СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА Российский патент 2022 года по МПК E21B43/20 

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для интенсификации добычи нефти и газа из продуктивных пластов посредством проведения гидравлического разрыва пласта.

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) - это геолого-техническое мероприятие, во время которого в скважину нагнетается жидкость под высоким давлением, таким, что происходит инициация трещины гидроразрыва, то есть порода терпит разрыв и образуется трещина. Далее трещина закрывается на расклинивающий агент (пропант), кроме случаев кислотного ГРП, не предусматривающих использование пропанта. В процессе нагнетания жидкости трещина увеличивается в длину и высоту, формируя высокопроводящий канал, по которому нефть или газ способны поступать из пласта в скважину.

Рост трещин по высоте не всегда является желательным, особенно если продуктивный нефтеносный пласт имеет малую мощность и окружен водо- или газосодержащими пропластками. Проникновение трещины гидроразрыва в эти пропластки вызывает обводнение скважины либо прорыв газа, что делает скважину непригодной для добычи углеводородов и ведет к экономическим потерям.

Во избежание таких потерь рост трещины предварительно моделируют с учетом механических свойств пласта и напряженного состояния породы in situ (см., например, Cleary, М.P., Analysis of Mechanisms and Procedures for Producing Favourable Shapes of Hydraulic Fractures, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers, 1980, c. 16; Fisher, K., and Warpinski, N., Hydraulic-Fracture-Height Growth: Real Data, SPE Production and Operations, 27(1), 2012, c. 8-19). Прогнозирование роста трещины в высоту- важная составляющая дизайна ГРП. Не всегда удается найти дизайн, который исключает прорыв трещины в нежелательные области, особенно если продуктивные пропластки существенно ограничены по высоте. В таких случаях прибегают либо к созданию небольших трещин, высота которых не позволяет достичь границ нежелательных слоев, либо отказываются от гидроразрыва вовсе. В первом случае может возникнуть проблема с транспортом пропанта и, следовательно, с проводимостью трещины. Также существует риск асимметричного роста трещин по высоте, который приведет к прорыву в газо- или водоносный пропласток. Во втором случае без проведения гидроразрыва невозможно достичь целевых экономических показателей. Все это делает проблему контроля высоты трещины достаточно серьезной.

В патенте США 10,738,578 описан способ удержания высоты трещины за счет слабой межслоевой границы. Недостатком предложенного в нем способа является отсутствие гарантии сдерживания роста трещины в высоту и контроля его человеком. Описанный в патенте механизм сдерживания обусловлен данными геологии и напряженного состояния пласта, а потому в зависимости от них может или сдерживать, или не сдерживать рост трещины в высоту.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении возможности создания достаточно длинной трещины ГРП при гарантированном удержании роста трещины в высоту в желаемых границах.

Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом гидроразрыва пласта определяют верхнюю и нижнюю границы продуктивной зоны, предназначенной для проведения гидроразрыва пласта. Внутри продуктивной зоны по направлению максимального горизонтального напряжения пробуривают горизонтальную скважину, предназначенную для осуществления гидроразрыва, на минимально возможном расстоянии выше нижней границы продуктивной зоны, обеспечивающем прохождение скважины внутри продуктивной зоны. Также внутри продуктивной зоны по направлению действия максимального горизонтального напряжения пробуривают вспомогательную горизонтальную скважину, параллельную предназначенной для осуществления гидроразрыва скважине, на минимально возможном расстоянии ниже верхней границы продуктивной зоны, обеспечивающем прохождение вспомогательной скважины внутри продуктивной зоны. Осуществляют перфорацию предназначенной для гидроразрыва скважины в вертикальном направлении. Во вспомогательной скважине поднимают давление до давления ниже уровня инициации трещины при проведении гидроразрыва, при этом контролируя устойчивость ствола скважины, и проводят гидроразрыв пласта на предназначенной для осуществления гидроразрыва скважине.

Верхнюю и нижнюю границы продуктивной зоны определяют по каротажным или сейсмическим данным, или по имеющимся геологическим данным.

Давление в скважине до давления ниже уровня инициации трещины поднимают поверхностными или погружными насосами.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано взаимное расположение скважины гидроразрыва и вспомогательной скважины в продуктивной зоне; на фиг. 2 показаны различные траектории вершины трещины при ее инициации под разными углами; на фиг. 3 показаны различные траектории вершины трещины при разных давлениях на забое вспомогательной скважины; на фиг. 4 показаны различные траектории вершины трещины при разных расстояниях по вертикали между скважиной гидроразрыва и вспомогательной скважиной; на фиг. 5 приведены различные траектории вершины трещины при разных расстояниях по горизонтали между скважиной гидроразрыва и вспомогательной скважиной.

Как показано на фиг. 1, в соответствии с предлагаемым способом гидроразрыва пласта любым из известных способов (например, по результатам каротажных, сейсмических измерений или по имеющимся геологическим данным) определяют верхнюю 1 и нижнюю 2 границы продуктивной зоны 3 пласта по глубине (TVD). Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы гарантировать распространение трещины гидроразрыва исключительно в пределах данной продуктивной зоны, то есть между верхней и нижней ее границами.

Внутри продуктивной зоны 3 пробуривают первую горизонтальную скважину 4 - скважину ГРП, то есть скважину, в которой будет осуществляться гидроразрыв. Скважину 4 пробуривают по направлению максимального горизонтального напряжения на минимально возможном расстоянии выше нижней 2 границы продуктивной зоны 3, обеспечивающем прохождение скважины внутри продуктивной зоны 3. Это расстояние выбирают из соображений надежности, чтобы применяющаяся технология бурения гарантировала прохождение скважины внутри продуктивной зоны 3. После этого, аналогично, на минимально возможном расстоянии ниже верхней границы продуктивной зоны 3, обеспечивающем прохождение скважины внутри продуктивной зоны 3, пробуривают вторую горизонтальную - вспомогательную - скважину 5 в том же направлении (параллельно скважине 4). Таким образом, нижняя 4 и верхняя 5 горизонтальные скважины располагаются в одном продуктивном пласте вблизи его нижней и верхней границ соответственно.

Осуществляют перфорацию 6 скважины 4 строго в вертикальном направлении.

Затем во вспомогательной скважине 5 определяют давление инициации трещины (например, с помощью специальных тестов, обычно выполняемых перед основной работой ГРП, например мини-ГРП - Economides, M.J., Nolte, K.G., 2000. Reservoir Stimulation. Wiley. https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.004; Smith, M.B., Montgomery, С.Т., 2015. Hydraulic Fracturing, https://doi.org/10.1201/b16287) или оценивают его из имеющихся геомеханических данных пласта. Далее любым из доступных способов (например, поверхностными или погружными насосами) в скважине 5 поднимают давление до уровня ниже давления инициации трещины. Этот уровень давления выбирают из соображений устойчивости ствола скважины. При нагнетании давления необходимо контролировать устойчивость ствола скважины (например, с помощью забойных датчиков давления или потока или другими имеющимися технологиями), чтобы избежать его разрушения (например, инициации трещины).

Далее на скважине 4 осуществляют ГРП. В ходе гидроразрыва трещина 7 выходит из скважины 4 и распространяется вертикально в направлении вспомогательной скважины 5, пока вершина 8 трещины не достигнет скважины 5, и тогда рост трещины в высоту останавливается. Таким образом, трещина полностью находится по высоте в пределах целевой продуктивной зоны между скважинами 4 и 5.

В качестве примера было смоделировано распространение трещины ГРП из горизонтальной скважины ГРП к горизонтальной вспомогательной скважине при осуществлении ГРП в соответствии с предлагаемым способом. Был выбран критерий распространения вершины трещины, основанный на ориентации минимального горизонтального напряжения, описанный в Berchenko, I., and Detournay, Е., Deviation of Hydraulic Fractures Through Poroelastic Stress Changes Induced by Fluid Injection and Pumping. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 34(6), 1997, стр. 1009-1019.

Решение для напряженного состояния пороупругой среды вокруг скважины взято в соответствии с Detournay, Е., and Cheng, A.H.-D., Poroelastic Response of a Borehole in a Non-hydrostatic Stress Field, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 25(3), 1988, стр. 171-182.

До бурения скважин 4 и 5 напряженное состояние пласта описывается следующим образом:

- ось Ох совпадает с направлением минимального горизонтального напряжения σ_хх=σ_h;

- вертикальная ось Оу совпадает с направлением гидростатического давления σ_уу=σ_v;

- ось Oz параллельна обеим скважинам и направлению максимального горизонтального напряжения σ_Н. Напряжения σ_h, σ_v и σ_Н являются главными; сдвиговые компоненты тензора напряжений равны нулю, то есть σ_хн=σ_ух=0. p=p₀ - невозмущенное значение порового давления.

Скважины 4 и 5 изменяют напряженное состояние породы в их окрестности. Поле напряжений вокруг скважин представляет собой суперпозицию напряжений до бурения скважин и напряжений, созданных при бурении. В результате направление главных напряжений и их значения изменяются. Траектория вершины трещины, таким образом, совпадает с направлением максимального сжимающего напряжения и не является прямолинейной, а отклоняется в сторону вспомогательной скважины 5.

Параметры симуляции, использованные при вычислении напряжений в пласте, указаны в табл. 1. Был использован хорошо известный критерий прочности на разрыв для контроля устойчивости ствола скважин (Detournay, Е., and Cheng, A.H.-D., Poroelastic Response of a Borehole in a Non-hydrostatic Stress Field, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 25(3), 1988, стр. 171-182). Значения забойного давления в скважинах были выбраны такими, чтобы ствол вспомогательной скважины 5 не разрушался.

В первом примере была смоделирована инициация трещины под разными углами, чтобы наблюдать эффект захвата трещины вспомогательной скважиной 5 даже при отклонении направления перфорационных отверстий от вертикального (см. фиг. 2). На фиг. 2 показаны различные траектории вершины трещины при ее инициации под разными углами. Если скважина 4 перфорирована строго вертикально (кривая А, фиг. 2), трещина распространяется вертикально, пока, наконец, не достигнет вспомогательной скважины 5 и не прекратит рост. Если трещина инициируется под углами, отклоненными от вертикального направления, поле напряжений, создаваемое скважинами, приводит к распространению трещины в направлении скважины 5 (кривые В и С на фиг. 2 показывают случаи возникновения трещины под углами 45° и 60° к вертикали). Этот пример подтверждает существование эффекта захвата трещины, описанного выше, даже если перфорационные отверстия в скважине 1 отклоняются от желаемого вертикального направления.

Во втором примере были использовали параметры, указанные в табл. 1, и осуществлялось изменение забойного давления во вспомогательной скважине 5, причем угол инициации трещины составлял 45°. На фиг. 3 показаны различные траектории вершины трещины при разных давлениях на забое вспомогательной скважины и продемонстрирован эффекта захвата трещины. С уменьшением давления в скважине 5 эффект захвата становится слабее, но не исчезает. Были выбраны значения давления, которые обеспечивали устойчивость ствола скважины (58 МПа для кривой D на фиг. 3, 55 МПа для кривой Е и 54 МПа для кривой F).

В третьем примере был смоделирован захват трещины для разных расстояний d между скважинами 4 и 5 по вертикали. На фиг. 4 показаны различные траектории вершины трещины при разных расстояниях по вертикали между скважиной 4 гидроразрыва и вспомогательной скважиной 5. Если зарождение трещины происходит под углом, близким к вертикальной оси, эффект захвата наблюдается во всех случаях. На фиг. 4 представлены траектории конца трещины для расстояния между скважинами по вертикали, равного 30, 20, 10 м (кривые G, Н, K, соответственно). Кривые, изображенные рядом, соответствуют трем независимым случаям.

В последнем примере изучался эффект захвата трещины для разных горизонтальных расстояний между скважинами. На фиг. 5 приведены различные траектории вершины трещины при разных расстояниях по горизонтали между скважиной 4 гидроразрыва и вспомогательной скважиной 5. Было установлено, что для горизонтальных расстояний, меньших или равных d, при выбранных параметрах симуляции происходит захват. Однако в таких случаях необходимо учитывать возможность так называемой извилистости трещины вблизи забоя. Извилистость трещины - это существенная смена направления распространения кончика трещины на коротком участке ее траектории. Извилистость трещины может привести к заметному падению дебитов. На фиг. 5 представлены сценарии распространения трещин для горизонтальных расстояний между скважинами 1,5, 10 м (кривые L, М, N, соответственно). Расстояние между скважинами по вертикали равно 10 м.

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для интенсификации добычи нефти и газа из продуктивных пластов посредством проведения гидравлического разрыва пласта. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания достаточно длинной трещины ГРП при гарантированном удержании роста трещины в высоту в желаемых границах. В соответствии с предлагаемым способом гидроразрыва пласта определяют верхнюю и нижнюю границы продуктивной зоны, предназначенной для проведения гидроразрыва пласта. Внутри продуктивной зоны по направлению максимального горизонтального напряжения пробуривают горизонтальную скважину, предназначенную для осуществления гидроразрыва, на минимально возможном расстоянии выше нижней границы продуктивной зоны, обеспечивающем прохождение скважины внутри продуктивной зоны. Также внутри продуктивной зоны по направлению действия максимального горизонтального напряжения пробуривают вспомогательную горизонтальную скважину, параллельную предназначенной для осуществления гидроразрыва скважине, на минимально возможном расстоянии ниже верхней границы продуктивной зоны, обеспечивающем прохождение вспомогательной скважины внутри продуктивной зоны. Осуществляют перфорацию предназначенной для гидроразрыва скважины в вертикальном направлении. Во вспомогательной скважине поднимают давление до давления ниже уровня инициации трещины при проведении гидроразрыва, при этом контролируя устойчивость ствола скважины, и проводят гидроразрыв пласта на предназначенной для осуществления гидроразрыва скважине, в результате которого образуется трещина гидроразрыва между верхней и нижней границами продуктивной зоны. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ гидроразрыва пласта, в соответствии с которым:

- определяют верхнюю и нижнюю границы продуктивной зоны пласта, предназначенной для проведения гидроразрыва пласта,

- внутри продуктивной зоны по направлению действия максимального горизонтального напряжения пробуривают горизонтальную скважину, предназначенную для осуществления гидроразрыва, и вспомогательную горизонтальную скважину, параллельную предназначенной для осуществления гидроразрыва скважине, при этом скважину, предназначенную для осуществления гидроразрыва, пробуривают на минимально возможном расстоянии выше нижней границы продуктивной зоны, обеспечивающем прохождение скважины внутри продуктивной зоны, а вспомогательную горизонтальную скважину пробуривают на минимально возможном расстоянии ниже верхней границы продуктивной зоны, обеспечивающем прохождение вспомогательной скважины внутри продуктивной зоны,

- осуществляют перфорацию предназначенной для гидроразрыва скважины в вертикальном направлении,

- во вспомогательной скважине поднимают давление до давления ниже уровня инициации трещины при проведении гидроразрыва, при этом контролируя устойчивость ствола скважины, и

проводят гидроразрыв пласта на предназначенной для осуществления гидроразрыва скважине, в результате которого образуется трещина гидроразрыва между верхней и нижней границами продуктивной зоны.

2. Способ гидроразрыва пласта по п. 1, в соответствии с которым верхнюю и нижнюю границы продуктивной зоны определяют по каротажным, сейсмическим или геологическим данным.

3. Способ гидроразрыва пласта по п. 1, в соответствии с которым давление в скважине поднимают поверхностными или погружными насосами.