3 ГРП. Гидравлический разрыв пласта Задача (

• Название: Гидравлический разрыв пласта Задача (
• Дата: 10.06.2022
• Размер: 166.45 Kb.
• Имя файла: 3 ГРП.docx
• Тип: Решение; #584171

Гидравлический разрыв пласта

Задача (Вариант 1). Рассчитать основные характеристики ГРП в добывающей скважине глубиной L = 900 м. Разрыв провести по НКТ с пакером, условный диаметр d_НКТ = 60 мм, толщина стенки δ = 5 мм. Проверить колонну НКТ на внутреннее избыточное давление и сделать заключение о пригодности НКТ для проведения ГРП (группа прочности Е). В качестве жидкости разрыва и песконосителя используется нефильтрующаяся амбарная нефть плотностью ρ_ж = 945 кг/м³ и динамической вязкостью μ_ж = 0,285 Па·с. Предполагается закачать в скважину Q_п = 3,5 т песка с диаметром зерен 1 мм. Темп закачки жидкости разрыва Q= 0,010 м³/с. Использовать агрегат 4АН-700. Рассчитать необходимое число насосных агрегатов, а также время их работы. Определить потребное число пескосмесительных агрегатов 4ПА и автоцистерн для транспортировки на скважину продавочной жидкости. Определить размеры трещин в пласте после ГРП. Толщина пласта h = 9,5 м.

Проектирование процесса ГРП состоит из двух частей: расчет основных характеристик процесса и выбор необходимой техники; определение вида трещины и расчет ее размеров.

Решение

Давление, которое необходимо создать на устье при гидроразрыве пласта Р_{у р} :



<sub>где Рзаб·р – забойное давление при гидроразрыве,

Р тр - потери давления на трение при движении жидкости-песконосителя по НКТ,

ρжп – плотность жидкости- песконосителя,</sub>

g – ускорение свободного падения;

L – глубина залегания обрабатываемого пласта.
1 Определение давления на забое Р_заб (Р_пл.) :

Вертикальная составляющая горного давления Р_гв :

Р_гв = ρ_п · g · L = 2600 · 9,81 · 900 ·10^-6 = 22,96 МПа,

где ρ_п = 2600 кг/м³ – средняя плотность пород над продуктивным пластом,

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Горизонтальная составляющая горного давления Р_г :

Р_гг = Р_гв ν /(1 – ν) = 22,96 · 0,3 / (1 – 0,3) = 9,84 МПа,

где ν = 0,2…0,3 – коэффициент Пуассона для горных пород [1, с.215]

Коэффициент Пуассона – величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.

Следовательно, при ГРП можно ожидать возникновения вертикальной трещины.

Для приближенной оценки давления разрыва пласта на забое можно использовать эмпирическую формулу [1, с.216; 4, с.149]:

Р _{заб.р.(пл)} = 10^-2 ·к ·L = 10^-2 ·1,8 · 900 = 16,2 МПа,

где к – коэффициент, равный (1,5 -1,8) МПа/м [1, с.216],

к – коэффициент, равный (1,5 -2,0) МПа/м [4, с.149].

2 Определение потерь давления (напора) на трение Р_тр при движении жидкости-песконосителя по НКТ (формула Дарси- Вейсбаха) [2, с.123]:



где λ – коэффициент трения (коэффициент Дарси);

ν – скорость движения жидкости в трубах;

ρ_жп – плотность жидкости-песконосителя;

L – глубина залегания обрабатываемого пласта;

d_э – эквивалентный диаметр трубы. При прямой промывке d_э равен внутреннему диаметру насосно-компрессорной трубы. При обратной промывке нагнетание идет по межтрубному пространству поэтому d_э определяется по формуле [2, с.125].

Выражая скорость потока ν через расход Q и площадь сечения

получим [1, с.77, с.216] формулу для определения потерь давления на трение в трубах (для ньютоновских жидкостей)

.

Плотность жидкости-песконосителя ρ_жп :

ρ_жп= ρ_ж · (1 – β_п) + ρ_п · β_п = 945 ·(1-0,107) + 2500 · 0,107 = 1111 кг/м³,

где ρ_ж = 945 кг/м³ – плотность чистой жидкости-песконосителя без песка,

ρ_п = 2500 кг/м³ – плотность песка,

β_п = 0,107 – объемная концентрация песка в смеси (см. ниже).

Объемная концентрация песка в смеси β_п определяется по формуле:


где С_п = 250 – 300 кг/м³ – концентрация песка в 1 м³ жидкости.

Число Рейнольдса определяется по формуле [1, с.216]



где μ_жп – вязкость жидкости-песконосителя.



при


3 Давление, которое необходимо создать на устье при гидроразрыве:


Рабочую жидкость гидроразрыва в скважину закачивают насосными агрегатами 4АН-700.

Необходимое число насосных агрегатов :


где р_р - рабочее давление агрегата; р_р = 29 МПа – рабочее давление агрегата на четвертой скорости;

Q_р - подача одного агрегата при рабочем давлении; Q_р = 14,6 л/с – подача одного агрегата при этом давлении.

К_тс - коэффициент технического состояния в зависимости от срока службы агрегата, К_тс = 0,5 – 0,8.
Необходимый объем продавочной жидкости при прямой промывке при закачке в НКТ



Объем жидкости для осуществления гидроразрыва (жидкость разрыва и жидкость - песконоситель) [1, с.218]:


Время работы одного агрегата

4 Определение параметров трещины

В случае образования вертикальной трещины при разрыве пласта нефильтрующейся жидкостью:

- длина трещины после закачки V_ж = 11,7 м³

где Е – модуль упругости пород, численно равный (1-2)·10⁴ МПа =(1-2)·10¹⁰ Па;

ν = 0,2…0,3 – коэффициент Пуассона для горных пород;

Р_пл = 16,2 МПа - давления разрыва пласта;

Р_гг = 9,84 МПа - горизонтальная составляющая горного давления.

- раскрытость трещины (ширина):

ω₀ = 4(1 – υ²)·l·(Р_заб.р. - Р_гг) / Е = 4(1-0,3²) ·l· (16,2-9,84) / 10⁴ =


5 Проверка колонны НКТ на избыточное внутреннее давление

Внутреннее избыточное давление, при котором наибольшее напряжение в трубах достигает предела текучести определяется по формуле

Р_т =0,875·2 · δ · σ_т /d_вн =0,875 ·2·0,005·552 / 0,050 = 96,6 МПа

где 0,875 –коэффициент учитывает разностенность сечения трубы,

δ = 5 мм – толщина стенки трубы,

d_вн = 60 – 10 = 50 мм – внутренний диаметр НКТ,

σ_т = 552 МПа – предел текучести материала трубы.
Условие прочности трубы

Р_у·р < Р_т /п,

где п = 1,32 – коэффициент запаса

30,1 < 96,6 /1,32 = 73,2.

Вывод: условие прочности выполняется и колонна НКТ d = 60 мм, группы прочности Е для ГРП подходит.
Литература
1 Мищенко И.Т., Сахаров В.А. и др. Сборник задач по технологии и технике нефтедобычи. – М.: Недра, 1984. – 272 с.

2 Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта. Учеб. пособие.- М.: Недра,1986.- 165 с.

3 Могучев А.И., Сидоренко А.А. Оборудование для эксплуатации и подземного ремонта скважин: Учеб. пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.- 74 с.

4 Юрчук А.М., Истомин А.З. Расчеты в добыче нефти. - М.: Недра, 1979. – 271 с.

5 Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. / под общ.ред. Ш.К. Гиматудинова. / Р.С. Андриасов, И.Т. Мищенко, А.И. Петров и др. – М.: Недра, 1983.- 455 с.


Технология обычных ГРП осуществляется по следующей схеме.

В скважину на НКТ опускают пакер, который делит ее ствол на две части и защищает верхнюю часть эксплуатационной колонны от высокого давления. Устье скважины обустраивают арматурой, например 2АУ-700, на рабочее давление 70 МПа. Все с агрегаты (до 10) для нагнетания жидкостей ГРП, например 4АН-700, обвязывают с арматурой устья скважины через блок манифольда (1БМ-700). Жидкости для ГРП транспортируют автоцистернами вместимостью по 20м3 либо сливают в стационарный резервуар (по 50м3) общей вместимостью 100-300м3. Вспомогательные насосные агрегаты (ЦА-320М) закачивают жидкость в пескосмеситель (4ПА), из которого центробежным насосом вначале только жидкость, а затем жидкость с песком направляют на вход насосных агрегатов (4АН-700) для нагнетания в скважину. [Булатов А.И., Проселков Ю.М. Решение практических задач при бурении и освоении скважин. Краснодар, «Советская Кубань», 2006. С.558]

Проектирование технологии гидроразрыва включает:

- оценку давления разрыва пласта и рабочего давления агрегатов;

-выбор технологической схемы процесса (однократный, многократный, поинтервальный ГРП и т.д.), рабочих жидкостей, способа расклинивания трещин и расклинивающих агентов;

-расчет технологических параметров и регламентов закачки жидкости разрыва и расклинивающих агентов;

- подбор и расчет технического обеспечения процесса.

Гидравлический разрыв пласта

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) предназначается для увеличения проницаемости призабойной зоны путем расчленения породы пласта или расширения естественных трещин. Сущность ГРП заключается в нагнетании в призабойную зону скважины жидкости под высоким давлением, в большинстве случаев превышающим гидростатическое в 1,5 – 2 раза. Существуют три основных вида ГРП: однократный, многократный и направленный (поинтервальный). Однократный предполагает создание одной трещины в продуктивном пласте; многократный ГРП обеспечивает образование нескольких трещин. При направленном ГРП места образования трещин регулируются по продуктивному разрезу скважины.

Процесс ГРП состоит из следующих последовательно проводимых операций:

- Закачивание в пласт жидкости разрыва для образования трещин.

- Закачивание жидкости-песконасителя с песком, предназначенным для закрепления трещин.

- Закачивания продавочной жидкости для продавливания песка в трещины.

В качестве жидкостей разрыва и песконосителя обычно используют одну и ту же жидкость, называя ее жидкостью разрыва. [Молчанов А.Г., Чичеров Л.Г. Нефтепромысловые машины и механизмы.- М.: Недра, 1976.- 328 с.]

Рабочая жидкость, при закачивании которой в призабойную зону пласта создается давление, достаточное для нарушения целостности породы, называется жидкостью разрыва.

Рабочая жидкость, используемая для транспортировки песка с поверхности до трещин и их заполнения, называется жидкостью-песконосителем. Она должна быть слабофильтрующейся и иметь высокую пескоудерживающую способность. Повышение вязкости жидкостей достигается добавлением в них загустителей – соли органических кислот, нефтяной гудрон, нефтекислотные и водонефтяные эмульсии. В водонагнетательных скважинах для ГРП используют воду, загущенную сульфит-спиртовой бардой (ССБ).

Продавочная жидкость при всех условиях должна обладать минимальной вязкостью для уменьшения потерь напора.

Песок предназначается для заполнения образовавшихся при ГРП трещин с целью предупреждения их смыкания после уменьшения давления ниже величины давления разрыва. Поэтому песок должен иметь достаточную прочность и сохранять высокую проницаемость. Этим требованиям удовлетворяет хорошо откатанный однородный кварцевый песок (пропант). Гранулы имеют размер 0,4 – 1,2 мм.

Эффективность ГРП определяется раскрытостью и протяженностью созданных трещин: чем они больше, тем выше эффективность обработки. Для создания таких трещин в скважину закачивают от 4 до 20 т песка. Концентрация песка в жидкости-песконосителя зависит от фильтруемости и удерживающей способности жидкости и изменяется 100 – 600 кг/1м³ жидкости.

Перед ГРП проводят мероприятия по очистке забоя и призабойной зоны – промывки растворителями, ПАВ, кислотные обработки. Иногда проводят гидропескоструйную перфорацию (ГПП) в узком интервале пласта, в котором планируют создать трещину.

В скважину спускают НКТ с пакером и нагнетают сначала жидкость разрыва в таких объемах, чтобы создать на забое давление, достаточное для разрыва пласта. При этом непрерывно наблюдают за давлением и расходом жидкости на устье. Момент разрыва на поверхности отмечается резким увеличением расхода жидкости при одном и том же давлении на устье или резким падением давления при одном и том же расходе. После разрыва пласта, не снижая давления, в скважину закачивают жидкость-песконоситель – вязкую жидкость, смешанную с песком, которая под воздействием продавочной жидкости проталкивается в НКТ и в пласт. После завершения продавки скважину закрывают и оставляют в покое до момента снижения давления до нуля. Затем скважину промывают для удаления остатков песка и осваивают. Водонагнетательные скважины пдвергают поршневанию для вымывания из трещины закаченной вязкой жидкости.

Основными для ГРП являются установки насосные (4АН-700) и пескосмесительные, с помощью которых проводят подготовку рабочих агентов и закачку их в пласт.

Установка насосная 4АН-700 предназначена для нагнетания жидких сред при ГРП, ГПП, кислотной обработке и т.п.

Песковоз предназначен для перевозки песка (проппанта) и представляет собой гидравлический самосвал с полностью закрытым кузовом. Максимальная полезная нагрузка – до 30 тн.

Емкости технологических жидкостей ГРП:

Для приготовления технологических жидкостей гидроразрыва (гелей на водной или углеводородной основе) используется парк передвижных емкостей. Емкости цилиндрические, горизонтальные, объемом от 45м³ до 75м³ смонтированы на трехосных колесных прицепах.

Подземное оборудование:

- - пакер

- - насосно-компрессорные трубы

Назначение пакера: разобщение призабойной зоны от верхней части с целью предотвращения порывов эксплуатационной колонны при гидроразрыве пласта. Насосно-компрессорные трубы служат для спуска пакера и для подачи жидкости разрыва с устья на забой скважины при проведении ГРП.