ОБЗОР МЕТОДА ПРИМЕНЕНИЯ РАСКЛИНИВАЮЩИХ АГЕНТОВ ПРИ ГИДРОРАЗРЫВЕ ПЛАСТА

Извлечение нефти из пласта и любое воздействие на него осуществляется через скважины. Призабойная зона пласта (ПЗП) – область, в которой все процессы протекают наиболее интенсивно. Здесь как в единый узел сходятся линии токов при извлечении жидкости или расходятся – при закачке. От состояния призабойной зоны пласта существенно зависят эффективность разработки месторождения, дебиты добывающих, приёмистость нагнетательных и та доля пластовой энергии, которая может быть использована на подъём жидкости непосредственно в скважине.

В случае, если пласт сложен трещинноватыми хорошо сцементированными породами, для повышения нефтеотдачи или газоотдачи могут быть применены механические методы воздействия, самым распространенным из которых является гидравлический разрыв пласта.

Гидроразыв пласта (ГРП) – это процесс воздействия жидкости непосредственно на породу до тех пор, пока она не начнет разрушаться и начнется процесс образования трещин. ГРП проводят путем закачивания в пласт жидкости разрыва (гель, вода или кислота) под давлением, превышающим давление раскрытия трещин [2].

В результате ГРП кратно повышается дебит скважин за счет снижения гидравлических сопротивлений в призабойной зоне и увеличения фильтрационной поверхности скважины, а также увеличивается конечная нефтеотдача за счет приобщения к выработке слабо дренируемых зон и пропластков [4].

Сущность гидравлического разрыва пласта состоит в образовании и расширении в пласте трещин при создании высоких давлений на забое скважины жидкостью, закачиваемой в скважину. В образовавшиеся трещины нагнетают отсортированный крупнозернистый песок или пропант. Пропанты – сферические гранулы, удерживающие под большим давлением трещины ГРП от смыкания и обеспечивающие необходимую производительность нефтяных и/или газовых скважин путем создания в пласте проводящего канала [2].

Трещина создается путем закачки жидкостей подходящего состава в пласт со скоростью превышающей ее поглощения пластом. Давление жидкости возрастает, пока не будут превзойдены внутренние напряжения в породе [4].

Теоретические представления о процессе ГРП, как методе увеличения продуктивности скважин впервые были представлены в работе Ж. Кларка в 1948 году. В 1957 году М. Хуберт и Д. Виллис представили работу, которая теоретически обосновывала механику трещинообразования в продуктивных отложениях. Но наиболее основательно теория формирования и распространения трещин гидроразрыва разработана отечественными учеными Г.И. Баренблаттом, Ю.П. Желтовым и С.А. Христиановичем, которые получили аналитические зависимости для определения размеров горизонтальных и вертикальных трещин, образовавшихся посредством закачки фильтрующейся и нефильтрующейся жидкостей.

Образованные в пласте новые трещины или открывшиеся и расширившиеся имеющиеся, соединяясь с другими, становятся проводниками нефти и газа, связывающими скважину с удаленными от забоя продуктивными зонами пласта (рис. 1). Протяженность трещин вглубь пласта может достигать нескольких сотен метров [4].

Рисунок 1. Применение ГРП: а - пласт перед воздействием; б - пласт после гидроразрыва. 1 - обсадная труба; 2 - ствол скважины; 3 - насосно-компрессорные трубы; 4 - трещины в породе, образовавшиеся после ГРП

Гидроразрыв был впервые применен в 1947 г. на месторождении Хаготон в штате Канзас, США. При этом, в качестве расклинивающего агента использовался речной песок, полученный из расположенной неподалеку реки. В качестве жидкости для гидроразрыва в том случае использовался бензин, загущенный напалмом из запасов, оставшихся после Второй Мировой войны. Речной песок использовался для предотвращения смыкания образовавшихся при гидроразрыве трещин [5].

Пропанты – сферические гранулы, удерживающие под большим давлением трещины ГРП (гидроразрыв пласта) от смыкания и обеспечивающие необходимую производительность нефтяных и/или газовых скважин путем создания в пласте проводящего канала.

Применение песка в качестве агента при гидроразрыве пласта имеет ряд недостатков, связанных с его механическими свойствами. Песок намного тяжелее воды (2.6 гр/см3 против 1 гр/см3 у воды), а значит, он будет стремиться образовывать горки на своем пути к достижению самых отдаленных концов вновь образованной трещины гидроразрыва, что не позволит использовать максимальную длину трещины. Другим недостатком песка является его слабая механическая прочность, что приводит к его быстрому разрушению (песок выдерживает давление около 280 атм), которое вскоре проявит себя как вынос пропанта из скважины, а это в свою очередь создает проблему пескопроявлений и потери геомеханической устойчивости пласта-коллектора [3].

За последующие полвека было испытано достаточно большое количество различных расклинивающих агентов: стальная дробь, алюминиевые гранулы, высокопрочные стеклянные шарики. В США проводился эксперимент по использованию в качестве агента скорлупы грецкого ореха. Идея применения заключалась в простоте ее перемещения в нужное место, т.к скорлупа является плавучим материалом, а также в том, что под действием давления закрытия трещины скорлупа будет сжиматься а не размельчаться, и при использовании в небольших количествах образует каналы с неограниченной гидропроводностью для притока углеводородов в скважину. Использование скорлупы грецких орехов в качестве расклинивающего материала было сравнительно недолгим по той причине, что подавляющее большинство трещин были вертикальными, и скорлупа грецких орехов в них, оставаясь на плаву, скапливалась бы в одном месте и под давлением закрытия трещины образовывала бы нечто подобное древесноволокнистой плите с практически нулевой проницаемостью.

Стоит отметить проводившиеся в 70-х годах работы по использованию материалов с отверждаемым смоляным покрытием (рис. 2). В качестве основы использовался различный песок, керамические и алюминиевые гранулы. При первоначальных испытаниях расклинивающего агента с отверждаемым в пласте смоляным покрытием была отмечена значительно более высокая интенсивность притока жидкости к забою скважины по сравнению с расклинивающим материалом без смоляного покрытия.

Рисунок 2. Частицы песка с отверждаемым смоляным покрытием.

В настоящее время в операциях ГРП используются следующие виды пропантов:

• природный кварцевый песок;
• алюмосиликатные керамические пропанты (на основе бокситов, каолинов и их смесей);
• магнезиально-силикатные пропанты (на основе серпентинитов, оливинитов и их природных смесей);
• RCP-пропанты с полимерным покрытием (как керамические, так и кварцевый песок) [6].

Высокопрочным пропантом является керамический агломерированный боксит, который изготавливают из качественных бокситовых или каолиновых руд. Процесс изготовления включает измельчение руды, компактирование в сферические частицы и последующий обжиг в печи при высокой температуре, вызывающей процесс агломерации. Конечный продукт обычно содержит до 85 % Al2O3. Остальные 15 % составляют оксиды железа, титана и кремния. Удельная плотность его 3,65 г/см3 по сравнению с плотностью песка 2,65 г/см3. Применяются агломерированные бокситы в основном в глубоких (более 3500 м) скважинах [1].

RCP-пропанты закачиваюся в скважину на конечной стадии ГРП целью предотвращения обратного выноса пропантов. За счет полимеризации покрытия под воздействием высоких температур и давления происходит прочное сцепление пропантов. При этом сохраняются высокие значения проницаемости даже при воздействии на полимерно-покрытые пропанты высоких давлений [6].

Использование расклинивающих агентов в гидроразрывах является необходимостью. С 1947 г. была проделана большая работа, однако необходимо дальнейшее совершенствования технологий производства и оценки эффективности, поиск новых материалов.

Список литературы:

1. ГОСТ 51761— 2005. Пропанты алюмосиликатные. Технические условия. - Москва: Стандартинформ, 2006.
2. Меликбеков А.С. Теория и практика гидравлического разрыва пласта. - М.: Недра, 1967. - 141 с.
3. Папков С. Пропанты нового поколения для ГРП // Журнал Neftegaz.ru – № 7-8 - с. 80-81.
4. Христианович С.А.. Исследования механизма гидравлического разрыва пласта // Труды/Институт геологии и разработки горючих ископаемых. – М., 1960. – Т2.: Материалы по разработке нефтяных и газовых месторождений.
5. Malpani R., Holditch S.A - Выбор жидкости разрыва для интенсификации добычи из малопроницаемых газоносных пластов // Нефтегазовые технологии. – 2008. -№11. - с. 51-55.
6. INFOMINE Research Group - Обзор рынка пропантов в России – 2017. - 127 с.