СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ПЛАНА ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА И СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА
FORMATION HYDRAULIC FRACTURING FORMATION METHOD AND FORMATION HYDRAULIC FRACTURING METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее техническое решение относится к области стимулирования производительного пласта с помощью технологии гидроразрыва пласта ГРП, в частности, к проведению ГРП, начиная с построения графика ГРП.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Гидроразрыв пласта (ГРП) представляет собой широко применяемый способ интенсификации добычи нефти и газа. Он основан на формировании длинных проницаемых трещин в нефтегазовом пласте, в результате чего увеличивается площадь и скорость добычи. Чтобы трещина оставалась открытой и проницаемой, используют проппант. За формирование длинных трещин и равномерное размещение в них проппанта отвечает закачиваемая смесь жидкости, волокон и других функциональных добавок. Моделирование правильного распространения трещины и транспортировки проппанта в пределах трещины ГРП является принципиальным моментом, поскольку равномерное размещение проппанта в трещине определяет эффективную проводимость трещины, что обеспечивает повышенную скорость добычи жидких углеводородов из пласта.
Существует ряд технологий выполнения ГРП, где в суспензию проппанта добавляют волокна для повышения эффективной вязкости суспензии. Часто в суспензию проппанта добавляют деградирующие волокна, что позволяет добиться нужной проводимости трещины без повреждения пласта. Вклад волоконной добавки в жидкость ГРП (суспензия проппанта, загущенная водорастворимым полимером) заключается в увеличении эффективной вязкости жидкости ГРП и уменьшении скорости осаждения проппанта. Диспергированные в жидкости волокна (при обоснованной концентрации) механически взаимодействуют с частицами проппанта, что уменьшает стоксовую скорость осаждения твердых частиц в вязкой жидкости. При построении графика ГРП эффект от добавки волокон обычно учитывают в виде добавочной вязкости жидкости ГРП. Этот вклад также называют транспортной способностью волокон, поскольку жидкость с волоконными добавками обеспечивает улучшенный перенос проппанта на большие расстояния вглубь трещины ГРП.
Преимущества применения деградирующих волокон в операциях ГРП заключается в том, что при закачивании жидкости ГРП волокна не успевают деградировать, но повышают эффективную вязкость среды, полимерные волокна после формирования проппантной упаковки в трещине постепенно деградируют (скорость деградации зависит, например, от температуры, рН среды, материала волокон), что повышает проводимость проппантной упаковки.
При закачивании жидкости ГРП в пласт с повышенной температурой пласта деградация механических свойств волокон (потеря жесткости волокон) будет происходить уже во время операции ГРП, а не после формирования проппантной упаковки. На текущий момент все подходы, используемые в моделировании ГРП (в симуляторах ГРП), не принимают во внимание такие параметры как снижение вязкости несущей жидкости или деградацию волокон (деградация зависит от параметров среды - температуры и рН водной жидкости). Вместе с тем, лабораторные испытания по определению скорости осаждения частиц проппанта в жидкости при заданной температуре позволяют определить особое «критическое время» функциональности деградирующих волокон (время существования волокон).
Температура жидкости ГРП постепенно растет от температуры на поверхности до температуры пласта. Процесс закачки жидкости ГРП также сопровождается изменениями реологических свойств жидкости. Вязкость жидкости, загущенной полимером, меняется в зависимости от температуры и сдвиговой нагрузки; добавки меняют химический состав и физические свойства жидкости ГРП; разжижитель, активаторы и замедлители выполняют свои функции.
Многопараметрическое поведение жидкости ГРП решают при помощи подходящих химико-физических моделей, заложенных в симуляторы ГРП.
Использование химико-математической модели и корректировка модели для оптимального переноса проппанта описана в патенте US 9,085,975 «Method of threating a subterranean formation and forming treatment fluids using chemo-mathematical model and process control»(от 5 марта 2010 г., Schlumberger Technology Corporation). Способ обработки (ГРП) включает отслеживание свойств жидкости, которую выбирают из группы, содержащей рН, температуру, сдвиговую вязкость, модуль потерь, комплексный модуль, плотность жидкости, химический состав, концентрацию добавок, степень сшивания, молекулярную массу добавок, температуру начала сшивания, термическое разжижение жидкости, скорость осаждения проппанта, давление, спектроскопические данные и т.п. Модель переноса обновляют непрерывно (или в автономном режиме), и один из потоков (поток несущей жидкости, поток проппанта или поток жидких добавок) корректируют для достижения нужных характеристик ГРП. Иными словами, в модели переноса проппанта учитывают эволюцию свойств несущей жидкости, которую закачивают в породу. Однако в такой модели отсутствует возможность учета эффекта присутствия волокон (особенно деградируюпщх волокон) на план проведения ГРП.
Изучение осаждения проппанта и транспортных свойств несущей вязкой жидкости описано в SPE180243 (Han, J., Yuan, P., Huang, X., Zhang, H., Sookprasong, A., Li, C, & Dai, Y. (2016, May 5). Numerical Study of Proppant Transport in Complex Fracture Geometry. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/180243-MS), SPE174973 (Karantinos, E., Sharma, M. M., Ayoub, J. A., Parlar, M., & Chanpura, R. A. (2016, February 24). Choke Management Strategies for Hydraulically Fractured Wells and Frac-Pack Completions in Vertical Wells. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/178973-MS). Описанные модели описывают распределение проппанта в плоских разветвленных трещинах, но не учитывают увеличение транспортных параметров несущей жидкости за счет добавки волокон.
Ранее было обнаружено, что волокна, добавляемые в жидкость ГРП можно использовать для улучшения переноса проппанта при низких вязкостях и/или меньших расходах суспензии ((см. работы SPE 68854 (Vasudevan, S., Willberg, D. М., Wise, J. A., Gorham, T. L., Dacar, R. C, Sullivan, P. F., … Mueller, F. (2001, January 1). Field Test of a Novel Low Viscosity Fracturing Fluid in the Lost Hills Field, California. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/68854-MS) и SPE 91434 (Engels, J. N., Martinez, E., Fredd, C. N., Boney, C. L., & Holms, B. A. (2004, January 1). A Mechanical Methodology of Improved Proppant Transport in Low-Viscosity Fluids: Application of a Fiber-Assisted Transport Technique in East Texas. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/91434-MS)) при условии, что параметры волоконной добавки выбраны правильно (концентрация волокон, длина и диаметр волокон, жесткость волокна). Волокна в суспензии улучшают проводимость упаковки проппанта и препятствуют выносу проппанта на стадии добычи.
При существующем уровне техники проведение операций ГРП с помощью жидкости ГРП, содержащей проппант (расклинивающий агент) и волокна основывается на методе проб и ошибок. Переоценка транспортных способностей деградирующего волокна приводит к неравномерному распределению проппанта по объему трещины ГРП и снижает эффективность стимуляции с помощью ГРП. Желательно иметь способ, в котором оценивают эффективность различных графиков закачки ГРП, и по одному-двум критериям оптимизации выбирают оптимальный вариант плана ГРП. Это снижает затраты на проведение неоптимальных вариантов ГРП на реальной скважине.
При существующем уровне техники остаются риски в проведении операции ГРП, связанные с переоценкой или недооценкой транспортных свойств волокон. При заниженной концентрации добавленных волокон возникает риск преждевременного осаждения проппанта в трещине (неполное расклинивание трещины). Если концентрация волоконной добавки в суспензию проппанта завышена по сравнению с оптимальной концентрацией, то высокая концентрация волокна создает риски волоконного закупоривания трещины (fiber bridging) и повышенную нагрузку на насосное оборудование. Точное прогнозирование транспортной способности волокон в проппантной суспензии понижает указанные риски.
Существует потребность в способе моделирования деградации волокон в жидкости ГРП при операции гидроразрыва пласта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ
Настоящее раскрытие предлагает оптимизировать план (график) гидроразрыва пласта с учетом двумерного моделирования процессов переноса в трещине ГРП.
Построение плана гидроразрыва пласта в скважине содержит следующие этапы: получение данных об операциях по гидравлическому разрыву пласта, содержащих план закачки проппанта и план закачки волокон различных типов; построение матрицы деградации для волокон различных типов; построение возможных вариантов операции гидроразрыва в соответствии с типом волокна и планом закачки.
На основе вводных данных в виде параметров пласта, жидкости, проппанта, волокон и плана закачки проводят построение двумерной модели гидроразрыва пласта для временных интервалов плана закачки на основе уравнений переноса. Далее для выбранных временных шагов проводят итерацию двумерной модели по времени до окончания плана закачки; после чего осуществляют вывод данных двумерной модели гидроразрыва пласта. По выходным данным модели ГРП проводят выбор варианта операции гидроразрыва в соответствии с типом волокна для оптимизации гидроразрыва, причем выбор варианта ГРП проводят по заданному параметру оптимизации.
Параметр оптимизации максимален для одного из вариантов типа волокна. Способ построения плана ГРП основан на оценке одного из параметров оптимизации ГРП: площадь расклиненной (проппированной) области трещины ГРП, высота трещины ГРП, длина расклиненной области трещины ГРП, общее количество волоконной добавки в плане закачки.
Раскрытие также описывает способ гидроразрыва пласта. Способ гидроразрыва пласта содержит построение плана гидроразрыва пласта в скважине, а также приготовление жидкости ГРП, содержащей несущую жидкость, проппант, добавки и волокна и закачивание жидкости ГРП в пласт через скважину по выбранному (оптимальному) варианту операции ГРП.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует схему построения плана гидроразрыва пласта с двумерным моделированием ГРП.
На Фиг. 2 показан пример плана закачки в виде графика массовой концентрации проппанта (левая ось координат) и массовой концентрации волокон (правая ось координат) в жидкости ГРП по временным стадиям.
На Фиг. 3 показан результат двумерного моделирования ГРП для плана закачки с постоянной массовой концентрацией проппанта (без волокон). Представлено распределение концентрации проппанта в объеме трещины ГРП.
На Фиг. 4 показан результат двумерного моделирования ГРП для плана закачки с постоянной массовой концентрацией проппанта (без волокон). Представлено распределение температуры жидкости ГРП в объеме трещины ГРП.
На Фиг. 5 показан результат двумерного моделирования ГРП для плана закачки с постоянной массовой концентрацией проппанта с волоконной добавкой типа 1. Представлено распределение концентрации проппанта в объеме трещины ГРП.
На Фиг. 6 показан результат двумерного моделирования ГРП для плана закачки с постоянной массовой концентрацией проппанта с волоконной добавкой типа 1. Несущая жидкость - нефтяная эмульсия. Представлено распределение температуры эмульсии в объеме трещины ГРП.
На Фиг. 7 показан результат двумерного моделирования ГРП для плана закачки с постоянной массовой концентрацией проппанта с волоконной добавкой типа 4. Представлено распределение концентрации проппанта в объеме трещины ГРП.
На Фиг. 8 показан результат двумерного моделирования ГРП для плана закачки с постоянной массовой концентрацией проппанта с волоконной добавкой типа 4. Представлено распределение температуры жидкости ГРП в объеме трещины ГРП.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
В настоящем раскрытии указаны некоторые неограничивающие примеры возможных средств для реализации настоящего раскрытия. Для осуществления раскрытия могут быть использованы любые аппаратные средства, известные в уровне техники и пригодные для осуществления раскрытия. Все числовые значения и диапазоны, раскрытые в настоящем описании должны пониматься как модифицированные словом «примерно».
k
k
k
k
1
2
k
k+1
На Фиг. 1 представлена диаграмма моделирования динамического процесса гидроразрыва пласта (симулятор ГРП) с описанием общих входных и выходных параметров, а также переменных, описываемых для каждой ячейки расчетной области (для конкретного шага по времени в моделировании ГРП). В данном случае двумерная модель гидроразрыва представляет собой набор математических решений и способов, способных обеспечивать результаты гидроразрыва (выходные данные) на основе входных параметров. Входные параметры на текущем временном шаге [t, t+1], состоят из плана закачки, геометрии трещины при t=t, распределения массовой концентрации проппанта и волокна при t=t, свойств жидкостей и проппантов, описание интервалов перфорационных отверстий, свойств породы по эластичности и утечкам в пласт, распределения скоростей утечек (диффузия в породу) по моментам времени t, t, …, t, t.
k+1
k+1
k+1
k+2
Выходные параметры после выполнения текущего временного шага представляют: геометрию трещины при t=t, распределение проппанта и волокон по ячейкам области расчета (в трещине) при t=t, распределение скоростей утечек для временного шага [t, t]. После выполнения текущего временного шага, моделирование продолжается до окончательного завершения по всем временным шагам.
Учет концентрации волокон осуществляют с учетом матрицы деградации волокон. Текущая концентрация волокон (которая зависит от температурной истории для волокон в ячейке) учитывается в дополнительном блоке «Коррекция скорости осаждения проппанта». Скорректированная скорость осаждения проппанта (то есть стоксовская скорость осаждения округлых частиц в вязкой жидкости) учитывается для каждой ячейки моделирования на следующем временном шаге t+1. Моделирование процесса ГРП продолжают до того времени, пока не закончен намеченный план закачки (например, выполнена закачка заданной массы проппанта). Далее осуществляют вывод расчетных данных двумерной модели ГРП для основных переменных моделирования: концентрация проппанта, концентрация волокон, распределение температуры жидкости.
cr
Лабораторные испытания по определению скорости осаждения частиц проппанта в жидкости ГРП при заданной температуре позволяют определить критическое время функциональности деградирующих волокон. При упрощенном подходе к задаче деградации волоконной добавки, после «критического времени деградации» деградирующие волокна перестают работать (не воздействуют на скорость осаждения проппанта), то есть эффективная концентрация волокон в ячейке моделирования превращается в ноль. Под термином «деградируемые волокна» здесь подразумевается выбор типа волокна, который за время операции ГРП (менее часа) теряет прочность и жесткость, что снижает «транспортные» возможности жидкости ГРП с волоконной добавкой. В отличие от выше приведенного термина в нефтегазовой индустрии обычно под деградацией полимера понимают гидролиз (полное или частичное растворение) полимерного волокна, что требует значительно большего времени экспозиции (несколько суток). Деградация волокон и моделирование гидроразрыва пласта Различные типы волокон для проппант-волоконной суспензии в водной несущей жидкости представлен в таблице 1. Представленные в таблице 1 деградирующие волокна обладают стабильными механическими свойствами до достижения критического времени деградации t. Полученное критическое время представлено в таблице 2, таблице 3, таблице 4 для набора температур и различных рН. Транспортная эффективность волокон характеризуется как отношение скорости осаждения проппанта в жидкости ГРП без волокон к скорости осаждения проппанта в среде с волокнами. Например, если эти скорости равны, то волокна не оказывают влияния на транспорт проппанта (волокна уже деградировали). Чем больше отношение двух стоксовских скоростей осаждения, тем выше транспортные свойства волокон.
cr
Критическим временем деградации t волокна называется то время ожидания, пока деградирующее волокно перестает влиять на скорость осаждения твердых частиц (проппанта). Это определение деградации отличается от параметра «полной деградации» полимерного материала в скважинных условиях. Время полной деградации или «время биодеградации» для полимера означает время полного гидролиза (растворения) полимера при скважинных условиях.
В способе построения графика ГРП (frac design) используется новый признак - матрица (таблица) деградации для волокон конкретного типа. Построение матрицы деградации волокон основано на экспериментальных лабораторных результатах по определению критического времени деградации (времени жизни) для выбранного типа волокна (дисперсии волокна в жидкости ГРП).
Предварительно волоконные добавки оценивают на способность деградации в жидкости ГРП в скважинных условиях (температура и кислотность). Если время деградации полимерных волокон оценивается как сопоставимое со временем проведения операции ГРП, то составляют матрицу деградации для волокон различных типов.
Вводится понятие «моделирование ГРП пласта» - это вычисление распределения жидкости ГРП, концентрации проппанта и концентрации волокна, удельной скорости утечки жидкости в породу, а также других параметров ГРП. Моделирование означает компьютерный расчет этих параметров для каждой ячейки расчетной области. Расчетная область - это пространство плоской трещины ГРП. Отметим, что для моделирования процесса ГРП используют только одну половину пространства моделирования, поскольку вторая половина имеет симметричную плоскую трещину (при ГРП трещины вырастают в обе стороны от интервала перфорации в скважине).
Расчет выполняется с помощью известных в индустрии симуляторов ГРП, которые вычисляют указанные параметры путем численного решения уравнений сохранения массы, импульса и энергии во всех соседних ячейках моделирования. Предложенный способ моделирования и проведения ГРП пласта предусматривает учет свойств волокон (в частности, деградирующих полимерных волокон). Предложенный способ, учитывающий деградацию волокон в потоке, дает более корректную картину распределения проппанта и волокон в подземном пласте.
Следует отметить, что при построении графика ГРП для обработки нефтеносного пласта с переменной температурой требуется знание «температурной истории волокна», то есть следует учесть общее тепловое воздействие температуры в неравномерно прогретой жидкости на свойства волокна. Это достигается с помощью метода частиц в ячейках (Particle-In-Cell), описано в [Tskhakaya, D.; Matyash, К.; Schneider, R.; Taccogna, F. (2007). "The Particle-In-Cell Method", Contributions to Plasma Physics, Vol. 47(8-9), P. 563-594]. Специфика метода Particle-In-Cell позволяет отслеживать различные свойства, связанные с каждой конкретной «частицей», такие как направление потока, время воздействия, температурную историю.
На Фиг. 2 изображен типичный план ГРП. Для плана ГРП по временным интервалам задают входную массовую концентрацию проппанта (левая ось) и входную массовую концентрацию волокна (правая ось). На приведенном примере (Фиг. 2) задают план закачки (pumping schedule) твердых частиц (проппанта и волокон) с нарастанием по массовой концентрации до конца операции ГРП. Также, в зависимости от цели гидроразрыва, применяют иные планы ГРП. Например, интервалы с высокой массовой концентрацией проппанта и волокна чередуют с интервалами закачки «чистых пульсов» - без проппанта. Такая методика известна как техника «канального ГРП» или ГРП с неравномерным распределением проппанта.
В различных вариантах осуществления способа, волокна выбирают из деградируемых волокон, недеградируемых волокон или их смеси. Степень деградации волокна зависит от времени пребывания в трещине ГРП, температурного распределения в трещине ГРП, физических свойств деградирующего полимера.
В частности, способ построения плана (графика) ГРП применяют для ситуации, когда температура плавления волокна ниже температуры пласта.
При этом матрицу деградации волокон получают для температуры и рН жидкости гидроразрыва в условиях пласта. В частности, матрицу деградации волокон получают в виде таблицы по критическому времени жизни деградируемых волокон в зависимости от свойств жидкости гидроразрыва.
В других вариантах осуществления способа построения графика гидроразрыва пласта при моделировании ГРП учитывают добавки в жидкость ГРП. Эти добавки известны среднему специалисту в нефтегазовой области знаний: загущающие полимеры, агенты сшивания загущающего полимера, агенты задержки сшивания загущающего полимера, стабилизаторы эмульсии, агенты для снижения трения, регуляторы рН, стабилизаторы пены, биоциды, регуляторы набухания глины, хелатные агенты. Такие добавки влияют на реологию жидкости ГРП. Агенты сшивания добавляют к водорастворимому полимеру для повышения вязкости жидкости ГРП, что снижает скорость осаждения проппанта. Агенты для снижения трения добавляют в обрабатывающую жидкость для снижения нагрузки на насосное оборудования.
3
Способ построения графика ГРП с учетом вклада волокна в распределения проппанта применяют для жидкости ГРП, в которой массовая концентрация волокон различных типов находится в интервале от 0,05 до 20 кг/м.
3
Способ построения графика ГРП применяют для массовой концентраций проппанта, которые находятся в интервале от 0,1 до 400 кг/м.
Предложен способ проведения гидроразрыва пласт по оптимальном плану ГРП, при котором несущую жидкость выбирают из группы: водная жидкость, водная жидкость с полимером для уменьшения трения, пенная жидкость, несущая жидкость, загущенная водорастворимым полимером, водно-масляная эмульсия, масляно-водная эмульсия. Эти жидкости имеют различную реологию, которую учитывают в качестве вводных данных по свойствам жидкости. При этом несущая жидкость с водорастворимым полимером загущена при помощи ионных агентов сшивания полимера. Примером ионного агента для сшивания полимера является соль борной кислоты (боратный ион) для водного раствора гуара. Другие ионные агенты для сшивания (гелирования) водорастворимого полимера - соли трехвалентных металлов (например, Al, Cr, Sr).
ПРИМЕРЫ
Описанные ниже примеры приводят данные по моделированию процесса ГПР при выборе волокон различного типа, а также при выборе различных видов несущей жидкости (сшитый гель, эмульсия). По результатам моделирования для различных планов закачки сравнивают параметр оптимизации ГРП и по нему составляют оптимизированный план гидроразрыва пласта в скважине. Примеры моделирования ГРП осуществляют для одного варианта организации интервала перфорации. Интервал перфорации - это интервал обсадной колонны, через перфорационные отверстия которой осуществляют закачивание жидкости ГРП при давлении выше давления гидроразрыва пласта. Условия на интервале перфорации используют в качестве входных данных для двумерного моделирования процесса ГРП.
Пример 1.
Пример 1 показывает варианты построения матрицы деградации для волокон различных типов (5 типов волокна при различных рН несущей жидкости).
Различные типы полимерных волокон описывают по параметрам, характерным для транспорта проппанта: длина, диаметр и форма волокон, кристалличность полимера, температура плавления материала волокна, материал волокна (деградирующий/неградирующий).
Подбор типов волокна и построение матрицы деградации волокон (данные о критическом времени существования волокон) проводится в зависимости от температуры и рН жидкости, времени экспозиции волокна в водной жидкости. Известно, что для полимерных деградирующих волокон скорость деградации (размягчение полимера) зависит от степени кристалличности полимера, температуры плавления, температуры среды и других внешних параметров.
Полимерные волокна (1-5), тестированные в качестве волоконной добавки в жидкости ГРП, представлены в таблице 1.
cr
Матрицы деградации волокон определены (лабораторно измерены) для жидкости ГРП с различными уровнями кислотности (в щелочном диапазоне): рН=12.3; рН=11.5; рН=13. Эти экспериментальные данные описывают способность суспензии волокон удерживать в суспензии проппант (то есть замедлять скорость осаждения проппанта в вязкой жидкости). Характеристики деградации волокон в виде критического времени жизни (t) для суспензии волокна-проппанта в вязкой жидкости (гуаровый гель, сшитый боратными солями при щелочном рН) представлены в таблице 2, таблице 3, таблице 4.
В колонке (5) таблиц 2-4 приведены данные для практически недеградируемого полимерного волокна из ПЭТФ. Для ПЭТФ-волокна критическое время жизни при заданных условиях составляет более двух суток, тогда как продолжительность плана ГРП измеряется в минутах. Это волокно использовали для сравнения транспортных способностей волокон из деградирующего полимера (волокна 1, 2, 3, 4).
cr
f
2
3
Из примера 1 видно, что для выбранных полимерных волокон при температуре жидкости выше 121°С критическое время для волокон (t, мин) изменяется в пределах от нескольких минут до десятков минут. Это индикатор того, что за время выполнения ГРП эффективная концентрация волокон будет уменьшаться за счет деградации. Вместе с уменьшением концентрации волокон C увеличивается скорость осаждения проппанта v и конечная картина распределения проппанта в трещине ГРП после окончания операции ГРП. Быстро деградирующие волокна при добавке в жидкость ГРП создают распределение концентрации проппанта (вычисляется как масса (кг) проппанта на 1 м площади трещины и легко пересчитывается в массовую концентрацию кг/м).
Для термостабильных волокон в скважине с низкой температурой пласта (82-120°С) эффект деградации волокон будет низким, и этот эффект не учитывают при моделировании ГРП.
Пример 2.
р
ƒ
Пример 2 описывает как в двумерной модели гидроразрыва пласта на основе уравнений переноса учитывают изменение скорости осаждения проппанта из-за присутствия волокон. Для каждой ячейки расчетной области в результате решения уравнений переноса (уравнения баланса массы, импульса и энергии) известна массовая концентрация проппанта С в ячейке и массовая концентрация волокон С в ячейке.
Скорость осаждения проппанта при отсутствии волокон рассчитывается с использованием алгоритма из публикации [Schiller L., Naumann A., Uber die grundlegende Berechnung bei der Schwekrafttaufbereitung, Ver.Deutch. Ing., N44. P. 318-320].
ƒ
cr
Обозначим скорость осаждения проппанта как v. В присутствии волокон с заданной начальной массовой концентрацией C при t > t, (после полной деградации) скорость осаждения проппанта не меняется: v1=v.
cr
ƒ
sbase
sbase
При ненулевой концентрации волокна в ячейке (для t < t) скорость осаждения проппанта в проппантно-волоконной суспензии (при концентрации волокон С) вычисмляют с помощью поправочного коэффициента H: v1=v/H,
где коэффициент зависит от геометрических параметров волокна и связан с концентрацией проппанта и волокна в ячейке:
р
3
где С - концентрация проппанта в рра (фунт на галлон или 119 кг/м),
- объемная концентрация проппанта,
ρ - удельная концентрация проппанта
f
C - концентрация волокон в ppt (фунт/1000*галлон),
- массовая концентрация волокон,
f
P - удельная плотность волокон ,
sbase
При этом коэффициенты а1, а2, а3 для функции H получены экспериментально для нескольких типов волокон (смотри выбор волокна 1-5 из таблицы 1):
Волокно 1: а1=7; а2=0.3; а3=0.07;
Волокно 2: а1=6.3; а2=0.3; а3=0.07;
Волокно 3: а1=8.75; а2=0.3; а3=0.07;
Волокно 4: а1=1.9612; а2=0.523; а3=0.1697;
Волокно 5: а1=0.7; а2=0.3; а3=0.07;
Таким образом, для каждой ячейки в расчетной области (пространство трещины ГРП) известна скорость осаждения проппанта с поправкой на массовую концентрацию волокон выбранного типа.
Пример 3.
3
2
2
2
f
Построение графика ГПР (распределение концентрации проппанта) проводилось с помощью симулятора ГРП. В качестве несущей жидкости использовали высоковязкую жидкость (гуаровый раствор, сшитый солями борной кислоты). Моделируем трещину ГРП для следующего плана закачки: проппант марки 20/40 BORPROP™ (постоянная входная массовая концентрация 360 кг/м, при этом волокна не добавлялись (C=0). На Фиг. 3 представлены результаты моделирования для распределения концентрации проппанта в трещине ГРП (по окончании плана закачки - конечный результат моделирования ГРП). Конечное распределение концентрации проппанта (кг/м) по пространству трещины является индикатором расклинивания области трещины. В данном примере нижним пределом для расклинивания трещины является локальная концентрация проппанта равной или выше 0,14 кг/м. Области с низкой плотностью проппанта (<0,14 кг/м) не способны противостоять напряжения смыкания трещины после окончания ГРП: такие не расклиненные области (светлый тон на графике) не способны обеспечить высокую проводимость трещины ГРП.
Из Фиг. 3 видно, что общая площадь расклинивания для проппанта без волокна не превышает 25% от площади трещины (низкая проппированность). Результатом отсутствия волокна в жидкости ГРП стало неэффективное распределение концентрации проппанта - проппант успел осесть в нижней части трещины ГРП. Длина трещины ГРП (крайне правая координата расклиненной области) составила по результатам моделирования 150 м.
На Фиг. 4 представлены результаты моделирования для распределения температуры в трещине ГРП для закачивания проппантной суспензии (жидкость ГРП). Моделирование температуры в трещине ГРП показывает, что при начальной температуре жидкости ГРП на поверхности 30-400°С, ее прокачивание на глубину 4 км вызывает постепенное прогревание жидкости до температуры 120-140°С (вблизи интервала перфорации). Далее попавшая в трещину жидкость ГРП продолжает прогреваться за счет теплового контакта с породой. Для трещины характерны области с различной температурой - от 150°С до 180°С. На Фиг. 4 показано конечное распределение температуры для жидкости ГРП.
Моделирование в примере 3 является исходным эталоном для сравнения других планов закачки проппанта и волокон.
Планы закачки (примеры 4-5) обеспечивают более высокий параметр оптимизации ГРП за счет добавки полимерных волокон (параметр - общая площадь расклинивания в данном примере).
Пример 4.
3
3
f
Построение графика ГРП (моделировалось распределение температуры жидкости в трещине ГРП) проводилось с помощью симулятора ГРП. В качестве несущей жидкости использовали эмульсию нефть в воде. Для этого 30% нефтепродукта (дизельное топливо) смешивали при активном перемешивании с 2% KCl водным раствором. Водно-нефтяную эмульсию стабилизировали с помощью 0.5% добавки амфифильного сурфактанта. Далее для волоконно-проппантной суспензии в эмульсии составляем план ГРП: проппант марки 20/40 BORPROP™ (постоянная входная массовая концентрация 360 кг/м), в качестве волоконной добавки использовали волокно типа 1 (полимер L-лактид из таблицы 1) с концентрацией C=4.8 кг/м. Согласно плану ГРП, было доставлено в трещину ГРП: общее количество волокон типа 1-180 кг, общая масса проппанта - 14000 кг.
2
2
На Фиг. 5 представлены результаты моделирования для распределения концентрации проппанта в трещине ГРП (по окончании плана закачки - это конечный результат моделирования для потока проппанта в трещине). Распределение концентрации проппанта (кг/м) по пространству трещины является индикатором расклинивания области трещины. В данном примере нижним пределом для расклинивания трещины является локальная концентрация проппанта выше 0,14 кг/м.
Из распределения на Фиг. 5 видно, что общая площадь расклинивания для проппанта в смеси с волокном составляет приблизительно 40% от площади трещины (умеренная проппированность трещины). Это больше чем для ситуации подачи жидкости ГРП без волокна (Фиг. 3 и Фиг. 4). Длина трещины ГРП (крайне правая координата расклиненной области) составила по результатам моделирования 140 м. Высота трещины ГРП с расклинивающим агентом составила 19 м.
f
3
На Фиг. 6 представлено данные моделирования для локальной температуры внутри расчетной области (пространство трещины ГРП) в конце закачивания проппантно-волоконной суспензии (с постоянной входной массовой концентрацией C=4.8 кг/м) в вязкой эмульсии нефть-в-воде. Из-за особенностей вывода данных по температуре, температуры 180°С и выше отображены различным тоном (см. легенду в правой части Фиг. 6). По результатам моделирования температуры, осталось только три рабочих интервала температур для жидкости ГРП:<160°С, 160-170°С, 180°С и выше. Это связано с тем, что к концу операции ГРП большая часть жидкости успела прогреться до температуры окружающей породы (180°С).
Высокая разница в локальной температуре внутри расчетной области (от 150°С до 180°С) является индикатором того, что матрица деградации волокна (волокно типа - см Таблицы 2-4, колонка 3) должна учитываться при расчете эффективной концентрации проппанта. При этом, эффекты деградации волокна будет заметны в ячейках с температурой близкой или выше температуры плавления полимера 1 (в данном примере температура плавления полимера типа 1-160°С согласно таблице 1). Это превышение температуры над критической температурой деградации характерно для большей части области моделирования ГРП.
Пример 5.
3
3
Построение графика ГПР (распределение концентрации проппанта) проводилось с помощью симулятора ГРП. В качестве несущей жидкости использовали высоковязкую жидкость (гуаровый раствор, сшитый боратными солями). Моделируем трещину ГРП для следующего плана закачки: проппант марки 20/40 BORPROP™ (постоянная входная массовая концентрация 360 кг/м), в качестве волоконной добавки использовали волокно типа 4 (высокотемпературное деградирующее волокно - см. таблицу 1, строка 4) с массовой концентрацией 4.8 кг/м.
Согласно плану ГРП, было доставлено в трещину ГРП: общее количество волокон типа 4 (высокотемпературный DL-полилактид) - 200 кг, общая масса проппанта -14000 кг.
На Фиг. 7 представлены результаты моделирования для распределения концентрации проппанта в трещине ГРП. Моделирование с помощью симулятора ГРП позволяет оценить промежуточные распределения параметров. На Фиг. 7 показано конечное распределение концентрации проппанта после окончания плана ГРП.
2
2
При этом распределение концентрации проппанта (кг/м) по пространству трещины является индикатором расклинивания трещины. В данном примере «нижним пределом» для расклинивания трещины является локальная концентрация проппанта выше 0,14 кг/м. Области с более светлой градацией тона соответствуют не расклиненным областям в расчетной области (имеет место смыкание стенок трещины ГРП). Из Фиг. 7 видно, что общая площадь расклинивания для проппанта в смеси с волокном типа 4 (добавка для усиления транспортных свойств жидкости) составляет приблизительно 65% от площади трещины (высокая проппированность трещины).
Длина трещины ГРП (крайняя координата расклиненной области) составила по результатам моделирования 117 м. Высота трещины ГРП с расклинивающим агентом составила 21 м.
На Фиг. 8 представлены результаты моделирования для распределения температуры жидкости в трещине ГРП на конечной стадии процесса - перед закрытием трещины ГРП. Из распределения температуры видно, что в течении операции ГРП в трещине существуют градиенты температуры жидкости - от 150 до 180°С. Эти температурные эффекты учитывают, в частности, применяя матрицу деградации волокон (таблицы 2-4).
2
Сравнение расклиненных проппантом областей (заполненных проппантом с высокой концентрацией >0,14 кг/м) для приведенных примеров 3-5 показывает, что для оптимизации процесса ГРП по степени расклинивания следует выбирать план закачки, раскрытый в примере 5: этот план ГРП обеспечивает самый высокий параметр оптимизации ГРП (в данном примере - площадь расклинивания трещины).
frac
frac
Для оптимизации процесса ГРП по длине трещины ГРП L предлагается проводить ГРП по плану, изложенному в примере 4 (распределения плотности размещенного проппанта на Фиг. 5): L=140 м.
Выбранный (оптимальный) план закачки после сравнения различных вариантов моделирования ГРП становится «планом ГРП», именно по этому плану осуществляют операцию ГРП с высокой эффективностью стимулирования пласта.
Раскрытый способ создания плана ГРП позволяет избежать ненужных потерь времени и материалов, типичным для способа «проб и ошибок». Неоптимальные варианты плана закачки оператор отсеивает на этапе компьютерного моделирования ГРП с помощью симулятора ГРП. Способ позволяет провести оптимизацию ГРП, по меньшей мере, по одному параметру оптимизации и оценить эффективность применения добавок деградирующих волокон различного типа.
В качестве параметра оптимизации ГРП для сравнения различных планов закачки выбирают один или несколько параметров из списка: площадь расклиненной области трещины ГРП, высота трещины, длина трещины, общее количество волокна в трещине.
В случае по примеру 5, добавки волокна типа 4 (высокотемпературный полимер) в жидкость ГРП создают обширную расклиненную (проппированную) площадь трещины, которая приблизительно на 20-40% выше, чем для альтернативных примеров планов закачки. Эти примеры также демонстрируют, что походящий выбор типа волокна для высокотемпературного пласта обеспечивает равномерное размещение проппанта в трещине ГРП по высоте, то есть риски волоконного тампонирования в трещине и риски осаждения проппанта на дне трещины уменьшаются.
Несмотря на то, что выше были подробно описаны только несколько примеров осуществления настоящего раскрытия, специалисты в данной области легко поймут, что возможны многие модификации приведенных вариантов без существенного отклонения от настоящего раскрытия. Соответственно, все подобные модификации должны быть включены в объем настоящего раскрытия, как определено в нижеследующей формуле изобретения.