Способ проведения многостадийного гидроразрыва пласта в условиях тонких перемычек Российский патент 2021 года по МПК E21B43/26 

Способ проведения многостадийного гидроразрыва пласта с ростом трещин из линейного источника вдоль горизонтального ствола скважины относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть применен для стимуляции скважин методом гидравлического разрыва пласта в целевых коллекторах, ограниченных барьерами с напряжением, незначительно отличающимися от целевого интервала.

Предпринимается множество попыток разработать методы, позволяющие избежать распространения трещины гидроразрыва в водоносные и газоносные горизонты, которые можно грубо разделить на три основные категории. Краткое описание этих общих категорий методов приводится ниже, а также дается общая оценка их эффективности при достижении поставленных задач.

• Гибридный ГРП: Использование легкоподвижных / маловязких жидкостей для гидроразрыва при сниженных скоростях закачки; этот подход получил широкое применение при разработке нефтяных пластов. Такой метод снижает общую стоимость, но, вероятно, ограничен отношением длины/высоты трещины около 2 [RU 2523316].

• Модификаторы фазовой проницаемости (МФП): Использование МФП было многократно опробовано, однако результаты выглядят неудовлетворительными и неубедительными. Этот метод является дорогостоящим и, как правило, также приводит к снижению общего коэффициента продуктивности после ГРП (из-за сильного загрязнения пласта) [RU 2506298].

• Барьерный ГРП: Размещение дополнительной трещины ГРП в водяной части залежи для создания дополнительного барьера напряжений для отвода трещины ГРП. Это дорогостоящий метод, отнимающий много времени, но, возможно, он обеспечивает отношение длины к высоте трещины на уровне от 2 до 3 (схожая методика описана патенотом [RU 2496977]).

Известен способ [RU 2656054] проведения гидравлического разрыва пласта, включающий закачку технологической жидкости для создания, развития и закрепления трещины, отличающийся тем, что закачка осуществляется с кратковременными остановками, момент и продолжительность которых определяется на основании анализа динамики смыкания трещины, а рабочая технологическая жидкость представлена чередованием пачек с небольшими мгновенными утечками и высокой вязкостью с низковязкими пачками, но с достаточной несущей способностью проппанта и последней-замыкающей пачкой рабочей жидкости, содержащей максимальную концетрацию диструктора (брейкера). Подразумевается, что данные чередующиеся пачки рабочих жидкостей малосмешиваются в процессе закачки.

Недостатком данного технического решения является то, что Гидравлический разрыв пласта производится через один интервал (перфорации либо муфту ГРП) соответственно, в зоне соприкосновения скважины с пластом будет максимальная высота трещины и в случае увеличения порового давления будет происходить рост трещины по высоте. Даже остановки закачек на непродолжительное время не будут сопутствовать уменьшению пластового давления в зоне ПЗП. Получается, что для проведения ГРП в условиях создания длинных трещин и малой высотой, но с большой протяженностью по длине соблюсти соотношение 1 к 50 (высота к длине) не представляется возможным.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, является разработка способа в условиях низкого контраста напряжений между пластами многопластовой залежи и отсуттвия контрасных барьеров, разделяющих вышележащие газоносные пласты и подстилающую воду, ограничения роста трещины ГРП по вертикали для обеспечения равномерной выработки продуктивных пластов, повышения нефтеотдачи.

Ограничение высоты трещины можно достичь при определенном подходе к заканчиванию скважины. Развитие любой трещины при заканчивании скважины открытым горизонтальным стволом с ориентацией в направлении максимального напряжения таким образом, чтобы трещины ГРП были продольными. В этом случае развитие трещины будет происходить из линейного источника.

Контраст напряжений вдоль горизонтального ствола скважины, пробуренного в азимуте плоскости максимального напряжения горных пород, будет меньше контраста напряжений в пласте. В этом случае будет наблюдаться более низкая разница давлений вдоль ствола скважины, и трещина будет расти преимущественно вдоль ствола. Это возможно достичь за счет использования двух отдельных муфт ГРП вверху и внизу изолированной части открытого горизонтального ствола скважины. После циркуляции жидкости для очистки интервала перед ГРП штуцер на поверхности закрывают для инициации трещины; как только трещина ГРП выросла на всю длину необсаженной части, давление начинает расти и происходит рост трещины ГРП в высоту с инициацией трещины как линейного источника

Заканчивание горизонтальной скважины будет производиться сегментировано; после бурения горизонтальной части будет спущен хвостовик с набором заколонных пакеров. Расстояние между заколонными пакерами, будет выбираться на каждый сегмент открытого ствола скважины; ствол скважины должен быть сегментирован. Муфты ГРП будут спускаться в составе хвостовика, и расстояние между ними будет определено на этапе проектирования. Муфты ГРП должны быть такого типа, которые спускаются в закрытом виде, но их можно будет открывать и закрывать, спустив специальный инструмент (ключ) на колонне НКТ/ГНКТ.

Краткое описание чертежей

Фиг.1, Принципиальная схема/отображение метода заканчивания;

Фиг.2, Этап 1 (Стадия циркуляции);

Фиг.3, Этап 2 (Стадия пачки загеленной жидкости для промывки в турбулентном режиме);

Фиг.4, Стадия 3 (SRT/SDT, оценка градиента давления ГРП и трений в призабойной зоне при ступенчатом тесте);

Фиг.5, Стадия 4 (кислотная обработка пласта);

Фиг.6, Стадия 5 (ГРП);

Фиг.7, Геометрия радиальной трещины;

Фиг.8, Геометрия эллиптической трещины.

Спускают хвостовик (и оборудование заканчивания) и производят опрессовку всей системы. Затем в скважину спускают смещающий инструмент на колонне НКТ/ГНКТ и с его помощью открывают верхнюю и нижнюю муфты ГРП. Колонну НКТ/ГНКТ размещают над нижней муфтой ГРП и там устанавливают разобщающий пакер (Фиг. 1), где 1 - заколонные пакера; 2 - муфты ГРП; 3 - эксплуатационная колонна хвостовика; 4 - Колонна НКТ/ГНКТ, применяемая для закачки; 5 - открытый ствол; 6 - пакер на колонне НКТ/ГНКТ. Выполняют все этапы ГРП и работы по интенсификации притока в данном участке следующим образом: - Выполняют промывку интервала, как показано на Фиг. 2. (На этом этапе необходимо тщательное соблюдение материального баланса: необходим постоянный мониторинг значений QP, QR и QL, где QP=QR+QL (На этом этапе штуцер на поверхности открыт, и поэтому противодавление в затрубном пространстве отсутствует)); - Насосы останавливают (единовременно) и осуществляют запись кривой падения давления (предпочтительно использование глубинного манометра на колонне НКТ/ГНКТ); - Вторым этапом обработки будет этап очистки, при котором закачивают турбулентную гелевую пачку для удаления бурового раствора и глинистой корки, как показано на Фиг. 3 (вновь выполняется этап соблюдения материального баланса, и контроль выхода бурового раствора на поверхность, оценивается на содержание твердых веществ), штуцер не применяется; - Насосы останавливают (единовременно) и осуществляют запись кривой падения давления (предпочтительно использование глубинного манометра на колонне НКТ/ГНКТ); - На третьем этапе производят оценку градиента давления ГРП выполняя мини ГРП со ступенчатым тестом (см. Фиг. 4), на разных расходах (SRT/SDT) (во время этого этапа штуцер закрыт для определения градиента ГРП и SRT/SDT); - Насосы останавливают (единовременно) и осуществляют запись кривой падения давления (предпочтительно использование глубинного манометра на колонне НКТ/ГНКТ); - На четвертом этапе производят кислотную обработку пласта, как показано на Фиг. 5 (объем кислоты, эквивалентный объему затруба открытого ствола интервала обработки) размещается по затрубу. На этом этапе штуцер закрыт, и весь объем кислоты закачивается в пласт (ниже давления ГРП); - Насосы останавливают (единовременно) и осуществляют запись кривой падения давления (предпочтительно использование глубинного манометра на колонне НКТ/ГНКТ); - На пятом этапе производят гидроразрыв пласта, (см. Фиг. 6). Вначале выполняется промывка интервала скважины от продуктов реакции кислотной обработки циркуляцией 2-3 объемов обрабатываемого интервала до выхода продуктов реакции. После промывки закрывается штуцер и начинается закачка рабочей жидкости ГРП для развития трещины вдоль ствола скважины. В случаи низких утечек рабочей жидкости в пласт (обусловленных низкой проницаемостью коллектора) и роста забойного давления, создающего риск развития трещины в высоту, допускается подтравливать часть давления через штуцер. После начала подачи проппанта в поток штуцер полностью закрывают до конца работы. Насосы останавливают (единовременно) и осуществляют запись кривой падения давления (предпочтительно использование глубинного манометра на колонне НКТ) Далее производят подъем разобщающего пакера. При переходе на следующий сегмент в скважине стимулированную зону изолируют (производят закрытием муфт с помощью инструмента/ключа). Затем операции выполняют в той же последовательности до полного охвата всей длины горизонтального ствола скважины. После выполнения ГРП на всех сегментах производится СПО (спуско-подъемная операция) инструмента/ключа для открытия всех муфт ГРП. На финальной стадии произволится спуск УЭЦН и запуск скважины в работу.

В Таблице 10 представлены данные наблюдений, получаемые на различных этапах.

Для частного случая отсутствия контрастов напряжений по глубине, что рассмотрим взаимосвязь между переменными, которая имеет место во время роста трещины; это соотношение определяется ссылкой на схему, представленную на Фиг. 7.

Исходя из общей теории гидроразрыва. Мы можем показать, как применяется следующее уравнение:

Где: P_viscous = Вязкостная составляющая эффективного давления в трещине ГРП (psi)

Q = Подача насоса (фактически 50% подачи) при ГРП (барр/мин)

Е' = Модуль плоской деформации Е'=E/(1-ν²), где ν - коэф. Пуассона (psi)

H_f = Общая высота образованной трещины (футы)

X_f =Общая длина образованной трещины (футы)

μ = Вязкость жидкости ГРП (сП)

P_viscous является составляющей эффективного чистого давления. Для случая отсутствия значимого контраста напряжений по вертикали, когда процесс развивается из точечного источника, решением по минимальному расходу энергии для развития трещины всегда будет радиальная геометрия (как показано на Фиг. 7). В этих случаях образованная полудлина трещины X_f будет развиваться однородно, при простом соотношении к высоте образованной трещины H_f 2:1, т.е. радиально.

Эта упрощенная геометрия гидравлического разрыва пласта показывает основную причину проблемы, возникающей при гидроразрыве в зоне с подстилающей водой или/и в подгазовой зоне; образование полудлины трещины неразрывно связано с образованием соответствующей высоты трещины. Как отмечено выше, это связано с тем, что трещина создается из точечного источника, и в этом случае результатом будет радиальная трещина. Возникает вопрос: всегда ли трещины ГРП генерируются как точечные источники, или существует способ создавать трещины из линейного источника; как мы увидим, линейный источник создаст другую геометрию трещины.

Приведенные соотношения в таблице 9 демонстрируют результаты различных существующих вариантов строительства ствола скважины, в зависимости от создания точечных или линейных источников. Рассматриваются следующие случаи: обсаженные и зацементированные или открытые сегментированные стволы скважин, для случаев, когда они пробурены как вертикальные/наклонные скважины или горизонтальные скважины, ориентированные в направлении σ_{h min}, или горизонтальные скважины, ориентированные в направлении σ_{h шах}. Теперь обсудим каждый из этих результатов по очереди:

• Точечный источник: Как мы уже видели, когда трещина образуется из точечного источника, результатом является радиальная трещина с упрощенной геометрией. Ее распространение в высоту негативно влияет на раскрытие зоны ниже газонефтяного (ГНК) или выше водонефтяного (ВНК) контакта. Поэтому мы можем исключить все сценарии, в которых геометрия трещины образуется как точечный источник, поскольку они не будут образовывать необходимую геометрию трещины, как необходимо в данном случае.

• Линейный источник (вертикально ориентированный): В случае вертикальных скважин, зацементированных (полностью перфорированных) или с открытым стволом, мы видим, что результатом ГРП будет линейный источник. Однако данный линейный источник направлена вертикально, то есть непосредственно на газонефтяной или водонефтяной контакты и ограничен мощностью пласта, поэтому этот сценарий, очевидно, также не представляет интереса.

• Линейный источник (горизонтально ориентированный): Только в случае горизонтальной скважины, ориентированной в направлении максимального горизонтального напряжения, создается горизонтально ориентированный линейный источник. Как мы увидим, такой линейный источник будет стимулировать рост трещины вдоль ствола между ГНК и ВНК эллиптическим образом, что минимизирует рост трещины в высоту; это именно тот сценарий, который наиболее желателен.

Как показывает Таблица 9, только один из этих сценариев приводит в результате к образованию трещины из линейного источника, которая имеет необходимую нам ориентацию.

На Фиг. 8 дан пример схематичного развития трещин ГРП в виде софокусных эллипсов. Интервал обработки, равен D, а длины большой и малой осей равны соответственно X_f и H_f / 2. Условие постоянного расстояния между фокусами определяет семейство эллипсов, представленных уравнением:

Где: α = Соотношение длины / высоты трещины (2X_f/H_f) и

r = Безразмерная величина проникновения трещины (H_f/D))

Таким образом, геометрию трещины можно полностью описать в категориях фиксированного размера D и переменной величины r. Площадь поверхности трещины A_f затем описывается следующим уравнением:

Исходя из допущения, что трещина имеет форму эллипсоида, а ширина по центру равна w_f, общий объем трещины V_f описывается следующим уравнением:

Жесткость трещины (условие при котором трещина ГРП начинает развиватся из точечного источника), S, зависит от модуля плоской деформации Е' пласта и длин большой и малой осей трещины. В работах Green and Sneddon, 1950, и Daneshy, 1973, показано, что приложение равномерного избыточного давления Pnet в трещине приведет к деформации эллипсоидальной формы с шириной по центру wf.

Где: Е(к) = Полный эллиптический интеграл второго порядка, и

k = Функция соотношения длины / высоты = 1-α² или = (1+r²)^-1

Величина k возрастает с 1 до π/2 по мере возрастания проникновения трещины, и геометрия трещины меняется от трещины Кристоновича-Гиртсмы-Де Клерка к радиальной. Более подробную информацию относительно функции Е(к) можно найти в работе Abramovitz and Stegun, 1964.

Вышеприведенные уравнения показывают, что для горизонтальной скважины в условиях открытого ствола, с эффективным перфорированным (открытым) интервалом D, определяемым по расположению верхней и нижней муфт ГРП, это приведет к созданию эллиптической трещины с соотношением сторон, равным 2X_f/H_f.

Техническим результатом проведения ГРП согласно вышеописанной технологии, будет являться ограничение роста трещины ГРП по вертикали для обеспечения равномерной выработки продуктивных пластов, и соответственно, повышение нефтеотдачи пласта и в тоже время минимизация риска прорыва в выше- и нижезалегающие пласты.

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для стимуляции скважин методом гидравлического разрыва пласта. Предложен способ гидравлического разрыва пласта, включающий следующие этапы: спускают хвостовик с заколонными пакерами и равнопроходными муфтами ГРП, далее на колонне НКТ/ГНКТ спускают ключ, с помощью которого открывают муфты, при этом колонну НКТ/ГНКТ размещают над нижней муфтой, выполняют промывку заколонного интервала при открытом штуцере на поверхности и отсутствии противодавления в затрубном пространстве. Единовременно останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления. На втором этапе обработки осуществляют очистку, где прокачивают рабочую жидкость ГРП для удаления остатков бурового раствора и глинистой корки, при этом выполняется этап соблюдения материального баланса, и контроль выхода жидкости на поверхность, оценивая её на содержание твердых веществ, при этом штуцер не применяется, останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления. На третьем этапе производят оценку градиента давления ГРП, выполняя мини-ГРП со ступенчатым тестом, на разных расходах, при этом штуцер закрыт для определения градиента ГРП, останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления. На четвертом этапе производят кислотную обработку пласта, размещая по затрубу объем кислоты, равный объему затруба открытого ствола, при закрытом штуцере на поверхности, при этом весь объем кислоты закачивают в пласт при давлении ниже давления ГРП. На пятом этапе производят гидроразрыв пласта, выполняют промывку интервала скважины от продуктов реакции кислотной обработки циркуляцией 2-3 объемов обрабатываемого интервала до выхода продуктов реакции, закрывают штуцер на поверхности и начинают закачку подушки, развивая трещину вдоль ствола скважины, закрывают штуцер на поверхности и начинают закачку рабочей жидкости ГРП, развивая трещину вдоль ствола скважины. В случае низких утечек рабочей жидкости в пласт, при низкой проницаемости коллектора и росте забойного давления, создающего риск развития трещины в высоту, обеспечивают стравливание части давления через штуцер на поверхности. При подаче проппанта в поток штуцер полностью закрывают до конца работы, останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления, производят подъем разобщающего пакера и осуществляют переход на следующий интервал обработки в скважине, затем операции повторяют в той же последовательности до полного охвата всей длины скважины. Достигается технический результат – ограничение роста трещины ГРП по вертикали для обеспечения равномерной выработки продуктивных пластов и соответственно повышение нефтеотдачи пласта и в тоже время минимизация риска прорыва в выше- и нижезалегающие пласты. 8 ил.

Способ гидравлического разрыва пласта, включающий следующие этапы: спускают хвостовик с заколонными пакерами и равнопроходными муфтами ГРП, далее на колонне НКТ/ГНКТ спускают ключ, с помощью которого открывают муфты, при этом колонну НКТ/ГНКТ размещают над нижней муфтой, выполняют промывку заколонного интервала при открытом штуцере на поверхности и отсутствии противодавления в затрубном пространстве, единовременно останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления; на втором этапе обработки осуществляют очистку, где прокачивают рабочую жидкость ГРП для удаления остатков бурового раствора и глинистой корки, при этом выполняется этап соблюдения материального баланса, и контроль выхода жидкости на поверхность, оценивая её на содержание твердых веществ, при этом штуцер не применяется, останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления; на третьем этапе производят оценку градиента давления ГРП, выполняя мини-ГРП со ступенчатым тестом, на разных расходах, при этом штуцер закрыт для определения градиента ГРП, останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления, на четвертом этапе производят кислотную обработку пласта, размещая по затрубу объем кислоты, равный объему затруба открытого ствола, при закрытом штуцере на поверхности, при этом весь объем кислоты закачивают в пласт при давлении ниже давления ГРП; на пятом этапе производят гидроразрыв пласта, выполняют промывку интервала скважины от продуктов реакции кислотной обработки циркуляцией 2-3 объемов обрабатываемого интервала до выхода продуктов реакции, закрывают штуцер на поверхности и начинают закачку подушки, развивая трещину вдоль ствола скважины, закрывают штуцер на поверхности и начинают закачку рабочей жидкости ГРП, развивая трещину вдоль ствола скважины, при этом в случае низких утечек рабочей жидкости в пласт, при низкой проницаемости коллектора и росте забойного давления, создающего риск развития трещины в высоту, обеспечивают стравливание части давления через штуцер на поверхности, при подаче проппанта в поток штуцер полностью закрывают до конца работы, останавливают насосы и осуществляют запись кривой падения давления, производят подъем разобщающего пакера и осуществляют переход на следующий интервал обработки в скважине, затем операции повторяют в той же последовательности до полного охвата всей длины скважины, после выполнения ГРП на всех интервалах обработки осуществляют спуск УЭЦН и запуск скважины в работу.