношении 97% и 3% соответственно образец, моделирующий продуктивный пласт, и определяют исходную газопроницаемость. Приготавливают гельобразующую жидкость на основе водного раствора среднемодульного жидкого стекла состава, мас.%: силикат натрия - 20, вода - 80, и ацетоно-спиртового раствора, состоящий из безводных ацетона и метилового спирта в объемном соотношении 0,4:1, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный раствор жидкого стекла - 80 и указанный ацетоно-спиртовый раствор - 20.
По истечении 30 минут продавливают приготовленную жидкость в модельный образец до полного его прохождения. Приготавливают водно-спиртовый раствор хлорида кальция следующего состава, мас.%: хлорид кальция - 18,0; этиловый спирт - 35; вода - остальное, который также продавливают через образец до полного его прохождения.
После 24 часов выдержки образец извлекают из кернодержателя и проводят испытания. Определяют прочность на сжатие и проницаемость образцов после обработки. Полученные результаты представлены в таблице.
Результаты испытаний
Наименование
Проницаемость образца до обработки, 10<sup>-13</sup> м<sup>2</sup>
Проницаемость образца после обработки, 10<sup>-13</sup> м<sup>2</sup>
Процент сохранения проницаемости, %
Прочность на сжатие после обработки, кг/см<sup>2</sup>
Модельный образец из песка фракции 0,05-0,1 и порошка бентонитовой глины
11
7,8
71
31