СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН В ПРОДУКТИВНОЙ ПОРОДЕ ЗА ОБСАДНОЙ КОЛОННОЙ СКВАЖИНЫ
METHOD OF FORMING CONDUCTING CRACKS IN PRODUCTIVE FORMATION BEHIND WELL CASING

Изобретение относится нефтегазодобыче, в частности к методу формирования в насыщенной горной породе трещин, проводящих жидкости.
Способ можно рассматривать как альтернативный методу перфорации низкопроницаемых однородных пластов. Предпочтительно применение способа в пластах со сложными геолого-техническими условиями, связанными, как правило, с чередующимися напластованиями и перемежающимися прослоями, которые необходимо пересечь дренажной трещиной.
Известен способ образования направленной вертикальной или горизонтальной трещины при гидроразрыве пласта, предусматривающий зарезку из вертикальной скважины двух горизонтальных стволов, их перфорацию, закачку под давлением жидкости разрыва и жидкости песконосителя, отличающийся тем, что горизонтальные стволы располагают параллельно в одной вертикальной или горизонтальной плоскости, а перфорацию горизонтальных стволов производят в направлении друг к другу и в плоскости, проходящей через оба ствола, после чего закачку жидкости гидроразрыва производят в оба горизонтальных ствола [1].
Недостаток способа заключается в трудоемкости, связанной с зарезкой и проводкой двух горизонтальных стволов. Кроме того, если в вертикальной плоскости трещина указанным способом может быть реализована, то в горизонтальной плоскости гидроразрыв приведет к образованию группы локальных вертикальных трещин, несмотря на горизонтальное направление перфорации.
В статье [2] сравнивается известный способ стандартного «вертикального» многостадийного гидроразрыва пласта (ГРП) горизонтального ствола с предлагаемым автором статьи горизонтальным ГРП. Основными недостатками «вертикального» ГРП считают малую толщину продуктивных слоев и связанное с этим практически необратимое проникновение вершин трещины в зоны водо- и газонефтяного контактов, что зачастую приводит к быстрому обводнению продукции и/или прорыву газов. Очевидно, что самым оптимальным расположением трещины ГРП было бы в плоскости продуктивного пласта, при котором вся площадь трещины будет участвовать в фильтрации углеводородов, многократно снизилась бы вероятность быстрого обводнения и, наоборот, увеличилась вероятность пересечения палеотрещин (главным образом вертикальных, в соответствии с направлением действия максимальных напряжений в породе).
В то же время в сложных литологических условиях с чередующимися напластовываниями и перемежающимися прослоями предпочтительно, чтобы трещина ГРП в горизонтально проведенном стволе вскрыла все продуктивные слои, но при этом была бы пологой, например под углом 45 град. к вертикали, для предотвращения выхода трещины в зону водонефтяного контакта.
Недостаток предлагаемого горизонтального ГРП состоит в том, что невозможно вдоль всего горизонтального ствола создать одинаковые условия разрыва, например, по давлению, кроме того, свойства самого пласта вдоль ствола могут существенно различаться, например, по прочности или естественной трещиноватости. Таким образом, предлагаемый горизонтальный ГРП может быть на практике реализован только как «вертикальный» многостадийный.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ заканчивания вертикальной скважины, в котором осуществляют подруб за обсадной колонной в плоскости, перпендикулярной оси скважины путем посекционного совмещения кумулятивных зарядов селективного перфоратора с отдельным кумулятивным зарядом в каждой изолированной секции с плоскостью подруба, последовательного их выстреливания и создания в пласте веера каналов, импульсный гидроразрыв пласта в зоне подруба, расширение и закрепление трещины [3].
Недостаток способа состоит в том, что создание подруба в форме веера кумулятивных каналов, образованных с помощью зарядов типа ГП (глубокопроникающих), или даже каналов увеличенного диаметра типа ОП (оптимального объема) вынуждает практически перерезать колонну, существенно повышая риск поперечного разрушения ее при импульсном гидроразрыве. Кроме того, экспериментально установлено, что предположение о возникновении области связанной кольцевой трещины между каналами в условиях трехосного сжатия горной породы неосновательно. Следовательно, площадь поверхности подруба в прототипе будет ограничена площадью самих каналов, которой, очевидно, недостаточно для эффективного расширения берегов подруба импульсным давлением гидроразрыва.
Известен кумулятивный заряд скважинного перфоратора, формирующий при вскрытии продуктивного пласта расширяющийся канал в породе [4]. Заряд включает корпус с шашкой ВВ и кумулятивной выемкой в форме раскрывшегося тюльпана. Составная облицовка имеет остроугольную коническую вершину, изготовленную из смеси порошковых металлов, состыкованную с металлическим основанием. Форма боковой поверхности основания образована вращением дуги вокруг оси, а угол между касательной к дуге в месте соединения с вершиной и осью заряда составляет (78±7)°. При срабатывании заряд формирует в породе пласта канал с максимальным расширением в периферийной зоне. Заряд позволяет сформировать подруб в форме веера каналов существенно меньшим числом зарядов, чем заряды типов ГП или ОП. При этом повреждение осадной колонны кумулятивными отверстиями не будет превышать 50% прочности на разрыв, а площадь каналов в плане будет равна площади кругового подруба. Кроме того, заполняющая канал дробленая порода будет использована для частичного закрепления трещин.
Цель изобретения - разработка способа, повышающего качество работ и снижающего затраты при формировании проводящих трещин в продуктивной породе пласта за обсадной колонной скважины.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем создание подруба в породе веерным отстрелом селективного кумулятивного перфоратора с отдельным кумулятивным зарядом в каждой изолированной секции с последовательным посекционным совмещением кумулятивных зарядов с плоскостью, перпендикулярную оси скважины, и поворотом каждого последующего заряда, нагружение берегов подруба импульсным давлением гидроразрыва, в селективном перфораторе применяют кумулятивный заряд, формирующий в породе пласта расширяющийся канал, а при нагружении берегов подруба импульсным давлением образуют две трещины: коническую и радиально-кольцевую, распространяющиеся от наружной границы подруба вглубь породы с частичным закреплением трещин дробленой породой из зоны подруба, причем угол наклона образующей конической трещины к оси скважины составляет (45+Δ)°, где Δ - приращение угла, пропорциональное интенсивности приложения импульсного давления.
В случае когда необходимо сформировать коническую трещину с максимальным приращением Δ, равным по величине ~15°, нагружение берегов подруба импульсным давлением осуществляют с помощью ряда циклов плазменного гидроразрыва (плазменно-импульсного воздействия) с давлением в импульсе до 10000 атм и длительностью порядка 0,001 сек.
В случае когда необходимо сформировать коническую трещину с промежуточным приращением Δ, равным ~5°-10°, нагружение берегов подруба импульсным давлением осуществляют с помощью воздействия ряда циклов порохового генератора давления с давлением в импульсе до 1500 атм и длительностью до 0,5 сек.
В случае когда необходимо распространить коническую трещину на максимальную глубину нагружение берегов подруба импульсным давлением осуществляют сначала помощью плазменного гидроразрыва, затем помощью воздействия порохового генератора давления, который позволяет существенно увеличить объем задавливаемой в трещину жидкости.
В случае когда необходимо произвести последующее расширение и закрепление трещин их осуществляют методом стандартного гидроразрыва с нагнетанием в трещины расклинивающей жидкости с песком, причем распространение конической трещины осуществляют с углом, близким к 45°.
В случае когда необходимо произвести нагружение берегов подруба импульсным давлением и осуществить последующее расширение и закрепление трещин методом стандартного гидроразрыва с нагнетанием в трещины расклинивающей жидкости с песком в пласте с чередующимися напластованиями и перемежающимися прослоями, характеризующимися естественными горизонтальными трещинами и склонностью к вертикальному трещинообразованию, формируют ступенчатую коническую трещину, перескакивающую из прослоя в прослой.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволяет, по мнению автора, установить соответствие его критерию "новизна". Автору неизвестно использование совокупности отличительных признаков способа в других областях техники, что дает основание считать, что предложенное решение соответствует критерию "существенные отличия".
На приведенных чертежах поэтапно иллюстрируется один из вариантов основного способа.
На фигурах 1 (вид в плане) и 2 (фронтальный вид) изображен веерный отстрел селективного кумулятивного перфоратора с последовательным посекционным совмещением кумулятивных зарядов с плоскостью, перпендикулярной оси скважины. При использовании, например, 24-х зарядов угол между каналами 1 в породе составит 15°. Виду того, что невозможно выстрелить заряды строго в одну плоскость, кумулятивные отверстия 2 в осадной колонне 3 будут иметь незначительный разброс по вертикали относительно плоскости подруба, тем самым ограничивая повреждение колонны. Перемычки 4 между каналами при отстреле зарядов будут разрушены. Снаружи колонны изображен затрубный цементный камень.
На фигуре 3 показаны две трещины: коническая 7 и радиально-кольцевая 6, распространяющиеся от наружной границы подруба 5 при нагружении берегов подруба импульсным давлением p, с частичным закреплением трещин дробленой породой 8 из зоны подруба. Угол наклона образующей конической трещины к оси скважины составляет (45+Δ)°, где Δ - приращение угла, пропорциональное интенсивности приложения импульсного давления. Для плазменно-импульсного воздействия Δ составляет до 15°, для воздействия пороховым генератором давления - 5°-10°. Глубина распространения конической трещины достигает ~1,5 м.
Автором исследована численная модель напряженно-деформированного состояния блока породы с подрубом как на поверхности, так и в условиях трехосного сжатия горным давлением. Проведен эксперимент по разрушению блока импульсным давлением, приложенным к берегам подруба, который подтвердил результаты численного моделирования. На фигуре 4 приведена фотография разрушения цементного блока, на которой видно формирование конической и радиально-кольцевой трещин.
В условиях трехосного сжатия горным давлением конической трещине расширяться легче, чем радиально-кольцевой, поэтому при дальнейшем распространении трещин доминировать будет коническая, а радиально-кольцевая расширяться перестанет.
На фигуре 5 показана конфигурация распространения конической трещины в случае, когда нагружение берегов подруба импульсным давлением осуществляют сначала с помощью плазменного гидроразрыва с углом 30° к плоскости, перпендикулярной оси скважины, затем с помощью воздействия порохового генератора давления, с углом 40°. Глубина распространения ломанной конической трещины может достигать ~3,0 м. Показанная конфигурация трещины может служить более эффективной заменой обычной перфорации эквивалентного 2-метрового интервала.
На фигуре 6 показана конфигурация распространения конической трещины в случае, когда производят последующее расширение и закрепление трещин методом стандартного гидроразрыва с нагнетанием в трещины расклинивающей жидкости с песком. Распространение трещины осуществляют с углом 45° на дистанцию до 6 м от ствола скважины. Дальнейшее развитие трещины возможно при значительном увеличении расхода расклинивающей жидкости, с целью обеспечения которого необходимо проводить дополнительную перфорацию обсадной колонны над зоной подруба.
На фигуре 7 показана конфигурация распространения конической трещины в пласте с чередующимися напластованиями и перемежающимися прослоями, который, как правило, состоит из т.н. слоя нефтематеринской породы 9, характеризующегося низкой проницаемостью, плотного трещиноватого прослоя 10, который характеризуется естественными горизонтальными трещинами и склонностью к вертикальному трещинообразованию, и слоя непроницаемых глин 11. Ступенчатая форма развития трещины обусловлена тем, что попавшая в прослой 10 коническая трещина будет распространяться по естественным трещинам, пока не перескочит в следующий прослой. В отличие от простирания трещин в однородной породе, как показано на фигурах 3, 5, 6, следует ожидать распространения конической трещины в прослоях на дистанцию до 12 м.
Источники информации
1. Сохошко С.К., Грачев С.И. Способ образования направленной вертикальной или горизонтальной трещины при гидроразрыве пласта. Пат. РФ, E21B 43/26, E21B 43/1, №2176021.
2. Владислав Синица. Горизонтальный гидроразрыв пласта - проблемы, преимущества и перспективы. Тэкно:///блог, 28.03.2013, Текст.
3. Волдаев Н.А. Способ заканчивания скважины и устройство для его осуществления. Пат. РФ, кл. E21B 43/117, E21B 43/263, №2271441 (прототип).
4. Волдаев Н.А. Кумулятивный заряд. Пат. РФ, кл. E21B 43/117, F42B 1/028, F42B 1/032, №2534661.