Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Марта 2012 в 01:23, лекция
Нефть и газ в настоящее время являются основными энергоносителями и источниками сырья в нефтехимической промышленности. В условиях рыночных отношений весьма актуальной является проблема рационального ведения процессов разработки нефтяных месторождений – как с точки зрения сокращения затрат на добычу нефти, так и с точки зрения, полноты использования запасов углеводородов.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
Выше кровли пласта или пропластка, в котором намечается произвести разрыв, устанавливают пакер, изолирующий кольцевое пространство и колонну от давления, и гидравлический якорь. По спущенным НКТ нагнетается сначала жидкость разрыва в объемах, чтобы получить на забое давление, достаточное для разрыва пласта. В момент разрыва на поверхности отмечается резкое увеличение расхода жидкости (поглотительной способности скважины) при том же давлении на устье скважины или резкое уменьшение давления на устье при том же расходе. Более объективным показателем, характеризующим момент ГРП, является коэффициент поглотительной способности.
При ГРП происходит резкое увеличение kп. Однако вследствие трудностей, связанных с непрерывным контролем за величиной Рс, а также вследствие того, что распределение давлений в пласте - процесс существенно неустано-вившийся, о моменте ГРП судят по условному коэффициенту k
Условный коэффициент kп
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
Резкое увеличение k в процессе закачки интерпретируется как момент ГРП. Имеются приборы для снятия этой величины.
После разрыва пласта в скважину закачивают жидкость-песконоситель при давлениях, удерживающих образовавшиеся трещины в раскрытом состоянии. Это более вязкая жидкость, смешанная (180 - 350 кг песка на 1 м3 жидкости) с песком или другим наполнителем. Песок вводится на возможно большую глубину для предотвращения смыкания трещин при снятии давления и переводе скважины в эксплуатацию.
Жидкости-песконосители проталкивают в пласт продавочной жидкостью, в качестве которой используется маловязкая недефицитная жидкость. Для проектирования процесса ГРП важно определить давление разрыва Pр. Накопленый статистический материал говорит об отсутствии четкой связи между глубиной залегания пласта и давлением разрыва. Фактические значения Pр лежат в пределах между величинами полного горного и гидростатического давлений.
При малых глубинах (менее 1000 м) Рр ближе к горному давлению, а при больших глубинах - к гидростатическому.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
для глубоких скважин (H > 1000 м)
Приближенные значения для давления разрыва:
для неглубоких скважин (до 1000 м):
где Pcт - гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта.
Сопротивление горных пород на разрыв обычно мало σр = 1,5 - 3 МПа, и не влияет существенно на Pp. Давление разрыва на забое Pр и давление на устье скважины Pу связаны соотношением
где Pтр - потери давления на трение в НКТ. Из уравнения следует
Pст - статическое давление, определяется с учетом кривизны скважины
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
где Н - глубина скважины; β - угол кривизны (усредненный); ρж - плотность жидкости в скважине. Если жидкость содержит наполнитель (песок, стеклянные шарики, порошок из полимеров и др.), то плотность подсчитывается как средневзвешенная м):
где n - число килограммов наполнителя в 1 м3 жидкости; ρн - плотность наполнителя (для песка ρн = 2650 кг/м3). Потери на трение определить труднее, так как применяемые жидкости иногда обладают неньютоновскими свойствами. Присутствие в жидкости наполнителя (песка) увеличивает потери на трение. В американской практике используются различные графики зависимости потерь давления на трение на каждые 100 фут НКТ разного диаметра при прокачке различных жидкостей.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
При больших темпах закачки, соответствующих турбулентному течению, структурные свойства жидкостей с различными загустителями и химическими реагентами исчезают, и потери на трение можно определить по формулам трубной гидравлики.
где λ - коэффициент трения, определяемый по соответствующим формулам в зависимости от числа Рейнольдса; w - линейная скорость потока в НКТ; d - внутренний диаметр НКТ; ρ - плотность жидкости; Н - длина НКТ; g = 9,81 м/с2; α - поправочный коэффициент, учитывающий наличие в жидкости наполнителя (для чистой жидкости α = 1) и зависящий от его концентрации.
Применяемые жидкости. Применяемые для ГРП жидкости приготавливаются на нефтяной, либо на водной основе.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
По своему назначению жидкости разделяются на три категории: жидкость разрыва, жидкость-песконоситель и продавочная жидкость.
Жидкость разрыва должна хорошо проникать в пласт или в трещину, но иметь высокую вязкость, чтобы не рассеиваться в объеме пласта, и вызывать необходимое расклинивающее действие в образовавшейся трещине. В качестве жидкостей разрыва используют сырые дегазированные нефти с вязкостью до 0,3 Па-с; нефти, загущенные мазутными остатками; нефтекислотные эмульсии (гидрофобные); водонефтяные эмульсии (гидрофильные) и кислотно-керосиновые эмульсии.
Жидкости на углеводородной основе применяют при ГРП в добывающих скважинах. В нагнетательных скважинах в качестве жидкости разрыва используют чистую или загущенную воду. К загустителям относятся компоненты, имеющие крахмальную основу, полиакриламид, сульфит-спиртовая барда (ССБ), КМЦ (карбоксилметилцеллюлоза).
Некоторые глинистые компоненты пластов чувствительны к воде и склонны к набуханию. В таких случаях в жидкости на водной основе вводят химические реагенты, стабилизирующие глины при смачивании.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
Жидкости-песконосители изотавливают на нефтяной и водной основах. Для них важна пескоудерживающая способность и низкая фильтруемость, за счет увеличения вязкости и придания жидкости структурных свойств. Используются те же жидкости, что и для разрыва пласта.
При высокой фильтруемости перенос песка в трещине ухудшается, так как о скорость течения по трещине быстр становится равной нулю, и развитие ГРП затухает вблизи стенок скважины. Хорошей песконесущей способностью обладают кислотно-керосиновые эмульсии, имеющие высокую стойкость, не разрушающиеся в жаркую погоду при транспортировке с наполнителем.
При закачке песконосительной жидкости, из-за большой вязкости, наличия в ней наполнителя - песка и необходимости вести закачку на большой скорости возникают большие устьевые давления. Хотя насосные агрегаты делаются в износостойком исполнении, при работе на высоких давлениях они быстро изнашиваются. Для снижения потерь на трение на 12 - 15 % разработаны химические добавки к растворам на мыльной основе, а также тяжелые высокомолекулярные углеводородные полимеры. Около 90 % операций ГРП осуществляются с использованием жидкостей на водной основе в силу дешевизны.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
Продавочные жидкости закачивают в скважину для того, чтобы довести жидкость-песконоситель до забоя скважины. Объем продавочной жидкости равен объему НКТ. К расчетному объему НКТ прибавляется объем затрубного пространства между башмаком НКТ и верхними дырами фильтра. В качестве продавочной жидкости используется чаще всего вода.
Наполнитель служит для заполнения трещин и предупреждения их смыкания при снятии давления. Известны факты эффективного ГРП без наполнителя. Однако эффект менее продолжителен. Наполнитель при заполнении трещины воспринимает нагрузку от горного давления после снижения давления жидкости. Он частично разрушается и вдавливается в породу и должен обладать высокой прочностью. В идеале наполнитель должен иметь плотность, равную плотности жидкости-песконосителя, чтобы перенос его по трещине и ее заполнение были бы успешными. Размеры зерен наполнителя должны обеспечить его проникновение в самые удаленные части трещины и высокую их проницаемость при последующей эксплуатации скважин. Для ГРП применяют песок размером от 0,5 до 1,2мм. В первые порции жидкости-песконосителя замешивается более мелкая фракция (0,5 - 0,8 мм), а в последующую - более крупные фракции.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Гидравлический разрыв пласта
Чистый кварцевый песок имеет большую плотность (2650 кг/м3), что способствует его оседанию из потока жидкости и затрудняет заполнение трещин. Его плотность на смятие бывает недостаточной. В мировой практике в последнее время находят применение в качестве наполнителя стеклянные шарики, а также зерна агломерированного боксита соответствующего размера и молотая скорлупа грецкого ореха. Плотность стеклянных шариков примерно равна плотности кварца, т. е. 2650 кг/м3, но они прочнее и меньше вдавливаются в породу. Плотность порошка агломерированного боксита 1400 кг/м3 Производятся промышленные испытания наполнителя из особо прочных искусственных синтетических полимерных веществ, имеющих плотность, близкую к плотности жидкости (1100 кг/м3) песконосителя.
Современная техника и применяемые жидкости позволяют осуществлять закачку при средней концентрации песка порядка 200 кг/м3 жидкости. Применяются большие и меньшие концентрации. Количество закачиваемого песка, расходуемого на одну операцию ГРП, по данным фирмы Халибартон, составляет в среднем до 22,5 т, а количество жидкости в среднем (жидкость разрыва + жидкость-песконоситель) до 151,4 м3
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Осуществление гидравлического разрыва
Осуществление ГРП рекомендуется в следующих скважинах.
Не рекомендуется проводить ГРП в скважинах, технически неисправных и расположенных близко от контура водоносности или от газовой шапки.
Эффективность ГРП зависит от размеров трещины. Формула для оценки радиуса трещины имеет вид:
где Q - л/с; - Пас; t - с; k - м2; H - м; rт - м.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Осуществление гидравлического разрыва
Определение ширины трещины затруднительно, хотя и имеются формулы для ее вычисления. У стенки скважины ширина трещины наибольшая и к концу убывает до нуля.
При закачке маловязкой жидкости, легко проникающей в горизонтальный проницаемый прослой, возникает, как правило, горизонтальная трещина, в которой давление превышает локальное горное. В результате происходит упругое расщепление пласта по наиболее слабым плоскостям.
При закачке нефильтрующейся жидкости образуются вертикальные трещины, так как вследствие отсутствия фильтрации в пласт явление разрыва подобно разрыву длинной трубы с толстыми стенками. При наличии в пласте естественных трещин разрыв происходит по их плоскостям независимо от фильтруемости жидкости.
Формула для определения ширины и объема вертикальной трещины имеет вид:
где w - ширина трещины у стенки скважины; - коэффициент Пуассона ( 0,1 - 0,2); р - превышение давления на забое скважины над локальным горным; Е - модуль Юнга для горной породы [(1 - 2)102 МПа]; L - длина трещины.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Осуществление гидравлического разрыва
Полагая, что вертикальная трещина имеет форму клина с основанием w высотой L и длиной h., равной толщине пласта, получим ее объеми
Ширина трещин может достигать нескольких сантиметров. Имеются факты закачки в трещины при ГРП шариков диаметром более 1 см, которые заклинивались в трещинах и не извлекались при последующей эксплуатации скважины.
Обработка результатов электромоделирования дает следующую формулу для оценки гидродинамической эффективности ГРП в скважине с открытым забоем:
где - кратность увеличения дебита после ГРП; Qт - дебит скважины после ГРП; Qo - дебит до ГРП; Nв - коэффициент, зависящий от величины b = h/2rc; h - толщина пласта; rт - радиус трещины; rc - радиус скважины; n(b) - коэффициент, также зависящий от b.
Перейти на первую страницу
Эксплуатация нефтяных и газовых скважин
Осуществление гидравлического разрыва
Полагая, что вертикальная трещина имеет форму клина с основанием w высотой L и длиной h, равной толщине пласта, получим ее объем
Для промежуточных значений b соответствующие величины n и N находятся интерполяцией. Имеются приближенные формулы для оценки гидродинамической эффективности ГРП.