Гидравлический разрыв пласта. гидравлический разрыв пласта. Применяемые технологии гидравлического разрыва пласта 4 Глава Основы механики гидроразрыва пласта 15
 Скачать 214.31 Kb.
|
|
Глава 2. Основы механики гидроразрыва пласта Рассмотрим коротко механику гидроразрыва пласта. Теория линейной упругости эффективна для описания напряжения и деформации в пласте и на вершине трещины. Пласт считается линейно-упругим, а деформации и напряжения, особенно на вершине трещины (кроме, возможно, вокруг стенок трещины), можно описывать теорией упругости. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона являются основными механическими параметрами, характеризующими деформацию породы, которые определяют экспериментально (рис.3). Модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона v рассчитываются (рис. 3) по значению заданного вертикального напряжения ст22 и вертикальной деформации е22, предопределяющих деформации в горизонтальной плоскости е„ = е^. Кроме того, применяются косвенные методы определения перечисленных параметров по результатам интерпретации данных акустического каротажа. Это позволяет построить профили изменения их по разрезу скважины и точнее прогнозировать развитие трещины.  Рис. 3. Схема исследования породы на сжатие с одноосной нагрузкой В линейной теории упругости концепция деформации в плоскости с модулем Е' используется, чтобы уменьшить проблему пространственности. Деформации в плоскости - рациональное приближение в упрощенном описании ГРП. Важнейшее - как выбрать главную плоскость. Влияние пространственных напряжений в пласте на развитие трещины показало на рис. 4.  Рис. 4. Схема влияния пространственных напряжений на ориентацию трещины Здесь величина стрелок пропорциональна напряжениям. Из рис. 4, а видно, что вертикальная трещина развивается в пласте перпендикулярно к наименьшему горизонтальному напряжению (бокового горного давления). Как свидетельствует опыт, на глубинах свыше 300-600 м трещины имеют вертикальную ориентацию. На малых глубинах более вероятно распределение напряжений, изображенное на рис. 4, е, для которого в пласте разовьется горизонтальная трещина. В случае, когда вертикальные напряжения в окружающих пластах больше, чем в пласте с трещиной, они ограничивают ее рост в высоту, как изображено на рис. 4, б. Поперечное сечение вертикальной трещины для большинства теоретических решений принимается таким, как изображено на рис. 5, а, однако реально оно имеет значительно более сложную форму, такую как на рис. 5, б. Изменения конфигурации трещины здесь, очевидно, обусловлены неравномерными боковыми напряжениями в пластах. Для проектирования гидроразрыва необходимо знать высоту вертикальной трещины, так как ее длина обратно пропорциональна высоте. Из рис. 5 видно, что поперечное сечение имеет чередующиеся сужение и расширение. Такие изменения обусловлены, очевидно, неоднородностью свойств породы в пластах и бокового горного давления.   Рис. 5. Теоретическое (а) и возможное (б) сечения вертикальной трещины в пласте Перед проектированием гидроразрыва нужно изучить свойства пород и боковые напряжения в пластах (рис. 6), существенно влияющие на ширину трещины и давление во время его проведения.  Рис. 6. Профиль напряжений в пластах и зависимость высоты трещины от давления на забое Взаимосвязь между напряжениями и давлением гидроразрыва, определяемая как разность между давлением в трещине и боковым горным давлением, четко прослеживается после их сравнения на кривой (рис. 6, б). Увеличение боковых напряжений обусловливает рост давления, после его роста до максимального значения наблюдается быстрое снижение давления, вызванное, как будет объяснено далее, ростом высоты трещины. Определение напряжений в пластах при современном развитии технологии гидроразрыва лучше всего выполнять путем пробного нагнетания. Итак, важнейшими факторами ориентации и роста вертикальных трещин являются местные поля напряжений и разность напряжений между сопредельными зонами пластов. На направление развития трещины гидроразрыва влияют региональные тектонические напряжения, так как трещины развиваются перпендикулярно к направлению главных наименьших напряжений. В антиклинальных складках, деформированных в направлении короткой оси с тектоническими нарушениями в этом направлении, трещины развиваются в этом же направлении, т.е. параллельно длинной оси. Механизм раскрытия трещин (по теории упругости) описывается ниже. Рассмотрев применяемые модели развития трещины гидроразрыва, нашедшие свое практическое подтверждение по их приемлемости для описания этого процесса, можно увидеть, что во всех теориях принимается эллиптическая форма развития трещины в горизонтальной плоскости по Снеддону (1946, 1973). Механика трещинообразования основана на наблюдениях, свидетельствующих о том, что неоднородность структуры уменьшает способность сопротивляться разрыву. Еще в начале развития теории гидроразрыва А.С. Христианович, Ю.П. Желтое и Г.А. Баренблат (1955) заметили, что в вершине трещины максимальное напряжение становится неограничным. Любая трещина (даже маленькая) может обусловить появление локальных напряжений, сравнимых с существующими, без трещинки. Высокие напряжения, даже если они ограничены малой зоной, могут вызвать разрыв пласта. В применяемых моделях развития трещины допускается, что пласт является линейно-упругим. Критерием разрыва трещины по методу Грифитса (1948) является прочность породы на разрыв. Иначе, фактор интенсивности напряжений в вершине пропорционален постоянному давлению раскрытия трещины и квадратному корню из ее полудлины. В реальной ситуации принимают ро = Рп, а предлагаемая зависимость описывает развитие уже раскрытой трещины, однако она недействительна для с = 0. Вместе с тем она является ключевой для оценки развития первоначально раскрытой трещины. Критическая величина фактора интенсивности напряжений К1С. называемая сопротивляемостью разрыву (fracture toughness), конкретна для каждого материала. Если значение фактора интенсивности напряжений на вершине трещины более критической величины - трещина развивается, если меньше - не развивается. Для многих материалов диапазон изменения сопротивляемости разрыву следующий: для песчаника К1С = 440^ •5-1040 КПа-м|/2; для известняка К1С = 440+1040 КПа-м,/2; для глинистого сланца К[С = 330-г 1320 КПа м|/2. Для гидроразрыва жидкостями с очень низкой вязкостью сопротивляемость разрыву может быть доминирующим фактором развития трещины. Глава 3. Оборудование и специальная техника для гидроразрыва пласта Во время подготовки скважины к гидроразрыву пласта особое внимание уделяют собственно скважине, ее подземному и наземному оборудованию, спецтехнике для его проведения. Подготовка скважины к ГРП осуществляется по плану проведения гидроразрыва пласта и планом работы бригады КРС. Перед проведением ГРП на скважине монтируют подъемную установку для спускоподъемных операций, которые предусматривают промывание скважины и подземного оборудования. Тип подъемной установки выбирают в зависимости от глубины скважины, диаметра и глубины спуска НКТ с учетом дополнительной нагрузки, которая необходимая для срыва пакера после проведения гидроразрыва. Во время подготовки скважины к гидроразрыву выполняют следующие работы: заполняют скважину жидкостью глушения по существующим правилам и нормам и поднимают глубинное эксплуатационное оборудование; замеряют забой скважины и при наличии в интервале перфорации или фильтровой зоне песчаной пробки, металла и других инородных тел восстанавливают забой скважины на глубине, которая указана в плане проведения ГРП; шаблонируют эксплуатационную колонну шаблоном, диаметр которого меньше минимального внутреннего диаметра эксплуатационной колонны не менее чем на 6 мм или равен наружному диаметру пакера. Кроме того, диаметр шаблона может быть регламентирован нормативными документами производителя подземного оборудования, спускаемого в скважину для проведения ГРП; проверяют подземное оборудование (опрессовывают насосно-компрессорные трубы на мостках, шаблонируют их и проверяют пакер) и спускают пакер в скважину; раскрывают пакер и опрессовывают НКТ с пакерным оборудованием скважины; оборудуют устье скважины арматурой для ГРП; 3.1. Подземное оборудование скважины для гидроразрыва Для выполнения гидроразрыва важна схема подземного оборудования: конструкция обсадной колонны, колонны насосно-компрессорных труб, типоразмер применяемых пакеров. От конструкции колонн зависит максимальная скорость нагнетания во время гидроразрыва пласта и допустимое давление на устье скважины. Некоторые компании, проводящие ГРП, выполняют нагнетание жидкости непосредственно через обсадную колонну, что обеспечивает следующие преимущества: возможность проводить нагнетание с большими скоростями; отсутствие пакерного оборудования, а также экономия затрат на спуск и подъем пакера и отсутствие риска, связанного с возможной его аварийностью. Нагнетание жидкостей во время ГРП через колонну НКТ сопровождается меньшими расходами жидкости сравнительно с ГРП через обсадную колонну. Причиной этого являются значительные потери давления, обусловленные трениям в колонне НКТ. Давление на устье скважины во время ГРП через НКТ с пакером значительно выше, а это часто ограничивает режимы нагнетания. Пакеры. Пакеры применяют для разъединения пластов или для защиты обсадной колонны от действия высокого давления над зоной перфорации, чтобы предотвратить нарушение герметичности эксплуатационной колонны. Конструкцию пакера выбирают в зависимости от диаметра эксплуатационной колонны и применяемых НКТ, температуры скважины и жидкостей, которые нагнетают в пласты, ожидаемого перепада давления во время проведения ГРП. Для восприятия усилий от перепада давления, которое действует в одном или в двух направлениях, пакер может быть оборудован соответствующим якорем, предназначенным для якорения колонны НКТ к эксплуатационной колонне с целью предотвращения перемещения скважинного оборудования под действием переменных нагрузок. Пакеры разделяют на механические, гидравлические и гидромеханические. Условные обозначения пакеров состоят из буквенной части, которая определяет их тип, способы посадки и освобождение пакера: гидравлический (Г), механический (М) и гидравлическо-механический (ГМ); наличие якорного приспособления (Я). Первое число после букв - наружный диаметр пакера в мм, второе - максимальный перепад давления в МПа, воспринимаемый пакером. Например, ПВС-118-70, ПМ-ЯМ-118-500, ПГ-118-70. Технические характеристики пакеров приведены в РД 39- 0147035-236-89 и в технических условиях фирм-производителей. Во время проведения ГРП на нефтегазовых месторождениях используют преимущественно гидравлические пакеры типа ПВС-118-70 и ПГ-118-70-146. Технические характеристики пакеров ПВС-118-70 и ПГ- 118-70-146 представлены в табл. 3. Таблица 3. Технические характеристики пакеров
Насосно-компрессорные трубы. К подземному оборудованию относятся насосно-компрессорные трубы, применяемые для спуска пакера в скважину и нагнетания технологических жидкостей в пласт во время проведения ГРП. В ГОСТ 633-80 предусмотрено изготовление четырех типов стальных бесшовных НКТ: гладких; с утолщенными концами (изготовление В); гладких высокогерметичных (НКМ) и безмуфтовых с утолщенными концами (НКБ). Во время проведения ГРП технологические жидкости нагнетают в скважину с большими расходами при высоких устьевых и забойных давлениях, из-за чего колонна НКТ испытывает значительные разнообразные нагрузки. Поэтому для проведения ГРП преимущественно применяют равнопрочные НКТ (с утолщенными концами, соединяемые муфтами) с наружным диаметром 76 и 89 мм соответственно ГОСТ 633-80 и стандарту АНИ. Некоторые характеристики НКТ согласно ГОСТ 633-80 и стандарта АНИ и предельные глубины спуска представлены в табл. 4-8. |