Введение
Формирование трещины гидроразрыва в нефтесодержащем пласте является одним из способов эффективного повышения нефтеотдачи скважины. Но гидроразрыв нефтяного пласта, исследование некоторых аспектов которого является темой данной диссертации - это лишь небольшая часть сложной и разветвленной теории разрушения.
Разрушение - сложный процесс, который на разных стадиях своей эволюции может быть предметом изучения различных разделов физики. В работе рассматривается только та стадия процесса, которая характеризуется наличием макроразрушений. В этом случае предметом механики разрушения является изучение закономерностей возникновения, роста и взаимодействия трещин. Невозможно представить все многообразие сложнейших проблем, стоящих перед этим разделом науки о прочности. Многие важные по практической значимости вопросы, такие, например, как разрушение в условиях ползучести, разрушение в композитных материалах, в средах со структурой, разрушение с учетом температурных эффектов, разрушение в модели нелинейной теории упругости рассматриваются в монографиях [67 - 78]. 'Гам можно найти детальное исследование этих проблем и соответствующую обширную библиографию.
Рассмотрим более подробно один из аспектов механики разрушения -трещину гидроразрыва и ее использование в нефтяной промышленности. Собственно процесс распространения трещины в упругопористой среде является составной частью общего процесса гидроразрыва, который состоит из нескольких стадий, а именно: течение вязкой жидкости гидроразрыва в скважине и раскрытие трещины под действием напора жидкости, фильтрация жидкости через стенки трещины в пласт и последующее сс вытеснение менее
1
вязкой нефтесодержащей жидкостью, возникновение и развитие неустойчивости поверхности раздела, образование «пальцев» и т. д.
Техника гидроразрыва имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами нефтедобычи: проводящий канал проходит сквозь зону повреждений, имеющихся около скважины, что позволяет обойти эту критическую область в процессе разработки; канал может распространяться на значительную глубину внутрь резервуара для дальнейшего повышения продуктивности; канал может проводиться таким образом, что изменяется течение жидкости в резервуаре. Благодаря этому последнему пункту трещина гидроразрыва становится средством реального управления резервуаром. Изначально концепция гидроразрыва была достаточно простой. Трудности возникают по двум причинам: по причине сложности реальной геологии и по причине многопрофильной природы процесса гидроразрыва.
Разработка методов для достижения желаемых результатов тесно связана с механикой горных пород, отвечающей за геометрию трещины, механикой жидкости, отвечающей за ее течение и распределение расклинивающего наполнителя внутри трещины и химией, отвечающей за характеристики материалов, используемых при осуществлении процесса. Однако, планируя операции гидроразрыва, также необходимо учитывать ограничения, накладываемые условиями реального поля и скважины.
Общие сведения о гидроразрыве
Если жидкость закачивается в скважину быстрее, чем может утекать в породу, повышается создаваемое ею давление, и в некоторой точке породы происходит разрыв. Скважина расщепляется вдоль своей оси под действием
2
кольцевых касательных напряжений, вызванных внутренним давлением. Процесс расщепления скважины (Рис. 1) становится более сложным для случаев перфорированных или невертикальных скважин. Однако в целом повреждения скважины - т. е. трещины в породе - появляются в результате гидравлического давления жидкости, поэтому рассматриваемое явление носит название «трещины гидроразрыва». Т. к. большинство трещин - вертикальные, а наименьшее напряжение - минимальное горизонтальное, в результате расщепления скважины получается вертикальная плоская щель в земной коре. Возникновение повреждения в скважине и начало роста трещины создает новые свободные поверхности, и скорость утечки жидкости в породу начинает расти. Если скорость закачки жидкости выше, чем скорость ее потери, новообразованная трещина продолжает распространяться (Рис. 1).
Reservoir Stimulation, Kenneth G Nolle, Michael J Economidcs
Рис.1. Расщепление скважины вдоль ее оси в результате кольцевых касательных напряжений, вызванных внутренним давлением закачиваемой в скважину жидкости и распространение трещины гидроразрыва.
3
Рост трещины вызывает открытие новых свободных поверхностей породы. Однако с прекращением закачки и утечкой жидкости трещина закроется, и новые площади породы будут недоступны для обработки. Чтобы предотвратить это явление, необходимо принять меры для поддержания проводящего канала. Обычно с этой цслыо в жидкость, предназначенную для транспортировки в трещину, добавляется расклинивающий агент. Когда закачка прекращается и жидкоегь утекает, расклинивающий агент остается в трещине и не дает ей схлопываться, тем самым сохраняя проводящий путь. Расклинивающим агентом обычно является песок или его высокопрочный гранулированный заменитель. В качестве альтернативы для карбонатных пород в качестве жидкости гидроразрыва может использоваться кислота, которая растворяет часть породы, оставляя за собой вытравленные каналы, ведущие вглубь резервуара.
После возникновения разлома важными параметрами становятся скорость распространения трещины и скорость движения жидкости в ней. Они определяются утечками жидкости. В 1957 году Картером [1] было выведено, что скорость qL утечки жидкости из трещины может быть выражена как
2С, А
где с, - коэффициент потери жидкости, А - элемент поверхности трещины, t - время, отсчитываемое от момента начала закачки и т - момент времени, когда возникает или открывается новый элемент трещины. Прямым следствием этих связей является факт, что самая большая скорость потери жидкости всегда имеет место в конце трещины. В этой точке за счет создания новой поверхности трещины величина становится бесконечной (/ — г = О в знаменателе).
4
Изначально трещина проникает в породу на небольшое расстояние, и, следовательно, велика потеря жидкости около скважины. По этой причине первым этапом гидроразрыва является закачка чистой жидкости без наполнителя; этот процесс называется подкладкой. Цель подкладки — нарушить целостность стенок скважины и инициировать появление трещины. Также подкладка обеспечивает достаточное проникновение жидкости и ширину трещины, чтобы затем жидкость с наполнителем могла беспрепятственно затечь в трещину, что позволяет избежать больших потерь около края. После подкладки в трещину закачивается жидкость с наполнителем.
Однако, поскольку утечка жидкости в породу продолжает происходить даже около скважины, при первой закачке наполнитель добавляется в жидкость в низких концентрациях. Гидросмесь с наполнителем попадает в трещину в окрестности скважины и течет дальше к краю (Рис. 2). Поскольку гидросмесь течет по трещине быстрее, чем продвигается край, то со временем она его догоняет. Кроме того, жидкость гидросмеси (но не наполнитель) утекает в формацию, и, таким образом, концентрация твердого наполнителя (т. е. его объемная доля) увеличивается с потерей жидкости. Планирование закачки, в том числе планирование добавления наполнителя, должно происходить таким образом, чтобы все стадии закачки в конечном итоге оказались в нужной точке и с нужной концентрацией наполнителя. Подкладка должна полностью утечь в формацию, а первая стадия наполнителя должна находиться точно в конце трещины (которая должна быть нужной длины).
Как было сказано выше, во время движения вдоль трещины гидросмеси с наполнителем она теряет жидкость и концентрируется. Стадии гидросмеси, закачанные позже, имеют большую концентрацию. Они подвержены меньшим потерям жидкости, поскольку закачиваются только в самом конце операции. В идеале первая стадия наполнителя достигает края трещины в точности тогда,
5
когда остатки подкладки уходят в формацию, и эта первая стадия имеет некоторую заранее выбранную концентрацию, полученную из более низкой изначальной. К концу процесса вся трещина должна быть заполнена гидросмесью запланированной концентрации.
Рис.2. Процесс транспортировки в трещину расклинивающего наполнителя.
Описанная выше разработка могла бы быть названа «нормальной»: вся трещина заполнена однородной гидросмесью с заранее выбранной концентрацией наполнителя в точности в момент окончания процесса. Если закачка продолжается и после этого момента, возникает небольшое дополнительное продвижение трещины, т. к. подкладка полностью исчерпана. Продолжение закачки увеличивает ширину трещины и давление жидкости в ней. В некоторых случаях увеличение раскрытия ведет к получению запланированных результатов, и эта процедура используется целенаправленно. Такая операция называется гидроразрывом с отведением края трещины (tip-screenout - TSO - fracturing).
6
В завершение операции финальная стадия жидкости закачивается только в скважину для ее очистки от наполнителя (Рис. 3). Таким образом, на некоторый период времени скважина изолируется, жидкость утекает, вследствие чего трещина закрывается и сжимает содержащийся в ней наполнитель. Изоляция также позволяет температуре (и химическим разрушителям, добавленным в жидкость при закачке) уменьшить вязкость жидкости гидроразрыва. В идеале после завершения процесса мы имеем заполненную наполнителем трещину с необходимой продуктивной длиной (или полудлиной ду) и определенной высотой и шириной (которая определяет проводимость трещины к/м). Продуктивная полудлина трещины может быть меньше, чем реально полученная в процессе разработки полудлина Ь.
Рис.З. Закачка финальной стадии жидкости в скважину для ее очистки от расклинивающего наполнителя
Цели использования трещины гидроразрыва
Как было отмечено выше, операция гидроразрыва может использоваться в следующих целях: для обхода зоны повреждений около скважины и, тем самым, возвращения скважине ее «естественной» продуктивности; для распространения
7
проводящего пути вглубь формации и, таким образом, повышения продуктивности сверх ее естественных пределов; для изменения течения жидкости в формации. В третьем случае разработка конкретной трещины может влиять на разработку других скважин (например, определение мест создания других скважин и их числа). Таким образом, трещина становится средством управления резервуарами. Рассмотрим каждую из перечисленных причин отдельно.
Обход зоны повреждений
Повреждения, возникающие около скважины, понижают ее продуктивность. Они могут возникать, например, в процессе сверления скважины (вследствие вторжения острия сверла в породу), а также в результате химической несовместимости жидкости и породы. Повреждения также могут вызываться и естественными резервуарными процессами, такими как изменение насыщенности вследствие низкого давления около скважины или осадок минеральных отложений. Какова бы ни была причина, последствия могут быть непредсказуемы для результатов разработки. Чтобы восполнить ущерб химическим путем, обычно используется матричное воздействие, которое возвращает скважине ее изначальную продуктивность. Но в некоторых случаях химические процедуры могут быть неэффективными или неприемлемыми, и для обхода зоны повреждений используются операции гидроразрыва. Эффект достигается за счет создания высокопроводящего пути сквозь поврежденный участок для возобновления контакта скважины с неповрежденной породой.
Повышение продуктивности скважины
В отличие от процедур матричной стимуляции, с помощью операции гидроразрыва можно создать проводящий канал, уходящий глубоко в резервуар,
8
и, таким образом, стимулировать продуктивность, превышающую се естественный уровень.
Для практической эксплуатации резервуаров выполняется закон Дарси:
где скорость добычи # связана с проницаемостью формации к, толщиной нефтеносного слоя почвы /г, вязкостью резервуарной жидкости //, падением давления Ар и площадью потока формации А. Эксплуатация резервуара построена на манипуляциях с этим уравнением. Например, значение падения давления может быть увеличено с помощью искусственного понижения давления потока в забое, впрыскивания воды для повышения или сохранения резервуарного давления, или того и другого вместе. В других случаях применяется горение в определенной точке или впрыскивание пара для уменьшения вязкости резервуарной жидкости и, следовательно, повышения продуктивности.
Классическое применение гидроразрыва - в целях повышения скорости добычи с помощью обхода зоны повреждений около скважины или с помощью увеличения площади поверхности породы, подвергаемой воздействию. Для случая одиночной скважины разработка сосредотачивается на создании нужной площади потока формации, которая бы давала повышенную добычу при минимальной стоимости.
Управление резервуарами
Наряду с повышением продуктивности скважин, техника гидроразрыва также представляет собой мощное средство для изменения резервуарных потоков. В комбинации с другими приемами полевых разработок трещина
9
становится средством управления резервуарами. Например, создание длинных трещин в твердой породе позволяет уменьшить число скважин, а если известен азимут трещины и скважины расположены подобающим образом, то требуется еще меньшее их число. Изменение философии гидроразрыва от ускорения добычи из единственной скважины к управлению резервуарами возникло в связи с проведением серьезных стимуляционных разработок в твердых газовых формациях. Хотя традиционно гидроразрыв применяется к более бедным резервуарам, эти разработки представляли собой первые инженерные попытки изменения резервуарного потока в горизонтальной плоскости и создания методологии расположения скважин.
История возникновения и использования техники гидроразрыва
Концепция гидроразрыва в нефтяной промышленности была разработана во второй половине 1940-х годов в Stanolind (теперь BP Amoco, [2-4]) на базе промышленного опыта с техниками закачки, которые показали приемистость нагнетательной скважины путем создания разрыва; осуществлялись кислотная обработка скважины [5], ее сжатие и цементирование, а также рассольное впрыскивание. Был выпущен патент ([3], результат экспериментов, начатых в 1948 г.) всеобъемлющего масштаба, который включал в себя множество признанных практик и продуктов: расклинивающий наполнитель, гелеобразная нефть, разрушители, добавки, связанные с потерей жидкости, непрерывное смешивание, гидроразрыв с кислотной подкладкой, эмульсионные кислоты и использование упаковщиков для множественных зон разрыва.
Первые экспериментальные разработки были проведены в 1947 г. на четырех карбонатных зонах на Хоутонском поле (Houghton field) в Канзасе [4]. Зоны, предназначенные для обработки, были предварительно обработаны кислотой и изолированы чашеобразным накрывающим упаковщиком с
10
газолином, уплотненным напалмом, который следовал за газолином, применяемым в качестве разрушителя. Проведенная таким образом разработка не увеличила добычу и привела к существовавшему некоторое время ложному убеждению, что создание трещин не приносит никакой выгоды в случае окисления карбонатных формаций.
Последующая разработка на Вудбайнских песках (Woodbine sands) в Восточном Техасе была очень успешной. В ней фигурировали гелеобразная неразделенная сырая нефть, 16-ячеистый песок и разрушитель [3]. Холлибертон изначально получил эксклюзивную лицензию от Stanolind и в 1949 г. сделал гидроразрыв коммерческой практикой. К 1955 году эта деятельность расширилась до приблизительно 3000 операций в месяц. Еще до того, как универсальная лицензия была выдана другим обслуживающим компаниям, широко распространились водные или «речные» гидроразрывы в иизкопроницаемых средах, таких как Сан-Хуанский бассейн [6J. Как следует из названия, в этих разработках использовалась речная вода и песок.
Общие сведения о механике гидроразрыва
Механика гидроразрыва - это описание процессов и механизмов, используемых в технологии создания трещин. Процесс гидроразрыва очень сложен и включает в себя четыре различных направления механики: механика жидкости, механика твердого тела, механика трещин и тепловая механика. Механика жидкости описывает течение одной, двух или трех фаз жидкости в трещине; механика твердого тела описывает деформации породы, вызванные давлением жидкости; механика трещин описывает все аспекты повреждений и расщеплений около края трещины гидроразрыва; и тепловая механика описывает обмен теплом между жидкостью и формацией. Более того, все эти проблемы связаны между собой и зависят одна от другой. Для проведения
II
реальных разработок и анализа таких сложных процессов, как гидроразрып пласта, необходимы модели, которые в достаточной мере описывают каждое из этих взаимодействий.
Как известно, модель процесса - это описание, которое включает в себя основные черты этого процесса таким образом, чтобы обеспечить его понимание [7]. Процесс построения модели зависит от типа вопроса, на который необходимо ответить. Существуют три главных типа моделей: физические, эмпирические и механистические (или аналитические). Каждый тип имеет преимущества и недостатки, которые описаны ниже.
Физические модели - это масштабные модели реальных процессов. Их главное преимущество но определению в том, что они включают в себя корректные предположения относительно поведения материалов. Например, если жидкость гидроразрыва закачивается между парой параллельных поверхностей породы с жесткостью, сравнимой с жесткостью породы, в которой надо образовать реальный гидроразрыв, никаких предположений о реологии жидкости делать не надо; вместо этого ее поведение можно просто наблюдать. К сожалению, построение и использование физических моделей обычно дорого. Кроме того, если модель значительно меньше реальной структуры, существуют принципиальные проблемы масштабирования. Например, в модели моста вес пропорционален кубу масштабного коэффициента, но длина каждого элемента пропорциональна только первой степени масштабного коэффициента. Таким образом, элементы, которые не выходят из строя в эксперименте, могут выйти из строя на практике. Тем не менее, масштабные модели пригодны для адекватного размерного анализа, если масштабный коэффициент не слишком велик [8].
Эмпирические модели разрабатываются на основе наблюдений. Обычно лабораторные и полевые данные собираются и комбинируются в целях создания
12
чертежей разработок или эмпирических уравнений, которые затем тогут использоваться доя разработки будущих задач и предсказания их результатов. Например, если на ста скважинах на некоторой площади были проведены разномасштабные разработки, можно изобразить график зависимости накопленной за шесть месяцев продукции как функции масштаба. Полученный разброс данных, скорее всего, будет не слишком велик, так что отдача продукции при новых разработках может быть предсказана на основе этих исторических данных. Преимущества эмпирических моделей - в огсуствии необходимости делать предположения относительно поведения тех или иных материалов, а также в отсутствии эффекта масштаба. Главный недостаток -низкая степень достоверности за пределами описанного диапазона данных. Множество данных для ста скважин может быть полезно на том же самом поле даже для разработок чуть большего масштаба, чем любая из входящих в это множество, но очень вероятно, что оно будет неподходящим для других полей. Чтобы извлечь пользу из эмпирической модели, данные должны быть систематизированы в терминах соответствующих безразмерных величин, так чтобы они были как можно более общими. Например, множество данных для ста скважин может быть использовано для другой площади, если результаты обезразмерены относительно проницаемости и толщины нефтеносного слоя почвы. Однако, чтобы найти правильные безразмерные величины, необходимо понимание механики моделируемых физических процессов.
Аналитические модели - математические представления физической реальности, в которых ведущие механические процессы представлены в виде уравнений. Уравнениями обычно выражаются физические законы, такие как закон сохранения массы, а также определяющие соотношения, такие как, например, законы упругости. Первые - ненарушимые законы природы, тогда как вторые - гипотезы о физическом поведении материалов, требующие
13
проведения лабораторных экспериментов для подтверждения своей применимости и для определения констант модели. Главные преимущества аналитических моделей заключаются в том, что они могут быть экстраполированы за пределы диапазона данных, в котором они были разработаны, с сохранением входящих в них законов. Например, если измерена упругая постоянная пружины, может быть предсказана сила, необходимая для заданного смещения пружины даже в случае смещений, которые еще не были протестированы. Если пружина разрезана пополам, можно предсказать поведение каждой половины. Однако самое большое ограничение аналитических моделей — это предположения, сделанные в процессе их создания. Например, обычно предполагается, что порода гомогенна, тогда как существует множество случаев, когда она содержит трещины или другим образом меняется от точки к точке, и э го может никак не учитываться в модели. Симулятор - это численное применение модели. Многие аналитические модели поддаются трактовке, только если они реализованы численно, если не сделано большое число приближений или упрощающих предположений. В связи с широкой доступностью компьютеров, в настоящее время распространено убеждение, что путем численной реализации более общих моделей могут быть получены лучшие результаты, чем путем точного решения упрощенных. Тем не менее, следует подчеркнуть, что полезные связи между величинами часто могут быть получены гораздо более легко при использовании аналитических решений, обеспечивающих понимание связей между параметрами, влияющими на результаты и в более сложных условиях. Многие из простейших правил могли бы быть «открыты» на основе численного решения только благодаря приложению очень больших усилий, если могли бы быть открыты вообще.
Модели трещины гидроразрыва создаются и используются по четырем главным причинам: экономическая оптимизация (т. е. определение, какой
14
- Київ+380960830922