автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Исследование особенностей гидроразрыва пластов месторождений Западной Сибири и совершенствование технологии ее проведения

V* о» . „ №» ««

Малышев Григорий Александрович

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЕГО ПРОВЕДЕНИЯ

Специальность 05.15.06. - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений

Автореферат диссертационной работы, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 1998 г.

Работа выполнена на кафедре «Разработки и эксплуатации нефтяных и газовь месторождений» Тюменского государственного нефтегазового университета.

Научный руководитель

-доктортехнических наук, профессор, член-корреспондент Р.ИА Медведскнй Р. И.

Официальные оппоненты

■ доктор технических наук, профессор, академик МАИ, член-корреспондент РАЕН, Заслуженный деятель науки РБ Р.Я. Кучумов

• кандидат технических наук, доцент Г.А. Алексеев

Ведущее предприятие - Сургутское управление по повышению

нефтеотдачи пластов и капитальному ремонту скважин (СУПНП и КРС)

Защита состоится «¿5.» декабря 1998 г, в /У часов на заседании диссертационного совета Д.064.07.03 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу 625000, Тюмень, ул. Володарского 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственно нефтегазового университета. Автореферат разослан ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Овчинников В.П.

Общая характеристика работы.

В диссертационной работе приводятся результаты теоретических, экспериментальных и промысловых исследований, направленных на совершенствование технологии гидравлического разрыва пласта (ГРП) на месторождениях Западной Сибири. На основе исследований динамики развития трещин в многослойных пластах под действием фильтрующейся неньютоновской жидкости, реологические свойства которой подчиняются степенному закону, и изучения степени влияния закрепленной трещины с различной геометрией на режим работы пласта разработана методика проектирования режимов проведения ГРП, в результате которого обеспечивается получение дополнительной добычи нефти и повышение нефтеотдачи. Выполнены исследования по определению упругих свойств пород-коллекторов на основе их фильтрационно-емкостных характеристик, что позволяет проводить оперативную оценку эффективности ГРП на этапе выбора объекта воздействия по всему фонду без проведения дополнительных специальных исследований скважин широкополосной акустикой. На основании выполненных исследований разработана и внедрена в ОАО «Сургутнефтегаз» программа проектирования технологии ГРП. Эффективность выполненных по этой программе ГРП в 1.5 раза превышает показатели проведенных ранее разрывов.

Актуальность работы.

В ближайшей перспективе основной прирост добычи нефти на разрабатываемых месторождениях возможен за счет интенсификации добычи, увеличения коэффициента нефтеотдачи, ввода в активную разработку залежей с низкопродуктивными коллекторами и освоения нетрадиционных запасов.

Практическое решение проблем, связанных с интенсификацией нефтедобычи, возможно лишь на базе активного внедрения новых и совершенствования существую-дих методов воздействия на пласт. Одним из универсальных средств повышения проективности скважин, увеличения коэффициента охвата, перевода в разряд рентабельных низкопродуктивных залежей является гидравлический разрыв пласта (ГРП).

На месторождениях Западной Сибири интенсивное внедрение ГРП начато с 1990 -ода и связано с созданием в ОАО «Юганскнефтегаз» СП «Фракмастер». В результате первых гидроразрывов на скважинах НГДУ «Майскнефть» и «Мамонтовнефть» подушно увеличение дебита в 5 и более раз, что стимулировало дальнейшее развертывание забот. Основой успеха в освоении метода явилось использование надежного высокопроизводительного оборудования зарубежного производства.

Высокая начальная эффективность метода обусловлена тем, что ГРП прово, ся, в основном, на безводных скважинах с сильным влиянием скин-фактора под рук< дством опытных зарубежных специалистов с тщательной инженерной подготовкой ждой операции.

Последующее промышленное применение метода привело к заметному снижо эффекта, что обусловлено как ухудшением качества выбранных скважин ввиду рс числа обводненных скважин и ошибками в проектировании технологических onepaL вызванных фактическим отсутствием или низким качеством данных по механичеа свойствам пород-коллекторов и фильтрационным характеристикам жидкостей разрь так и несоблюдением проектных режимов при выполнении работ из-за отсутствия i буемого количества материалов для производства разрыва. Анализ выполненных Г показал, что основной из указанных выше причин уменьшения эффекта является низ; качество проектирования, связанное прежде всего с фактическим отсутствием науч( исследований в области совершенствования технологии ГРП применительно к услот месторождений Западной Сибири и, как следствие, использование упрощенных мода процесса трещинообразования для ее расчета.

Отечественный и мировой опыт показывает, что совершенствование технолог гидроразрыва возможно только на основе глубокого изучения процессов разрыва j альиого пласта, особенностей закрепления и степени влияния трещины на характер д] нирования участка залежи. При этом особую важность приобретают исследования j ругих характеристик (модуля Юнга и коэффициента Пуассона) пород, слагающ пласт, в значительной степени определяющих геометрию образующихся трещин. F возможность выполнения прямых исследований механических свойств из-за отсутств кермового материала для большинства действующих скважин требует создания метод определения упругих характеристик коллекторов на базе имеющейся информации, н пример, на данных каротажа.

Исследованиям в области описания процесса трещинообразования и моделир вания гидроразрыва посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежнь авторов. Фундаментальные аспекты заложены в трудах Г.И. Баренблатта, Н.И. Мусх лишвилли, С.А. Христиановича, Ю.П. Жеятова, А.П. Крылова, В.М. Добрынина, Г. Кузнецова. Значительный вклад в изучение особенностей ГРП внесли Ю.В. Желто Э.М. Симкин, А.Р. Гарушев, А.Х. Мирзаджанзаде, И.В. Кривоносов, Г.К. Максимова A.A. Трофимчук, И.А. Чарный, В.Н. Щелкачев, Р.И. Медведский, В.П. Сонич, Г./ Алексеев, С.А. Рябоконь, М.Я. Занкиев и др.

За рубежом теория и практика гидроразрыва активно разрабатывалась в работа К.Г. Нолте, Л.Р. Керна, Т.Дж. Перкинса, Д.С. Дагдейла, И. Снеддона, М.Д. Экономь

[иса, Д.В. Элея, Д. Эбеля, В. Брэди, X. Фридмана, П. Делингера, М. Марка, X. Мора-1сс, Б. По, Б. Майера, П. Хадсонаидр,

Благодаря этим исследованиям гидравлический разрыв пласта в настоящее время вляется одним из основных способов воздействия на залежи. Вместе с тем, многообра-ие природных резервуаров нефти и газа, их уникальность, а также существующие резне различия в эффективности результатов на внешне сходных объектах при идентична последовательностях технологических операций, свидетельствует о необходимости опека путей совершенствования методики проектирования ГРП и дальнейшего разви-ия как теории, так и практики его применения.

1ель работы.

Целью настоящей работы являлось создание научно-методических основ ком-лексного повышения эффективности ГРП и совершенствования методик его проекти-ования применительно к многослойным пластам месторождений Западной Сибири.

)сиовные задачи исследования

Провести комплексный анализ геолого-промысловых и технологических факто-ов на эффективность ГРП и выявить пути совершенствования методики выбора сква-:ин и технологии выполнения операций по разрыву пласта.

Разработать методику определения влияния трещин с изменяющейся по длине гчением на продуктивность многослойного пласта и установить критерии создания рещин, обеспечивающих максимальное увеличение продуктивности.

Разработать методику прогноза влияния показателей технологии гидроразрыва а продолжительность эффекта ГРП и величину ожидаемой дополнительной добычи ефти.

На основе анализа существующих методов расчета параметров трещин создание каптированной к условиям месторождений Западной Сибири математической модели ормнроеания трещины в пласте с учетом изменения по ее длине свойств движущейся гсконесущей жидкости и нестационарной утечки жидкости через боковую поверхность »дайной трещины.

Математическое моделирование условий начала трещинообразования вблизи -вола скважины и выявления факторов, способствующих повышению эффективности РП.

6. Сбор и обобщение результатов исследований механических свойств пород, слагающих продуктивный пласт, на компрессионных установках, методами промысловой и лабораторной акустики и создание методики определения величины коэффициентов Пуассона и модуля Юнга на основе их ФЕС и термобарических условий залегания.

7. Разработка на основе выполненных исследований программы расчета технологических режимов ГРП, проведение опытных гидроразрывов по выполненным на ее основе проектам и определение степени реализуемости проектов и достоверности полученных результатов.

Методы решения поставленных задач.

Поставленные задачи решались на основе обоба1енного комплексного ретроспективного анализа режимов эксплуатации скважин и участков до и после ГРП, режимов выполнения операций разрывов, строения и состояния пластовых систем различных месторождений Западной Сибири, особенностей технологии ГРП, выполняемых различными фирмами.

Создание моделей основывалось на использовании точных решений двумерных задач механики горного дела, обобщенных уравнений, описывающих течение неньютоновских жидкостей, нестационарное распределение жидкости в плоских каналах с изменяющейся геометрией и учетом утечки жидкости разрыва из трещины в пласт.

При решении обобщенных интегро-дифференциальных уравнений использовались дополнительные безразмерные функции, предварительно аппроксимированные полиномами, что существенно упростило алгоритм расчетов и обеспечило возможность решения задачи без использования снижающих точность положений за приемлемое для практических условий время.

При отработке методик расчетов использовались результаты лабораторных исследований и факторы, выявленные в ходе анализа геолого-промыслового материала о выполненных ГРП.

Предложенная методика определения механических свойств пород, слагающих продуктивный пласт, базировалась на изучении существующих аналитических моделей описания упругих параметров пористых сред и обработке на их основе результатов исследований упруго-механических свойств образцов кернового материала большинства месторождений Западной Сибири на компрессионных установках. Анализ точности предлагаемых соотношений выполнялся на базе акустических лабораторных и промысловых исследований.

При выборе объекта испытания эффективности разработанной методики проектирования технологии ГРП основными условиями являлись:

высокая (относительно соседних объектов) эффективность разрывов выполненных ранее по базовой, применяемой в настоящее время, технологии проектирования;

наличие большого числа скважин-«кандидатов» для ГРП с близкими свойствами; достижение максимального соответствия проектных и фактических режимов выполнения работ.

Научная новизна.

1. Разработана методика определения влияния геометрических размеров трещины на продуктивность скважины, эксплуатирующей многослойный пласт и определены условия, обеспечивающие достижение наибольшей продуктивности.

2. Разработана методика прогноза продолжительности эффекта и ожидаемой дополнительной добычи нефти в зависимости от начального увеличения продуктивности и характера работы скважины до воздействия.

3. Построена обобщенная математическая модель процесса развития трещины и движения в ней фильтрующейся жидкости Освальда-Вейля; разработан алгоритм решения полученной системы интегро-дифференциальных уравнений при изменяющихся во времени начальных условиях.

4. Разработана методика определения упругих свойств пород-коллекторов разновозрастных отложений месторождений Западной Сибири, позволяющая оперативно на основе результатов геофизических исследований скважин проводить проектирование технологии ГРП.

5. Разработана методика проектирования технологии ГРП в скважине, направленная на достижение наибольшего увеличения продуктивности скважины при задаваемых ограничениях в развитии трещины по геологическим и технологическим причинам.

6. Разработана методика определения начала разрыва пласта с учетом влияния ФЕС и дополнительного фильтрационного сопротивления призабойной зоны. Доказана возможность управления ориентацией вертикальной трещины условиями проводки ствола через пласт.

7. Показано, что осложнения при намыве в трещину проппанта обусловлены несовершенством гидродинамической связи ствола скважины и полости трещины в ПЗП, вероятность пробкообразования увеличивается с ростом зенитного угла скважины в интервале пласта; предложен и успешно испытан способ профилактики данного вида осложнений.

Защищаемые положения.......

1. Методика определения влияния геометрических размеров закрепленной трещины на величину продуктивности многослойного пласта.

2. Методика определения влияния показателей гидроразрыва на величину ожидаемой дополнительной добычи нефти.

3. Методика моделирования процесса развития трещины в пласте при изменяющихся во времени режимах нагнетания и свойствах жидкости разрыва.

4. Методика определения механических свойств пород, слагающих продуктивный пласт, на основе их фильтрационно-емкостиых свойств и термобарических условий залегания.

5. Методика проектирования технологии выполнения ГРП, на основе моделирования режимов выполнения технологических операций, обеспечивающих достижение максимального увеличения продуктивности скважин при выполнении ограничений в развитии трещин, обусловленных геолого-техническими причинами.

6. Методика определения давления начала разрыва реального пласта, вскрытого наклонной скважиной.

Практическая ценность и реализация в промышленности.

1. Создана и внедрена в практику работ ОАО «СНГ» компьютерная программа проектирования технологии проведения Гидроразрыва пласта.

2. Разработана и внедрена в практику работ ОАО «СНГ» методика определения механических свойств пород - коллекторов, позволившая резко уменьшить объем специальных исследований скважин.

3. Испытана технология абразивной обработки интервала перфорации в ходе ГРП для обеспечения эффективной гидродинамической связи скважины и полости трещины и снижения вероятности возникновения осложнений в ходе выполнения работ ГРП.

4. В ходе проведенных аварийно-ликвидационных работ на горизонтальной скважине 5130 Федоровского месторождения успешно выполнен направленный гидроразрыв из вспомогательного наклонного ствола в аварийный.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы и отдельные материалы вошедшие в нее докладывались и обсуждались на:

1. XXXII и XXXIII Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс": Новосиб. Гос. ун-т. 1994,1995.

2. Международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири". ТюмГНГУ. 1996.

3. Первом международном симпозиуме "Наука и технология углеводородных дисперсных систем": Москва, ГАНГ им. И.М. Губкина, 1997.

4. XVII и XVIII Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Сургутнефтегаз», Сургут, 1997, 1998.

5. Практической конференции «Тюменская нефть - вчера и сегодня», Тюмень, 1997.

6. Конференции молодых ученых- специалистов Сургут НИПИнефть, Сургут, 1998.

7. Совещании ОАО «Сургутнефтегаз» по разработке «Структура остаточных запасов, особенности их выработки и методы повышения нефтеотдачи», Сургут, 1998.

Публикации.

Результаты исследований и основные положения диссертационной работы изложены в 11 печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы,-включающего 88 наименований. Работа изложена на22£гра- ^ ницах машинописного текста, в том числе ^рисунков иЗвтаблиц.

Содержание работы.

В первой главе проводится краткий исторический обзор развития метода как у нас в стране, так и за рубежом. Впервые гидравлический разрыв пласта, как средство повышения продуктивности скважин, был предложен Ф.Р. Фаррисом в 20-х годах. Основой метода явился анализ особенностей закачки цементного раствора и воды в процессе строительства скважин. Первое пробное испытание технологии проведено в 1947 году на скважине № 1 месторождения Клеппер в штате Канзас (США) фирмой «Станолинд», однако, существенного прироста добычи достигнуто не было. Развитие метода за рубежом связано с фирмой «Халибартон» («Halliburton»), которая приобрела лицензию на технологию процесса ГРП и в 1949 году провела два успешных разрыва,

значительно увеличивших продуктивность скважин. К 1955 году объем работ достиг ЗООО операций в месяц и к 196В году было выполнено более 500000 гидроразрывов. Прирост извлекаемых запасов в США в результате применения ГРП составил 20 - 30 %.

В СССР до конца 50-х годов гидроразрыв пласта проводился в основном на промыслах Азербайджана. После успешного внедрения в Азербайджане, в конце 50-х - начале 60-х началось экспериментальное внедрение метода на промыслах Татарии. В 80-х годах гидроразрыв претерпевает «второе рождение» на месторождениях Западной Сибири. Это связано, в основном, с деятельностью сервисных СП, оснащенных современными высокопроизводительными агрегатами зарубежного производства ( преимущественно - это агрегаты фирмы «Stuart and Stivenson», США), способных развивать давление до 1000 атмосфер при подаче до 5 м3/мин. Большой запас по мощности позволил существенно усовершенствовать технологию проведения ГРП, а также менять в широких пределах технологические параметры. Однако, несмотря на то, что в настоящее время накоплен большой опыт проведения гидравлического разрыва пласта и за рубежом ГРП является рядовым, хорошо отработанным методически и обеспеченным материалами и оборудованием способом воздействия на нефтяные пласты, в условиях месторождений Западной Сибири ГРП является одним из наиболее дорогостоящих способов интенсификации притока. Поэтому повышение его экономической эффективности требует проведения тщательного обоснования выбора объектов первоочередного проведения работ и проектирования оптимальной технологии воздействия на базе имеющейся геолого-технической информации.

На основе анализа проектирования ГРП, его выполнения и результатов после-* дующей эксплуатации скважин установлено, что существующие технологические решения не обеспечивают раскрытия потенциальных возможностей метода; в основном ошибки возникают на стадии выбора объектов воздействия, проектирования технологии и непосредственного проведения работ. Показано, что ошибки в проектировании, а следовательно, и в выборе режимов проведения работ приводят к частичной или полной разгерметизации залежей в зоне скважины вследствие глубокого проникновения трещины в покрышки пласта, и быстрому обводнению продукции скважин, созданию трещин меньшей протяженности (из-за фиксированного объема проппанта) с проводимостью, существенно отличающейся от проектной и т.д. Изучение влияния величины зенитного угла скважины в интервале пласта на создание и дальнейшее развитие вертикальной трещины в однородном пласте показало, что его увеличение в диапазоне 0 - 45° приводит к ухудшению гидродинамической связи скважины и полости трещины и увеличивает вероятность осложнений при проведении ГРП. Это полностью подтверждается анализом промысловых данных по Суторминскому месторождению, где наблюдалась низкая

эффективность при величине зенитного угла скважины в интервале пласта, превышающей 15°.

Промысловый опыт показывает, что изменение отдельных показателей (давления нагнетания, технологии закрепления, учет влияния величины зенитного угла скважины в интервале пласта) способно существенно повысить эффект. Отсюда следует, что эффективность ГРП во многом определяется как качеством подготовительных работ: выбором объекта и проектированием технологических операций, основанного на моделировании процесса начала образования и последующего развития трещин, так и качеством выполнения работ.

Вторая глава посвящена обоснованию принципов оптимального проектирования гидроразрыва пласта. Критерии выбора скважин для ГРП должны основываться на прогнозе конечных показателей работы скважины с точно описанной оптимальной технологией выполнения отдельных операций по созданию и закреплению трещин, любые изменения в которой приведут к ухудшению общего результата. В связи с этим, основным условием выбора скважин является достижение дополнительной добычи и увеличение нефтеотдачи при создании трещины с оптимальными параметрами в реальном пласте.

Прогноз величины дополнительной добычи и продолжительности эффекта ГРП выполняется на основе закона падения дебита нефти, обоснованного Р.И. Медведским, с учетом снижения проводимости трещины со временем. В качестве основного показателя эффективности ГРП использовалась кратность увеличения дебита скважин - фактор наиболее объективно определяемый в промысловых условиях.

Полученные закономерности позволяют установить зависимость ожидаемой дополнительной добычи нефти и продолжительность эффекта ГРП от кратности увеличения дебита скважин и уже на ранней стадии выделять наиболее перспективные объекты для воздействия.

Следующим этапом исследования было установление критериев создания оптимальных трещин, обеспечивающих достижение максимального увеличения продуктивности многослойных пластов. Основываясь на результатах двухмерного моделирования степени влияния трещин на продуктивность, разработана методика определения влияния реальных геометрических размеров закрепленной трещины на продуктивность скважины в многослойном пласте. Определены условия, обеспечивающие достижение максимальной продуктивности при ограничениях в массе используемого проппанта или максимальной глубине проникновения трещины вглубь кровли или подошвы пласта.

Результаты проведенных исследований дают возможность осуществлять объективный выбор экономически наиболее перспективных для проведения гидроразрыва

скважин и разрабатывать техническое задание на проектирование оптимальных ГРП При этом основным фактором выступает определение возможности создания трещин ( управляемыми геометрическими характеристиками.

Третья глава посвящена разработке модели гидравлического разрыва пласта учитывающей особенности образования, развития и закрепления трещин, а так же тех нологические особенности процесса ГРП.

Обзор применяемых методик расчетов показывает, что все существующие модели процесса трещинообразования описывают развитие тещины без учета процесса ее образования и технологических особенностей процесса закрепления, что определило направление дальнейших исследований.

На основе предложенного Ю.П. Же.тговым методического подхода к описанию напряжений вблизи ствола скважины, получены зависимости давления начала разрыва от фильтрационного сопротивления призабойной зоны, механических свойств и глубины залегания пласта. Показано, что давление принимает минимальные значения для более проницаемых пород, слагающих продуктивный пласт, (песчаники, алевролиты) и максимальные - для менее проницаемых (карбонаты, глины, аргиллиты), т.е. разрыв начинается в зоне залегания наиболее проницаемых пропластков коллектора. В случае сильного загрязнения призабойной зоны давление начала разрыва для высокопроницаемых пород возрастает и, как следствие, возрастает опасность порыва глинистых экранов в кровле и подошве пласта. Показано, что давление начала разрыва зависит от динамики повышения давления нагнетания. На основании анализа расчетного и промыслового материала разработана методика оценки оптимального объема жидкости и темпа роста давления при ее нагнетании для достижения максимального эффекта снижения давления начала разрыва. Таким образом, для снижения давления начала разрыва и увеличения эффективности ГРП следует провести ОПЗ либо предварительно продавить в пласт определенный объем технологической жидкости глушения скважины.

Рассмотрено влияние величины зенитного угла скважины в интервале пласта на распределение напряжений вокруг ствола, и показано, что интенсивность напряжений максимальна в верхней и нижней образующей сечения ствола, соответственно давление начала разрыва здесь наименьшее. Причем с ростом угла степень уменьшения давления начала разрыва возрастает, что подтверждается опытом работ на скважине 5130 Федоровского месторождения, где проведен направленный разрыв из вспомогательного ствола с величиной зенитного угла в интервале разрыва 67°. Полученные результаты показывают, что в наклонных скважинах, зенитный угол которых превышает 45°, направлением распространения вертикальных трещин можно управлять путем ориента-

ции забоя скважины. Распространение трещин наиболее вероятно в азимутальном направлении ствола.

Основой проектирования процесса ГРП является моделирование развития трещины в породах слагающих продуктивный пласт и технологических процессов, происходящих при проведении работ. В настоящее время существует несколько моделей развития вертикальных трещин в горных породах. Они делятся на 2-х мерные ( KGD, PKN, «Coin») и 3-х мерные (псевдо 3-х мерные, полностью 3-х мерные).

Двухмерная формулировка основана на предположении о плоских деформациях горных пород. Различают два класса деформаций: плоские деформации в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Независимое деформирование горизонтальных участков упругой среды без вертикальной деформации составляет основу модели KGD (Христианович, Желтое (1955), Гиртсма, де Клерк (1969)), давая связь ширины и длины трещины с распределением давления при ее фиксированной высоте. Аналитические соотношения параметров, определяющих развитие трещины, были получены авторами в рамках следующих приближений: постоянный темп закачки жидкости разрыва и ее неизменные характеристики, отсутствие инфильтрации и нулевая прочность пород. Это возможно, например, при свободном проскальзывании зоны трещины по верхнему и нижнему пропластку или когда горизонтальное проникновение трещины в пласт много меньше вертикального.

Плоские деформации в вертикальных плоскостях, при наличии большого бокового напряжения, ограничивающего высоту трещины до данной зоны, составляет основу модели PKN (Перкинс, Керн (1961), Нордгрен (1972)). В модели учитывается изменение скорости течения жидкости по трещине. Авторами сделаны допущения о независимости напряжений в различных вертикальных сечениях трещины, что позволило выразить ее ширину как функцию локального давления. Распределение давления определяется потоком жидкости. Основное предположение данной модели заключается в том, что трещина имеет длину существенно превышающую ее фиксированную высоту.

Радиальные модели (или модели типа "Coin") (Перкинс, Керн (1961), Гиртсма, де Клерк (1969)) возникли как синтез деформаций сразу в двух направлениях что обуславливало форму зоны разрыва, близкую к круговой, и позволяло описывать развитие как вертикальных, так и горизонтальных трещин. Это возможно, например, в случаях, когда вертикальное напряжение ниже горизонтального, или в случае мощных, механически однородных пластов. Уравнения, описывающие распространение радиальной трещины подобны уравнениям модели PKN при условии малости интервала закачки жидкости разрыва по сравнению с радиусом трещины.

Для моделирования вертикального и бокового распространения вертикальной трещины нужно снять допущение о постоянстве ее высоты. Такую задачу необходимо решать в 3-х мерном пространстве. Так, основополагающими понятиями псевдотрехмерной модели являются те же, что и в модели РКЫ, но высота уже зависит от положения сечения вдоль трещины, с одной стороны, и времени с другой. Связанный с изменением высоты трещины компонент вертикального потока жидкости существует, но считается второстепенным по сравнению с основным потоком вдоль трещины. Основное допущение этой модели заключается в том, что длина трещины превышает ее высоту. Рост вертикальной, псевдотрехмерной трещины в сложной среде будет зависеть как от характеристик слоев, так и свойств жидкости, поэтому сечение уже не будет эллиптическим.

Для моделирования общего удлинения трещины (полностью трехмерная модель) необходимо учитывать следующие компоненты: реальное распределение давления в трещине и напряжении в пласте с изменяющимися из-за утечек вязкостью и расходом жидкости. Смешанная формулировка приводит к сложной системе уравнений, решение которой, даже для однородного пласта, возможно только численными методами на специализированных мощных компьютерных комплексах.

Основной особенностью строения продуктивных пластов месторождений Западной Сибири является наличие пропластков с различными фильтрационно-емкостными и упругими свойствами. Поэтому очевидно, что в этих условиях моделями, адекватно описывающими развитие трещины являются 3-х мерные модели. Исключение составляют перспективные работы по гидроразрыву в баженовской свите, где мощности пластов превышают 25 метров, а упругие и фильтрационно-емкостные свойства сохраняются по всей мощности пласта. При проектировании ГРП в таких породах допустимо использование радиальной модели. Однако, ввиду сложности реализации и недостаточной мощности персональных компьютеров использование полностью 3-х мерных моделей невозможно, поэтому основное внимание уделяется созданию и модернизации псевдотрехмерных моделей. Наиболее удачной является модель Ю.П. Желтова. Она построена на основе сочетания модели КОБ, с учетом частичного входа трещины в кровлю и подошву однородного пласта при выполнении условия С.А. Христиановича о конечности напряжений в ее концах, и решения Ю.П. Желтова об образовании вертикальной трещины фильтрующейся жидкостью. Деформация в различных вертикальных сечениях трещины, в отличии от модели РКЫ, происходит с учетом деформации в целом всего пласта.

Общее решение, описывающее изменение раскрытое™ трещины по высоте (|г| < И/2 ) и длине (|х| < Ь ) при параболическом законе распределения фиктивного давления по ее длине, имеет вид:

4(1-

где

]_ я -Ш

со$(в)- 1п

+ С05'

0 + 1

$т(Я)~ - 81П(35>)

9 - агссоэ^—

соъ{в) = :

у,Е - коэффициент Пуассона и модуль Юнга пласта соответственно; сто сг, - боковое горное давление пород слагающих пласт и его покрышки; Л, /г0 - высота трещины у забоя скважины и мощность пласта;

- полудлина трещины; ЛР3 - забойное давление;

АРф(х)- распределение фиктивного давления по длине трещины; 3, в, в0 - параметры определяющиеся зависимостями:

А/2'

В работах Ю.П. Желтова согласование реального и фиктивного распределения давлений по трещине основывалось на использовании дополнительных упрощающих предположений: постоянство давления в трещине при оценке общей утечки жидкости разрыва в пласт, использование эффективной, неизменной по длине трещины, вязкости неньютоновской жидкости, привлечение фактических замеров устьевого давления во времени.

Такой подход упрощал алгоритм и сокращал время расчета, однако, при этом утрачивалась возможность моделирования как изменения концентрации проппанта в трещине, так и ее конечной геометрии в закрепленном состоянии, что является основой оценки степени увеличения продуктивности скважины и оптимизации технологии ГРП.

В настоящей работе предложена модифицированная псевдотрехмерная модель Желтова, позволяющая проводить расчет геометрических параметров трещины, распространяющейся в многослойном пласте.

Резкое упрощение алгоритма расчета и уменьшение объема вычислений достигается при использовании дополнительных функций фиктивного давления:

Р(х)= В1.-12{Оа(х)),

с!х

где: Я(х) - площадь поперечного се чеки я трещины на отметке «х», Ут - объем трещины,

Р(х) - площадь боковой поверхности трещины в интервале [0, х], А, В -размерныепостоянные,

- обозначение обезразмеренных определенных интегралов. Зависимости интегралов ¡¡(9ц(х)) аппроксимированы полиномами бай п 1 О у степени.

Реальное распределение давления Рр(х) при движении неньютоновской жидкости Освальда-Вейля в трещине с изменяющейся по длине шириной выражается соотношением:

йх

(2л + 1) -фс) 4-и Л ■!,(х)

где: К, п - консистенгность и показатель степени реологического закона. Обобщенное уравнение Картера, описывающее утечку жидкости в пласт, приобретает вид:

где: Сь, - параметры утечки, зависящие от свойств жидкости и ФЕС С>о - расход жидкости разрыва в процессе ГРП.

Из закона сохранения массы получаем соотношение, выражающее длину трещины в виде:

2а

•1-ехр (а2)-ег/с{а)

где: а =

т^В1

Л яЕ

В=4СьВЬ-1г(ва{ 0)).

Жидкость разрыва не достигает конца трещины, где г) = 0 и следовательно ¿1Р/с1х -» со. Глубина ее проникновения (гидравлическая длина) Ь,. меньше полудлины

трещины Ь. Взаимосвязь фиктивного и фактического распределения давления, общей и гидравлической длины трещины определяется из условия равенства сил и моментов сил, действующих на боковую поверхность трещины в каждый момент времени, что описывается следующими обобщенными соотношениями:

Совместное решение полученной системы уравнений позволяет контролировать значения всех параметров, характеризующих размерь! трещин, свойства и режим течения жидкости на любой отметке «х». Последовательное задание изменяющихся во времени свойств нагнетаемой жидкости разрыва с изменяющейся концентрацией проппан-та позволяет контролировать изменение ее вязкости с учетом утечки жидкости из трещины в пласт и прогнозировать потерю текучести смеси по трещине, что приводит к снижению общего расхода закачки и резкому росту устьевого давления.

В результате получена возможность оптимизации технологии создания и закрепления трещины, обеспечивающей достижение максимального эффекта, более объективно выбирать реагенты и материалы для ГРП, анализировать причины низкой эффективности отдельных разрывов и осуществлять целенаправленную отработку технологии. Кроме того, сопоставление фактического и расчетного режима проведения работ позволяет выявить факторы, осложняющие процесс намыва проппанта в трещину, и предотвратить аварийные ситуации, такие как «присыпка» забоя.

Предложенная модель позволяет исследовать гидроразрыв в слоистых, характерных для месторождений Западной Сибири, пластах, содержащих глинистые прослои большой мощности. При определенных режимах возможно формирование несвязанных трещин, разделенных глинистым экраном; их объединение наступает при проникновении в разделяющий пропласток на суммарную глубину, равную мощности экрана. Дальнейшее повышение давления приведет к созданию единой для всего пласта трещины. Поэтому при разработке технологии ГРП возможно использование модели приведенного пласта при условии, что допустимая глубина проникновения трещины в экран превышает половину мощности максимального глинистого прослоя. В противном случае, моделирование осуществляется отдельно для каждой из трещин при условии равенства забойных давлений в любой момент времени.

Из условий равенства сил, действующих на боковую поверхность трещины, и площади поперечного сечения трещины в реальном и модельном пласте, предложены методики расчета приведенных упругих параметров (коэффициент Пуассона, модуль

2ЛА-ОГ,

* 1>

где: ;

Юнга), позволяющие моделировать процесс развития трещины в реальных пластах с произвольным числом пропластков.

Следует отметить, что разработанная методика позволяет моделировать процесс трещинообразования при закачке жидкости с переменным во времени расходом и свойствами, например, при закачке оторочек жидкостей с различными фильтрационными свойствами. Это имеет важное значение при разработке технологии ГРП в пластах с экранами малой мощности и контактных залежах.

Решение полученной системы уравнений осуществлялось численными методами, на основе которых разработан алгоритм и создана компьютерная программа, обеспечивающая возможность определения параметров создаваемой и закрепляемой трещины при произвольных технологических режимах нагнетания жидкости и проппанта.

В четвертой главе представлено исследование упругих свойств пород-коллекторов и вмещающих пород месторождений Западной Сибири, необходимых для технологических расчетов при подготовке к проведению гидроразрыва. Экспериментальное определение этих параметров вблизи каждой из анализируемых скважин, особенно на стадии выбора объекта проведения работ, практически невозможно. Поэтому одной из задач являлась разработка методики определения механических свойств пород-коллекторов на базе результатов исследований скважин геофизическими методами.

. Наиболее изученным параметром из упругих свойств является сжимаемость пород-коллекторов. В теоретических (Щелкачев, Брандт, Фетт) и экспериментальных (Добрынин, Спивак, Попов и др.) работах показано, что данный параметр зависит от величины эффективного горного давления, температуры на глубине залегания, пористости, глинистости или проницаемости, содержания карбонатов. По физической сущности, сжимаемость и модуль Юнга веществ близки друг другу, кроме того существует четкая связь коэффициента Пуассона с модулем Юнга и модулем всестороннего сжатия (величина обратная сжимаемости), поэтому изменение этих упругих характеристик обусловлено одними и теми же факторами. На этом основании для описания упругих свойств коллекторов в качестве основных параметров приняты глубина залегания, однозначно определяющая эффективное горное давление, пористость и проницаемость.

В результате сбора, и машинной обработки всего массива имеющихся экспериментальных данных прямых лабораторных исследований механических свойств пород-коллекторов месторождений Западной Сибири, получены обобщенные зависимости модуля объемного сжатия (К), сжимаемости (р), модуля Юнга (Е) и коэффициента Пуассона (у) пород с малым содержанием карбонатов от глубины залегания, пористости и проницаемости:

К = [(4.6 - Н) - 2(3.8 - Н) ■ т - 2.2 • т* • ^(М] • 10', МПа ; р = (4.6 - Н - 2 • (3.8 - Н) • га - 2.2 ■ т2- ^(М)"' • 10", МПа1 ; Е = 2.02 + 0.002 • Н - 1.33 ■ т - 3.7 • т* • ^(к„р) • 104, МПа ; у = 0.531 -0.1 ■ Н- 0.207- т- 0.192 • ^(клр) • т2, где: Н - глубина залегания, км;

т - пористость, доли единиц;

к„р - проницаемость, мд. Эти соотношения применимы с минимальной величиной погрешности для глубин ¡алегания пород от 1.7 до 3.3 километров (глубины отбора керна) и при изменении про-нщаемости в диапазоне 1 мд < кпр < 1000 мд. Для пород с меньшей проницаемостью ;ледует использовать значения, полученные для кпр = 1 мд, для коллекторов с проницаемостью более 1000 мд рекомендуется использовать значения, полученные при кпр = 000 мд.

Сравнение результатов расчетов коэффициентов Пуассона и модулей Юнга по 1редпагаемой методике, по определениям методами скважинкой акустики и по резуль--атам лабораторных акустических исследований свидетельствует об удовлетворитель-юй точности расчетных данных и возможности их использования в практике проекти-ювания ГРП.

Анализ факторов, влияющих на упругие свойства коллекторов, свидетельствует о юобходимости учета особенностей вторичного минералообразования в поровом про-транстве и содержания карбонатов. Поэтому в перспективе методика определения уп-угих свойств должна быть ориентирована на использование базовых методов промы-ловой геофизики: исследований адсорбционно-диффузионного потенциала, радиоак-ивного и нейтронного каротажа.

В пятой главе приведен анализ результатов реализации методов оптимального роектирования ГРП на месторождениях ОАО «СНГ».

Проверка эффективности предложенных методов проектирования ГРП проводи-ась на скважинах пласта БСю Конитлорского месторождения. Выбор объекта обу-ЮВЛС1 [ наличием большого числа скважин с близкими характеристиками, что позволя-о сравнить полученные результаты с результатами выполнения работ по традицион-ой технологии (кратность увеличения дебита не менее 3), и высокой вероятностью ос-эжнений, связанных с пробкообразованием. Цель испытаний состояла в проверке воз-ожности выполнения операций ГРП по технологической схеме, выдаваемой програм-ой расчета в автоматическом режиме, соответствия прогнозируемого и фактического вменения давления во времени и параметров работы скважин после ГРП.

В результате, впервые в ОАО «СНГ» выполнена закачка проппанта с концентрацией до 1100 кг/м3, что в 1,5 раза превышает обычно практикуемую (600-700 кг/м3). При этом, как и прогнозировалось, не обнаружено признаков осложнений. Продуктивность опытных скважин после ГРП в ¡,5 раза выше аналогичных скважин, где ГРП выполняется по старой технологии. Установлено, что прогнозируемое и фактическое изменение устьевого давления в течении всего процесса мало отличались друг от друга.

На этом основании методика проектирования ГРП и программа ее реализации внедрены для практического использования в ОАО «СНГ». Ожидаемый среднегодовой экономический эффект от внедрения составляет 461.4 тыс. рублей на скважину.

Предсказанная возможность выполнения направленных разрывов успешно использована при ликвидации аварийного ствола скважины № 5130 Федоровского месторождения. При этом доказано, что полученная в результате ГРП трещина соединила вторичный и аварийный стволы. Кроме того, факт работы трещины как «клапана», пропускающего жидкость только при давлении, превышающем боковое горное, рассчитанного по методике определения механических свойств {глава 4), подтверждает обоснованность применения последней при проектировании гидроразрыва. Этот эффект может быть с успехом использован при эксплуатации опасных скважин, когда при разгерметизации устья необходимо блокировать работу пласта, например, при организации внутрипластового горения или закачке экологически опасных жидкостей в нагнетательные скважины.

Важным следствием реализации направленных ГРП является принципиальная возможность разработки месторождений «галерейными» методами, когда направленный ГРП с трещинами большой протяженности из добывающею и нагнетательного рядов скважин создает условия вытеснения, близкие к галерейной схеме.

Основные выводы и рекомендации

1. На основе исследований Прэгса разработана методика определения влияния геометрических размеров закрепленной трещины на продуктивность скважины, эксплуатирующей многослойный пласт и определены условия, обеспечивающие достижение наибольшей продуктивности. Показано, что данные параметры зависят как от абсолютных значений проницаемости пропластков и их мощности, так и их соотношений, а также высоты и проницаемости закрепленной трещины.

2. На основе закона падения дебита нефти, предложенного Р.И. Медведским, разработана методика прогноза продолжительности эффекта и ожидаемой дополнитель

ной добычи нефти в зависимости от начального увеличения продуктивности и характера работы скважины до воздействия. Показано, что в реальных условиях значительная доля эффекта достигается в результате роста скорости фильтрации и уменьшения остаточной нефтенасыщенности. Разработанные методики позволяют оперативно определить перспективность применения ГРП в скважине и осуществлять обоснованный выбор оптимального фонда для данного воздействия на пласт.

3. На основе результатов исследований IO.IT. Желтова построена обобщенная математическая модель процесса развития трещины в многослойном пласте при движения в ней фильтрующейся жидкости Освальда-Вейля; разработан алгоритм решения полученной системы интегро-дифференциальных уравнений при изменяющихся во времени начальных условиях. Показано, что введение обобщенных зависимостей объема, площади боковой поверхности и сечения трещины как функций приведенного давления позволяют резко упростить соотношения, описывающие потери давления при течении неныотоновских жидкостей в каналах переменного сечения и утечку жидкости в пласт на различных стадиях процесса.

На базе классических условий равенства сил, действующих на боковую поверхность трещины, и площади поперечного сечения трещины в реальном и модельном пласте предложены методики расчета приведенных упругих параметров (коэффициент Пуассона, модуль Юнга), позволяющие моделировать процесс развития трещины в реальных пластах с произвольным числом пропластков.

Разработан алгоритм определения геометрических параметров трещин в слоистых пластах при произвольном режиме нагнетания жидкости разрыва.

4. Разработана методика определения упругих свойств пород-коллекторов разновозрастных отложений месторождений Западной Сибири, позволяющая оперативно на основании результатов геофизических исследований скважин проводить проектирование технологии ГРП.

5. На основе анализа решений задач устойчивости ствола скважины с учетом влияния фильтрационного сопротивления призабойной зоны, глубины залегания и величины зенитного угла разработана методика определения начала разрыва пласта. Показано, что давление начала разрыва принимает минимальные значения для более проницаемых пород (песчаники, алевролиты) и максимальные для менее проницаемых (карбонаты, глины, аргиллиты). На основании анализа расчетного и промыслового материала разработана методика оценки объема жидкости и темпа роста давления при ее нагнетании для снижения давления начала разрыва.

6. Впервые установлено, что, используя эффект снижения давления начала разрыва с ростом зенитного угла скважины, можно управлять направлением развития трещины,

которое совпадает с азимутальным направлением забоя наклонной скважины. Этот эффект может использоваться как при аварийно-ликвидационных работах в целях соединения нового и аварийного стволов, так и для совершенствования технологии разработки месторождений.

7. Показано, что вероятность осложнений при намыве в трещину проппанта увеличивается с ростом зенитного угла скважины в пласт, достигая максимальных значений в диапазоне углов 20° - 45°, а минимальных в диапазонах углов 0° - 5° и 45° и более.

8. На основании выполненных исследований разработана и внедрена в ОАО «Сургутнефтегаз» программа проектирования технологии ГРП. Эффективность первых, выполненных по этой программе, ГРП в 1.5 раза превышает показатели проведенных ранее разрывов.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Малышев Г.А.

" Динамика движения капель несмегииваюгцихся жидкостей в пористых средах. " /Материалы XXXII Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" : Физика, Новосиб. Гос. ун-т. 1994, стр. 53-54.

2. Малышев Г.А.

" Анализ движения капель несмешивающихся жидкостей в пористых средах. " /Материалы XXXIII Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" : Физика, Новосиб. Гос. ун-т. 1995, стр. 19.

3. Медведский Р.И., Малышев Г.А.

"Методика определения момента изменения режимов эксплуатации залежи на основании универсального закона."

/"Новые технологии в разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири": Межвуз.Сб. Научн. Труд.,- Тюмень: ТюмГНГУ.-1997, стр. 100-108.

4. Малышев Г.А.

*'Влияние линейной скорости фильтрации на величину остаточной пефтенасыщенности." /Тезисы докладов международной научно технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири". ТюмГНГУ. 1996., стр. 43-44.

5. Малышев Г.А.

"Влияние гидроразрыва пласта на работу окружающих скважин." /Тезисы докладов международной научно технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири". ТюмГНГУ. 1996., стр. 52.

6. Малышев Г.А., Малышев А.Г.,Журба В.Н., Сальникова H.H.

" Анализ технологии проведения ГРП на месторождениях ОАО "Сургутнефтегаз" ". /Нефтяное хозяйство, сентябрь 1997 , стр. 46-52.

7. Черемисин H.A., Малышев Г.А., Сальникова H.H., Седач В.Ф.

" Результаты применения ГРП на месторождениях ОАО "Сургутнефтегаз" " /"Нефть Сургута" (сборник статей посвященных добыче I млрд. т. нефти на месторождениях ОАО "Сургутнефтегаз"), М.: "Нефтяное хозяйство", 1997 , стр. 103-120.

8. Малышев А.Г., Малышев Г.А., Сонич В.П., Седач В.Ф., Журба В.Н.

" Анализ влияния технологических факторов и механических свойств горных пород на эффективность проведения ГРП

/"Нефть Сургута" (сборник статей посвященных добыче 1 млрд. т. нефти на месторождениях ОАО "Сургутнефтегаз"), М.: "Нефтяное хозяйство", 1997 , стр. 224-238.

9. Сонич В.П., Малышев А.Г., Малышев Г.А.

" Механические свойства пород продуктивных отложений центральных районов Западной Сибири."

/Тезисы первого международного симпозиума "Наука и технология углеводородных дисперсных систем": Москва, ГАНГ им. ЯМ. Губкина, 1997, стр. 36.

10. Сонич В.П., Барков С.Л., Печеркин М.Ф., Малышев Г.А. " Новые данные изучения полноты вытеснения нефти водой.'1 /Москва: ВНИИОЭНГ, 1997, 32 страницы.

11. Малышев Г.А.

" Методика выбора скважин для проведения гидроразрыва пласта." / Изв. вузов "Нефть и газ", 1997, № 6 , стр. 79.

Аспирант С Г.А.Малышев

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИ ТЮМЕНСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ

Г.А. Малышев

«Исследование особенностей гидроразрыва пластов месторождений Западной Сибири и совершенствование технологии его проведения»

Диссертационная работа, представленная на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.15.06. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Научный руководитель -зав. кафедрой «Разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений», доктор технических наук, профессор Медведский Р. И.

Тюмень 1998 г.

Содержание.

Введение ......................................................................................................................................................................................................................2

1. Анализ факторов, определяющих эффективность гидроразрыва

на месторождениях Западной Сибири .....................................................................4

1.1. Анализ влияния ГРП на показатели добычи нефти ..........................................................4

1.2. Влияние давления нагнетания жидкости на эффективность ГРП ................12

1.3. Влияние технологии закрепления трещины на эффективность ГРП ... 20

1.4. Анализ влияния оттеснения проппанта вглубь трещины

на эффективность ГРП ........................................................................................................................................................27

1.5. Анализ осложнений при проведении ГРП ..........................................................................................29

Выводы ............................................................................................................................................................................40

Цель и задачи диссертационной работы ..............................................................................................42

2. Обоснование принципов оптимального проектирования ГРП ........................................43

2.1. Обоснование параметров оптимальной технологии ГРП ......................................43

2.2. Обоснование выбора скважин для проведения ГРП ......................................................69

Выводы ........................................................................................................................................................................................................87

3. Исследование механизма образования, развития и закрепления трещин

в многослойном пласте ......................................................................................................................................................................89

3.1. Определение давления начала разрыва пластов месторождений

Западной Сибири ........................................................................................................................................................................89

3.2. Анализ методов моделирования трещинообразования в пласте ..................115

3.3. Применение точных решений двумерных задач для псевдотрехмерного моделирования трещинообразования ......................................................................................................129

3.4. Расчет гидравлических режимов течения неньютоновских

жидкостей ГРП в трещинах и трубах ........................................................................................................136

3.5. Методика расчета утечки жидкости в пласт в процессе

гидроразрыва ....................................................................................................................................................................................140

3.6. Методика расчета средних параметров пласта ..........................................................................143

3.7. Особенности алгоритма расчета параметров трещинообразования .. 145 Выводы ..........:..................i..........................................................................................................................147

4. Определение механических свойств пород-коллекторов месторождений Западной Сибири ..........................................................................................................................................................................................150

Выводы ........................................................................................................................................................................................................184

5. Результаты применения методов оптимального проектирования ГРП

в практике ................................................................................................................................................................................................................185

5.1. Анализ результатов применения оптимального проектирования

ГРП на скважинах Конитлорского месторождения ........................................................185

5.2. Анализ результатов проведения направленного разрыва в скважине

5130 Федоровского месторождения ............................................................................................................205

Выводы ........................................................................................................................................................................................................215

Заключение ................................................................................................................................................................................................................217

Список литературы ......................................................................................................................................................................................220

ВВЕДЕНИЕ.

В предлагаемой диссертационной работе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование технологии гидравлического разрыва пласта (ГРП) на месторождениях Западной Сибири. На основе исследований динамики развития трещин в многослойных пластах под действием фильтрующейся неньютоновской жидкости, реологические свойства которой подчиняются степенному закону, и изучения степени влияния закрепленной трещины с различной геометрией на режим работы пласта разработана методика проектирования оптимальной технологии ГРП в конкретной скважине, состоящая в определении режимов проведения работ, позволяющих создать трещину, гарантирующую достижение максимальной дополнительной добычи нефти и повышения нефтеотдачи. Выполнены исследования по определению упругих свойств пород-коллекторов на основе их фильтрационно-емкостных характеристик, что позволяет проводить оперативную оценку эффективности ГРП на этапе выбора объекта воздействия по всему фонду без проведения дополнительных специальных исследований скважин широкополосной акустикой. На основании выполненных исследований создана и внедрена в практику работ ОАО «СНГ» компьютерная программа проектирования технологии проведения гидроразрыва пласта, разработана и внедрена в практику работ ОАО «СНГ» методика определения механических свойств пород - коллекторов, позволившая резко уменьшить объем специальных исследований скважин, испытана технология абразивной обработки интервала перфорации в ходе ГРП для обеспечения эффективной гидродинамической связи скважины и полости трещины и снижения вероятности возникновения осложнений в ходе выполнения работ ГРП, а так же, в ходе успешно проведенных аварийно-ликвидационных работ на горизонтальной скважине 5130 Федоровского месторождения, подтверждена возможность выполнения направленного ГРП. Эффективность первых, выполненных по этой программе, ГРП в 1.5 раза превышает показатели проведенных ранее разрывов.

Автор благодарен научному руководителю, доктору технических наук, профессору Р.И. Медведскому за неоценимую помощь в овладении материалом, направлении исследований и критическому анализу результатов, в подготовке и редактировании настоящей работы. Глубокую признательность автор приносит кандидату геолого-минералогических наук В.П. Соничу за ценные консультации в области петро-физики и геологии, руководство и помощь в создании методики определения упругих свойств пласта, а так же внимание и поддержку в течении всей работы по теме диссертации. Особую благодарность автор выражает всем сотрудникам отдела нефтеот-

дачи Тюменского Отделения института «СургутНИПИнефть» за дружеское участие и поддержку в части работы, выполненных в этом коллективе.

1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГИДРОРАЗРЫВА НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

В ближайшей перспективе основной прирост добычи нефти на разрабатываемых месторождениях возможен за счет интенсификации добычи, увеличения коэффициента нефтеотдачи, ввода в активную разработку залежей с низкопродуктивными коллекторами и освоения нетрадиционных запасов. Доказано, что успешное освоение залежей баженовской свиты способно обеспечить устойчивый рост на десятки лет.

Практическое решение проблем, связанных с интенсификацией нефтедобычи возможно лишь на базе активного внедрения новых и совершенствования существующих методов воздействия на пласт. Одним из универсальных средств повышения продуктивности скважин, увеличения коэффициента охвата, перевода в разряд рентабельных низкопродуктивных залежей является гидравлический разрыв пласта (ГРП).

1.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГРП НА ПОКАЗАТЕЛИ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Впервые ГРП как средство повышения продуктивности скважин был предложен Ф.Р. Фаррисом в 20-х годах. Основой метода явился анализ особенностей закачки цементного раствора и воды в процессе строительства скважин. Первое пробное испытание технологии проведено в 1947 году на скважине № 1 месторождения Клеппер в штате Канзас (США) фирмой «Станолинд», однако существенного прироста добычи достигнуто не было. Развитие метода за рубежом связано с фирмой «Халибертон» (Halliburton), которая приобрела лицензию на технологию процесса ГРП и в 1949 году провела два успешных разрыва, значительно увеличивших продуктивность скважин. К 1955 году объем работ достиг 3000 операций в месяц, в к 1968 году было выполнено более 500000 гидроразрывов. Прирост извлекаемых запасов в США в результате применения ГРП составил 20 - 30 %.

В СССР до конца 50-х годов гидроразрыв пласта проводился в основном на промыслах Азербайджана. Успешное применение ГРП позволило начать в конце 50-х - начале 60-х экспериментальное, на промыслах Татарии, и промышленное, в ПО « Куйбы-шевнефть », внедрение метода.

На месторождениях Западной Сибири интенсивное внедрение ГРП начато с 1990 года и связано с созданием в ОАО «Юганскнефтегаз» СП «Фракмастер». В результате первых гидроразрывов на скважинах НГДУ «Майскнефть» и «Мамонтовнефть» получено увеличение дебита в 5 и более раз, что стимулировало развертывание работ в объединениях «Нижновартовскнефтегаз», «Сургутнефтегаз», « Лангепаснефтегаз », « Крас-

Таблица 1.1.

Сравнительные показатели эффективности ГРП по скважинам и участкам реагирования.

Кол-во Дополнительная добыча Прогнозная дополнительная

Месторождение сква- нефти на дату оценки добыча нефти до конца действия

жин эффективности, тыс. тонн эффекта, тыс. тонн

с ГРП По скважи- По всему По скважи- По всему

нам с ГРП участку нам с ГРП участку

ТПП "Лангепаснефтегаз"

Лас-Еганское 9 17.88 19.70 35.26 53.19

Покамасовское 10 16.93 58.57 76.63 161.51

Урьевское 16 10.72 39.25 42.20 99.18

Северо- 15 25.80 58.47 74.02 155.96

Нивагальское

Локосовское 2 1.54 1.54 2.21 16.71

Покачевское 38 65.40 141.92 150.68 274.41

Южно-Покачевское 16 32.86 56.07 95.16 126.65

Нивагальское 38 44.79 190.75 111.20 461.95

Всего: 144 215.92 566.27 589.36 ...... 1349.56

ТПП "Урайнефтегаз

Северо-Даниловское 28 178.73 219.13 372.15 661.44

Даниловское 17 51.08 83.65 100.72 262.91

Ловинское 17 31.54 43.13 96.39 171.85

М-Тетеревское 5 13.21 14.15 66.80 117.16

Убинское 5 10.42 24.07 20.13 37.65

Толумское 6 4.63 4.95 17.25 17.25

Яхлинское 4 1.83 4.03 6.27 9.10

Лазаревское 2 1.61 3.09 5.49 11.67

Шушминское 2 0.68 1.35 9.11 9.11

Всего: 86 293.73 397.55 689.47 1298.14

О А О "Сургутнефтегаз

Западно-Сургутское 105 403.02 436.72 1044.04 1291.96

Яун-Лорское 4 0.77 7.06 20.48 41.69

Восточно-Сургутское 4 10.86 62.02 38.65 138.42

Федоровское 64 160.10 426.88 284.45 796.38

Дунаевское 30 И 8.70 118.70 149.14 149.19

Быстринское 21 43.74 84.13 120.42 203.63

Вачимское 3 0.82 0.82 4.33 4.33

Комарьинское 1 0.77 1.65 1.26 7.48

Родниковое 33 72.05 106.77 144.91 238.04

Русскинское 14 46.45 106.70 91.96 260.13

Лянторское 3 9.75 17.52 11.13 22.72

Маслиховское 6 1.78 5.33 5.02 19.15

Всего: 291 861.40 1375.80 1894.29 3304.44

? '-"Л Итого: '5211 ' 1371.05 2339.62 * 3173.12 ; ' 5952.14

ноленинскнефтегаз », « Пурнефтегаз », « Ноябрьскнефтегаз ». Основой успеха в освоении метода явилось использование надежного высокопроизводительного оборудования зарубежного, главным образом американского, производства. Обобщенный анализ применения гидроразрыва на большинстве объектов Западной Сибири свидетельствует о высокой эффективности метода (табл. 1.1), при этом не менее 50% дополнительной добычи приходится на долю окружающих скважин, в среднем дополнительная добыча составляет не менее 8н-10 тыс. тонн [31, 57].

Высокая начальная эффективность метода обусловлена тем, что ГРП проводился в основном на безводных скважинах с сильным влиянием «скин-фактора», под руководством опытных зарубежных специалистов с тщательной организацией и инженерной подготовкой каждой операции (табл. 1.2).

Таблица 1.2.

Показатели ГРП, выполненные зарубежными фирмами на месторождениях Западной Сибири

- Кол- Объединение, Дебит, м3/сут Кратность

Фирма во ГРП НГДУ ДО ГРП после ГРП увеличения дебита

Texaco international 34 Суторминское 10 65 6.5

operations inc. Halliburton Schlumberger Schlumberger Schlumberger 7 43 66 36 Черногорское ОАО «Пурнефтегаз» ОАО «Варьеганнефтегаз» ОАО «Ноябрьскнефтегаз» 3 7 8 45 48 39 44 16.0 7.5 5.5

Последующее промышленное применение метода привело к заметному снижению эффекта, что обусловлено как ухудшением качества выбранных скважин ввиду роста числа обводненных скважин и ошибками в проектировании технологических операций, вызванных фактическим отсутствием или низким качеством данных по механическим свойствам пород-коллекторов и фильтрационным характеристикам жидкостей разрыва, так и несоблюдением проектных режимов при выполнении работ из-за отсутствия требуемого количества материалов для производства разрыва. Примером этого могут служить результаты ГРП на объектах АО «Черногорское», выполняемых различными сервисными фирмами (табл. 1.3).

Это свидетельствует о том, что применяемые технологии не реализуют потенциальных возможностей ГРП и необходимо проведение специальных исследований, направленных на выявление факторов, обеспечивающих повышение его эффективности.

Эффективность ГРП зависит от множества объективных и субъективных факторов [16, 22, 33, 57]. Объективные факторы характеризуют особенности геологического

Таблица 1.3.

Результаты оценки технологической эффективности проведения ГРП на Черногорском месторождении различными фирмами.

Название Номер Индекс Доп - но Добыто нефти на Успешность

фирмы скважины пласта добыто нефти, 1 скв. операцию, операции,

с ГРП тыс. тонн тыс. тонн %

"ЗатоЦог" 425 БВ10 7.52 - -

50912 БВю -0.62 - -

41044 БВю 5.65 - -

4105 i БВю 0.35 - -

526 ЮВ, 6.90 - -

50915 ЮВ1 18.79 - -

Итого: 38.59 6.43 83.3

"Me-Ca-Mi- 408 БВю 6.04 - -

Neft"

501 БВю 1.60 - -

50955 БВю Нет результатов^

50955 БВю ; 5.71 -

41035 БВю 5.83 - -

50950 БВ,о 18.08 - -

4р БВю 12.91 - -

500 IOBi '-0.56 - -

Итого: 49.61 6.20 75.0

"Halliburton" 41041 БВю 1.48 - -

41033 БВю 0.63 - -

41039 БВю

41039 БВю 0.12

41023 БВю 'V n^f •^'Нет^ёз^ьта'гов > |

41023 БВю 0.73 - -

50964 ЮВ. 4.94 - -

Итого: 7.90 1.13 71.4

строения пласта, состояние призабойной зоны, общее состояние пластовой системы на дренируемом скважиной участке, условий проводки скважины и ее сообщаемости с пластом и т.д. [24, 32, 42, 55, 56, 58]. Объективные факторы являются основой для выбора объекта и разработки технологии выполнения ГРП.

В настоящее время проектирование ГРП выполняется на основе разработанных на зарубежном опыте американских программ, адаптация которых к условиям месторождений Западной Сибири осуществляется оператором на основе личного опыта. При выборе технологии не рассматриваются различные варианты использования материалов и технологических жидкостей, поэтому существующий процесс проектирования технологии выполнения ГРП носит субъективный характер [57]. Это иллюстрируется значительными различиями технологии ГРП, выполняемыми зарубежными и российскими фирмами-операторами на внешне сходных объектах, соответственно при этом существенно различаются показатели работы скважин после гидроразрыва. В этих условиях для повышения эффективности ГРП необходимо прежде всего создание научной базы проектирования технологии выполнения ГРП для каждого объекта и выбора на этой основе скважин с максимальной потенциальной дополнительной добычей. Такой подход способен выявить ошибки в реализации ГРП и осознанно отрабатывать отдельные элементы технологии ГРП.

Поиск способов улучшения показателей ГРП на основе статистического анализу влияния отдельных параметров на эффективность гидроразрыва проводилась в работах различных авторов [22, 56]. Так, Б.Г. Проводников [56] провел анализ влияния на эффективность ГРП 14 факторов, характеризующих в большей степени геологическое строение пласта, и установил, что наиболее информативными параметрами являются

коэффициент открытой пористостй; мощность экрана в подошве пласта, общая мощ-

.1

ность плотных пропластков и эффективная мощность. Очевидно, что выделенные параметры влияют, но не определяют эффективность гидроразрыва.

Более широкий спектр параметров, влияющих на эффективность ГРП, рассматривался в диссертации М.Я. Занкиева [22]. Он включал коэффициент вскрытия пласта, пористость пласта и его проницаемость, режим работы до ГРП, обводненность, свойства геля (соотношение загелевателя и активатора), объем подушки, объем закачки жидкости с проппантом, объем жидкости продавки, количество проппанта, потери давления, среднее давление и др. В результате получено, что выбор скважин для ГРП может осуществляться на основе корреляционных соотношений, полученных в результате статистической обработки режимов выполнения ГРП, показателей работы скважин до и после гидроразрыва, геологической информации о строении пласта , при этом определяющими факторами являются: коэффициент вскрытия плата, пористост�