Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА МАЛОПРОНИЦАЕМОГО ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА

Изобретение относится к области гидравлического разрыва в малопроницаемых подземных пластах и может найти применение, в частности, на нефтяных и газовых месторождениях.

Гидравлический разрыв является основным технологическим процессом увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта за счет образования трещин или расширения и углубления в нем естественных трещин. Для этого в ствол скважины, пересекающей подземный пласт, закачивается гидроразрывная жидкость под высоким давлением. Пластовое отложение пород или горная порода принуждается к растрескиванию и разрыву. Расклинивающий наполнитель (проппант) закачивается в трещину для предотвращения смыкания трещины после снятия давления на пласт и, тем самым, для обеспечения улучшенной добычи извлекаемой текучей среды, то есть нефти, газа или воды.

Таким образом, проппант используется для удержания стенок трещины на расстоянии друг от друга для создания проводящего канала в пласте по направлению к стволу скважины. Наряду с транспортом частиц проппанта вдоль трещины происходит также поперечная миграция частиц, приводящая к формированию концентрированного вертикального слоя в середине трещины. Это явление приводит к значительному увеличению скорости осаждения частиц, что, в свою очередь, приводит к снижению проводимости трещины после ее закрытия. Был предложен целый ряд методик для разрешения этой проблемы, основанных на различных физических механизмах.

В патенте WO 2007086771 предложены методы гидравлического разрыва грунта, которые обеспечивают улучшение проводимости трещины благодаря формированию прочных скоплений проппанта, равномерно распределенных по всей длине разлома. Один из этих методов включает: первую стадию, во время которой происходит введение в скважину гидроразрывной жидкости, содержащей загустители для создания в грунте трещины; вторую стадию, во время которой происходит периодическое введение проппанта в гидроразрывную жидкость с целью его доставки в созданную трещину. Это нужно для формирования скоплений проппанта в трещине, чтобы предотвратить ее закрытие и для создания каналов для жидкости между этими скоплениями. Вторая стадия или ее этапы включает дополнительное введение либо упрочняющего, либо связующего материала, или обоих, таким образом увеличивая прочность скоплений проппанта, образованных в гидроразрывной жидкости.

Патент US 7228904 связан с увеличением проводимости трещин в грунте с помощью уплотнения проппанта в специальные структуры. Частицы состава с определенной концентрацией предлагается добавить к гидроразрывной жидкости вместе с обычными частицами проппанта, чтобы сформировать крепкую структуру, которая не сомнется при закрытии трещины.

Патент US 7004255 предлагает методы закупорки естественных или искусственно созданных трещин в грунте с целью уменьшения потока жидкостей. Составы этой смеси в основном инерционных частиц разных размеров, которые оставляют минимальный проток для жидкостей, когда частицы упакованы в трещине. Если разлом может закрываться на частицы, то частицам не нужно заполнять ширину разлома перед закрытием, чтобы вызвать закупорку.

Патент US 20040206497 предлагает метод, повышающий добычу углеводородов из подземного грунта. Богатый углеводородами грунт, окружающий скважину, разрывают с помощью гидроразрывной жидкости для создания одной или более трещин. В грунте имеется более и менее проницаемая зона с трещинами, развивающимися по обеим зонам. Зона с низкой проницаемостью может содержать большую концентрацию углеводородов, нефти и газа, чем зона с высокой проницаемостью, в которой углеводороды могут вообще отсутствовать. Проппант выборочно размещается в трещинах, с использованием жидкости-носителя с преобладанием проппанта, помещаемого в менее проницаемую зону. Допускается закрытие трещины на проппант для создания по меньшей мере одного канала с высокой проводимостью в зоне с низкой проницаемостью. При использовании этого метода общая производительность зоны с низкой проницаемостью увеличивается по сравнению с общей производительностью зоны с высокой проницаемостью, таким образом увеличивая выработку углеводородов из богатого им грунта. Выборочное размещение проппанта может произойти за один этап, когда наполнитель может "всплывать" в жидкости-носителе к верхней части разлома. В качестве альтернативы при двойном этапе размещения проппанта вязкая гидроразрывная жидкость может иметь менее плотную жидкость-носитель с проппантом, вводимую в верхнюю часть менее проницаемой зоны с большим содержанием углеводородов.

Патент US 20070209795 предлагает использовать легковесные частицы полиамидов для обработки грунта, включая гидравлический разрыв и методы контроля песка, такие как заполнение гравием. Частицы полиамида имеют специфическую плотность (ASG) примерно между 1.05 и 2.0 и стабильны при температурах до 500°С. Частицы полиамида можно использовать в сочетании с наполнителем, что впоследствии увеличит прочность и температурную устойчивость результирующего состава. Проводимость трещины можно увеличить с помощью размещения частиц полиамида с малой плотностью в виде монослоя.

Патент US 20080032898 связан с увеличением проводимости трещины путем значительного увеличения (до 100%) длины трещины, заполненной проппантом. Это предлагается достигнуть путем осуществления одной или более стадий закачки проппанта, по меньшей мере одна из которых содержит сверхлегкий проппант. Первая стадия закачки может состоять из несколько типов проппанта, как минимум одна из которых является сверхлегким проппантом. В качестве альтернативы можно осуществлять последовательные стадии введения проппанта, при этом по меньшей мере одна из них должна содержать сверхлегкий расклинивающий наполнитель.

Все вышеперечисленные патенты предлагают методды снижения скорости оседания частиц в трещине гидроразрыва путем использования более легких частиц, однако ни одно из изобретений не позволяет избежать попречной миграции частиц, которая происходит при ламинарном течении.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение проводимости трещины после ее закрытия за счет предотвращения поперечной миграции частиц проппанта внутри трещины и снижения скорости их осаждения путем достижения турбулентного режима течения в трещине гидроразрыва.

Этот технический результат достигается тем, что способ гидроразрыва малопроницаемого подземного пласта предусматривает закачку в трещину, созданную в подземном пласте, гидроразрывной жидкости, содержащей частицы проппанта, при этом в процессе закачки обеспечивают турбулентный режим течения жидкости в трещине.

Турбулентный режим течения обеспечивают посредством закачивания гидроразрывной жидкости с вязкостью менее 0.01 Па·с со скоростью закачки не менее 8 м³/мин, причем жидкость содержит частицы проппанта, радиус σ которых определяется выражением

в случае, если частицы проппанта тяжелее жидкости (ρ_р>ρ_f), или выражением

в случае, если частицы проппанта легче жидкости (ρ_р>ρ_f), где w - ширина трещины, ρ_f и ρ_р плотности жидкости и проппанта.

Предварительно может быть осуществлено закачивание в скважину маловязкой гидроразрывной жидкости, не содержащей проппанта, для того, чтобы открыть и расширить гидравлическую трещину в грунте.

Процесс гидроразрыва может дополнительно включать в себя закачивание специальной гидросмеси с проппантом, покрытым резиновой оболочкой, которая предотвращает утечку проппанта обратно в скважину во время и после ее закрытия.

При указанных выше условиях в трещине обеспечивается турбулентный режим течения, что подтверждается теоретическими исследованиями воздействия проппанта на устойчивость потока в гидравлической трещине. Крупномасштабные вихри, вызванные турбулентностью, взвешивают частицы так, что их распределение поперек трещины становится более равномерным, что, в конечном счете, предотвращает образование слоя проппанта в центральной части канала и, в итоге, снижает скорость осаждения проппанта.

Процесс ламинарно-турбулентного перехода потока связан с устойчивостью течения по отношению к малым возмущениям. Эти возмущения всегда присутствуют при течении в трещине благодаря малым возмущениям, переданным потоку от скважины (скорость потока меняется, возникают очаги неустойчивости из-за наличия отверстий) или шероховатости стенок разлома. Возмущения со временем угасают, и поток стабилизируется. Но при определенных условиях эти возмущения возрастают со временем, становятся не малыми и приводят к возникновению турбулентности (в этом случае поток неустойчив). Режим течения в трещине контролируется параметрами, характеризующими свойства частиц, свойства жидкости и величину скорости течения. Турбулентный режим течения может быть обеспечен и другими методами - например, при меньшем расходе и иных параметрах частиц и жидкости можно добавить конечно-амплитудные колебания расхода в скважине, которые могут вызвать ускоренный переход к турбулентности и, таким образом, обеспечить турбулентный режим течения в трещине.

Процесс гидроразрыва может включать в себя три стадии введения разных жидкостей в грунт: (1) закачивание в скважину маловязкой жидкости, не содержащей частиц проппанта, для того чтобы открыть и расширить гидравлическую трещину в грунте; (2) закачивание жидкости с частицами, имеющими специфические характеристики; (3) закачивание специальной гидросмеси с проппантом, покрытым резиновой оболочкой, которая предотвращает утечку проппанта обратно в скважину во время и после ее закрытия.

В зависимости от плотности и размеров вещества частиц имеется несколько вариантов удовлетворения вышеуказанных критериев и обеспечения турбулентного режима потока внутри трещины. Допустим, что ширина трещины w равна 1 см. Тогда размер и плотность частиц могут быть следующими: (1) маленькие и тяжелые частицы проппанта (радиус σ<0.1 мм и плотность вещества ρ_p>3000 кг/м³ или радиус σ<0.2 мм и плотность вещества ρ_p>1000 кг/м³); (2) большие и сверхлегкие частицы проппанта (радиус σ>0.5 мм и плотность вещества ρ_p<1000 кг/м³).

В качестве частиц могут быть использованы частицы из любого материала, который как правило применяется в нефтесервисной индустрии как расклинивающий агент, например, песок, керамические частицы, гранулы полимера, частицы стекла и т.д. В качестве маловязкой жидкости может использоваться вода либо водный раствор полимера, а также любая другая маловязкая жидкость, как правило используемая при проведении гидроразрыва.