Сущность ГРП - нагнетание под давлением в ПЗС жидкости, которая заполняет микротрещины и «расклинивает» их, а также формирует новые трещины.Напряженное состояние горных пород характеризуется вертикальным напряжением σz =Рг=ρп ·g ·Н горизонтальным напряжением σх=σу=Ргг=λ · ρп ·g · Нρп-плотность горных пород; Н—глубина залегания горизонта; λ— коэффициент бокового распора(ф. А.Н. Динника): γ — коэффициент Пуассона зависит от продольных и поперечных деформаций породы. для песчаников и известняков γ= 0,2-0,3; для упругих пород γ=0,25-0,43. Для пластичных горных пород (глина, глинистые сланцы, каменная соль) γ=0,5, вследствие чего λ—> 1.Давление разрыва горных пород зависит как от горного давления, так и от прочности горных пород (зависит от типа породы, ее пористости, структуры порового пространства, состава, наличия глин). Давление разрыва зависит от следующих факторов: горного давления Рг; проницаемости ПЗС и наличия в ней микротрещин; прочности и упругих свойств горной породы; структуры порового пространства; свойств жидкости разрыва; геологического строения объекта; технологии проведения ГРП. Во многих случаях Рр <Рг Значения давлений разрыва. Все фактические значения Рр лежат в пределах между величинами полного горного и гидростатического давлений. При малых глубинах (менее 1000 м) Рр ближе к горному давлению, при больших глубинах – к гидростатическому. Приближенные значения для давления разрыва: для скв. до 1000 м Рр = (1,74-2,57) Рст. для скв.>1000 м Рр = (1,32-1,97) Рст., где Рст – гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта.
Сущность этого процесса заключается в нагнетании в проницаемый пласт жидкости при давлении, под действием которого пласт расщепляется, либо по плоскостям напластования, либо вдоль естественных трещин. Для предупреждения смыкания трещин при снятии давления в них вместе с жидкостью закачивается крупный песок, сохраняющий проницаемость этих трещин, в тысячи раз превышающую проницаемость ненарушенного пласта.
Гидравлический разрыв проводится при давлениях, доходящих до 100 МПа, с большим расходом жидкости и при использовании сложной и многообразной техники.
На пористый пласт в вертикальном направлении действует сила, равная весу вышележащих пород. Средняя плотность горных осадочных пород обычно принимается равной 2300 кг/м3 .
Тогда давление горных пород будет равно
, (1)
Поскольку плотность воды 1000 кг/м3, то давление горных пород рг примерно в 2,3 раза больше гидростатического на той же глубине Н залегания пласта.
Можно предполагать, что за многие миллионы лет существования осадочных пород внутреннее напряжение породы по всем направлениям стало одинаковым и равным горному. Исходя из этого, следует, что для расслоения пласта, т. е. для образования в пласте горизонтальной трещины, необходимо внутри пористого пространства создать давление Рр, превышающее горное на величину временного сопротивления горных пород на разрыв, так как надо преодолеть силы сцепления частиц породы, т. е.
, (2)
Однако фактические давления разрыва часто оказываются меньше горного, т. е. в ПЗС создаются области разгрузки, в которых внутреннее напряжение меньше горного Рг, определяемого соотношением (1). Это может быть обусловлено причинами чисто геологического характера, например, в процессе горообразования могло произойти не только сжатие пород, но и их растяжение. Но существует и другое объяснение локального уменьшения Pг - сама проводка ствола скважины нарушает распределение напряжении в примыкающих породах, и эти нарушения (уменьшения) тем больше, чем ближе порода к стенкам скважины. Локальное уменьшение внутреннего напряжения особенно сильно, если в разрезе имеются слои глин, обладающие свойствами пластичности, которые в процессе бурения набухают и часто выпучиваются в ствол скважины, вынуждая буровиков перебуривать ее.
В результате расщепление пласта, т. е. образование трещин, происходит при давлении меньшем, чем полное горное давление. Давление на забое скважины, при котором происходит гидравлический разрыв пласта (ГРП), называется давлением разрыва Pp. Оно не поддается надежному теоретическому определению, ибо связано с необходимостью знания некоторых параметров пласта, измерение которых недоступно.
Гидроразрыв пласта осуществляется следующим образом. Поскольку при ГРП в большинстве случаев (за исключением мелких скважин) возникают давления, превышающие допустимые для обсадных колонн, то предварительно в скважину спускают НКТ, способные выдержать это давление. Выше кровли пласта или пропластка, в котором намечается произвести разрыв, устанавливают пакер, изолирующий кольцевое пространство и колонну от давления, и устройство, предупреждающее его смещение и называемое якорем. По спущенным НКТ нагнетается сначала жидкость разрыва в таких объемах, чтобы получить на забое давление, достаточное для разрыва пласта. Момент разрыва на поверхности отмечается как резкое увеличение расхода жидкости (поглотительной способности скважины) при том же давлении на устье скважины или как резкое уменьшение давления на устье при том же расходе. Более объективным показателем, характеризующим момент ГРП, является коэффициент поглотительной способности
, (3)
где Q - расход нагнетаемой жидкости; Рн - пластовое давление в районе данной скважины; Рс - давление на забое скважины в процессе ГРП. При ГРП происходит резкое увеличение kп. Однако вследствие трудностей, связанных с непрерывным контролем за величиной Рс, а также вследствие того, что распределение давлений в пласте - процесс существенно неустановившийся, о моменте ГРП судят по условному коэффициенту k.
, (4)
где Ру - давление на устье скважины. Резкое увеличение k в процессе закачки также интерпретируется как момент ГРП. Имеются приборы для снятия этой величины.
После разрыва пласта в скважину закачивают жидкость-песконоситель при давлениях, удерживающих образовавшиеся в пласте трещины в раскрытом состоянии. Это более вязкая жидкость, смешанная (180 - 350 кг песка на 1 м3 жидкости) с песком или другим наполнителем. В раскрытые трещины вводится песок на возможно большую глубину для предотвращения смыкания трещин при последующем снятии давления и переводе скважины в эксплуатацию. Жидкости-песконосители проталкивают в НКТ и в пласт продавочной жидкостью, в качестве которой используется любая маловязкая недефицитная жидкость.
Для проектирования процесса ГРП очень важно определить давление разрыва Pр, которое необходимо создать на забое скважины. Накоплен большой статистический материал по величине давления разрыва пласта Рр по различным месторождениям мира и при различных глубинах скважин, который говорит об отсутствии четкой связи между глубиной залегания пласта и давлением разрыва. Однако все фактические значения Pр лежат в пределах между величинами полного горного и гидростатического давлений. Причем при малых глубинах (менее 1000 м) рр ближе к горному давлению и при больших глубинах - к гидростатическому. На основании этих данных можно рекомендовать такие приближенные значения для давления разрыва:
для неглубоких скважин (до 1000 м)
для глубоких скважин (H > 1000 м)
где Pcт - гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта.
Сопротивление горных пород на разрыв обычно мало и лежит в пределах σр = 1,5 - 3 МПа, поэтому оно не влияет существенно на Pp. Давление разрыва на забое Pр и давление на устье скважины Pу связаны очевидным соотношением
, (5)
где Pтр - потери давления на трение в НКТ. Из уравнения (5) следует
, (6)
Pст - статическое давление, определяется с учетом кривизны скважины
, (7)
где Н - глубина скважины; β - угол кривизны (усредненный); ρж - плотность жидкости в скважине
Потери давления на трение:
, (8)
где λ - коэффициент трения, определяемый по соответствующим формулам в зависимости от числа Рейнольдса; w - линейная скорость потока в НКТ; d - внутренний диаметр НКТ; ρ - плотность жидкости,; Н - длина НКТ; g = 9,81 м/с2; α - поправочный коэффициент, учитывающий наличие в жидкости наполнителя (для чистой жидкости α = 1) и зависящий от его концентрации
Комментариев нет:
Отправить комментарий