Выбор параметров оборудования при гидравлическом разрыве пласта

Суммарные мировые запасы сланцевого газа оценены в 206 трлн кубометров.

В России оценка ресурсов сланцевого газа от 12 до 90 трлн куб. метров, но стране практически не занимаются промышленным освоением сланцевого газа, поскольку это просто нерентабельно.

Что касается сланцевой нефти, то по различным оценкам ресурсы нефтяных песков, сверхтяжелой нефти и нефтяных сланцев почти пятикратно превышают запасы традиционной нефти.

Ресурсы нефтяных сланцевых плеев широко распространены в мире, причем, по иронии судьбы, едва ли не большая их часть приходится на те страны, которые традиционно считались нефтеимпортерами (Израиль, Иордания, Марокко, Аргентина, Ливия), а их собственная добыча достаточно давно прошла «пик» и постепенно снижалась [17]. Запасы и ресурсы нефтяных сланцев представлены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1.

Запасы и ресурсы нефтяных сланцев по странам мира

 

Страна	Ресурсы, млрд. т		Извлекаемые запасы, млрд. т
США	600		136
Китай	47		1
Израиль	35		6
Демократическая Республика Конго	14		н/д
Иордания	13		4
Бразилия	11		0,4
Италия	10		н/д
Марокко	7		5
Австралия	4		2
Аргентина	3		0,1
Эстония	2		0,6
Прочие страны	8		2,7

 

 

Преобладающая часть ресурсов нефти сланцевых плеев находится на территории США, по большей части, в виде нефти низкопроницаемых пород, (там залегает порядка 600 млрд. т), при этом страна является еще и лидером по объемам доказанных запасов – 142,43 млрд. т.

Второе место в мире по объемам ресурсов нефтяного сланца занимает Китай, с потенциальными ресурсами, оцениваемыми в 46,5 млрд. т н.э. и технически извлекаемыми запасами всего лишь чуть более 0,5 млрд. т. н.э..   

Значительные запасы нефти сланцевых пород расположены и на территории России, однако их оценки весьма различаются - так, по оценкам 1981 года, разведанные запасы горючих сланцев составили 37 млрд. т. При этом запасы Баженовской свиты, которая находится в Западной Сибири и готовится к разработке, оцениваются Министерством энергетики в 22 млрд.т.

 

 

Рисунок 1.3 – Схема размещения бассейнов и месторождений горючих сланцев России и стран СНГ

 

После проведенного гидроразрыва и спада давления из скважины извлекается подземное оборудование и замеряется забой. При наличии песчаной пробки производится промывка ее. Устанавливают интервалы разрыва, а по величине зернистого материала оценивают раскрытие трещин.

Для выявления качественных изменений, происшедших в скважине после гидроразрыва, следует производить замеры дебита нефти и газа, процента обводненности, количества выносимого песка и т.д.

Для более полного представления о длительности эффекта в скважине при последующей эксплуатации ее, помимо замеров дебита нефти и газа, необходимо периодически (один раз в квартал) производить исследования по изучению динамики коэффициента продуктивности. Особенно такие исследования необходимы при значительных изменениях режима работы насосной установки (длины хода, числа качаний, глубины подвески и диаметра насоса) или режимов работы фонтанного или газлифтного подъемников [9].

 

2 Специальная часть

 

2.1 Сущность и цели ГРП

 

Сущность ГРП состоит в образовании и расширении в пласте трещин при создании высоких давлений (от 30 до 100 МПа) на забое скважины жидкостью, закачиваемой в скважину с поверхности. В образовавшиеся трещины нагнетают отсортированный крупнозернистый песок, роль которого состоит в том, чтобы не дать трещине сомкнуться после снятия давления. Современная операция по гидроразрыву пласта приведена на рисунке 2.1.

 

 

Рисунок 2.1 – Современная операция по гидроразрыву пласта

 

Образованные в пласте новые трещины или открывшиеся и расширившиеся имеющиеся, соединяясь с другими, становятся проводниками нефти и газа, связывающими скважину с удалёнными от забоя продуктивными зонами пласта. Протяжённость трещин в глубь пласта может достигать нескольких десятков метров.

Образовавшиеся в породе трещины шириной 1 - 2 мм, заполненные крупнозернистым песком, обладают огромной проницаемостью; фильтрационные сопротивления в призабойной зоне скважины, имеющей такие трещины, приближаются к нулю, что обусловливает увеличение производительности скважины после гидроразрыва пласта в несколько раз.

Проведение гидроразрыва преследует две главные цели:

1. Повысить   продуктивность   пласта   путем   увеличения   эффективного   радиуса дренирования скважины. В   пластах   с   относительно   низкой    проницаемостью гидроразрыв - лучший способ повышения продуктивности.

2. Создать    канал   притока  в  приствольной    зоне    нарушенной   проницаемости.

Нарушение  проницаемости  продуктивного  пласта - важное для понимания понятие, поскольку  тип   и   масштаб    процесса    разрыва    проектируетсяименно   с   целью исправления  этого  нарушения.  Если  есть возможность создать проходящую сквозь зону повреждения трещину, заполненную  проппантом, и привести падение давления до      нормальной     величины     градиента     гидродинамического      давления,   то продуктивность скважины возрастет.

 

 

2.2 Материалы и современное оборудование применяемые при ГРП

 

Жидкости разрыва.

Жидкость разрыва (рабочая жидкость) передает от насосов к породе гидравлическое давление, которое создает трещину, а затем транспортирует проппант (отсюда и название «жидкость-носитель») в трещину. Затем проникающие в пласт жидкости удаляются (или вычищаются) из породы, позволяя вести добычу углеводородов. Факторы, которые необходимо рассматривать при выборе жидкости, включают доступность, безопасность, легкость смешивания и использования, вязкостные характеристики, совместимость с пластом-коллектором, возможность удаления из трещины, а также стоимость.

Жидкости разрыва можно классифицировать как (1) жидкости на нефтяной или водной основе, обычно «сшитые» для обеспечения необходимой вязкости, (2) смеси нефти и воды, называемые эмульсиями и (3) вспененные системы на нефтяной и водной основе, содержащие азот или углекислый газ [4].

Проппанты.

Поскольку проппанты (расклинивающие агенты) должны противостоять напряжениям в земле, удерживая трещину раскрытой после снятия гидравлического давления жидкости разрыва, прочность материала имеет особую важность. Расклинивающий материал должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать напряжение смыкания трещины, в противном случае проводимость слоя (раздробленного) проппанта будет значительно ниже запроектированного значения (уменьшается как ширина, так и проницаемость слоя проппанта). Другие факторы, учитываемые при выборе проппанта, — это размер и форма зерен, состав и, в меньшей степени, плотность.

Две основные категории проппантов — это естественные пески и искусственные керамические или бокситовые проппанты. Пески используются для гидроразрыва пластов в условиях низких напряжений, для глубин примерно до 8000 футов (2400 м) и меньше (предпочтительно, намного меньше). Искусственны проппанты используются для ситуаций высоких напряжений, как правило, в пластах на глубинах свыше 8000 футов (2400 м). Для гидроразрыва высокопроницаемых пластов, где чрезвычайно важна высокая проводимость, использование высокопрочных проппантов может быть оправданным на практически любых глубинах.

Имеются три основных способа увеличить проводимость трещины: (1) увеличить концентрацию проппанта, то есть, создать трещину большей ширины, (2) использовать более крупный (и следовательно, обладающий большей проницаемостью) проппант, или (3) применить высокопрочный проппант, уменьшить его дробление и повысить проводимость.

Современное оборудование для ГРП.

В настоящее время для производства ГРП используются мобильные комплексы, укомплектованные необходимым количеством скважинного оборудования (пакеры, НКТ, устьевая арматура). В состав каждого комплекса входят: пескосмесительная установка (блендер), насосный агрегат (3-5 единиц), блок манифольда, песковоз (сандтрак), станция контроля, емкости для приготовления технических жидкостей.

Гидравлический разрыв пласта осуществляется с использованием комплекса оборудования, включающего в себя подземную и наземную части.

Наземное оборудование:

- установки подъемные;

- насосные установки;

- блендер (пескосмесительные установки);

- емкости (автоцистерны);

- блок манифольдов;

- станция контроля;

- устьевая арматура.

Установки подъемные предназначены для спуско-подъемных операций,связанных с подготовкой скважины к проведению ГРП, и проведения работ для освоения скважины после проведения ГРП. Установка подъемная УПТ1-50 представляет собой самоходную установку грузоподъемностью 50 т, смонтированную на базе трактора Т-130Г-1 (рисунок 2.2), состоит из следующих основных узлов: коробки передач, однобарабанной лебедки, вышки с талевой системой, передней и задней опор вышки, а также гидравлической, пневматической и электрической систем управления aгрегатом, узлом привода ротора и других вспомогательных узлов и механизмов.

 

1 - коробка передач; 2 - однобарабанная лебедка; 3 - компрессор  воздуха; 4 - передняя опора вышки; 5 — фара; 6 - вышка с талевой  системой; 7 — управление; 8 - кабина  машиниста; 9 — гидродомкрат; 10 - задняя опора вышки.

Рисунок 2.2 – Установка подъемная УПТ1-50

 

Насосная установка – это насосный агрегат, установленный на автомобильном шасси и предназначенный для закачивания жидкости и проппанта в скважину (рисунок 2.3). Используемые трехплунжерные насосы 4АН-700 позволяют поднять давление на устье скважины до 50-70 МПа [8]. Эти плунжерные насосы прямого вытеснения бывают нескольких типоразмеров. Чаще всего используется триплексная конфигурация (три плунжера). Насос подбирается таким образом чтобы давление создавало достаточное количество пор и трещин, чтобы обеспечить непрерывную подачу и непрерывное давление. Управление установкой централизованное, с поста управления, расположенного в кабине автомобиля.

 

 

 

 

 1 - автомобиль  КрАЗ-257; 2 - кабина управления; 3 - силовой  агрегат; 4 - коробка скоростей; 5 - муфта  сцепления; 6 - насосный агрегат; 7 - выкидной  маинфольд; 8 - соединительные трубы высокого давления.

 

Рисунок 2.3 – Насосная установка 4АН-700

 

Обычный пескосмесительный агрегат ЗПА (рисунок 2.4) представляет собой смонтированный на шасси тяжелого грузовика КрАЗ-257 бункер 5 с коническим дном. Бункер перегорожен продольной перегородкой для перевозки мелкого и крупного песка. Под дном бункера имеется два горизонтальных шнековых вала, приводимых во вращение тяговым двигателем через коробку отбора мощности. Скорость вращения шнека можно изменять как путем переключения скоростей коробки передачи, так и изменением числа оборотов двигателя автомобиля. Пескосмесительный агрегат 3ПА предназначен для транспортирования песка, приготовления песчано-жидкостной смеси и подачи ее на прием насосных установок при гидроразрыве нефтяных и газовых пластов. Управление осуществляется одним оператором с пульта расположенного в кабине автомобиля.

 

1 - центробежный  насос 4ПС; 2 - силовой блок двигателя  ГАЗ-51; 3 - смесительное устройство; 4 - наклонный шнек; 5 - бункер для  песка; 6 - приемный трубопровод; 7 - раздаточный  трубопровод; 8 - автомобиль КрАЗ-257.

Рисунок 2.4 – Пескосмесительный агрегат ЗПА

 

Для перевозки жидкостей, необходимых для ГРП, применяют автоцистерны различных конструкций (ЦР-20, АЦН-7,5-5334). Автоцистерны ЦР-20 используют для транспортирования неагрессивных жидкостей и подачи их в пескосмисительные установки  при гидроразрыве пластов.

Смонтированы ЦР-20 на автоприцепе 4МЗАП-552, транспортируемом седельным тягачом КрАЗ-258.

Автоцистерны АЦН-7,5-5334 (рисунок 2.5) предназначены для транспортирования жидких сред (кроме агрессивных) с температурой до 800С  и подачи их к передвижным насосным и смесительным установкам при проведении гидроразрыва пласта. Каждая автоцистерна включает в себя цистерну, насосный блок с системой самовсасывания, манифольд, трансмиссию и другое оборудование, смонтированное на автошасси.

 

1 - цистерна; 2 - установка искрогасителя; 3 - установка фары и тахометра; 4 - автошасси МАЗ-5334; 5 - система самовсасывания; 6 - насосный блок; 7 - манифольд; 8 - огнетушитель ОУ-2.

Рисунок 2.5 – Автоцистерна АЦН-7,5-5334

 

Блоки манифольдов (1БМ-700, 1БМ-700С) предназначены для обвязки насосных установок между собой и устьевым оборудованием при гидроразрыве. В районах с умеренным климатом используют 1БМ-700, в районах с умеренным и холодным (при температуре до – 500С) климатом – 1БМ-700С. Блоки манифольдов смонтированы на автошасси ЗИЛ-131 и состоят из напорного и приемно-раздаточного коллекторов, комплекта труб с шарнирными соединениями и подъемной стрелы (рисунок 2.6).