СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА
METHOD OF HYDRAULIC FRACTURING

Изобретение относится к области гидравлического разрыва в подземных пластах и может найти применение, в частности, на нефтяных и газовых месторождениях.
Гидравлический разрыв является основным технологическим процессом увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта за счет образования трещин и/или расширения и углубления в нем естественных трещин. Для этого в ствол скважины, пересекающей подземный пласт, закачивается гидроразрывная жидкость под высоким давлением. Пластовое отложение пород или горная порода принуждается к растрескиванию и разрыву. Расклинивающий наполнитель (проппант) закачивается в трещину 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.
Для проведения работ по гидроразрыву используют жидкости с различными реологическими свойствами в зависимости от целей работы и от свойств пласта. В случае высокопроницаемого пласта в трещину закачиваются высоковязкие жидкости, и характерные скорости таких течений малы. Такие течения, как правило, являются ламинарными, т.е. различные слои течения не смешиваются. Однако во время гидроразрывных работ в малопроницаемых пластах (например, на месторождениях сланцевого газа) применяются маловязкие жидкости при больших расходах закачки. Такие течения могут терять устойчивость, в результате чего течение может становится турбулентным, когда все характеристики течения становятся хаотичными на всех масштабах длины. В случае турбулентного течения в трещине суспензия подвергается постоянному перемешиванию. Это обычно приводит к существенным изменениям в распределении частиц, так как хаотические пульсации приводят к равномерному распределению частиц проппанта поперек трещины. Крупномасштабные вихри удерживают частицы от оседания и поддерживают частицы во взвешенном состоянии, таким образом уменьшая скорость осаждения частиц.
В патенте US №6776235 предложен способ гидроразрыва пласта, в котором скорость осаждения частиц проппанта регулируют посредством регулирования скорости закачки. Однако данный способ не предусматривает постоянного контроля за режимом течения закачиваемой гидроразрывной жидкости и не позволяет обеспечить равномерное заполнение проппантом всей трещины, способствуя образованию относительно плотных проппантных упаковок в хаотически расположенных областях трещины.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является обеспечение возможности контроля за режимом течения гидроразрывной жидкости в скважине и в трещине при осуществлении гидроразрыва пласта в реальном времени с последующей корректировкой параметров закачки в зависимости от конкретных целей работы по гидроразрыву пласта, где конечным результатом является увеличение притока углеводородов к скважине.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе гидроразрыва пласта, предусматривающем закачку гидроразрывной жидкости в скважину посредством насоса и регулирование скорости закачки, в процессе закачки постепенно увеличивают расход жидкости вплоть до рабочего и одновременно осуществляют непрерывное измерение потребляемой мощности насоса, по скачкообразному изменению которой судят о турбулизации течения в скважине. При необходимости изменяют скорость закачки.
Постепенное увеличение расхода и одновременное непрерывное измерение потребляемой мощности насоса может быть продолжено, в этом случае по появлению второго скачка потребляемой мощности судят о турбулизации течения в трещине. При необходимости может быть произведено изменение скорости закачки.
В насосе в качестве мотора может быть использован электрический мотор, при этом измерение потребляемой мощности осуществляют посредством измерителя электрической мощности.
В качестве мотора может быть использован двигатель внутреннего сгорания, при этом измерение потребляемой мощности осуществляют посредством измерения потребления топлива в реальном режиме времени.
Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена зависимость потребляемой насосом мощности от скорости течения гидроразрывной жидкости.
Известно, что после ламинарно-турбулентного перехода в течении жидкости эффективная вязкость жидкости резко возрастает. Течение гидроразрывной жидкости по скважине может рассматриваться как течение в трубе, а течение в трещине может рассматриваться как течение в плоском канале. В то время как среднее значение скорости превосходит определенное критическое значение для данной геометрии и свойств жидкости (число Рейнольдса течения превосходит критическое значение), режим течения меняется с ламинарного на турбулентный. Турбулентный режим течения характеризуется хаотическими флуктуациями параметров течения. В зависимости от конкретных полевых условий, либо ламинарный, либо турбулентный режим может быть желателен. Так как после ламинарно-турбулентного перехода потери на трение в течении существенно увеличиваются, потребляемая мощность насоса, который используется для закачки гидроразрывной жидкости в скважину, при том же расходе существенно возрастает в турбулентном режиме по сравнению с ламинарным. Следовательно, путем измерения потребляемой мощности насоса при плавно изменяемом расходе можно определить момент, когда потребляемая мощность резко возрастает. Этот скачок потребляемой мощности является ясным признаком ламинарно-турбулентного перехода в скважине либо в трещине, и оператор, в зависимости от конкретных целей работы, может либо продолжить работу при данном расходе в турбулентном режиме, либо уменьшить расход, чтобы предотвратить переход в турбулентный режим.
Для того, чтобы представить конкретные оценки увеличения потребляемой мощности при ламинарно-турбулентном переходе, рассмотрим режим течения в колонне насосно-компрессорной трубы. Предположим, что длина трубы l=3000 м, а радиус r=0.0325 м. Согласно [H.Schlichting, J.Kestin, Boundary-layer Theory, (McGraw-Hill, 1979)], перепад давления Δp на длине трубы связан с осредненной по сечению скоростью течения и следующим соотношением:
где ρ - плотность жидкости, λ - коэффициент гидравлического сопротивления трубы. Для ламинарного и турбулентного режимов течения  выражается следующим образом:
где µ - вязкость жидкости, Re - число Рейнольдса. Рассмотрим два режима течения с одинаковыми (критическими) значениями числа Рейнольдса. Из (1)-(3) следует, что в переходной области при одинаковом расходе (и одинаковых числах Рейнольдса) перепады давления для разных режимов соотносятся следующим образом:
Полагая, что ламинарно-турбулентный переход происходит при Re=2500, получаем, что
Таким образом, перепад давления при турбулентном режиме почти в два раза превышает перепад давления в ламинарном режиме. В первом приближении мощность, потребляемая насосом, пропорциональна создаваемому перепаду давления. Это дает возможность ожидать существенного увеличения потребляемой мощности при ламинарно-турбулентном переходе в трубе насосно-компрессорной станции. Как известно из теории гидромеханики, корреляции «скорость - перепад давления» для течения в плоском канале аналогичны. Таким образом, при ламинарно-турбулентном переходе в трещине следует ожидать таких же величин изменения перепада давления.
Если в насосе используется электрический мотор, то потребление мощности может контролироваться измерителем электрической мощности. Если в качестве мотора используется двигатель внутреннего сгорания, то потребляемая мощность может быть охарактеризована измерениями потребления топлива в реальном режиме времени.
Обычно ламинарно-турбулентный переход происходит в трубе насосно-компрессорной станции при более низких скоростях течения, чем в трещине. Таким образом, предлагаемый способ гидроразрыва пласта осуществляется следующим образом. В скважину посредством насоса закачивают гидроразрывную жидкость. Постепенно увеличивают расход жидкости вплоть до рабочего расхода с одновременным измерением потребляемой насосом мощности. При регистрации первого скачкообразного увеличения потребляемой мощности (см. фиг.1, секция 1-2) поток в трубе насосно-компрессорной станции становится турбулентным, в то время как поток в трещине остается ламинарным. В зависимости от решаемой задачи оператор или продолжает работу при данном расходе в турбулентном режиме, или уменьшает расход для предотвращения перехода к турбулентному течению. Как правило, турбулизации течения в скважине стараются избегать, так как это повышает гидродинамическое сопротивление, и, как следствие, увеличивает потребление мощности насосом. Однако иногда может потребоваться размешать проппант поперек и вдоль скважины, для чего может потребоваться переход к турбулентному режиму в скважине.
При необходимости продолжают увеличение расхода гидроразрывной жидкости (фиг.1, секция 2-3). Второй скачок потребляемой мощности свидетельствует о турбулизации течения в трещине (фиг.1, секция 3-4). Оператор вновь принимает решение об уменьшении расхода для предотвращения перехода к турбулентному течению или о продолжении работы в турбулентном режиме. Например, может потребоваться турбулизация течения в трещине для максимально равномерного распределения частиц проппанта. С другой стороны, для минимизации потребляемой мощности может потребоваться поддержание ламинарного режима течения в трещине.
При расходах, больших чем расход в точке 4, течение турбулентно как в трубе насосно-компрессорной станции, так и в трещине.