Блок ГРП. В настоящее время грп широко применяется в ооо рнюганскнефтегаз как в низкопроницаемых, так и в высокопроницаемых пластахколлекторах
Скачать 4.91 Mb.
|
Блок ГРП В настоящее время ГРП широко применяется в ООО «РН-Юганскнефтегаз» как в низкопроницаемых, так и в высокопроницаемых пластах-коллекторах.Цели ГРП для пластов с низкой проницаемостью следующие: увеличить добычу или приемистость созданием каналов с высокой продуктивностью, улучшить сообщаемость флюидов между скважиной и пластом. Цели ГРП для пластов с высокой проницаемостью следующие: изменение радиального характера притока жидкости из пласта к забою скважины на линейный или билинейный В случае радиального движения жидкости к забою скважины происходит дестабилизация пласта. Объясняется это явление тем, что скорости фильтрации вблизи забоев скважин выше, чем в пласте. Соответственно, возникает значительный перепад давлений между различными участками пласта , скорость движения флюида вблизи забоя скважины сильно возрастает и существует проблема разрушения породы пласта и засорение мехпримесями призабойной зоны скважины. решение проблемы снижения проницаемости призабойной зоны скважины, возникшего в результате воздействия физических или химических факторов (солеотложения, засорение пор призабойной зоны пласта мехпримесями из раствора глушения, проникновение бурового раствора в пласт, образование АСПО и т.д.). улучшение сообщаемости ствола скважины с призабойной зоной, миниминизация напряжений в пласте, снижение скоростей, минимизация миграции тонкодисперсных фракций. Область загрязнения Скважина до ГРП. Радиальный приток Скважина после ГРП (высокая проницаемость, линейный приток) Билинейный приток, низкая проницаемость При производстве ГРП должны быть решены следующие задачи: Создание трещины гидроразрыва путем закачки специально подобранной жидкости ГРП. Удержание трещины в раскрытом состоянии путем добавления в жидкость гидроразрыва проппанта с зернами определенного размера и определенной прочности. Удаление жидкости гидроразрыва для восстановления высоких фильтрационных характеристик призабойной зоны скважины. Повышение продуктивности пласта. Вертикальные и горизонтальные скважины с единственной трещиной Разветвленные конфигурации с несколькими трещинами для горизонтальных скважин Для увеличения производительности скважин применяется метод создания в высокопроницаемых пропластках коротких и широких трещин проникающих за пределы зоны загрязнения, который называется технологией концевого экранирования (TSO). Особенности технологии TSO: предотвращает нежелательное распространение трещины после прекращения закачки. При использовании традиционных технологий ГРП после закрытия скважины большой объем буферной жидкости обычно остается перед рабочей жидкостью ГРП с проппантом, и поэтому трещина может продолжать распространяться, что может уменьшить проводимость трещины. возможность предотвращения выноса проппанта за счет достижения более равномерного распределения напряжений по упаковке проппанта. Трещины, созданные с использованием традиционных методов, смыкаются дольше, позволяя некоторому количеству проппанта осесть, что создает более высокие концентрации проппанта в нижней части трещины. В результате увеличивается вероятность локального каналообразования или формирование «карманов» в проппантной упаковке с низким сжимающим трещину напряжением, что облегчает вынос проппанта при добыче. Технология TSO, в которой фильтрационные утечки рабочей жидкости подавляются в меньшей мере для создания высоких концентраций проппанта на фронте закачки, обеспечивает более быстрое смыкание трещин и позволяет тем самым минимизировать вынос проппанта. Технология концевого экранирования является модификацией операции гидроразрыва, при которой создаются короткие трещины (несколько десятков метров) шириной до 30мм. Это достигается путем контролируемого распространения трещины до запланированной длины и последующего ее закрепления проппантом, закачиваемым с рабочей жидкостью. Благодаря фильтрационным утечкам рабочей жидкости через поверхности трещины, концентрация проппанта возрастает на фронте закачки, что приводит к образованию проппантных пробок вблизи конца трещины, которые препятствуют ее дальнейшему распространению. Закачка проппанта, продолжаемая после остановки трещины, позволяет повысить давление внутри трещины, увеличивая тем самым ее раскрытие. При такой технологии ГР Эффект образования перемычек и повышенной упаковки проппанта в конце трещины считался одним из серьезных осложнений при проведении ГРП, сопровождающимся преждевременным выпадением проппанта и остановкой распространения трещин, но закачка могла быть продолжена и после этого еще некоторое время. Инженерное решение состояло в использовании данного эффекта для решения задач управления распространением трещин и оптимизации их раскрытия. Процесс образования перемычек и повышенной упаковки проппанта в конце трещины можно успешно использовать для создания коротких и широких трещин в высокопроницаемых пластах-коллекторах. Увеличение раскрытия закрепленной трещины ведет к увеличению ее проводимости. Значение безразмерного параметра гидравлической проводимости C позволяет оценить продуктивность скважины после ГРП методом подстановки в формулу Дюпюи эффективного радиуса скважины вместо фактического. Эффективный радиус скважины пропорционален длине трещины, умноженной на функцию гидравлической проводимости трещины С. C = (W * k prop) / (x * k form ), где W – раскрытие трещины, k prop – проницаемость пропантной набивки, x – полудлина трещины, k form – проницаемость пласта. Для месторождений Западной Сибири безразмерная проводимость трещины С находится в пределах от 0,5 до 1,5. 1 Коэффициент продуктивности При обсуждении продуктивности конкретной скважины мы рассматриваем соотношение между производительностью и движущей силой (перепадом давления), (1-1) где постоянная J называется коэффициентом продуктивности (КП). За время существования в скважине несколько раз меняются условия течения, но две наиболее важных идеализированных параметра остаются – это постоянная продуктивность (1-2) и постоянный перепад давления, (1-3) где k – проницаемость породы, h – толщина продуктивного слоя, B – объемный коэффициент нефти или газа в пластовых условиях, – вязкость жидкости, и 1 – коэффициент перевода (равный 1 для связных систем). Задается или продуктивность (q), или перепад давления ( ), и уравнение используется для определения безразмерных переменных. В Таблице 1-1 приведены некоторые известные решения уравнения радиальной диффузности. Вследствие радиальной природы течения, наибольший перепад давления сосредоточен около ствола скважины и любое повреждение значительно увеличивает потери давления. Воздействие повреждения призабойной зоны может быть описано скин-фактором s, добавленным к безразмерному давлению (pD) в выражении для КП: (1-4) Таблица 1-1. Течение в неповрежденную вертикальную скважину.
Скин-фактор – это еще одна переменная, характеризующая наиболее важный аспект повреждения призабойной зоны. Дополнительные потери давления, вызванные повреждением, пропорциональны продуктивности. При наилучших технологиях бурения и вскрытия, явления закупорки в области около скважины все равно существуют. Скин-фактор можно считать мерой «ценности» скважины. Другие механические факторы, по существу не вызываемые повреждением, могут усилить влияние скин-эффекта. Это может быть плохая перфорация, частичное проникновение в скважину, или неподходящее оборудование для вскрытия скважины и т.п. Если скважина повреждена (или по какой-либо другой причине ее продуктивность ниже идеального значения), то скин-фактор является положительным. Стимулирование скважины повышает коэффициент продуктивности. Поэтому рассматривать любой вид стимуляции как способ уменьшения скин-эффекта. Из-за столь многочисленных отрицательных сторон скин-эффекта, можно использовать даже способы стимуляции, не только устраняющие повреждение, но и пролагающие новые и расширяющие старые каналы течения. В последнем случае более правильно говорить о псевдоскин-эффекте, показывая, что обработка производит некоторые структурные изменения в канале течения жидкости, вдобавок к устранению закупорки. Коэффициент продуктивности квазистационарного состояния является очень важным с точки зрения проектирования гидроразрыва: (1-5) где JDназывается безразмерным коэффициентом продуктивности. Для скважины, расположенной в центре круговой площади дренирования, выражение для безразмерного коэффициента продуктивности в переходном состоянии сокращается до: (1-6) В случае расклиненной трещины существуют несколько способов включения эффекта стимуляции в выражение для коэффициента продуктивности. Один из них – использование понятия псевдоскин-эффекта. (1-7) или понятия эквивалентного радиуса скважины, (1-8) или же необходимо просто представить безразмерный коэффициент продуктивности как функцию от параметров трещины,
Все три приведенных выше возможности приводят к примерно одинаковым результатам (если рассчитываются в одинаковых условиях). Последний способ наиболее удобен при рассмотрении скважин с более сложной областью дренирования (не радиальной). Система скважина-трещина-пласт. Рассматриваем проникающую на всю глубину трещину в продуктивном слое толщины h, как показано на рис. 1-1. В реальности площадь дренирования не является ни круглой, ни прямоугольной; однако для большинства из них эти формы являются достаточной аппроксимацией. Использование re или xe – дело личного предпочтения. Соотношение между площадью дренирования А, радиусом дренирования re и длиной боковой стороны xe задается уравнением (1-10) Рисунок 1-1. Обозначения для характеристики трещины. Характеристики вертикальной скважины, пересекающей прямоугольную вертикальную трещину, которая проходит вертикально по всему объему дренирования, зависят от степени проникновения в направлении x, (1-11) и от безразмерной проводимости трещины, (1-12) где xf – половинная длина трещины, xe – длина стороны прямоугольной области дренирования, k – проницаемость породы, kf – проницаемость проппанта, и w – средняя ширина расклиненной трещины. Проппантовое число Основой для формулировки технической проблемы по оптимизации будет следующий факт: проникновение в трещину и безразмерная проводимость трещины (в горизонтальном направлении) зависят от одного и того же ресурса − количества проппанта. После того, как свойства пласта и расклинивающего агента установлены, нужно найти необходимое соотношение между длиной и шириной трещины. Доступное количество проппанта накладывает ограничения на два безразмерных числа. Чтобы избежать связанных с этим затруднений, вводим безразмерное проппантовое число. (1-13) Как показано выше, проппантовое число – это комбинация двух других безразмерных параметров: степени проникновения и безразмерной проводимости трещины. Подставив уравнения, характеризующие эти параметры, в Уравнение 1-13, получаем (1-14) где Nprop – коэффициент проппанта; kf – эффективная проницаемость упакованного проппанта, мД; Vprop – это объем проппанта в продуктивном горизонте (два крыла, включая пустые промежутки между гранулами), фут3; и Vres – объем дренирования (т.е. площадь дренирования, умноженная на толщину слоя), фут3. Уравнение 1-14 это отношение общего объема расклиненной трещины к объему пласта, причем коэффициент пропорциональности составляет удвоенное отношение проницаемостей расклинивающего агента и породы. Учитывается только проппант, находящийся в продуктивном слое. Если, высота трещины в три раза превышает общую толщину слоя, тогда Vprop можно оценить как одну треть общего объема расклинивающего агента. Упакованный объем введенного расклинивающего агента, умноженный на объемную эффективность проппанта дает Vprop, используемый для вычисления проппантового числа. Безразмерное проппантовое число, Nprop, по-видимому, является наиболее важным параметром в унифицированном проектировании гидроразрыва. Рис. 1-2 представляет JD, показанный в обычном виде, как функция от безразмерной проводимости трещины, CfD; Ix берется как параметр. Рисунок 3-2. Безразмерный коэффициент продуктивности как функция от безразмерной проводимости трещины. Ix является параметром (в представлении МакГуайра-Сикоры (McGuire-Sikora)). На рис. 1-3 и 1-4 аналогичные результаты, параметром является проппантовое число, Nprop. Отдельные кривые соответствуют JD при определенных значениях коэффициента. Рис. 1-3 и 1-4, для данного значения Nprop, максимальный коэффициент продуктивности достигается при определенном значении безразмерной проводимости трещины. Проппантовое число характеризует определенный объем, достигающий продуктивного горизонта, оптимальное соотношение между длиной и шириной достигается при значениях безразмерной проводимости трещины, соответствующих пикам кривых. Важным результатом, полученных из рисунков, является тот факт, что для проппантовых чисел меньших 0,1 оптимальное соотношение находится при CfD=1,6. Когда объем проппанта возрастает, оно смещается в сторону увеличения, просто потому что безразмерный коэффициент проникновения не может превышать единицы (т.е. когда трещина достигает границ пласта, добавочное количество проппанта направляется на увеличение ширины). Эффект показан на рис. 1-4. Максимально достижимым значением безразмерного коэффициента продуктивности, является 1,909. Максимальное значение КП, равное 6/, относится к идеальному поступательному течению в квадратном пласте. Рисунок 1-3. Безразмерный коэффициент продуктивности как функция от безразмерной проводимости трещины, где коэффициент проппанта является параметром (для Nprop < 0,1). Рисунок 1-4. Безразмерный коэффициент продуктивности как функция от безразмерной проводимости трещины, где коэффициент проппанта является параметром (для Nprop > 0,1). В средне- и высокопроницаемых породах (более 50 мД), невозможно достичь значения проппантового числа более 0,1. Для обработки ВПР, типичные его значения заключаются в интервале 0,0001 – 0,01. Таким образом, для средне- и высокопроницаемых пород, лучшим значением безразмерной проводимости трещины является 1,6. В пластах «сжатого газа» принципиально возможно достижение высоких значений коэффициента проппанта. Коэффициенты вычисляются для ограниченной площади дренирования, и могут составлять от 1 до 10; не определяется реально содержащееся в продуктивном слое количество проппанта. Однако на практике проппантового числа выше 1 достичь достаточно трудно. При массированных обработках проппант может мигрировать вверх, приводя к чрезмерному незапланированному увеличению высоты трещины; или же может по горизонтали выходить за пределы дренируемой области. Рисунок 1-5. Безразмерный коэффициент продуктивности как функция от степени проникновения, где проппантовое число является параметром (для Nprop > 0,1). Для высоких значений числа оптимальное значение CfD определяет оптимальную степень проникновения, близкую к 1. Этот факт проиллюстрирован на рис. 1-5, где степень проникновения откладывается по оси х. Чтобы разместить проппант «от стенки до стенки», сохраняя его в дренируемом объеме, необходима настолько высокая тщательность в проведении гидроразрыва, что ее практически невозможно достичь. Максимально возможным значением безразмерного коэффициента продуктивности при Nprop=1 является JD около 0,9. Для вертикальной скважины при отсутствии повреждения JD составляет от 0,12 до 0,14, в зависимости от размещения скважины и от ее радиуса проводимости. Существует реальный предел для роста коэффициента продуктивности квазистационарного состояния (при условии нулевого скин-эффекта), например отношение 0,9 к 0,13 составляет около 7. Более значительное увеличение не характерно. Его можно достигнуть при условии наличия в исходной скважине большого положительного скин-фактора. При неустановившемся течении коэффициент продуктивности (а также производительность) выше, чем для квазистационарного состояния. Наличие периода неустановившегося течения не меняет решения по оптимальным размерам. Вычисления показывают, что нет причины отказываться от оптимальных значений, полученных в переходном состоянии, если скважина будет работать в этом режиме значительное время. В определении проппантового числа kf есть эффективная (или эквивалентная) проницаемость закрепленного проппанта. Этот параметр будет основным при планировании. Современные симуляторы трещин обычно используют номинальные значения для проницаемости упакованного проппанта (данные от производителя) и позволяют пропорционально уменьшить его с помощью коэффициента уменьшения. Уменьшенное значение и необходимо использовать при вычислении проппантового числа. Существуют многочисленные причины для того, что реальная проницаемость проппанта будет меньшей, чем номинальное значение. Основными являются следующие: Высокое давление закрытия разрушает проппант, уменьшая средний размер зерна, однородность зерен и пористость. Остаток жидкости разрыва понижает проницаемость в трещине. Высокая скорость движения жидкости в слое проппанта приводит к нарушению закона Дарси, что в свою очередь выражается в дальнейших потерях давления. Это явление может оказать значительное влияние, когда газ добывается в присутствии жидкости (воды или конденсата). Неподчинение закону Дарси происходит из-за периодического ускорения-замедления капель жидкости, что значительно понижает проницаемость проппанта. Полученная проницаемость может быть на порядок ниже номинального значения, заявляемого производителем. В процессе проектирования гидроразрыва, значительное внимание следует уделить эффективной проницаемости проппанта и проницаемости породы. Знание соотношения этих параметров очень важно и не может быть заменено другими количественными отношениями. Поведение скважин при средних и малых значениях проппантового числа Под малыми и средними проппантовыми числами, подразумеваем значения менее 0,1. В эту категорию попадают наиболее динамичные способы осуществления гидроразрыва (например, ВПР), что делает ее очень важной с точки зрения проектирования. Оптимальный план обработки для средних значений проппантовых чисел можно кратко и просто представить в аналитическом виде. Далее мы рассмотрим, как проппантовое число и безразмерный коэффициент продуктивности соотносятся с другими распространенными индексами эффективности, такими как псевдоскин-функция Синко-Лей (Cinco-Ley) и Саманьеджо (Samaniego), а также эквивалентный радиус скважины Пратса. На самом деле, планирование гидроразрыва, основанное на этих коэффициентах, является частным случаем унифицированного проектирования гидроразрыва, при малых значениях проппантовых чисел. Пратс (Prats) (1961) ввел понятие эквивалентного радиуса скважины, исходя из операции гидроразрыва. Все переменные кроме протяженности трещины, влияют на характеристики скважины только через комбинированную величину – безразмерную проводимость трещины. При высоких значениях безразмерной проводимости (более 100) ее свойства аналогичны свойствам трещины с бесконечной проводимостью. Поведение трещин с бесконечной проводимостью было впоследствии изучено Грингартеном (Gringarten) и Реми (Remi) (1974). Чтобы охарактеризовать влияние ограниченно-проводящей вертикальной трещины на характеристики вертикальной скважины, Синко-Лей и Саманьеджо (1981) ввели понятие псевдоскин-эффекта, который является функцией исключительно от безразмерной проводимости трещины. Судя по определению псевдоскин-эффекта, безразмерный коэффициент квазистационарного состояния может быть представлен следующим образом (1-15) где sf – эффект псевдоскина. В представлении Пратса тот же коэффициент продуктивности описывается так: (1-16) где rw'– эквивалентный радиус скважины. Пратс использовал также относительный эквивалентный радиус скважины, определяющийся как . С точки зрения Синко-Лея формально коэффициент продуктивности описывается так: (1-17) где f – псевдоскин-функция по отношению к половинной длине трещины. В таблице 3-2 приведены соотношения между этими величинами. Преимущества нотации Синко-Лея и Саманьеджо (f-фактор) заключается в том, что для средних и малых значений проппантовых чисел величина fзависит только от безразмерной проводимости трещины. Сплошная линия на рис. 1-6 отображает f-фактор как функцию от безразмерной проводимости трещины. При высоких значениях CfD, выражение для f-фактора стремится к значению ln2, показывая, что продукция из бесконечно проводящей трещины в /2 раз больше, чем от той же самой поверхности, расположенной цилиндрически. В вычислениях удобно использовать расширенное выражение для переменной. , где u=lnCfD (1-18) Так как относительный радиус скважины Пратса может быть выражен через f-фактор (см. Таблицу 3-2), мы получаем аналогичный результат: , где u=lnCfD (1-19) Кривые, соответствующие уравнениям 1-18 и 1-19 являются действительными только в промежутке, показанном на рис. 3-6. Для очень больших значений CfD можно просто использовать предельное значение уравнения 1-19, равное 0,5; это показывает, что бесконечно проводящая трещина имеет продуктивность, одинаковую со скважиной, имеющей радиус xf/2. Таблица 1-2. Соотношения между различными индексами продуктивности.
Рисунок 1-6. f-фактор и y-функция Синко-Лей и Саманьеджо. Оптимальная проводимость трещины. Nprop < 0,1 можно сформулировать чисто физическую проблему по оптимизации: каким образом можно выбрать длину и ширину, если объем проппанта в одном из крыльев трещины Vf=w h xf ограничен, причем существует необходимость максимизировать коэффициент продуктивности в переходном режиме течения. Толщина породы, радиус дренирования и проницаемости породы и проппанта известны, и что трещина вертикально полностью проницаема (hf=h). Взяв CfD в качестве основной переменной, длину можно выразить как (1-21) Подставив уравнение 1-21 в уравнение 1-17, можно выразить безразмерный коэффициент продуктивности: (1-22) где единственной неизвестной является CfD. Так как радиус дренирования, толщина породы, проницаемости и объем проппанта фиксированы, коэффициент продуктивности является максимальным, когда выражение в скобках (1-23) достигает своего минимума. Эта зависимость также показана на рис. 1-6. Так как оно зависит только от CfD, оптимальное CfDopt=1,6 является постоянной величиной для любого пласта, скважины и объема проппанта. Пласт и трещина могут рассматриваться как единая система. Пласт может подать больший объем жидкости в трещину, если ее длина больше, однако (так как объем фиксирован), это означает уменьшение ее ширины. В узкой трещине сопротивление течению может быть значительным. Оптимальная безразмерная проводимость трещины характеризует наилучшее соотношение между двумя вышеуказанными подсистемами. После нахождения этого соотношения из определения CfD можно рассчитать половинную длину трещины, (1-24) и следовательно среднее значение ширины будет определяться как (1-25) Отметим, что Vf есть Vprop/2, так как это только половина проппанта (одно из крыльев трещины). Наиболее важный вывод из всех вышеописанных результатов следующий: теоретически нет различий между гидроразрывом высоко- и низкопроницаемых пластов. Во всех случаях существует трещина с оптимальными характеристиками, имеющая CfD около единицы. В низкопроницаемых породах это требование приводит к узким и длинным трещинам, а в высокопроницаемых – к широким, но коротким. Однако они имеют одну и ту же безразмерную проводимость. Если длина трещины и ее ширина выбираются согласно оптимальному соотношению, безразмерный коэффициент продуктивности будет выражаться как (1-26) Оптимальные характеристики трещины могут быть технически или экономически недостижимы. В низкопроницаемых породах указанная длина трещины может быть слишком велика; или же очень малая ширина трещины может означать, неприменимость принятого коэффициента проницаемости проппанта. В высокопроницаемых породах не всегда можно создать трещину большой ширины. Безразмерная проводимость трещины, сильно отличающаяся от оптимальной, показывает, что или трещина является «узким местом» (CfD<<1,6), или же она слишком «широкая и короткая» (CfD>>1,6). Читателю также не следует забывать, что результаты этого раздела, включающие в себя график Синко-Лея и Саманьеджо с рассчитанной кривой, значение оптимальной безразмерной проводимости трещины, равное 1,6 и Уравнение 1-26 действительны только для проппантовых чисел, меньших 0,1. Это можно легко увидеть, сравнив рис. 1-3 и 1-4. На рис. 1-3 кривые имеют максимум при CfD=1,6, и максимум JD соответствует простому уравнению 1-26. На рис. 1-4, при проппантовых числах больших 0,1, максимумы смещены, и упрощенные вычисления, основанные на f-факторе (Уравнение 1-18) или эквивалентном радиусе (Уравнение 1-19) недействительны. Логика планирования. Необходимо поместить определенное количество проппанта в продуктивный слой таким образом, чтобы достичь максимального значения коэффициента продуктивности. Ключевым параметром при определении соотношения между размером и повышением продуктивности является проппантовое число. Так как Vprop составляет только часть расклинивающего агента, достигающего продуктивной области, и таким образом зависит от объемной эффективности проппанта, проппантовое число не может просто быть принято постоянным в ходе планирования. В унифицированном проектировании гидроразрыва указываем количество проппанта, предназначенного к закачке, и далее производим следующие операции: 1. Получить объемную эффективность проппанта и определить проппантовое число. (Как только появятся детали обработки, соотношение объемной эффективности и высоты трещины, процесс планирования может быть повторен.) 2. Используя рис. 1-3 или 1-4 (или скорее схему планирования), определить максимально возможный коэффициент продуктивности, а также оптимальную безразмерную проводимость трещины, исходя из проппантового числа. 3. Рассчитать оптимальную половинную длину трещины. Рассматривая объем одного из крыльев трещины (внутри продуктивного слоя) как Vf, оптимальную половинную длину можно определить как: (1-27) 4. Рассчитать оптимальную усредненную ширину расклиненной трещины (1-28) В двух вышеуказанных уравнениях Vf и h должны соответствовать друг другу. Если h используется для общей высоты трещины, часто обозначаемой как hf, тогда объем проппанта Vfдолжен являться общим объемом проппанта в одном из крыльев трещины. В то же время, если выбранный Vf соответствует только объему, содержащемуся в продуктивной зоне одного из крыльев, тогда h должно являться толщиной продуктивного слоя. В обоих случаях результат будет одинаковым. Наиболее удобно использовать толщину продуктивного слоя и объем проппанта в продуктивном слое, так как эти переменные используются в процессе вычисления проппантового числа. |