СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА
METHOD OF HYDRAULIC FRACTURING OF UNDERGROUND FORMATION

Изобретение относится к технологиям гидроразрыва подземного нефтегазоносного пласта, более кокретно к способам размещения проппанта в трещине.
Гидравлический разрыв пласта (ГРП) является основным технологическим процессом увеличения производительности продуктивного пласта за счет образования новых трещин или расширения и углубления в нем естественных трещин. Для этого на начальном этапе в ствол скважины, пересекающей подземный пласт, закачивают гидроразрывную жидкость под высоким давлением. Под воздействием повышенного давления происходит разрушение и растрескивание пласта и породы. На следующем этапе в трещину закачивают жидкость, содержащую расклинивающий наполнитель (проппант), представляющий собой твердые частицы, для предотвращения смыкания трещины после снятия давления на пласт и, тем самым, для обеспечения улучшенной добычи извлекаемой текучей среды, то есть нефти, газа или воды.
Гидроразрывные жидкости обычно представляют собой водные растворы, которые содержат загуститель, в качестве которого могут быть использованы, например, растворимые полисахариды, обеспечивающие создание достаточной вязкости жидкости для транспортировки проппанта с трещину. Примерами загустителей являются такие полимеры, как гуар и его производные.
Известен целый ряд патентных документов, относящихся к технологиям закачки жидкостей в трещину гидроразрыва с целью улучшения проводимости образованных трещин.
Так, в заявке США №20050274523 описывается технология закачки жидкостей в трещину гидроразрыва с целью создания высокопроводящих каналов и предотвращения вымывания частиц проппанта в скважину в процессе закрытия трещины и добычи углеводоров. Жидкости могут содержать различные добавки (полимеры, частицы проппанта разного диаметра). Указан диапазон вязкостей жидкостей, приводящий к оптимальным условиям для создания высокопроводящих каналов.
В заявке США №20120305247 приводится описание способа закачки жидкостей в трещину гидроразрыва с использованием суспензии с высокой объемной долей частиц. Должны присутствовать частицы как минимум двух типов, различающиеся по размерам. Закачка указанной суспензии перемежается с закачкой вязкой жидкости без частиц, создающей свободные от частиц каналы. Приводятся различные варианты состава суспензии с добавлением загустителей, растворенного газа, разлагающихся материалов и волокон («файберов»).
В заявке США №2015083420 предложена технология гидроразрыва пласта, содержащего углеводороды, основанная на закачке жидкости в трещину гидроразрыва стадиями. На некоторых стадиях в жидкость может быть добавлен проппант. Результатом является создание вертикальных областей, занятых одной из жидкостей, и высокопроводящих каналов между ними. Приводятся возможные варианты состава и реологии жидкостей (может быть вязкоэластичной, может содержать кросслинкованный полимер, смесь разных частиц проппанта и т.д.).
Недостатком указанных изобретений является то, что высокопроводящие каналы, создаваемые в процессе закачки в трещину гидроразрыва, не стабилизированы и могут сомкнуться в процессе закрытия трещины из-за гравитационного осаждения частиц, гравитационного сползания областей суспензии, содержащей частицы и течения суспензии, вызванного оттоком через перфорации.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности создания в расклиненных трещинах стабилизированных каналов высокой проводимости путем снижения гравитационного осаждения проппанта и предотвращения гравитационного сползания суспензии и закрытия открытых каналов между областями, занятыми проппантом на стадиях нагнетания и закрытия. Создание каналов высокой проводимости в свою очередь обеспечивает повышение извлечения углеводородов и других пластовых флюидов.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Осуществляют закачивание в ствол скважины первой гидроразрывной жидкости, не содержащей частиц проппанта. Затем осуществляют закачивание в ствол скважины второй гидроразрывной жидкости, представляющей собой суспензию частиц проппанта, при этом вторая жидкость обладает пределом текучести и способностью к затвердеванию, а отношение вязкости первой жидкости к вязкости второй жидкости составляет не менее 0,1. После этого закачивают в ствол скважины третью гидроразрывную жидкость, не содержащую частиц проппанта, причем отношение вязкости первой жидкости к вязкости второй жидкости составляет не менее 0,1, а отношение плотностей первой и третьй жидкостей составляет от 0,8 до 1,2. Осуществляют повторное закачивание в ствол скважины второй гидроразрывной жидкости, вслед за которым осуществляют повторное закачивание третьей гидроразрывной жидкости.
В соотвествии с одним из вариантов осуществления изобретения первая и третья гидроразрывные жидкости могут представлять собой одну и ту же жидкость.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения наличие предела текучести второй гидроразрывной жидкости может обеспечиваться за счет высокой концентрации частиц проппанта в суспензии, за счет использования в качестве жидкости перекрестносшитого геля или за счет добавления в жидкость специальных волокон.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения последовательное закачивание в ствол скважины второй гидроразрывной жидкости, третьей гидроразрывной жидкости и повторное закачивание второй и третьей гидроразрывных жидкостей циклично повторяют.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения после повторного закачивания третьей гидроразрывной жидкости осуществляют дополнительное закачивание в ствол скважины первой и второй гидроразрывных жидкостей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано распределение жидкостей в трещине ГРП по окончании стадии повторного закачивания третьей гидроразрывной жидкости с пределом текучести 10 Па при отсутствии затвердевания суспензии, на фиг. 2 показано распределение жидкостей в трещине ГРП по окончании стадии повторного закачивания третьей гидроразрывной жидкости с пределом текучести 10 Па при затвердевании суспензии, на фиг. 3 показано распределение жидкостей в трещине ГРП по окончании стадии повторного закачивания третьей гидроразрывной жидкости с пределом текучести 40 Па при отсутствии затвердевания суспензии, на фиг. 4 показано распределение жидкостей в трещине ГРП по окончании стадии повторного закачивания третьей гидроразрывной жидкости с пределом текучести 60 Па при отсутствии затвердевания суспензии.
Предлагаемый способ основан на свойствах текучести и затвердевания насыщенной частицами гидроразрывной жидкости. Метод обеспечивает систему подачи жидкостей и порядок их нагнетания для создания областей проппанта, разделенных каналами высокой проводимости в расклиненной трещине ГРП вследствие вытеснения супензии жидкостью, чему способствует затвердевание суспензии.
Предлагаемая система подачи по меньшей мере двух гидроразрывных жидкостей и порядок их нагнетания в трещину нацелены на создание отдельных областей вдоль трещины, занятых проппантом, вследствие развития неустойчивости на границе раздела между гидроразрывными жидкостями. Описываемая система подачи жидкостей и порядок их нагнетания обеспечивают создание в суспензии, содержащей частицы проппанта, каналов высокой проводимости, которые после смыкания трещины будут служить высокопроводящими каналами для течения углеводородов (или иных пластовых флюидов) из пласта в ствол скважины, повышая, таким образом, расход и извлечение таких флюидов.
Технология размещения жидкостей включает по меньшей мере пять стадий и минимум две разные гидроразрывные жидкости.
На первой стадии в ствол скважины закачивают первую чистую вязкую гидроразрывную жидкость, не содержащую частиц проппанта - вязкую "подушку" для раскрытия трещины и создания высокопроводящих каналов в суспензии, содержащей частицы. Не содержащая проппанта "подушка", нагнетаемая на этой стадии, создает трещину ГРП в подземном пласте и формирует каналы тока для других флюидов после закрытия трещины. Примером жидкости, используемой на этой стадии, может служить вода либо водный раствор полимера (например, «перекресносшитый гель» семейства YF или линейный гель семейства WF).
На второй стадии осуществляют закачку второй гидроразрывной жидкости, представляющей собой суспензию, содержащую частицы проппанта. Для снижения гравитационного оплывания суспензии отношение вязкости "подушки", т.е первой гидроразрывной жидкости, к вязкости второй гидроразрывной жидкости должно быть выше 0,1, в диапазоне от 0,1 до 0,9. Под вязкостью в данном описании подразумевается динамическая вязкость для ньютоновских жидкостей или кажущаяся вязкость, рассчитываемая на основе средней скорости сдвига, которая, в свою очередь, является отношением средней скорости нагнетания к половине толщины трещины ГРП.
К реологическим свойствам и составу второй гидроразрывной жидкости, нагнетаемой на второй стадии, предъявляются следующие требования: она должна обладать пределом текучести, что означает, что при низких сдвиговых напряжениях жидкость ведет себя как твердое тело и должна обладать способностью к затвердеванию, то есть к увеличению предела текучести с течением времени.
Примером жидкости с пределом текучести может служить водный раствор полимера, имеющий сильные межмолекулярные связи (так называемый «перекрестносшитый гель» YF 100-150).
3
Предел текучести второй гидроразрывной жидкости может обеспечиваться также за счет высокой концентрации частиц проппанта в суспензии (объемная доля частиц в диапазоне 0.4-0.55) или за счет добавления в жидкость специальных волокон (файберов) (например, файберы LT1 длиной от 0.5 до 2 см, диаметром от 0.01 мм до 0.02 мм и плотностью от 1.4 до 2.7 г/см). Затвердевание второй жидкости в условиях гидроразрыва пласта может достигаться при помощи использования специальных химических веществ и частиц проппанта (например, «перекрестносшитый гель» YF 100-150, в котором количество межмолекулярных связей растет со временем, таким образом увеличивая предел текучести жидкости в целом). Обладающая вышеописанными реологическими свойствами и составом суспензия обеспечивает транспорт частиц проппанта вглубь трещины, предотвращает гравитационное оплывание областей, занятых проппантом, и осаждение проппанта.
На следующей, третьей, стадии способа в ствол скважины закачивают третью гидроразрывную жидкость. Это должна быть вязкая жидкость, в качестве которой может использоваться та же самая жидкость, что и для "подушки" на первой стадии. Вязкая жидкость, нагнетаемая на этой стадии, должна иметь вязкость меньше, чем вязкость суспензии, закачиваемой на второй стадии: отношение ее вязкости к вязкости второй гидроразрывной должно быть выше 0,1. Нагнетание вышеописанной жидкости на третьй стадии вызывает развитие неустойчивости Сэффмана-Тейлора на границе раздела со второй жидкостью и образование вв второй жидкости открытых каналов.
Четвертая и пятая стадии необходимы для обеспечения равномерного размещения областей проппанта, разделенных высокопроводящими каналами чистой жидкости, вдоль трещины, чему способствует затвердевание суспензии.
Четвертая стадия предусматривает повторное закачивание в ствол скважины второй гидроразрывной жидкости с частицами проппанта. Закачка суспензии с частицами проппанта в одну стадию обычно вызывает снижение расклиненной длины или открытой зоны вблизи скважины, что существенно снижает общую проводимость трещины.
На пятой стадии осуществляют повторное закачивание третьей гидроразрывной жидкости, то есть той же самой вязкой жидкости, что на третьей стадии.
Продолжительность стадий может быть, например, следующей. При закачке с расходом 7 баррелей в минуту первая стадия может длиться от получаса до часа, вторая стадия - 7.5 минут, третья - 4.5 минуты, четвертая - 7.5 мин, пятая - 15,5 мин.
В некоторых случаях пятая стадия может быть самой продолжительной по времени по сравнению с остальными стадиями для создания в суспензии с частицами проппанта каналов по всей длине трещины ГРП.
Плотность первой и третьй жидкостей, нагнетаемых на первой, третьей и пятой стадиях, должна быть приблизительно одинаковой для снижения гравитационного сползания (отношение плотностей должно быть в интервале от 0,8 до 1,2) (этот диапазон плотностей покрывает осуществимые в реальности сочетания жидкостей).
Описанные выше стадии со второй по пятую можно повторять циклами.
После повторного закачивания третьей гидроразрывной жидкости на пятой стадии может быть осуществлено дополнительное закачивание в ствол скважины первой и второй гидроразрывных жидкостей (с целью более равномерного распределения суспензии в трещине).
Далее приведены примеры, в которых на основе численного моделирования, выполненного с помощью программного кода, продемонстрировано, насколько разные результаты дают описанные выше системы подачи жидкостей и порядок нагнетания в полевых условиях.
3
Мы рассматриваем открытую трещину ГРП с размерами 70×70×0.006 м (высота × длина × толщина), при этом объемный расход на всех стадиях закачки принят равным 0.02 м/с. В закачке участвуют чистая жидкость со степенной реологией и вязкопластическая суспензия (имеющая предел текучести). Плотность и параметры реологии жидкостей, рассмотренных в Примерах 1-4, приведены в таблице 1:
В приведенных ниже примерах продолжительность стадий нагнетания, предел текучести суспензии и его зависимость от времени (затвердевание) варьируются.
Пример 1
В данном примере рассмотрен порядок закачки, при котором предел текучести суспензии принят равным 10 Па, затвердевание суспензии не происходит (предел текучести суспензии постоянен). В таблице показан график закачки в пласт, а на фиг. 1 показано распределение жидкостей в трещине гидроразрыва после закачки по расписанию, представленному в таблице 2, по окончании пятой стадии согласно моделированию с использованием программного кода. Черный цвет на фиг. 1 соответствует суспензии, белый - чистой жидкости.
Жидкости нагнетают с левой вертикальной границы зоны потока. Первоначально трещина заполняется чистой жидкостью. По мере входа жидкости-песконосителя (суспензии с частицами пропанта) в зону потока она подвергается сильному воздействию гравитационного сползания. На границе раздела с жидкостью-песконосителем образуются языки чистой жидкости, и большая часть таких языков не проникает в песконоситель. Неустойчивость на границе раздела ослабляется гравитационным сползанием. Кроме того, песконоситель продавливается глубоко в трещину, оставляя большую нерасклиненную зону около устья, в связи с чем размещение можно считать неудачным.
Пример 2
В данном примере продемонстрировано влияние затвердевания суспензии на размещение жидкости при тех же самых условиях нагнетания, что и в рассмотренном Примере 1. Используется тот же порядок нагнетания, но теперь предел текучести суспензии с течением времени повышается пропорционально , где t - временной интервал с начала нагнетания. Исходный предел текучести суспензии принят равным 10 Па, как и в Примере 1. Распределение жидкостей в трещине гидроразрыва после закачки по расписанию, представленному в таблице 2, показано на Фиг. 2. Суспензия затвердевает, начальное значение предела текучести 10 Па. Черный цвет соответствует суспензии, белый - чистой жидкости. По сравнению с распределением, полученным в Примере 1, суспензия распределяется в трещине равномерно, также имеются каналы чистой жидкости, пронизывающие суспензию и создающие каналы высокой проводимости в большей части трещины. Затвердевание суспензии снизило ее гравитационное сползание и способствовало равномерному размещению проппанта по трещине.
Пример 3
В данном примере показано влияние предела текучести на размещение жидкостей в отсутствие затвердевания суспензии. Предел текучести суспензии принят равным 40 Па, что близко к среднему по времени нагнетания значению предела текучести затвердевающей суспензии, рассмотренной в Примере 2. Порядок нагнетания аналогичен рассмотренному в Примерах 1, 2. На фиг. 3 показано распределение жидкостей в трещине гидроразрыва после закачки по расписанию, представленному в таблице 2. Предел текучести суспензии фиксирован и равен 40 Па. Черный цвет соответствует суспензии, белый - чистой жидкости.
Анализ распределения жидкостей по окончании нагнетания в соответствующей последовательности, как показано на Фиг. 3, свидетельствует о том, что повышение предела текучести суспензии в отсутствие затвердевания не обеспечивает желаемое равномерное распределение проппанта по трещине. В суспензии имеется большее число каналов по сравнению с распределением, полученным в Примере 1, однако при этом имеется чистая зона вблизи устья, ширина которой существенно больше, чем в Примере 2, где рассматривалось затвердевание суспензии. Также имеется слой чистой жидкости наверху трещины, образовавшийся вследствие гравитационного сползания жидкости-песконосителя. Оба указанных фактора существенно снизят проводимость трещины после ее закрытия по сравнению с закачкой, приведенной в Примере 2.
Пример 4
Последний пример - еще одна иллюстрация влияния предела текучести суспензии на размещение проппанта в трещине гидроразрыва. Рассматриваются аналогичные условия потока, как в Примерах 1 и 3, но теперь предел текучести суспензии принят равным 60 Па, что близко к самому высокому значению предела текучести затвердевающей суспензии, достигнутому в Примере 2. На фиг. 4 приведено распределение жидкостей в трещине гидроразрыва после закачки по расписанию, представленному в таблице 2. Предела текучести суспензии фиксирован и равен 60 Па. Черный цвет соответствует суспензии, белый - чистой жидкости.
Как показано на Фиг. 4, дальнейшее повышение предела текучести по сравнению с закачкой в Примере 3 привело к уменьшению расклиненной длины трещины: суспензия стала нетекучей как только образовались каналы чистой жидкости, а ее движение по трещине существенно замедлилось по сравнению с другими рассмотренными примерами. Другим недостатком использования суспензии с излишне высоким пределом текучести является то, что каналы чистой жидкости стремятся объединиться, в связи с чем общее число высокопроводящих каналов существенно меньше по сравнению с закачкой, рассмотренной в Примерах 2, 3. Снижение расклиненной длины и количества каналов приведет к снижению проводимости трещины по сравнению с системой подачи жидкостей, рассмотренной в Примере 2.
Описанные выше система подачи жидкостей и порядок их нагнетания обеспечивают создание каналов вязкой жидкости в суспензии, содержащей частицы проппанта, а свойства текучести и затвердевания суспензии снижают гравитационное осаждение проппанта и агломерацию областей, занятых проппантом на стадиях нагнетания и закрытия ГРП. Свойства текучести и затвердевания суспензии являются важными и необходимы для равномерного размещения суспензии по длине трещины, а также для предотвращения гравитационного сползания суспензии и закрытия открытых каналов между областями, занятыми проппантом. Последнее особенно важно на последних стадиях ГРП, когда нагнетание прекращается и трещина смыкается.