СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА УГЛЕВОДОРОДНОГО ПЛАСТА
METHOD OF HYDROCARBON RESERVOIR FRACTURING

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для повышения производительности как вновь вводимых, так и действующих добывающих и нагнетательных скважин.
Широко известны способы интенсификации добычи нефти или газа посредством гидравлического разрыва углеводородного пласта. Обычно трещину разрыва создают посредством нагнетания чистой жидкости гидроразрыва под высоким давлением через скважину в горную породу. Затем открытую трещину заполняют суспензией жидкости, смешанной с песком (частицами проппанта), которая в дальнейшем удерживает трещину открытой. И, наконец, в скважину закачивают небольшое количество чистой жидкости для очистки ствола скважины от твердых частиц, и часть этого количества жидкости может перейти в трещину. Этот последний этап называется закачкой продавочной жидкости.
Практика закачки продавочной жидкости, т.е. смещения суспензии гидроразрыва из ствола скважины в трещину маловязкой жидкостью, обычно применяется при заканчивании горизонтальных скважин, пробуренных в пластах нетрадиционного газа, методом многостадийного гидроразрыва. Она обеспечивает очистку от твердых частиц (проппанта) для последующих операций или стадий и позволяет предотвратить вынос твердых частиц из трещины при пуске скважины. Однако закачка продавочной жидкости может негативно сказаться на общей производительности трещин при сочетании следующих факторов: во-первых, проппант может быть вытеснен довольно далеко от скважины внутрь трещины, так что трещина окажется неподкрепленной возле скважины и может сомкнуться (закрыться) там в любой момент срока эксплуатации скважины, когда давления жидкости будет недостаточно, чтобы удерживать трещину открытой (от начала добычи до последующего момента в процессе эксплуатации скважины). Кроме того, после остановки закачки смыкание трещины происходит достаточно долго в малопроницаемых коллекторах (отток жидкости в породу через стенки трещины занимает много времени). В процессе закрытия трещины суспензия может оплывать на дно трещины под действием силы тяжести, в то время как чистая жидкость поднимает наверх, оставляя значительную часть прискважинной зоны без опоры и перекрывая доступ к верхней части коллектора.
Из уровня техники известны способы усовершенствования операции гидроразрыва с закачкой продавочной жидкости. Так, в патенте US 7104325 предлагается уплотнение фазы, закачиваемой перед закачкой продавочной жидкости посредством добавления проппанта с покрытием из смолы.
В патенте US 3752233 предусмотрено добавление гидразина в фазу продавочной жидкости для восстановления проницаемости, при котором на проницаемость отрицательно влияет высокий молекулярный вес полимера в жидкости разрыва.
В патенте US 2859819 заявлена последняя фаза чистой маловязкой жидкости (продавочной жидкости) для уноса частиц из ствола скважины в трещину для очистки скважины.
Во всех известных способах сохраняется риск закрытия/смыкания трещины из-за возможности образования незакрепленной области в прискважинной зоне трещины.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в существенном снижении риска смыкания трещины и потери гидравлической связи между скважиной и трещиной за счет уменьшения свободной от частиц проппанта незакрепленной области в прискважинной зоне трещины.
n
n
В соответствии с предлагаемым способом в пробуренную в пласте скважину закачивают жидкость гидроразрыва под высоким давлением с образованием трещины гидроразрыва. Затем в скважину и образовавшуюся трещину гидроразрыва закачивают суспензию жидкости гидроразрыва, смешанной с частицами проппанта, при этом суспензия имеет показатель консистенции выше 0,1 Па⋅с при любом индексе течения n и предел текучести выше 5 Па. Затем осуществляют закачку в скважину продавочной жидкости с показателем консистенции ниже 0,01 Па⋅с.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения продавочная жидкость может содержать химический разжижитель, способный вступать в реакцию с жидкостью суспензии, обеспечивающую превращение суспензии в степенной линейный гель без предела текучести.
Оптимальные параметры суспензии и продавочной жидкости определяют на основе численного моделирования операции закачки продавочной жидкости.
с
с
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения регулируют диаметр созданной продавочной жидкостью и свободной от частиц проппанта области в прискважинной зоне внутри трещины путем регулирования скорости закачки продавочной жидкости. Продавочную жидкость закачивают с скоростью выше, чем пороговая скорость u на поверхности раздела суспензии и продавочной жидкости, в случае, когда показатель поведения продавочной жидкости больше, чем показатель поведения жидкости разрыва, или со скоростью ниже, чем пороговая скорость u на поверхности раздела суспензии и продавочной жидкости, в случае, когда показатель поведения продавочной жидкости меньше, чем показатель поведения жидкости разрыва.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведено схематическое изображение горизонтальной скважины, пересекающей поперечную трещину гидроразрыва, с продавочной жидкостью, вытесняющей суспензию; на фиг. 2 приведены результаты моделирования для вытеснения суспензии продавочной жидкостью в правой половине трещины; на фиг. 3 показана зависимость отношения эффективных вязкостей жидкостей от локальной линейной скорости в трещине разрыва.
Настоящее изобретение направлено на оптимизацию площади того участка трещины, который может остаться незакрепленным, прежде чем произойдет существенное смыкание трещины при снижении давления в пласте. Изобретение обеспечивает надежный ограничитель для объемов продавочной жидкости. В основу настоящего изобретения положено математическое моделирование этого процесса и параметрическое изучение различных стратегий закачки продавочной жидкости, при этом особое внимание уделяется вытеснению суспензии продавочной жидкостью, изменению объема и скорости закачки продавочной жидкости, а также реологическому контрасту между суспензией и продавочной жидкостью. Форму свободной от частиц проппанта области можно регулировать скоростью закачки продавочной жидкости на основе критериев неустойчивости Сэффмана-Тейлора, применяемых к поверхности раздела фаз между продавочной жидкостью и суспензией с частицами проппанта. Было обнаружено, что (i) при формировании "пальцев" продавочной жидкости на поверхности раздела продавочная жидкость - суспензия в прискважинной зоне можно сохранять большие столбы суспензии, которые могут удерживать трещину открытой; (ii) оплывание суспензии с проппантом можно уменьшить с помощью реологии с пределом текучести для суспензии и/или высокой вязкости базовой жидкости, использованной для приготовления суспензии (вязкость базовой жидкости характеризуется показателем консистенции в случае степенной реологии); (iii) для некоторого расстояния от перфораций существует пороговая скорость закачки (рассчитывается на основании реологических свойств жидкости), определяющая неустойчивость поверхности раздела между продавочной жидкостью и жидкостями разрыва.
Изобретение заключается в следующем.
Оптимизирована операция гидроразрыва в субгоризонтальной скважине, пробуренной в пласте нетрадиционного газа или нефти.
Эта оптимизация сосредоточена на последней стадии обработки операции гидроразрыва, когда после закачки суспензии жидкости с частицами для расклинивания трещины (проппанта) вводят небольшое количество чистой жидкости для очистки скважины от частиц проппанта и вытеснения всех частиц в трещины (стадия "закачки продавочной жидкости").
Свойства суспензии и продавочной жидкости регулируют таким образом, чтобы уменьшить до минимума свободную от проппанта область в прискважинной зоне трещины и тем самым снизить риск смыкания и потери гидравлической связи между скважиной и трещиной.
n
n
Более конкретно, суспензия, закачиваемая непосредственно перед стадией закачки продавочной жидкости, должна иметь реологические свойства согласно модели Хершеля-Балкли (разжижение при сдвиге в сочетании с пределом текучести), при этом показатель консистенции должен быть выше 0,1 Па с, а предел текучести выше 5 Па.
В пределах указанного диапазона свойств вытеснение суспензии чистой "продавочной" жидкостью вызывает развитие маленьких "пальцев" продавочной жидкости, проникающих в суспензию (в отличие от крупных "островов" чистой жидкости в тех случаях, когда суспензия имеет более низкую консистенцию или предельное напряжение сдвига), что уменьшает площадь, не подкрепленную проппантом, и минимизирует риск смыкания трещины в прискважинной зоне (см. фиг. 1). На фиг. 2 приведены результаты моделирования для вытеснения суспензии продавочной жидкостью в правой половине трещины, где серым цветом в виде полукруга слева показана незакрепленная полость в непосредственной близости от скважины.
Продавочная жидкость может содержать примесь химических веществ, которые выступают в качестве "разжижителя" для сшитого геля, содержащего частицы (суспензии). В результате реакции этого разжижителя с суспензией нарушаются поперечные связи между молекулами полимера в несущей жидкости суспензии, предел текучести исчезает, и частицы перемещаются из суспензии в языки продавочной жидкости. Следовательно, языки продавочной жидкости, которые первоначально не имели поддержки, в итоге заполняются некоторым количеством проппанта, и уменьшается риск смыкания трещины внутри этих языков. В качестве разжижителей могут быть использованы окислители, энзимы или кислоты.
Точные значения свойств суспензии и продавочной жидкости в указанном диапазоне можно определить путем численного моделирования операции закачки продавочной жидкости. Численное моделирование основано на реализации математической модели для многофазного течения в трещине. Оптимальные свойства можно получить из анализа незакрепленных участков, вычисленных в процессе моделирования для различных значений свойств суспензии и продавочной жидкости в указанном диапазоне.
Когда реология и жидкости разрыва, и продавочной жидкости является степенной, или когда продавочная жидкость является ньютоновской жидкостью (например, водой), а жидкость гидроразрыва является степенной, существует некий порог линейной скорости внутри трещины, определяющий неустойчивость фронта в процессе закачки продавочной жидкости. Следовательно, можно регулировать форму области закачки продавочной жидкости внутри трещины разрыва. В частности, можно инициировать неустойчивость и развитие вязких языков на определенном расстоянии от ствола скважины, обеспечивая этим следующие эффекты: (i) уменьшение выноса проппанта в скважину путем полного вытеснения жидкости гидроразрыва в определенной (небольшой) области трещины гидроразрыва вблизи перфораций; и (ii) инициирование неустойчивости на границе раздела между продавочной жидкостью и жидкостью гидроразрыва на определенном расстоянии от перфораций, чтобы вызвать развитие столбов проппанта и уменьшить развитие чрезмерной незакрепленной (не содержащей проппант) зоны.
Регулирование процесса вытеснения и формы области с продавочной жидкостью внутри трещины гидроразрыва описывается разницей эффективных вязкостей жидкостей в пласте, которые зависят от локальной линейной скорости внутри трещины разрыва. Далее это будет описано более подробно.
3
На первом этапе в пробуренную в пласте скважину закачивают жидкость гидроразрыва под высоким давлением. В качестве жидкости гидроразрыва могут быть использованы линейные или сшитые гели с плотностью 1000 кг/м и вязкостью 0,01 Па⋅с для линейного геля или 0,1 Па⋅с для сшитого геля. Например, могут быть использованы линейные гели на водной основе и сшитые гели, которые получают из линейных путем добавления в него сшивателя, например, на основе бората. Примером используемого геля является гель на водной основе следующего состава: 1 л воды, 20 г КСl, 4 г гуара, 0,14 г борной кислоты и 0,14 г гидроокиси натрия.
На следующем этапе в скважину и образовавшуюся трещину гидроразрыва закачивают суспензию жидкости гидроразрыва, смешанной с частицами проппанта, а затем - продавочную жидкость. В качестве продавочной жидкости может быть использована пресная или пластовая вода.
1
1
2
2
Пусть первая жидкость является продавочной жидкостью, определяемой степенной реологией с показателем консистенции K и индексом течения n, а вторая жидкость является жидкостью, осуществляющей гидроразрыв, с реологией, определяемой параметрами K и n. Эффективная вязкость жидкости, протекающей по трещине гидроразрыва, определяется следующим образом:
Это выражение получено на основе отношения между усредненной по ширине скоростью внутри трещины гидроразрыва и градиентом давления в приближении тонкого слоя (приближение "смазки") для 3D уравнений Навье-Стокса. Здесь  - локальная (средняя по ширине трещины) скорость сдвига с привлечением локальной усредненной по ширине скорости u и ширины трещины w. Параметры K и n - это показатель консистенции и индекс течения.
Рассмотрим вытеснение второй жидкости, заполняющей трещину гидроразрыва, первой жидкостью, поступающей в поперечную трещину через перфорации. Вблизи перфораций поток радиальный, поэтому уравнение сохранения массы дает следующее выражение для скорости:
0
0
Здесь, r - радиус скважины, r - расстояние между осью скважины и определенным местом внутри трещины, u - скорость в перфорациях (для простоты предположим, что перфорации распределены равномерно по обсадной колонне скважины).
Неустойчивость на границе раздела этих жидкостей возникает, когда локальная эффективная вязкость первой жидкости меньше, чем локальная эффективная вязкость второй жидкости. Это условие можно выразить следующим образом:
с
Неравенство (3) дает следующую пороговую скорость u на поверхности раздела:
Так что, если , и если .
2
В частности, если первая жидкость ньютоновская , а вторая жидкость не ньютоновская (степенная), то критерий неустойчивости формулируется следующим образом (0<n<1):
1
2
0
0
При постоянной скорости закачки линейная скорость уменьшается обратно пропорционально расстоянию до оси скважины (см. уравнение (2)). Следовательно, уравнения (5) (и (4) в случае n>n) и (2) можно объединить, чтобы вычислить скорость в перфорациях u, определяющую возникновение неустойчивости на определенном расстоянии до оси R скважины. Альтернативно, если задать внешний радиус свободной от частиц проппанта полости R, то можно найти скорость в перфорациях u (которая связана со скоростью закачки), необходимую для создания этой полости. В обоих случаях используется следующее соотношение:
Ниже приводится зависимость отношения эффективных вязкостей первой жидкости и второй жидкости для различных жидкостей (см. таблицу 1) и вычисленные пороговые значения линейной скорости (фиг. 3). Далее (для таблицы и фиг. 3) стоит пояснить, что сшитый гель и линейный гель являются суспензией с проппантом, а вода - продавочной жидкостью.
c
1
2
На фиг. 3 кривая 1 обозначает воду, вытесняющую линейный гель 1; кривая 2 - воду, вытесняющую линейный гель 2; кривая 3 - линейный гель 1, вытесняющий сшитый гель. Реологические параметры этих жидкостей приведены в таблице 1. Критическая скорость u, определяющая начало образования вязких языков, определяется из μ/μ=1.