СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА НИЗКОПРОНИЦАЕМЫХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ
HYDRAULIC FRACTURING METHOD AND DEVICE FOR LOW-PERMEABLE OIL-AND-GAS-BEARING FORMATIONS

Предлагаемые изобретения относятся к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к способам и устройствам для стимуляции и интенсификации работы нефтегазодобывающих скважин, в особенности при отработке сланцевых нефтегазосодержащих залежей и освоении трудноизвлекаемых запасов. Известен и все более широко применяется в практике нефтегазодобычи метод гидравлического разрыва пласта (ГРП), направленный на увеличение или восстановление продуктивности скважин путем улучшения и восстановления фильтрационных свойств в прискважинных зонах нефтегазоносного пласта [1]. Известный способ ГРП основан на том, что в пробуренную по пласту скважину под высоким давлением, превышающим в несколько раз гидростатическое давление, нагнетают (закачивают) рабочую жидкость (воду) с добавлением песка (проппанта) и путем искусственного создания в скважине гидроудара формируют так называемый дизайн гидроразрыва пласта, т.е. создают систему микротрещин в пласте, обеспечивающих повышение его проницаемости и, в конечном итоге, повышение его нефтеотдачи. При использовании традиционного метода гидроразрыва пластов существующими способами и оборудованием нагружение низкопроницаемого пласта осуществляется путем подачи (нагнетания) в пробуренную по пласту скважину рабочей жидкости гидроразрыва высоконапорными насосами, расположенными у устья скважины, и созданием в ней гидравлического удара, приводящего к разрыву пласта. Это требует высоких энергетических затрат и использования сложного дорогостоящего оборудования (насосы, быстродействующие полнопроходные клапаны и т.д.), поскольку преобразование исходной энергии процесса в высокое давление рабочей жидкости гидроразрыва производится на значительном удалении от места предстоящего разуплотнения пласта, а сама схема нагружения пласта при этом является недостаточно динамичной. Достаточно сказать, что мощность, которая требуется для гидроразрыва пластов, при использовании существующих комплексов оборудования (флотов), по некоторым данным составляет от 10 до 20 тысяч кВт, а требуемое давление для гидроразрыва пласта обычно превышает 1000 атм.
Известны устройства-термогазогенераторы, устанавливаемые в пробуренную по пласту скважину для разрыва и термохимического воздействия на пласт, работающие на твердом топливе в виде пороховых зарядов, ракетного топлива или высокоэнергетических смесевых составов взрывчатых веществ [2].
Известны способы и устройства газогидравлического взрывного воздействия на пласт [3-7], предусматривающие выполнение последовательных операций воздействия на пласт с подбором массы зарядов взрывчатого вещества минимально необходимой, но обеспечивающей превышение давления в скважине над пределом прочности пласта и создание гидравлической связи скважины с пластом (в скважинах с обсадной колонной) при первом спуске газогенератора в скважину. На последующих стадиях воздействия на пласт при каждом подъеме-спуске скважинного газогенератора массу зарядов подбирают на уровне, который необходим для развития и углубления трещин в пласте. Основным недостатком газогидравлического воздействия на пласт с помощью взрывчатых веществ, в особенности при необходимости многократного и многоступенчатого воздействия, является необходимость выполнения неоднократных подъемно-спускных операций по установке газогенератов в скважину, повышенная опасность и возможная аварийность при проведении работ по разрыву пласта, а также отсутствие возможности закрепления - фиксации создаваемых трещин в пласте в процессе их формирования и углубления.
Известна электродная система скважинного электрогидроимпульсного устройства [8], которая содержит положительный и отрицательный электроды, размещенные соосно друг против друга в металлическом корпусе с окнами, расположенными напротив межэлектродного промежутка, токоподвод к положительному электроду, причем отрицательный электрод соединен с дном корпуса, положительный электрод выполнен в форме конуса, конус направлен вершиной к отрицательному электроду, на боковую поверхность и основание конуса положительного электрода и токоподвод к положительному электроду нанесено изолирующее покрытие, корпус выполнен с возможностью упора в него основания конуса положительного электрода.
Однако известная скважинная электродная система не обеспечивает возможности создания, развития, углубления и фиксации (закрепления) трещин в низкопроницаемом высокопрочном, в частности, сланцевом нефтегазосодержащем пласте-коллекторе и сама по себе не может быть использована для гидроразрыва пласта при добыче сланцевых нефти и газа.
Наиболее близким для предлагаемых изобретений является устройство для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины через электродную систему [9] (прототип), содержащее соединенные посредством геофизического кабеля наземный источник питания и скважинный аппарат, включающий зарядный блок, конденсаторный накопитель энергии, коммутатор и электродную систему. Отличительным для прототипа является то, что зарядный блок, конденсаторный накопитель энергии, коммутатор и электродная система выполнены в виде отдельных модулей, каждый из которых заключен в автономный металлический корпус и снабжен изолированными токовыводами и двухуровневой гидроизоляцией от внешней среды: наружной в виде уплотняющих элементов по крайней мере на одном из концов корпусов модулей и внутренней в виде уплотняющих элементов на выходных изоляторах и токовыводах модулей, при этом модули соединены друг с другом электрически и механически путем свинчивания.
Недостатками этих технических решений являются ограниченные возможности проведения эффективных операций гидроразрыва низкопроницаемых пластов, характеризующихся относительно высокими прочностными свойствами, например сланцевых залежей (плев). Эти ограничения являются особенно существенными при достаточно больших глубинах залегания продуктивных пластов вследствие ограниченных возможностей подвода и накопления электрической энергии в зону гидроразрыва пласта по скважине, имеющей обычно в зоне пласта небольшой диаметр (100-180 мм).
Целью предлагаемых изобретений является снижение стоимости работ по проведению гидроразрыва продуктивного пласта и повышение его коэффициента нефтегазоотдачи (КИН).
Поставленная цель достигается тем, что в способе гидравлического разрыва низкопроницаемых нефтегазоносных пластов, включающем бурение по пласту скважины, подачу в скважину рабочей жидкости гидроразрыва, создание в скважине высокого давления жидкости, достаточного для гидроразрыва пласта и формирования заданного дизайна гидроразрыва, в пробуренной скважине в зоне продуктивного пласта размещают заряд взрывчатого вещества, высокоэнергетического, например, ракетного топлива или химически взаимодействующих между собой веществ, путем инициирования срабатывания этого силового заряда создают прискважинную зону-полость с первоначальными микротрещинами в пласте, в которую устанавливают скважинное электрогидравлическое устройство и подают рабочую жидкость гидроразрыва, создание требуемого дизайна гидроразрыва пласта производят путем формирования в рабочей жидкости коротких импульсов высокого и сверхвысокого давления за счет электрогидравлических разрядов, осуществляемых в рабочей жидкости гидроразрыва путем непрерывного или эпизодического подвода по кабелю электрической энергии в скважину и накопления ее в зоне гидроразрыва пласта до необходимого уровня с последующим переключением - подачей аккумулированной энергии на разрядно-электродную систему скважинного электрогидравлического устройства, причем трещины гидроразрыва формируют в плоскости - вдоль напластований или по мощности продуктивного пласта.
Поставленная цель достигается также и тем, что в устройстве гидравлического разрыва низкопроницаемых нефтегазоносных пластов, содержащем источник электрической энергии, установленный на устье скважины, скважинное электрогидравлическое устройство с емкостным накопителем электрической энергии и электродной системой для осуществления электрогидравлических разрядов в рабочей жидкости гидроразрыва пласта, размещаемое в скважине с помощью кабель-троса или на конце насосно-компрессорной колонны труб, помещаемых внутри свободной или закрепленной обсадной колонной скважины, на свободном конце скважинного электрогидравлического устройства размещен блок-контейнер с силовым источником-зарядом высокоэнергетического вещества, например, взрывчатого вещества, инициируемого для срабатывания от устья скважины по кабелю или через разрядно-электродную систему скважинного электрогидравлического устройства.
Техническим результатом предлагаемых изобретений является снижение необходимой мощности и стоимости работ (затрат) на выполнение операций по гидроразрыву пласта, а также повышение эффективности (фильтрационной способности) формируемой в пласте дренирующей системы трещин гидроразрыва и, как следствие, увеличение коэффициента извлечения нефти (КИН) при отработке сланцевых нефтегазоносных залежей.
Указанный технический результат в предлагаемых изобретениях достигается тем, что разрыв горных пород продуктивного пласта, раскрытие существующих и создание в них новых трещин производится с помощью силового источника-заряда взрывчатого или высокоэнергетического горючего вещества (смеси) в прискважинной зоне-полости, а для их развития и углубления используется наиболее эффективная циклическая динамика нагружения горных пород импульсами высокого давления с соответствующими амплитудами и характеристиками фронтов этих импульсов, а накопление и концентрация первичной (исходной) энергии для гидроразрыва пласта, а также ее преобразование в давление рабочей среды разрыва осуществляются непосредствен в зоне обработки пласта, причем трещины гидроразрыва формируют вдоль напластований или поперек мощности продуктивного пласта.
Предлагаемый способ и устройство гидроразрыва низкопроницаемых нефтегазоносных пластов изображены и поясняются иллюстрациями, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показаны: 1 - низкопроницаемый нефтегазоносный пласт (например, сланцевая залежь); 2 - скважина; 3 - силовой источник-заряд взрывчатого или высокоэнергетического горючего вещества (смеси); 4 - скважинная забойка (пакер); 5 - прискважинная зона-полость с первоначальными микротрещинами; 6 - скважинное электрогидроимпульсное устройство.
На фиг. 2 показаны: 1 и 2 - те же позиции соответственно, что и на фиг. 1; 6 - скважинное электрогидроимпульсное устройство; 7 - кабель-трос; 8 - источник электрической энергии на устье скважины.
На фиг. 3 показаны основные конструктивные блоки и части скважинного электрогидроимпульсного устройства 6: 9 - зарядный блок; 10 - конденсаторный накопитель электрической энергии (электрическая емкость); 11 - коммутатор электрических разрядов; 12 - разрядно-электродная система; 13 - взрывной теплогазогенератор.
На фиг. 4 представлена схема многоточечного (многоступенчатого) гидроразрыва низкопроницаемого пласта комбинацией вертикальных и горизонтальной скважины: 1 - низкопроницаемый пласт; 2 - вертикальные скважины; 14 - скважина с горизонтальным участком по пласту (горизонтальная скважина).
Предлагаемый способ и устройство гидравлического разрыва низкопроницаемых пластов реализуются следующим образом.
Пример 1. Пусть имеется нефтегазоносный продуктивный пласт 1 (фиг. 1), вскрытый скважиной 2, для которой требуется повысить или восстановить проницаемость в прискважинной зоне, с целью стимуляции и(или) повышения нефтегазоотдачи. При этом в зоне продуктивного пласта скважина может быть как открытой, так и с установленной обсадной трубой-колонной (на фиг. 1 условно не показана). В последнем случае при проведении гидроразрыва пласта должно быть обеспечено не только создание того или гидравлической связи скважины с пластом путем перфорации обсадной трубы. Для этого в зоне гидроразрыва пласта в скважину 2 (фиг. 1а) помещают взрывной теплогазогенератор 3 или в простейшем случае обычный заряд взрывчатого вещества со шнуром-детонатором (не показан), выведенным через герметизирующую забойку (пакер) 4 на устье скважины 2. Величину и другие энергетические характеристики заряда 3 подбирают таким образом, чтобы при инициировании взрыва этого заряда вокруг скважины в пласте образовалась прискважинная зона-полость 5 с системой предварительных микротрещин в пласте (фиг.1б). Затем в эту полость скважины, т.е. фактически в зону предстоящего гидроразрыва пласта (фиг. 1в), помещают (устанавливают) скважинное электрогидроимпульсное устройство 6, которое соединяют с помощью кабель-троса 7 (фиг. 2) с источником электрической энергии 8, установленном на устье скважины 2, и начинают закачивать (нагнетать) в скважину рабочую жидкость гидроразрыва, в качестве которой обычно используют смесь обычной воды и песка (проппанта) с добавлением необходимых химических веществ и смесей, обеспечивающих как формирование и закрепление системы трещин дренирующей системы в пласте, так и стимулирование нефтегазоотдачи пласта. Одновременно непрерывно или эпизодически в течение определенного времени по кабель-тросу 7 (фиг. 2) от источника 8 подают электрическую энергию на скважинное электрогидроимпульсное устройство 6, имеющее зарядный блок 9 (фиг. 3), формирующее электрическое высокое напряжение, которое подается на конденсаторный накопитель электрической энергии (электрическую емкость) 10. После достижения заданного уровня накопления (аккумулирования) электрическая энергия с накопителя 10 коммутатором разрядов 11 подается на разрядно-электродную систему 12, создающую в жидкости гидроразрыва короткие импульсы давления, необходимые для гидроразрыва пласта. Процесс нагнетания рабочей жидкости в скважину (в пласт) и циклического нагружения импульсами высокого давления прискважинной зоны пласта, формируемыми (генерируемыми) скважинным электрогидроимпульсным устройством, продолжают до тех пор, пока первоначальные микротрещины пласта в полости 5 (фиг. 1а) не разовьются (не углубятся) до требуемых параметров, т.е. пока не произойдет гидроразрыв пласта. Окончание и эффективность текущей операции гидроразрыва при этом контролируется ставшими уже обычными при проведении гидроразрыва приемами и средствами. Описанный простейший пример (вариант) реализации предлагаемых способа и устройства гидроразрыва пласта целесообразно использовать в тех случаях, когда по каким-либо соображениям операцию предварительного создания в скважине полости и системы микротрещин 5 (фиг. 1б) и гидроразрыва пласта (фиг. 1в), т.е. собственно электрогидроимпульсного воздействия на гидроразрыва пласта (фиг. 1в), т.е. собственно электрогидроимпульсного воздействия на пласт для его разрыва, возможно или целесообразно разнести во времени, а быть может даже и в пространстве. Такая ситуация может иметь место, например, в тех случаях когда гидроразрывы пласта осуществляются с помощью достаточно плотной сетки вскрывающих вертикальных скважин 2. Другие примеры применения предлагаемых способа и устройств рассматриваются ниже.
Пример 2. Пусть имеется ситуация, когда требуется не только максимально совместить во времени обе описанные выше стадии гидроразрыва пласта, но и необходимо, чтобы все это осуществлялось в процессе одного и того же цикла подъемно-спускных операций на скважине в ходе текущего «сеанса» проведения гидроразрыва пласта. Для этого скважинное электрогидроимпульсное устройство 6 (фиг. 1в), подвешенное в скважине 2 на кабель-тросе 7 (фиг. 2) или на конце насосно-компрессорной колонны (на фиг. 2 колонна не показана) со стороны забоя (дна) скважины, дополнительно снабжено (фиг. 3) специальным взрывным теплогазогенератором 13, обеспечивающим при инициировании его срабатывания, создание гидравлической связи скважины с пластом (перфорацию обсадной трубы) и создание в прискважинной зоне-полости 5 системы начальных микротрещин в пласте. В остальном же процесс создания (развития) и углубления требующихся трещин в пласте и в целом формирования дизайна гидроразрыва осуществляется точно так же, как это было описано в примере 1.
Пример 3. Пусть требуется осуществить гидроразрыв низкопроницаемого нефтегазоносного пласта в рамках значительной площади его залегания в некотором смысле даже одномоментно. В рассматривавшихся выше примерах осуществления предлагаемых способа и устройства реализация операции гидроразрыва осуществлялась в рамках одной отдельно взятой скважины и более конкретно в рамках (в пределах) обычной вертикальной скважины. Сегодня все более широкое применение операции гидроразрыва, точнее многоступенчатого гидроразрыва, находят при добыче нефти и газа из так называемых нетрадиционных источников, таких, прежде всего, как сланцевые пласты и залежи. При этом основным технологическим приемом, который все более широко используется в практике добычи углеводородов из низкопроницаемых нефтегазоносных пластов, является бурение по пласту так называемых горизонтальных скважин и проведение в них мноступенчатого гидроразрыва (ГРП) путем последовательного повторения и следующих друг за другом отдельных гидроразрывов и промежутков времени отбора углеводородов из скважины. Однако трудности создания в рамках всего сланцевого месторождения или его части, в этих условиях в значительной степени ограничивает эффективность эксплуатации таких залежей вследствие низкого коэффициента извлечения (КИН). Согласно предлагаемым способу и устройству создание более эффективной, т.е. более высокой фильтрационной способности, создаваемой дренирующей системы трещин в низкопроницаемом пласте, может осуществляться по схеме, представленной на фиг. 4. Для этого вскрытие и подготовку (гидроразрыв) к отработке пласта осуществляют путем бурения системы вертикальных скважин 2 и одной горизонтальной скважины 14 пробуренной по пласту. В горизонтальную скважину 14 размещают систему силовых зарядов взрывчатого вещества (систему теплогазогенараторов), инициированием срабатывания которых создают полости с системой первоначальных трещин по мощности пласта, а в вертикальных скважинах 2 гидроразрыв осуществляют в плоскости пласта, т.е. вдоль напластований продуктивного пласта, как это описывалось выше в примерах 1,2. В конечном итоге при такой технологии повышения проницаемости продуктивной залежи будет максимально стимулироваться и обеспечиваться повышенная нефтегазоотдача пласта и достигаться наивысшая технико-экономическая эффективность освоения и эксплуатации нефтегазового месторождения.
Список использованных источников
1. Экономидес М., Олини Р., Валько П. Унифицированный дизайн гидроразрыва пласта: от теории к практике. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2007 г. - 236 с.
2. Патент РФ №2175059, С2, 7 Е21В 43/263. Газогенератор на твердом топливе с регулируемым импульсом давления для стимуляции скважин. Крощенко В.Д., Грибанов Н.И., Гайворонский И.Н. и др. Заявл. 06.10.1999. Опубл. 20.10.2001. Бюл. №29.
3. Патент РФ №2183740, С1, 7 Е21В 43/263. Заряд бескорпусной секционный для газодинамического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Газизов Ф.М., Ефанов Н.М. и др. Заявл. 22.08.2001. Опубл. 20.06.2002. Бюл. №17.
4. Патент РФ №2278252, С2, МПК Е21В 43/263. Способ газогидравлического воздействия на пласт. Падерин М.Г., Падерина Н.Г. и др. Заявл. 29.07.2004. Опубл. 20.06.2006. Бюл. №17.
5. Патент РФ №2345215, С1, МПК Е21В 43/263. Способ газодинамического воздействия на пласт и устройство для его осуществления. Падерин М.Г., Падерина Н.Г. Заявл. 27.11.2007. Опубл. 27.01.2009. Бюл. №3.
5. Патент РФ №2345215, С1, МПК Е21В 43/263. Способ газодинамического воздействия на пласт и устройство для его осуществления. Падерин М.Г., Падерина Н.Г. Заявл. 27.11.2007. Опубл. 27.01.2009. Бюл. №3.
6. Патент РФ №2311530, С1, МПК Е21В 43/263. Устройство с пороховым зарядом для стимулирования скважин и способ его осуществления. Романович А.П., Пелых Н.М., Корженевский А.Г. и др. Заявл. 27.02.2006. Опубл. 27.11.2007. Бюл. №33.
7. Патент РФ №2439312. Теплогазогенератор для улучшения фильтрации пласта в его прискваженной зоне. Дуванов А.В., Кондаков О.Н., Меркулов А.А., Новиков Н.И., Улунцев А.Г. Заявл. 17.02.2010. Опубл. 10.01.2012.
8. Патент РФ №2441147, C1, Е21В 43/24, Н01Т 9/00. Электродная система скважинного электрогидроимпульсного устройства. Заявл. 22.06.2010. Опубл. 27.01.2012.
9. Патент ЕА 010901 В1. Устройство для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины. Измалков Ю.Н., Картелев А.Я., Карюк В.М., Сидоров А.А. - (прототип).