СПОСОБ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА
GAS-DYNAMIC FORMATION FRACTURING METHOD

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для увеличения фильтрационных свойств продуктивного пласта за счет раскрытия существующих и/или создания в нем дополнительных трещин или сети трещин.
Известен способ газодинамического разрыва пласта, включающий спуск в скважину секционного устройства в виде кольцевых пороховых зарядов в каждой секции с заданным расстоянием между секциями, пусковыми воспламенителями, установленными в центральном канале каждой секции, сжигание каждой из секций, начиная с нижней, в заданное время с использованием пульта управления (см., например, патент RU 2030569, 10.03.1995).
В соответствии с известным решением сжигание каждой из последующих секций осуществляют к моменту достижения максимальной величины давления в зоне обрабатываемого пласта. Расстояние между секциями выбирают из условия предотвращения самопроизвольного воспламенения зарядов последующих секций от горения предыдущей. После сгорания зарядов нижней секции, к моменту завершения движения столба жидкости вниз по скважине и достижения при этом максимальной величины давления в зоне обрабатываемого пласта, осуществляют поджигание зарядов последующей секции путем подачи электрического импульса по соответствующей жиле к находящемуся в данной секции пусковому воспламенителю. Сгорание зарядов каждой последующей секции ведет к повышению давления разрыва пласта и увеличению размеров трещин. Недостатком известного способа является необходимость синхронизации воспламенения зарядов секций с движением столба жидкости и временем достижения максимального давления в скважине. Ошибка в определении времени может значительно уменьшить эффективность газодинамического воздействия на пласт.
Известен способ газодинамического разрыва пласта, включающий сборку бескорпусного секционного заряда с центральным каналом и контейнером в центральном канале с веществами для воздействии на пласт, трещины и закрепления трещин, установку заряда в скважине так, чтобы секции заряда находились напротив перфорационных отверстий и газообразные продукты горения секций заряда непосредственно воздействовали на обрабатываемый пласт, сжигание секций заряда с образованием трещин в пласте (см., например, патент RU 2278252, 20.06.2006).
В соответствии с известным решением одновременно с разрывом пласта осуществляют закрепление трещин, например, песком. Недостатком способа является его сложность, заключающаяся в многократной доставке в интервал воздействия контейнера с различными веществами для развития и очистки трещин, и затем для закрепления трещин. Установка секций зарядов напротив перфорационных отверстий способствует нарушению структуры жидкости с веществом при горении зарядов и, кроме того, приводит к неэффективному использованию энергии газов из-за поглощения их пластом в перфорированной зоне.
Техническим результатом изобретения является увеличение фильтрационных свойств пласта по всей его толщине за счет раскрытия и/или создания в нем вертикальных трещин, не требующих закрепления, в зоне, превышающей по радиусу зону кольматации.
Необходимый технический результат достигается тем, что способ газодинамического разрыва пласта включает сборку генератора давления в виде группы цилиндрических зарядов твердого топлива с центральными сквозными каналами, спуск генератора давления на подвеске в скважину, заполненную скважинной жидкостью, установку генератора давления на заданной глубине скважины, подачу сигнала на воспламенение зарядов и разрыв пласта. Согласно изобретению предварительно в существующей обсадной колонне скважины плотность перфорации обеспечивают в 30-45 отверстий на погонный метр, для чего осуществляют повторную перфорацию, сборку генератора давления осуществляют из трех групп зарядов твердого топлива с расположением зарядов первой группы ниже зарядов второй и третьей групп, устанавливают генератор давления в скважине над интервалом перфорации таким образом, что отношение расстояния между верхней границей перфорации и нижним зарядом первой группы к длине интервала перфорации составляет величину в пределах 0,3-0,6, при этом первая группа зарядов имеет по меньшей мере один заряд с воспламенителем и суммарную расчетную массу всех зарядов, обеспечивающую возможность воспламенения вышерасположенных зарядов второй группы, которые выбирают максимального диаметра, из условия проходимости в стволе скважины, с развитой поверхностью горения и таким газовыделением при горении, которое обеспечивает раскрытие существующих вертикальных трещин в пласте и инициирование горения вышерасположенных зарядов третьей группы, которые выбирают из условия создания импульса давления с амплитудой и продолжительностью при горении этих зарядов, обеспечивающих необратимую деформацию горных пород пласта с образованием остаточной, по меньшей мере одной, вертикальной трещины.
Кроме того:
в качестве подвески для спуска генератора давления в скважину используют кабель или трос, или геофизический кабель, или колонну труб;
воспламенение зарядов первой группы осуществляют детонирующим шнуром, установленным в центральных каналах зарядов;
воспламенение зарядов первой группы осуществляют пиротехническими воспламенителями, установленными в центральных каналах зарядов;
повторную перфорацию проводят с углом фазировки кумулятивных зарядов не более 60°;
перед спуском генератора давления в скважину устанавливают кислотную ванну с активной жидкостью - с кислотой или с поверхностно-активным веществом, в интервале пласта;
в генератор давления включены заряды со сквозными каналами, расположенными симметрично центральному сквозному каналу;
при наличии в скважине дополнительного пласта, по меньшей мере одного, обработку проводят последовательно снизу вверх, начиная с нижележащего пласта;
на подвеске устанавливают прибор для регистрации давления в скважине на безопасном расстоянии от генератора давления.
Сущность изобретения
В отличие от предшествующего уровня техники, изобретение позволяет управлять процессом образования в пласте вертикальной трещины с учетом кратковременности процесса силового воздействия на пласт, характерного при горении зарядов твердого топлива в скважине. Время такого воздействия, приводящего к необратимой деформации горной породы и образованию остаточных трещин, по данным регистрации давления в скважине и расчетам, может составлять от долей секунды до 4 секунд. Поэтому необходимо учитывать, что плотность перфорации скважины и расположение зарядов твердого топлива относительно интервала перфорации влияют на скорость нагнетания жидкости разрыва в пласт и на эффективность использования энергии продуктов горения. Существенное значение имеет доведение плотности перфорации до значений, необходимых для уменьшения гидравлического сопротивления при нагнетании жидкости в пласт, установка твердотопливных зарядов на оптимальном расстоянии от интервала перфорации и разделение зарядов на три группы, выполняющие различные функции, а также расположение зарядов каждой группы относительно друг друга и схема их воспламенения.
Для уменьшения гидравлического сопротивления при нагнетании жидкости из скважины в пласт через перфорационные отверстия необходимо, чтобы суммарная площадь отверстий перфорации в обсадной колонне была не меньше площади поперечного сечения скважины
0
φn·Н·S≥S,
где:
φ=0,60-0,62 - коэффициент расхода через перфорационные отверстия в обсадной колонне (зависит от числа Рейнольдса);
n - плотность перфорации;
Н - мощность пласта;
0
2
S=πd/4 - площадь поперечного сечения входного отверстия перфорации диаметром d в обсадной колонне;
2
S=πD/4 - площадь поперечного сечения скважины с внутренним диаметром D.
Из приведенного соотношения минимальная плотность перфорации:
0
2
2
n=S/(φSH)=D/(φ·d·H).
По данным испытаний, наиболее эффективное воздействие по данной технологии можно оказывать на пласты, мощность которых не более 5÷6 м из-за кратковременности процесса воздействия и потерь энергии продуктов горения на подъем столба скважинной жидкости. При диаметре отверстия перфорации 10 мм и минимальном внутреннем диаметре обсадной колонны 100 мм из приведенного выше соотношения плотность перфорации оказалась в пределах 27÷32 отв./м. Эти значения плотности перфорации являются наименьшими, так как при уменьшении мощности пласта или при увеличении внутреннего диаметра обсадной колонны оптимальная плотность перфорации, как следует из приведенного соотношения, увеличивается. Измерения в скважинах показали, что при качественном сцеплении цементного камня с обсадными трубами и горной породой горение твердотопливного заряда в интервале перфорации с плотностью 12-45 отв./м приводит к локальному увеличению диаметра труб на 2-4 мм в этом интервале без нарушения их сплошности. Поэтому суммарная плотность перфорации не должна превышать 45 отв./м. Таким образом, оптимальную плотность перфорации целесообразно принять в пределах от 30 отв./м до 45 отв./м.
Можно обрабатывать пласты с мощностью, большей чем 5÷6 м. При увеличении мощности пласта оптимальная плотность перфорации, как следует из вышеприведенного соотношения, уменьшается, однако вероятность образования трещины высотой, равной мощности пласта, уменьшается.
0
После воспламенения зарядов первой группы, продукты горения воспламеняют заряды второй группы. В этой стадии происходит раскрытие существующих вертикальных трещин пласта, по меньшей мере, или разрыв участков пласта между перфорационными каналами - образование начальной вертикальной двусторонней трещины (две трещины в противоположном направлении от оси скважины). Оценим приближенно начальный объем V при допущении о линейном изменении раскрытия трещины:
0
V=2·L·Н·(d/2)=L·Н·d,
где L - полудлина трещины, равная длине перфорационных каналов, Н - мощность пласта, d - диаметр отверстия перфорации.
0
Этот объем целесообразно заполнить скважинной жидкостью, так как жидкость обладает хорошим расклинивающим действием. Объем жидкости высотой h в скважине с поперечным сечением S равен Vc=h·S. При равенстве объемов Vc и V относительная величина:
h/H=L·d/S.
Если заряды будут установлены на расстоянии h от верхней границы интервала перфорации в соответствии с этим соотношением, то при образовании начальной трещины она будет полностью заполнена жидкостью, после чего в расширяющуюся трещину будут проникать продукты горения и газожидкостная смесь. Приняв усредненные значения длины L=50 см и диаметра d=1 см, вычислим высоту h жидкости в скважине для двух крайних значений поперечного сечения скважины, наиболее подходящих для применения данной технологии:
2
- внутренний диаметр скважины 100 мм, S=78,5 см, h/H=0,64;
2
- внутренний диаметр скважины 150 мм, S=176,6 см, h/H=0,283.
Таким образом, принято оптимальное относительное расстояние между верхней границей интервала перфорации и нижним зарядом первой группы в пределах:
h/H=0,3÷0,6.
Например, при мощности пласта Н=5 м оптимальное значение h=1,5-3 м, а при мощности Н=2 м значение h=0,6-1,2 м, в зависимости от внутреннего диаметра скважины. Большим значениям диаметра скважины соответствуют меньшие значения относительного расстояния. Установка зарядов над интервалом перфорации выше указанных пределов нецелесообразна, так как энергия продуктов горения будет использована менее полно из-за кратковременности процесса и удаленности от объекта воздействия.
Разделение зарядов на три группы и схема их постепенного воспламенения позволяет осуществить наиболее эффективное воздействие на пласт. Каждая группа зарядов выполняет определенные функции - воспламенения зарядов, создания давления в скважине, достаточного для раскрытия существующих вертикальных трещин или разрыва пласта (начального) и давления, необходимого для необратимой деформации с созданием остаточной вертикальной трещины, по меньшей мере одной, заданной длины и не требующей закрепления.
Такое распределение функций обеспечивают расположением зарядов каждой группы относительно друг друга, количеством зарядов в каждой группе и их геометрическими размерами.
Заряды первой группы располагают ниже зарядов второй и третьей групп и предназначают для воспламенения вышерасположенных зарядов. Воспламенение всех зарядов первой группы производят одновременно. Эту операцию выполняют либо детонирующим шнуром, либо пиротехническим воспламенителем, который располагают в центральных каналах зарядов. Продукты горения зарядов первой группы, двигаясь вверх, воспламеняют заряды второй группы, а заряды третьей группы воспламеняют продуктами горения зарядов первой и второй групп. Опытным путем установлено, что суммарная масса зарядов первой группы в пределах 3-4 кг обеспечивает надежное воспламенение зарядов, расположенных выше. Такая схема воспламенения пригодна для применения в различных геолого-технических условиях и упрощает технологию проведения работ на скважинах.
Заряды второй группы предназначены для создания в скважине давления, обеспечивающего, по меньшей мере, раскрытие существующих вертикальных трещин или начального разрыва пласта между перфорационными каналами - образования начальной вертикальной трещины.
На основании большого статистического материала при проведении разрыва пласта предложены следующие приближенные значения (Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. - М.: Недра, 1983, стр.157):
- для скважин глубиной до 1000 м давление разрыва
p
h
P=(1,74÷2,57)P,
- для скважин глубиной более 1000 м давление разрыва
p
h,
Р=(1,32÷1,97)Р
h
где Р - гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта.
Для обеспечения высокой вероятности разрыва пласта целесообразно принять максимальные значения давления разрыва:
р
h
р
h
Р=2,57·P для глубин до 1000 м; Р=1,97·Р для глубин более 1000 м.
Воспламенение зарядов этой группы осуществляют в направлении снизу вверх в соответствии с движением продуктов горения зарядов первой группы. Фронт горения постепенно охватывает наружную поверхность зарядов и поверхность внутренних центральных сквозных каналов. Для разрыва пласта определяющее значение имеет наружный диаметр зарядов. При увеличении наружного диаметра поверхность горения увеличивается пропорционально диаметру и обеспечивается интенсивный газоприход в скважину, необходимый для этой стадии. Максимальный диаметр выбирают с учетом внутреннего диаметра обсадной колонны для обеспечения проходимости зарядов при спуске в скважину. В эту группу можно включать также и заряды со сквозными каналами, расположенными симметрично центральному сквозному каналу. Это позволяет увеличить скорость притока газов в скважину для обеспечения давления разрыва пласта на больших глубинах. После заполнения начальной трещины флюидом разрыва в пласт начнет поступать газожидкостная смесь из продуктов горения и скважинной жидкости.
Заряды третьей группы предназначают для создания импульса давления с амплитудой, обеспечивающей необратимую деформацию горной породы и образования остаточной трещины, по меньшей мере одной, не требующей закрепления. Наружный диаметр и суммарную длину зарядов третьей группы выбирают для развития начальной трещины до заданной величины и обеспечения необратимости деформации горной породы при ее разгрузке.
е
s
При необратимой деформации горной породы полная деформация складывается из упругой ε и пластической ε составляющей:
e
s
ε=ε+ε.
1
2
е
Будем приближенно считать всю линию нагрузки до некоторого напряжения σ прямой с модулем деформации Е=σ/ε, а линию разгрузки прямой с модулем упругости Е=σ/ε. Тогда отношение этих модулей:
2
1
e
k=E/E=ε/ε.
Коэффициенты пластичности k, определяемые как отношение полной деформации до предела прочности к упругой деформации для песчаников, находятся в пределах 1,5÷5, а для известняков в пределах 1,5÷10 (Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. - М.: Недра, 2007, стр.35).
Показано, что трещина после снятия с ее контура постоянной нагрузки не сомкнется полностью и возникнет остаточная трещина при выполнении следующего условия (Желтов Ю.П. Деформации горных пород. - М.: Недра, 1966, стр.87):
0
∞
2
1
где Р - давление на контур трещины, Р - пластовое давление, q - боковое горное давление, k=E/E.
h
h
h
h
h
Для оценки давления Р, приводящего к образованию остаточной трещины, примем пластовое давление и боковое горное равными гидростатическому давлению столба жидкости P, высота которого равна глубине залегания пласта. При k=1,5 получим приближенную оценку давления в скважине для образования остаточной трещины P=4·P; при k=5 давление Р=2,25·Р; при k=10 давление P=2,1·P. Учитывая большой разброс физико-механических характеристик горных пород, можно принять максимальную оценку давления Р=4·Р как наиболее надежную для образования остаточной трещины в коллекторах различного типа. Таким образом, для образования остаточной трещины давление в скважине должно быть больше гидростатического давления столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта, в 4 раза и более. Выбор давления связан с состоянием крепи скважины (с качеством сцепления цемента с обсадной колонной в зоне обработки).
Фронт горения зарядов этой группы распространяется снизу вверх по наружным поверхностям и центральным каналам, как и для зарядов второй группы. Для обеспечения необходимой длительности импульса давления определяющее значение уже имеет суммарная длина зарядов этой группы. Наружный диаметр зарядов третьей группы должен быть не больше наружного диаметра зарядов второй группы. В эту группу, наряду с одноканальными зарядами, могут входить также и заряды со сквозными продольными каналами, расположенными симметрично центральному.
Параметры всех групп зарядов определяют путем математического моделирования процессов в скважине при горении зарядов.
Распределение различных функций между зарядами трех групп позволяет создавать остаточные трещины заданной длины для преодоления зоны ухудшенной проницаемости вокруг скважины и, следовательно, увеличить фильтрационные свойства продуктивного пласта за пределами зоны кольматации.
Воспламенение зарядов первой группы можно осуществлять путем инициирования детонирующего шнура, который пропускают через центральные сквозные каналы зарядов. При детонации шнура в зарядах образуются микротрещины. Продукты детонации воспламеняют заряды, как по центральным каналам, так и по поверхностям микротрещин. При применении пиротехнических воспламенителей заряды воспламеняют по поверхностям центральных каналов. В обоих случаях далее воспламеняются боковые и торцевые поверхности зарядов, но с разными скоростями. Выбирая тот или иной способ воспламенения, можно управлять импульсом давления в скважине, учитывая, что обработка пластов происходит на разных глубинах при различных гидростатических давлениях.
Установлено, что оптимальный угол фазировки при вторичной перфорации должен быть не более 60°. Это увеличивает вероятность распространения трещины при разрыве вдоль направления перфорации. В таком случае достигают минимальное давление начала разрыва и максимальное сообщение жидкости между отверстиями перфорации и трещинами. Так как трещины распространяются перпендикулярно к минимальному напряжению в горной породе, то наиболее вероятно, что образуются две трещины в противоположных направлениях от оси скважины, т.е. двусторонняя трещина.
При проведении работ в комплексе с активными жидкостями, например с растворами кислот (соляной, глинокислотой и др.), или с растворами известных поверхностно-активных веществ (ПАВ) типа дисолван, сепарол, сульфамин, происходит разогрев и продавка активной жидкости в пласт при горении зарядов. Кислотные и ПАВ-обработки, технологии которых хорошо отработаны для любых типов коллекторов, могут заметно расширить и увеличить длину трещин.
При обработке пластов, расположенных на больших глубинах, могут быть применены, наряду с одноканальными зарядами, также и заряды со сквозными продольными каналами, расположенными симметрично центральному каналу. Поверхность горения таких зарядов больше, чем у зарядов с одним центральным каналом, что позволяет обеспечить амплитуду давления в широких пределах и создать в скважине высокие давления, необходимые для образования трещин на больших глубинах.
В случае дополнительных пластов в скважине - нескольких разнесенных пластов по глубине скважины, обработку следует проводить по следующей схеме. Сначала обрабатывают самый нижний пласт. Затем переходят последовательно к обработке следующего вышележащего пласта. Такая последовательность объясняется тем, что давление в скважине между забоем и зарядами больше, чем давление над зарядами. Поэтому разрыв более вероятен в нижележащих пластах. Определяя количество зарядов в группах для каждой обработки, учитывают, что воздействию подвергается увеличенная мощность пласта, равная сумме мощностей пластов.
Если обработку проводить в обратном порядке, начиная с верхнего пласта, то неизвестно, в каких нижележащих пластах произойдет разрыв. Поэтому при определении количества зарядов возникает неопределенность.
Пример осуществления способа
h
Пусть требуется повысить фильтрационные свойства пласта (известняк) мощностью 6 м на глубине 2500 м, вскрытого перфорацией с плотностью 20 отв./м и диаметром отверстия перфорации в обсадной колонне d=10 мм. Внутренний диаметр скважины D=120 мм. Качество сцепления цемента с обсадной колонной хорошее. Гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта P=25 МПа. По данным гидродинамических исследований радиус зоны ухудшенной проницаемости пласта известен. Используя геолого-технические данные по данной скважине, проводят следующие подготовительные расчеты.
Из соотношения для минимальной плотности перфорации следует:
2
2
n=D/(φ·d·Н)=144/(0,62·1·6)≈39 отв./м.
Для первой группы выбирают три заряда с общей массой 3 кг, с наружным диаметром 42 мм, длиной 500 мм, внутренним сквозным каналом диаметром 15 мм под кабель и детонирующий шнур.
2
Расстояние h от верхней границы интервала перфорации до нижнего заряда первой группы, в соответствии с приведенным выше соотношением (D=120 мм, S=11304 мм, L=500 мм, d=10 мм), должно быть:
h/H=L·d/S=500·10/11304≈0,44;
h=6 м·0,44≈2,6 м.
Диаметр зарядов второй группы выбирают для обеспечения проходимости при спуске в скважину. В данном случае выбирают заряды с наружным диаметром 95 мм. С помощью математического моделирования определяют количество зарядов второй группы для создания давления разрыва пласта между перфорационными каналами. Так как обработку проводят на глубине больше 1000 м, то давление разрыва должно быть в 1,97 раза больше гидростатического давления столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта:
р
h
Р=1,97·P=1,97·25≈49 МПа.
С помощью математического моделирования определяют наружный диаметр и суммарную длину зарядов третьей группы, создающие при горении импульс давления с амплитудой
h
P=4·P=4·25=100 MПa
и продолжительностью, достаточной для образования остаточной трещины, длина которой больше радиуса зоны ухудшенной проницаемости - зоны кольматации вокруг скважины.
После проведения подготовительных расчетов приступают к работам на скважине.
Производят дополнительную - вторичную перфорацию скважины в заданном интервале. Устанавливают детонирующий шнур в центральном канале зарядов первой группы. Производят сборку и фиксацию всех групп зарядов на геофизическом кабеле, спуск всей сборки в скважину на расчетное расстояние от интервала перфорации. Подают электрический сигнал на инициирование детонирующего шнура.
Продукты горения зарядов первой группы, двигаясь вверх, воспламеняют заряды второй группы, причем фронт горения движется вверх по наружной поверхности зарядов и по центральным сквозным каналам. Создаваемое давление в скважине осуществляет разрыв пласта между перфорационными каналами и заполнение этого пространства скважинной жидкостью. Заряды третьей группы воспламеняются развитым потоком газов, движущихся вверх по наружной поверхности и внутренним сквозным каналам зарядов третьей группы. В это время в пласт начинают проникать газожидкостная смесь и продукты горения. Давление на края трещины создают необратимые деформации в горной породе и приводят к образованию остаточной трещины.
Сравнивают результаты расчетов параметров импульса давления в скважине с параметрами, зарегистрированными скважинным прибором, и делают заключение о результате воздействия на пласт.