6.5. Технология кислотного гидроразрыва пласта
Проведение кислотного гидроразрыва пласта (КГРП) целесообразно в карбонатном коллекторе с относительно большой по размерам и ухудшенной призабойной зоной пласта (ПЗП).
Сущность КГРП заключается в создании на забое скважины давления, превышающего горное геостатическое давление. Объем продуктивного пласта разрывается по плоскостям минимальных напряжений горного давления при закачке жидкости в пласт и сопровождается возникновением трещины гидроразрыва. После создания искусственной трещины в пласт закачивается кислота под давлением, выше давления раскрытия трещины. Кислота взаимодействует с породой на поверхности трещины, в результате чего образуется шероховатая неоднородная поверхность. Поэтому после снятия избыточного давления в трещине остаются взаимосвязанные щели. Для эффективности КГРП важно, чтобы вытравленные кислотой поровые каналы оставались открытыми. В карбонатных отложениях, представленных кальцитом и доломитом, которым присуща определенная прочность, можно создать достаточно протяженные стабильные каналы. Результатом проведения КГРП является существенное увеличение проницаемости ПЗП, которая может стать даже выше проницаемости удаленной зоны пласта (УЗП). Повышение проницаемости в свою очередь вызывает увеличение продуктивности скважины, а также коэффициента извлечения нефти в результате увеличения зоны дренирования скважины. Однако технология КГРП является достаточно сложной. Если проектирование КГРП проведено не на должном уровне, то успешность ГТМ может быть нулевой и даже отрицательной, а материальные затраты не оправдают ожиданий, главным образом из-за недостаточного знания реальных характеристик пласта. Поэтому во многих случаях перед применением основного ГРП производится тестовый гидроразрыв (мини-ГРП), после которого корректируются все параметры модельного «дизайна» КГРП.
6.4.1. Оборудование для проведения кгрп
Оборудование для КГРП является исходной точкой для успешного контроля качества и выполнения работ. Оборудование, требуемое для выполнения стимулирующей обработки, включает ёмкости, смесительное оборудование, оборудование для подачи кислоты, а также насосное и контрольно-измерительное оборудование.
Смесительное оборудование используется для подготовки жидкости разрыва, комбинирования в заданной пропорции жидких и сухих химических добавок к жидкости разрыва. Жидкости разрыва либо смешиваются порционно до проведения обработки (и хранятся в емкостях, пока они не потребуются), либо смешиваются непрерывно в процессе обработки. Для непрерывного смешивания базовая жидкость подготавливается в предварительном смесителе, который соединяет жидкий концентрат геля с водой затворения и обеспечивает достаточное время гидратации, чтобы базовый гель мог набрать требуемую вязкость. Гидратированный гель затем перекачивается из гидратационной емкости в блендер (смеситель), где в рабочую жидкость вводятся необходимые добавки.
Качество процесса смешивания почти всегда контролируется компьютером. В компьютер вводятся заданные контрольные точки для концентрации смеси, и концентрация поддерживается автоматически, независимо от расхода жидкости. Технологические параметры блендера, такие, как уровень жидкости в баке, скорость перемешивания и давления, также находятся под автоматическим управлением, что сводит к минимуму возможные ошибки оператора.
На смену насосу номинальной мощностью 300 лошадиных сил, который использовался в 1949 г. в США, сегодня пришли насосы мощностью 2000 лошадиных сил и более, отбираемой с одного вала. Требования по давлениям также выросли с 140,6 атм. до давлений более 1406 атм. (в некоторых экстраординарных случаях). Передачи хода установки теперь можно переключать при полных оборотах. Компьютер синхронизирует обороты двигателя с переключением передач, так что подача насоса до и после переключения передач остается постоянной. Насосное оборудование с компьютерным управлением также позволяет автоматически контролировать давление и/или темп закачки технологических жидкостей в скважину.
Сегодня при проведении ГРП в реальном времени можно контролировать и регистрировать более тысячи отдельных параметров. Контроль параметров жидкостей обработки является наиболее существенным элементом контроля качества. Параметры, контролируемые и регистрируемые во время проведения ГРП, включают, но не ограничиваются давлением, температурой, расходом жидкости и концентрациями добавок, pH и вязкостью. Любые или все эти параметры могут быть визуализированы во время проведения работ, причем во многих случаях их значения могут в реальном времени пересчитываться на скважинные условия. Во время проведения обработки также контролируются и регистрируются многие параметры оборудования — время работы, давления, вибрация и так далее. Эта информация используется для диагностики и профилактики проблем с оборудованием, она помогает проводить техническое обслуживание и ремонт оборудования, а также совершенствовать расстановку оборудования и дизайн ГРП при проведении последующих работ.
Рассмотрим необходимый перечень технологического оборудования для проведения КГРП:
Питающий манифольд
Питающий манифольд обеспечивает всасывание из водяного резервуара (если он используется), а также обычный всасывающий коллектор с не менее чем восемью 4-дюймовыми всасывающими патрубками. Он используется только тогда, когда вода на смеситель поступает напрямую из водяного резервуара, или, когда используется перекачивающий водяной насос, чтобы поддерживать емкости ГРП в наполненном состоянии.
Перекачивающий водяной насос
Насосы низкого давления с большой подачей используются для перекачки воды из водяного резервуара (или другого источника воды) в емкости ГРП и/или к смесителю. Перекачивающие насосы могут требоваться или не требоваться, в зависимости от расстояния между источником водоснабжения и блендером, а также от их взаимного расположения по высоте. В зависимости от объема ГРП и расстояния от источника водоснабжения, будет использоваться один или больше насосов для перекачки воды по стандартному 6-дюймовому оросительному ПВХ трубопроводу.
Емкости ГРП
Для хранения жидкости разрыва, а также кислоты на месте проведения работ используются автономные емкости (рис. 6.10.) на 500 баррелей (80 м3). Эти «емкости ГРП» имеют собственные колеса, и их можно легко перевозить со скважины на скважину. Такие емкости имеют как минимум четыре 4-дюймовых патрубка и 12-дюймовый поворотный дисковый затвор, которые используются для совместной обвязки этих емкостей, обеспечивающей общий источник воды. Требуемое количество емкостей ГРП зависит от размера обработки.
Рис 6.10. Емкость технологических жидкостей
Система подачи песка (стационарная)
Для подачи песка в блендер используется установленный на прицепе бункер-накопитель для песка, оборудованный ленточным транспортером. Подача песка идет под собственным весом, в нем имеется задвижка с гидравлическим управлением. Каждый накопитель имеет как минимум два отсека, причем песок можно подавать из любого отсека или из обоих сразу. В зависимости от объема и максимальной концентрации проппанта, иногда требуется больше одного бункера; в этом случае используется центральный ленточный транспортер для координации подачи песка в блендер.
Система подачи песка (мобильная)
Для ГРП малого объема обычно используются смонтированные на грузовом автомобиле установки для транспортировки и подачи песка. Возможности этих установок аналогичны возможностям стационарных установок за исключением того, что их объем значительно меньше, 35 000 - 60 000 фунтов (15.9 - 27.2 т) вместо 250 000-500 000 фунтов (113.4 - 226.8 т). В случае очень крупнообъемных ГРП мобильная система подачи может использоваться для подпитки более крупных стационарных систем, таких как так называемый “mountain mover” («передвигающий горы»).
Транспортер для песка
Какая бы система подачи песка — стационарная или мобильная — ни использовалась, расположение техники для ГРП на скважине может заставить нас использовать ленточную транспортерную систему для доставки песка к блендеру. Большинство транспортерных систем монтируются на прицепе, и их маневренность позволяет легко установить их в нужном положении на месте проведения работ.
Установка затворения и гидратации химреагентов
Имеется два метода затворения жидкостей до закачки. В первом случае их можно замешивать порционно в гидроразрывных емкостях. Это позволяет легко контролировать качество и постоянство состава жидкостей, что нравится многим операторам, но это метод имеет и недостатки. Если происходят какие-либо задержки в закачке, загущенные жидкости могут быстро портиться, особенно при высоких наружных температурах. К тому же, неиспользованные жидкости создают определенные экологические проблемы, и их необходимо утилизировать должным образом.
Второй метод — это замешивать жидкости по мере надобности «на ходу», то есть непрерывно. Химические добавки, загустители и сшиватели замешиваются с водой все вместе в гидратационной емкости. Функционирование гидратационной установки необходимо тщательно контролировать, чтобы гель находился в ней достаточное время для набухания, прежде чем он попадет в смеситель. Одна из проблем с затворением при отсутствии современной гидратационной установки состоит в том, что для надлежащей гидратации необходимо корректировать pH. Это очень деликатная операция, особенно при высоких окружающих температурах. Хорошо отлаженная гидратационная установка может эффективно замешивать как сухие, так и жидкие химические добавки. Использование гидратационной установки непрерывного действия минимизирует проблемы с замешиванием полимеров, которые добавляются в жидко-пастообразной форме — это устраняет необходимость использовать блендер для перемешивания. Для введения добавок в жидкость разрыва необходимы действующие совместно дозирующие насосы, подсоединенные к главным нагнетательным линиям. Технологические данные с гидратационной установки передаются по кабелю в центр управления и постоянно контролируются во время проведения работ по ГРП.
Смесительная установка (смеситель)
Автономный блендер, смонтированный на грузовом автомобиле, соединяет воду, гель, кислоту и другие добавки в одну однородную смесь. Блендер располагается в центре работ по КГРП . Он соединен с системой подачи жидкости разрыва как минимум четырьмя 4-дюймовыми гибкими шлангами (их может быть до двенадцати). Его выходная сторона соединена с впускной стороной гидроразрывного манифольда 4-дюймовыми гибкими шлангами или непосредственно к насосным агрегатам. Блендер должен быть способен непрерывно добавлять сухие и жидкие добавки и быть откалиброванным, чтобы обеспечивать очень высокую точностью их дозирования. Производительность блендера определяется объемом и скоростью, с которыми он может принимать добавки. Данные с блендера также передаются по кабелю на центр управления.
Технические характеристики УС-10 представлены в табл. 6.10. Смесительная установка изображена на рис. 6.11.
Манифольд высокого/низкого (HI-LO) давления
Манифольд высокого и низкого давления (рис. 6.12) может быть смонтирован на прицепе, на автомобиле или на скиде. Коллектор низкого
Таблица 6.10.
Технические характеристики УС-10
Рис. 6.11. Смесительная установка УС-10 для ГРП
давления (“LO”) используется для соединения выхода блендера с всасывающей стороной насосных агрегатов ГРП. От смесителя к манифольду идут от четырех до восьми 4-дюймовых гибких шлангов, а дополнительные гибкие шланги идут к отдельным входам насосов ГРП. Стандартный манифольд может обслуживать восемь насосных агрегатов ГРП одновременно. Все патрубки на коллекторе низкого давления снабжены двустворчатыми отсекающими клапанами.
Сторона высокого давления (“HI”) манифольда запитывается от выброса насосных агрегатов ГРП по стальным патрубкам высокого давления и, в свою очередь, соединяет устье скважины с патрубками насосов высокого давления. Каждая линия к коллектору высокого давления и от него включает (последовательно) контрольный клапан на 15000 psi (103.4 МПа) для управления движением жидкости и запорный клапан на 15000 psi (103.4 МПа).
Рис. 6.12. Манифольд высокого и низкого давления
Манифольд высокого давления
Для малообъемных ГРП (т.е., когда насосные агрегаты ГРП подсоединены непосредственно к блендеру) используется простой манифольд высокого давления (односторонний) для соединения выкидов насосных агрегатов и обрабатываемой скважины. И, опять-таки, используются контрольные клапаны и запорные клапаны высокого давления.
Насосные агрегаты ГРП
Насосы забирают рабочую жидкость под низком давлением (порядка 60 psi = 4,14 атм) и выбрасывают под требуемым давлением в тысячи psi (сотни атмосфер). Эти плунжерные насосы прямого вытеснения бывают нескольких типоразмеров. Чаще всего используется триплексная конфигурация (три плунжера). Сейчас приобретают популярность насосные агрегаты ГРП типа квинтаплекс (5-плунжерные), и они, конечно, могут перекачивать больше жидкости и при более высоких давлениях, чем триплексные. Гидравлическая мощность этих насосных агрегатов варьирует от менее 1000 гидравлических л.с. у ранних моделей триплескных насосов до значительно более 2000 гидравлических л.с. у последних моделей насосов типа квинтаплекс.
Насосные агрегаты монтируются на траке или на прицепе (рис. 6.13). Они снабжены системой отключения на высоком давлении, управление ими должно вестись дистанционно по кабелю.
Рис. 6.13. Шасси для УН-2250
Далее рассмотрим насосную установку УН-2250 (рис. 6.14). УН обеспечивает следующие функции:
автоматизированную работу в режиме ГРП;
автоматическое переключение передач в трансмиссии без разрыва потока мощности;
плавный диапазон регулирования величины опрессовочного давления манифольдов и насосно-компрессорных труб, создаваемого УН в диапазоне от 0 до 85 МПа;
плавный диапазон регулирования производительности в диапазоне от 0 до 2,5 м3/мин;
автоматическое поддержание постоянной величины производительности (вне зависимости от изменения давления, создаваемого скважиной);
автоматический встроенный контроль состояния узлов и систем УН;
прекращение подачи рабочей жидкости в скважину при срабатывании защиты от превышения максимально допустимого давления на скважине без остановки газотурбинных двигателей (ГТД).
Рис. 6.14. Насосная установка УН-2250
В табл. 6.12 приведены технические характеристики установки УН-2250. Рабочая характеристика УН-2250 изображена на рис. 6.15.
Таблица 6.12.
Технические характеристики УН-2250
Рис. 6.15. Рабочая характеристика УН-2250
Трубопроводы высокого давления
Для подсоединения выкидной стороны насосных агрегатов ГРП к манифольду, а манифольда к скважине требуются рассчитанные на высокие давления трубные секции, быстроразъемные соединения с накидной крыльчатой гайкой, патрубки-разветвители, шарниры, контрольные клапаны, предохранительные клапаны и запорные клапаны. Эти детали, часто собирательно называемые «трубной обвязкой» или «технологическим трубами» ( “treating iron” по-английски), бывают диаметром 2, 3 и 4 дюйма и на разные номинальные давления.
Патрубок-разветвитель часто используется возле устья скважины для совместного подвода двух линий высокого давления от манифольда к одной точке нагнетания. Контрольные клапаны изолируют оборудование для ГРП от противодавления в нагнетательной скважине. Если по какой-либо причине давление в гидроразрывной линии превысит максимальное заданное давление, то открывается предохранительный клапан, чтобы сбросить давление и предупредить повреждение оборудования или травму персонала. В качестве дополнительной контрольной точки в трубопроводе выше устья скважин также используется пробковый клапан. Чтобы минимизировать влияние вибрации труб и перемещения труб на жесткие соединения, всё оборудование высокого давления соединено с использованием как минимум двух секций с шарнирным соединением посредине. Дополнительные шарнирные соединения часто используются для упрощения обвязки устья и дальнейшей минимизации влияния вибрации.
Гибкие шланги
Четырехдюймовый гибкий шланг, рассчитанный на давление 150 psi (1.03 МПа) и обычно эксплуатируемый при 60 psi (0.41 МПа), обычно используется для подсоединения источника водоснабжения к смесителю, а также смесителя к манифольду, а также для подачи рабочей жидкости к входу насосных агрегатов; 12-дюймовые гибкие шланги обычно используются для совместной обвязки емкостей ГРП, чтобы создать единый источник водоснабжения.
Станция контроля и управления
Всё оборудование, расходы жидкостей и критические давления контролируются центральной станцией управления, который в просторечии часто называют «станцией ГРП» (рис. 6.16). В станции контроля и управления данные визуализируются, регистрируются, обрабатываются и поминутно распечатываются. Оператор ГРП — это человек, отвечающий за мониторинг потока данных с программируемого дисплея и пульта управления. Как минимум, на дисплее постоянно высвечивается расход пульпы, расход различных добавок, давление обработки на устье, а также время, истекшее с начала обработки.
Станции контроля и управления, оснащенные многочисленными дисплеями и имеющие возможность параллельной обработки данных, позволяют одновременно обрабатывать и оценивать данные обработки пласта в реальном времени (например, рассчитывать забойные давления или время прохождения жидкости, или контролировать в графическом режиме динамику различных диагностических графиков во время обработки пласта).
Рис. 6.16. Станция контроля и управления СКУ-10
Технические характеристики станции контроля и управления отражены в таблице 6.13. Компоновка СКУ-10 представлена на рис. 6.17.
Таблица 6.13.
Технические характеристики СКУ-10
Рис. 6.17. Компоновка СКУ-10
Станция контроля качества
Мобильная химическая лаборатория используется для того, чтобы «выхватывать образцы» и анализировать их до и во время проведения ГРП. Типичная мобильная лаборатория включает, как минимум: pH-метр; температурный зонд; набор сит для проппанта и механические классификаторы для ситового анализа; лабораторные весы; смеситель; водяной термостат; вискозиметр и, возможно, встроенный вискозиметр; а также различные принадлежности, такие как чашки, мешалки, перчатки, фильтры, справочные руководства, микроволновая печь. Мобильная лаборатория обычно оснащена собственным генератором для электропитания всего оборудования.
Средства связи
Все операторы любой техники, человек, контролирующий источник водоснабжения, а также любой другой персонал, критический для проведения работ по ГРП, должен иметь постоянную двухстороннюю связь с оператором ГРП, в любой момент. Оборудование связи обычно встроено в центр управления, и производители таких агрегатов предлагают несколько вариантов.
Дистанционный мониторинг
Дистанционный мониторинг «доставляет» площадку скважины непосредственно клиенту, обеспечивая связь в реальном времени через спутник. Возможность передачи данных по спутниковому каналу становится приоритетной для всех работ ГРП, проводимых в отдаленных районах. Производители центров управления теперь предлагают спутниковый вариант.
Дистанционное управление
Когда используется несколько насосных агрегатов ГРП (почти всегда), число операторов можно ограничить, используя пульты дистанционного управления. Каждый пульт дистанционного управления может обслуживать до четырех насосных агрегатов, а один оператор может обслуживать два пульта. Оборудование более новых моделей может быть встроено непосредственно в центр управления, хотя это не всегда необходимо.
Оборудование скважины
При подготовке скважины к ГРП для исключения возможных выбросов жидкости глушения и продукции скважины устье последней оборудуется превенторными установками.
При подготовке к ГРП для закачки жидкости в скважину спускается колонна НКТ диаметром 89 мм. Затрубное пространство (обсадная колонна и НКТ 89 мм ) герметизируется установленным в зоне ГРП пакером. Установка пакера проверяется опрессовкой затрубного пространства водой на рабочее давление обсадной колонны через ЦА-320.
Прочее
Трубовозка, оборудованная краном или подъемником на шасси трака используется для транспортировки всех технологических труб высокого давления и помогает в сборке трубной обвязки.
Проведение столь сложных работ, как ГРП, необходимо планировать на дневное время. Иногда, либо из-за задержек, механических поломок, или из-за объема ГРП, требуется проводить работы в ночное время. Для этой ситуации требуются осветители ГРП. Это светильники большой интенсивности, наподобие тех, которые используются на стадионах, смонтированные на телескопических мачтах, и каждый комплект со своим собственным генератором.
Стальные стойки и стальные канаты используются для закрепления всех напорных линий высокого давления при проведении ГРП. Трубная обвязка высокого давления, не закрепленная должным образом, может неконтролируемо мотаться во всех направлениях, если произойдет ее разрыв во время нагнетания, что создаст большую опасность повреждения оборудования и травм для персонала.
Хотя на самом деле нет типичной комплектации и расстановки для оборудования ГРП — монтаж «расстановки ГРП» сильно меняется в зависимости от географического района и ожидаемых давлений, температур и объемов, связанных с каждой конкретной операцией.
Примерная схема расстановки оборудования для проведения КГРП представлена на рис. 6.18, где:
1) Станция контроля и управления СКУ-10;
2) Насосные установки УН-2250;
3) Смесительная установка УС-10;
4) Ёмкости для рабочей жидкости;
5) Бункер для проппанта или саморазгружающийся проппантовоз;
6) Машина манифольдов типа ММ105М;
7) Блок манифольдов типа БМ105;
Рис. 6.18. Схема размещения оборудования КГРП