Ключевые понятия о механизме гидравлического разрыва пластов

Гидравлический разрыв пласта - способ механического воздействия на пласт-коллектор нефти и газа, при котором материал породы под действием высокого давления за счет закачки в скважину жидкости разрыва с расходом, превышающим потенциальную способность скважины к поглощению, разрывается по плоскостям минимальной прочности [1]. При этом жидкости, передающие энергию, необходимую для разрыва, с устья на забой скважины, именуются жидкостями разрыва. Под воздействием избыточного давления геометрические размеры трещины увеличиваются, возникает связь с системой естественных трещин пласта, не контактирующих со скважиной, и с высокопроницаемыми зонами, что приводит к расширению области дренирования скважины. В образованные жидкостями специального состава трещины закачивают зернистый материал (проппант), который удерживает трещины раскрытыми после снятия внешнего воздействия [1].

Метод ГРП может иметь множество технологических вариаций, обусловленных особенностями каждого объекта обработки и поставленной целью. Технологии гидравлического разрыва отличаются обычно объемами закачки технологических жидкостей и проппанта, что определяет разнообразие размеров создаваемых трещин [2].

Весьма широкое применение получил локальный ГРП как метод воздействия на призабойную зону скважин (ПЗС), обладающий высокой эффективностью. Бывают случаи, когда дебит добывающей скважины увеличивается в 2…3 раза при создании трещин длиной 10…25 м с закачкой нескольких десятков кубических метров жидкости и нескольких тонн проппанта. Проведение гидроразрыва с образованием протяженных трещин приводит к улучшению не только фильтрационных свойств призабойной зоны, но и к увеличению охвата пласта воздействием по толщине, вовлечению в активную разработку дополнительных запасов нефти и повышению коэффициента нефтеизвлечения в целом. При этом отметим, что возможно как снижение текущей доли воды в добываемой продукции, так и ее увеличение. В работе [1] указывается, что оптимальная длина трещины при проницаемости пласта 0,01…0,05 мкм2, как правило, составляет до 60 м, а объем закачки - от 10 до 100 м3 жидкости и от 1 до 10 т проппанта.

Технология гидравлического разрыва пласта основана, прежде всего, на понимании механизма формирования и распространения трещинной системы в породах, что позволяет просчитывать геометрию трещины и, при необходимости, оптимизировать ее параметры. Математическое моделирование процесса образования трещин в пласте в результате ГРП основано на законах теории упругости, физики пластов, теории фильтрации флюидов в пласте, а также термодинамики. Впервые теоретическую модель распространения трещины, которая получила общее признание, предложили Ю.П. Желтов, С.А. Христианович и Г.И. Баренблатт (модель I). Позже L.R. Kern, Т.К. Perkins, была предложена другая модель (модель II). Основное отличие этих моделей заключается в физической постановке задач (рис. 1).

Рис. 1. Модели формирования вертикальной трещины.

Высота вертикальной трещины постоянна в обеих моделях, но в модели I поперечное сечение трещины по вертикали - прямоугольник, а в модели II - эллипсоидальной формы. Горизонтальное сечение трещины в модели I - это эллипс с имеющимися заострениями на концах трещины, а в модели II - эллипс. Описанные модели опираются на линейную теорию распространения трещин в упругом теле. Различием в моделях обусловлено различие поведения давления в трещине, а также и других параметров процесса ГРП. Области применения представленных моделей приведены в работе [4]: согласно модели I описывается распространение вертикальной трещины в горизонтальной плос- кости, а в рамках модели II - ее рост в вертикальной плоскости. На стадии формирования трещины, когда ее длина намного меньше ее высоты, возможно применение модели I. Модель II применима на поздней стадии, когда длина трещины уже значительно превышает ее высоту. В настоящее время в практике нефтедобычи широкое распространение получили модели псевдотрехмерного типа, которые представляют собой комбинацию двух известных двумерных моделей, описывающих процесс распространения трещинной системы и течение жидкости в ней в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Исследования механизма образования трещин при проведении гидравлического разрыва пласта и вопросы математического моделирования этого процесса освещены в работе [5].

Основной фактор, влияющий на геометрию образования трещины, - это распределение тектонических напряжений в горной породе [3]. На небольших глубинах вертикальное напряжение может оказаться значительно меньше, чем горизонтальное, что способствует формированию трещины горизонтального типа. В нормальных условиях такие трещины образуются на глубинах до 200 м, а трещины вертикального типа - на глубинах более 400 м. На промежуточных глубинах, характеризующихся примерным равенством главных напряжений, ориентация трещин зависит от других факторов. Поскольку в настоящее время практически все разрабатываемые нефтяные и газовые месторождения расположены на значительных глубинах, при проведении теоретических исследований рассматриваются модели образования именно вертикальных трещин.

Гидравлический разрыв проводится при высоких величинах избыточных давлений, достигающих порой 100 МПа, с большими расходами технологической жидкости, проппанта и при одновременном использовании многообразной и сложной техники (рис. 2), что требует особой подготовки технического персонала и соблюдения необходимой техники безопасности.

Рис. 2. Схема расположения оборудования при ГРП ( 1 - насосные агрегаты 4АН-700; 2 - пескосмесительные агрегаты ЗПА;3 - автоцистерны ЦР-20 с технологическими жидкостями; 4 - песковозы; 5 - блок манифольдов высокого давления; 6 - арматура устья 2АУ-700; 7 - станция контроля и управления процессом (расходомеры, манометры, радиосвязь).

В настоящее время технические решения и используемые технологии постоянно совершенствуются, опираясь на накопленный мировой опыт проведения ГРП с учетом возрастающих требований к эффективности производства работ. В связи с этим, весьма важно изучить историю развития метода ГРП в мировой практике для оценки «слабых» мест данной технологии.