СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА
METHOD OF HYDRAULIC FRACTURING OF BED

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к способам гидроразрыва нефтяного или угольного пласта, и может быть использовано, например, в области добычи жидких и газообразных полезных ископаемых, в угольной промышленности при дегазации пластов угля и т.п.
Известны различные способы гидроразрыва пласта. Для анализа современного состояния способов гидроразрыва нефтяных или угольных пластов необходимо уточнить используемую терминологию, поскольку упрощенное применение (понимание) термина гидроудар как резкое изменение давления жидкости не позволяет проводить сравнительный анализ различных технических решений.
Распространение упругих деформаций стенок и давления в жидкости с разрывом основных параметров называется ударной волной или гидравлическим ударом - классическое определение понятия гидроудара (см. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах, М. - Л., 1949 [1]). Далее эта волна будет называться гидравлическим ударом или сокращенно гидроударом. Существенным отличием этой волны от ударной волны в газе является то, что могут существовать гидроупругие ударные волны как с повышением давления, так и с понижением давления за фронтом волны. Следует отметить, что появление разрывов давления и смещение стенок канала при распространении гидроупругих волн является сильно нелинейным явлением.
Известен способ гидравлического разрыва пласта по заявке на изобретение №97114642 (1999 г.) РФ [2], включающий закачку в пласт жидкости разрыва с пропантом при одновременном воздействии на пласт упругими колебаниями. Одновременно с акустическим воздействием на пласт осуществляют акустическое воздействие на жидкость разрыва путем прокачки жидкости разрыва через гидродинамический излучатель, установленный в башмаке спущенной в скважину колонны насосно-компрессорных труб. При этом воздействие на пласт и жидкость только акустическое.
Согласно способу по патенту РФ №2211920 (2003 г.) [3], после проведения гидроразрыва пласта для повышения проницаемости горных пород пласта предлагается воздействовать ударными волнами с помощью гидроударного устройства с передачей их по жидкому волноводу в скважине с последующим поворотом волны отражения в пласт. В этом способе гидравлические ударные волны создаются в самой скважине.
В способе по патенту РФ №2219335 (2003 г.) [4] гидроудар понимается как повышение давления в жидкости и используется для осуществления гидроразрыва пласта.
В патенте РФ №2196888 (2003 г.) [5] предложен способ волнового воздействия на залежь при помощи станка-качалки.
Однако данные способы недостаточно эффективны.
В способах по патенту РФ №2325504 (2008 г.) [6] и по заявке на изобретение №2005123675 (2005 г.) РФ [7] существенным недостатком является то, что генерируемая в устье скважины упругая ударная волна затухает по глубине и может привести к разрушению обсадной колонны, например, в зоне пучности давления.
Известны способы для гидроимпульсного и гидроударного воздействия на призабойную зону пласта см., например, заявку РФ №94003491 (1994 г.) [8], пат.№2072039 (1997 г.) [9], патент РФ №2299306 (2007 г.) [10] и патент РФ №2190762 (2002 г.) [11]. Однако гидроимпульсное и гидроударное воздействие на призабойную зону пласта может привести к существенным разрушениям ствола скважины.
Из патента РФ №2298650 (2003 г.) [12] известен способ гидравлической обработки для дегазации угольного пласта. Однако гидравлические удары создаются в устье скважины и поэтому быстро затухают по глубине, зона воздействия гидроударов ограничена окрестностью ствола скважины, кроме того, гидроудары могут привести к разрушениям ствола скважины.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ по патенту РФ №2203412 (2003 г.) [13], выбранный в качестве прототипа.
Известный способ включает изоляцию продуктивного интервала, заполнение насосно-компрессорных труб жидкостью и создание гидроударов посредством нагнетания и сброса давления жидкости в насосно-компрессорных трубах. При этом производят откачку жидкости из скважины гидронасосом до заполнения насосно-компрессорных труб, затем изолируют интервал гидроразрыва пакером ниже динамического уровня в скважине, но выше продуктивного интервала, закрывают задвижку и нагнетают гидронасосом в насосно-компресорных трубах избыточное давление, сбрасывая его в подпакерную зону при достижении заданной величины посредством клапана. После этого периодически открывают скважину и замеряют дебит из скважины, причем создание гидроразрывов прекращают после стабилизации дебита.
Известный способ недостаточно эффективен, а также характеризуется недостаточной экономичностью.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности и экономичности.
Для решения поставленной задачи сущность изобретения состоит в том, что, в отличие от известного способа, включающего изоляцию продуктивного интервала, заполнение насосно-компрессорных труб жидкостью, создание гидроудара с последующей изоляцией интервала гидроразрыва пакером ниже динамического уровня в скважине, но выше продуктивного интервала, с образованием каналов гидроразрыва и каналов перфорации, согласно изобретению создают (осуществляют, производят) гидравлические ударные волны (гидравлические удары, гидроудары) повышения или понижения давления в канале гидроразрыва и/или в каналах перфорации, причем осуществляют управляемые (прогнозируемые) гидроудары.
В изолированном пакерами стволе скважины на интервале гидроразрыва и/или каналах перфорации при помощи (путем) управляемого повышения или понижения давления и расхода жидкости создают условия образования гидроудара (осуществляют гидроудары) в заданном расчетном месте канала гидроразрыва и/или канала перфорации. Параметры повышения давления и расходных характеристик основного потока жидкости определяются для каждого конкретного случая отдельно.
Управление гидравлическими ударными волнами повышения или понижения давления в каналах гидроразрыва и/или каналах перфорации, нелинейными волнами давления, разрежения осуществляют, например, за счет (путем) подбора характеристик флюидов гидроразрыва и параметров закачки в процессе проведения гидроразрыва пласта на стимулируемой скважине с учетом свойств упругости стенок каналов. Динамические параметры для создания управляемых нелинейных гидравлических ударных волн давления или разрежения в канале гидроразрыва и/или каналах перфорации определяют в конкретных условиях в каждом конкретном случае.
Давление заданной (требуемой, необходимой для данного конкретного случая) интенсивности нагнетают в подпакерную зону, например, через насосно-компрессорные трубы.
Посредством нагнетания с разной интенсивностью создают гидроудары, многократно (но не менее двух раз), до установления приемистости гидроразрыва.
Управление нелинейными гидроупругими волнами давления, разрежения и гидроударом осуществляют за счет подбора характеристик флюидов гидроразрыва и параметров закачки в процессе проведения гидроразрыва пласта на стимулируемой скважине.
Также возможно создавать управляемые гидроудары в каналах гидроразрыва и/или каналах перфорации за счет создания импульса давления в стволе скважины посредством каких-либо дополнительных устройств.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении эффективности и экономичности способа.
Проведенные теоретические, численно-аналитические, а также экспериментальные исследования и натурные испытания в производственных условиях доказали возможность создания управляемого гидроудара в каналах гидроразрыва и/или каналах перфорации и показали его высокую эффективность для улучшения характеристик гидроразрыва и/или каналов перфорации.
В процессе осуществления способа создают управляемые (прогнозируемые) гидроудары в канале гидроразрыва и/или в каналах перфорации. Упомянутое воздействие производят неоднократно (не менее двух раз) или многократно, например до 10-12 или даже 25 и более раз, в зависимости от конкретной ситуации, до установления приемистости гидроразрыва.
Эффект гидроудара является сильно нелинейным и проявляется как скачок давления и локального увеличения/уменьшения площади сечения канала гидроразрыва и/или каналов перфорации на определенном удалении от ствола скважины.
Подбором параметров закачиваемого флюида и режима закачки, которые определяются для каждого конкретного случая, за счет нелинейного роста создается соответствующий скачок градиента давления на нужном удалении от ствола скважины. Задавая область и параметры скачка можно получить разрыв стенок каналов в необходимой области или увеличить глубину канала.
Таким образом, управляемый гидроудар в существующей трещине гидроразрыва и/или каналов перфорации позволит увеличить длину и/или высоту трещины и/или создать дополнительные трещины в стенках основного канала гидроразрыва и/или каналов перфорации, что увеличит эффективный радиус скважины и обеспечит большую ее продуктивность в заданных условиях. Например, можно добиться большей длины трещины или ее высоты в зависимости от требований эффективной добычи полезных ископаемых или создать дополнительные разрывы в стенках скважины.
Заявляемый способ позволяет создавать прогнозируемые и управляемые гидравлические ударные волны или управляемые гидроудары в каналах гидроразрыва и/или каналах перфорации. Таким образом создают вторичные гидроразрывы в канале гидроразрыва и/или в каналах перфорации.
Реализация способа позволяет повысить стимулирование скважин за счет улучшения параметров трещины гидроразрыва путем создания управляемого гидроудара в канале гидроразрыва. В предлагаемом способе существенно используются нелинейные эффекты распространения волн возмущения давления в канале гидроразрыва с упругими стенками.
Наличие гидроупругих нелинейных волн повышения давления или разрежения и гидравлических ударных волн в существующей трещине гидроразрыва и/или канала перфорации дают возможность увеличить длину и/или высоту трещины и/или создать дополнительные трещины в стенках основного (первичного) канала гидроразрыва и/или каналах перфорации, что увеличивает эффективный радиус скважины и обеспечивает большую ее продуктивность в конкретных условиях в каждом конкретном случае. Т.е. увеличивают эффективный радиус скважин за счет улучшения параметров гидроразрыва при помощи создания нелинейных упругих волн давления или волн разрежения с заданными параметрами в канале гидроразрыва и/или в каналах перфорации.
Управление гидравлическими ударными волнами повышения или понижения давления в каналах гидроразрыва и/или каналах перфорации, нелинейными волнами давления, разрежения может осуществляться, например, путем подбора характеристик флюидов гидроразрыва и параметров закачки в процессе проведения гидроразрыва пласта на стимулируемой скважине с учетом свойств упругости стенок каналов. Динамические параметры для создания нелинейных управляемых нелинейных гидравлических ударных волн давления или разрежения в канале гидроразрыва и/или каналах перфорации можно определять, например, при помощи формул теории распространения нелинейных гидроупругих волн в неоднородных каналах в конкретных условиях в каждом конкретном случае.
Возможно также создание (осуществление) гидроударов за счет создания импульса давления в стволе скважины посредством каких-либо дополнительных устройств.
При производстве гидроразрыва пласта используются различные жидкости или гомогенные и гетерогенные смеси, которые обычно называются флюидами. Примерами этих жидкостей являются: вода с растворенными в ней специальными солями; вода с песком, специальные растворы с полимерными добавками, некоторые виды нефти и т.п. Физико-химические свойства этих флюидов определены или заданы условиями и целями производства гидроразрыва (увеличение эффективной проницаемости нефтяного, газового или угольного пласта). В предлагаемом способе при расчете гидроразрыва пласта эти характеристики считаются заданными.
Этапы реализации способа
1. Начальные динамические процессы производства гидроразрыва пласта. На этом этапе энергия, накопленная в жидкости, находящейся в подпакерной зоне, используется для разрушения пласта - создание гидроразрыва.
2. Стабилизация процесса. На этом этапе происходит падение давления в подпакерной зоне и в канале гидроразрыва до перового давления в пласте.
3. Последующие динамические воздействия. Гидроударные волны в канале гидроразрыва. Во флюиде, находящемся в подпакерной зоне, различными импульсными способами создается давление, превышающее давление разрушения пласта. На этом этапе по каналу гидроразрыва распространяется гидроупругая волна, обычно называемая гидроударом. Амплитуда этой волны повышается за счет сужения канала гидроразрыва пропорционально к обратной величине расстояния до конца разрыва и понижается за счет трения пропорционально пройденному расстоянию. Прохождение гидроударной волны приводит к увеличению глубины гидроразрыва и/или высоты этих каналов или образованию вторичных гидроразрывов в этих каналах.
Экспериментальная проверка способа
Авторами была проведена экспериментальная проверка эффективности предлагаемого способа в натурных условиях. Для производства гидроразрыва и последующего создания гидроударных волн было использовано одно и то же техническое устройство. В результате проведенных опытов было установлено: гидроударные волны существенно повышают эффективность гидроразрыва; эффективность динамических воздействий существенно понижается при их повторении. В проведенных опытах наиболее эффективной была 1-я гидроупругая волна (гидроудар в канале гидроразрыва), эффективность 2-й волны была существенно меньше (в опытах на порядок), эффективность 3-й волны была незаметной (в пределах точности используемых в опытах приборов измерения эффективности гидроразрыва).
Расчетная оценка параметров применения способа
Скорость распространения гидроупругих волн. Для расчетных оценок параметров применения способа используется линейное приближение, которое описывает распространение гидроупругих (гидроударных) волн в канале гидроразрыва (канале переменного сечения).
Наиболее важной характеристикой гидроударных явлений является скорость распространения. Если считать, что площадь сечения канала гидроразрыва зависит только от локального давления, то скорость ñ распространения гидроударных волн в канале гидроразрыва не зависит от площади сечения канала, является постоянной и выражается через упругие параметры продуктивного пласта и флюида по формуле:
Величины сfluid - скорость распространения малых возмущений по флюиду, сsurf - скорость распространения малых возмущений по границе - упругого полупространства (стенка гидроразрыва) и флюида - являются эмпирическими константами, которые характеризуют упругие свойства стенок канала гидроразрыва и упругие свойства флюида (рабочей жидкости). Существенным является то, что скорость распространения гидроударных волн в канале гидроразрыва существенно ниже скорости звука во флюиде и поверхностных волн на стенках гидроразрыва. Для широкого класса пластов и флюидов (характерных, например, для Сибири) величина скорости распространения гидравлического удара в канале гидроразрыва сравнима со скоростью звука в воздухе и находится в диапазоне - 300 м/сек<с<500 м/сек. Это означает, что физические явления при распространении волн в воздухе (ударные волны, усиление волн и т.п.) имеют аналоги при распространении гидроупругих волн в канале гидроразрыва.
Пример расчета. Пусть целью создания управляемых гидроупругих волн является создание давления на середине канала гидроразрыва, в 2 раза превышающее некоторое заданное давление (например, давление разрушения пласта). Решение этой задачи имеет следующие этапы.
1. На входе в канал (устье канала) создается заданное давление.
2. Время T., за которое давление на устье повышается до заданного, должно быть меньше, чем половина времени пробега гидроупругой волны по всей длине канал L от устья до конца канала гидроразрыва. .
3. Для L=100i =400i справедливо  сек.
Способ позволяет увеличить эффективный радиус скважин за счет улучшения параметров канала гидроразрыва и/или каналов перфорации при помощи создания нелинейных гидроупругих волн давления или волн разрежения с заданными параметрами в канале гидроразрыва, образования гидравлических ударных волн или управляемого гидроудара в канале гидроразрыва и/или каналах перфорации.
Гидроупругие нелинейные волны повышенного давления, разрежения, гидравлические ударные волны или гидроудар в каналах гидроразрыва и/или каналах перфорации позволяют увеличить длину и/или высоту трещины и/или создать дополнительные трещины в стенках каналов гидроразрыва и/или каналов перфорации. Это увеличит эффективный радиус скважины и обеспечит большую ее продуктивность в заданных условиях.
Применение способа позволит значительно повысить эффективность способа и получить больший эффект прироста продуктивности скважины при меньших мощностях используемого оборудования гидроразрыва пласта и повысить эффективность перфорационных каналов (повысить эффективный проницаемый радиус скважины).