ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИИ ФРЕКИНГА И ЕГО МЕТОДЫ, ПРОВЕДЕНИЕ МИКРОСЕЙСМОКАРОТАЖА
1.1. Описание технологии фрекинга для различных условий
Метод генерации новых трещин или экспансии уже существующих в пласте, вследствие нагнетания в скважину флюида или пены под высоким давлением, называется фрекингом или гидравлическим разрывом пласта (ГРП). Высокая проницаемость возможна за счёт заполнения трещин закрепляющим агентом, например кварцевым песком. Под воздействием горного давления закрепленные трещины смыкаются не полностью, в результате чего существенно возрастает фильтрационная поверхность скважины, а периодически включаются в работу и зоны пласта с лучшей проницаемостью.
Фрекинг применяется для:
интенсификации скважин (в первую очередь с загрязнённой призабойной зоной) путём увеличения эффективного радиуса за счёт создания высокопроводящих трещин;
обеспечения гидродинамической связи скважины с системой естественных трещин пласта и экспансии зоны дренирования;
внедрения в разработку низкопроницаемых залежей с потенциальной производительностью скважин в 2?3 раза ниже уровня рентабельной добычи, и перевода забалансовых запасов в промышленные;
разработки сложных неоднородных и расчленённых пластов, характеризующихся высокой степенью прерывистости, путём комплексной оптимизации системы разработки с целью повышения темпа отбора извлекаемых запасов и увеличения нефтеотдачи за счёт внедрения в активную разработку слабо дренируемых зон и пропластков, а также увеличения охвата пласта.
Для проведения фрекинга, пласты должны иметь следующие геолого-физические характеристики:
выдержанность и толщину литологических экранов;
разрозненность по простиранию;
высокую расчленённость;
выработанность извлекаемых запасов не более 30%;
достаточная мощность пласта и запас пластовой энергии, обеспечивающие окупаемость фрекинга.
Главными ограничениями на применение фрекинга являются:
нефтенасыщенные линзы малого объёма и истощённые пласты с низкими остаточными запасами;
газонефтяные и водонефтяные зоны (опасность ускоренного конусообразования).
Для проведения фрекинга применяют три технологические схемы:
однократный, когда воздействию закачиваемого флюида гидроразрыва подвергаются все пропластки или пласты, используемые скважиной;
многократный, когда поочерёдно гидроразрыву подвергаются два или более пропластков или пластов, вскрытых скважиной;
направленный (поинтервальный) гидроразрыв пласта, когда разрыву специально подвергается один ранее выбранный пропласток или пласт из вскрытых скважиной.
Образование двух или более трещин в пределах вскрытой толщины пласта может произойти и вследствие разрыва пласта по технологической схеме однократного гидроразрыва, если пласт представлен чередующимися пропластками, а давление разрыва приближается к геостатическому давлению (полному горному). Однако методом многократного разрыва пласта принято называть метод преднамеренного образования нескольких трещин. Практические результаты показывают, что применение технологии однократного гидроразрыва малоэффективно, особенно в скважинах, вскрывших два и более пластов. Образование новых трещин или раскрытие существующих возможно, если давление, созданное в пласте при нагнетании жидкости из поверхности, становится больше местного горного давления. Заметим, что образование новых трещин характеризуется резким снижением давления в устье скважины на 3-7 МПа. Раскрытие существующих трещин происходит при постоянном давлении или его незначительном увеличении. В обоих случаях возрастает коэффициент приемистости скважины, который после ГРП должен увеличиться как минимум в 3-4 раза, что считают критерием возможности закрепления трещин песком.
Трещины ГРП в неглубоких (до 900 м) скважинах имеют горизонтальную ориентацию, а в глубоких - вертикальную, наклонную, близкую к вертикальной. Трещины развиваются в той плоскости, где отмечаются наименьшие силы сопротивления, т.е. наименьшее горное давление.
ГРП применяют в любых породах, кроме пластичных сланцев и глин. Это метод не только восстановления природной продуктивности скважин, но и значительного ее увеличения.
Применяемые технологии обычных ГРП ньютоновскими жидкостями предполагают закрепление трещин (около 5-10 т песка при концентрации 50-200 кг/м3) и обеспечивают двух ? трёхкратное увеличение текущего дебита газовых, нефтяных или приемистости нагнетательных скважин в низкопроницаемых пластах с загрязненной призабойной зоной.
С увеличением количества песка до 20 т проводят глубокопроникающий гидравлический разрыв (ГГРП), который содействует значительному увеличению фильтрационной поверхности, изменяет характер притока жидкости от радиального к линейному с подключением новых зон пласта изолированных вследствие макронеоднородности. Трещины такого ГРП достигают 100-150 м в длину при ширине 10-20 мм.
Технологии мощных ГРП (МГРП) осуществляются неньютоновскими жидкостями - гелями, которые обладают очень большой кажущейся вязкостью, меньшими гидравлическими потерями и высокой несущей способностью закрепляющего агента - керамического проппанта (до 1000 кг/м3), обеспечивают увеличение проводимости широких закрепленных трещин в несколько раз по сравнению с обычным ГРП. Увеличение проводимости трещин МГРП достигается за счет значительного повышения концентрации закрепляющего агента до 300-800 кг/м3 в гелях, а общее количество закрепляющего агента может оставаться на уровне 6-20 т. Продолжительность эффекта увеличения дебита скважин после МГРП обычно составляет 1,5-3 г.
В газоносных пластах проницаемостью до 0,001 мкм2 применяют массивный ГРП высоковязкими гелями, во время которого развиваются трещины длиной до 1000 м, закрепленные проппантом в количестве до 300 т. Массивный ГРП - очень дорогостоящий, поэтому он предусмотрен в смете строительства скважины и увеличивает ее стоимость на 50%.
При мощных и массивных ГРП используют дорогостоящую технику, при обычных ГРП могут применяться отечественные техника и материалы (жидкости, закрепляющие агенты, пакеры, оборудование устья).
Сравнение показателей эффективности обычных ГРП и МГРП, а также стоимости этих процессов свидетельствует, что, несмотря на значительно меньшую добычу нефти после обычных ГРП, экономически они вполне конкурентоспособны вследствие меньшей стоимости.
При обычных ГРП фильтрующейся жидкостью развиваются глубокие (50-100 м) трещины небольшой ширины (3-5 мм) в глубь продуктивного пласта (а не вверх или вниз, как при МГРП гелями). При этом практически не возникают ситуации выпадания закрепляющего агента или упаковки трещины, сопровождающейся ростом давления до допустимого. После этого в стволе скважины остается большая пробка закрепителя. Таким образом, обычные ГРП фильтрующими жидкостями имеют хорошие технико-экономические показатели, осуществляются с меньшими осложнениями, и их следует применять в дальнейшем наряду с новыми технологиями.
Технология обычных ГРП осуществляется по следующей схеме.
Для проведения обычных ГРП в скважину на НКТ опускают пакер, который делит ее ствол на две части и защищает верхнюю часть эксплуатационной колонны от высокого давления. Устье скважины обустраивают арматурой, например 2АУ-700, на рабочее давление до 70 МПа. Все насосные агрегаты (до 10) для нагнетания жидкостей ГРП, например 4АН-700, обвязывают с арматурой устья скважины через блок манифольда (1БМ-700). Жидкости для ГРП транспортируют автоцистернами вместимостью по 20 м3 либо сливают в стационарный резервуар (по 50 м3) общей вместимостью 100-300 м3. Вспомогательные насосные агрегаты (ЦА-320М) закачивают жидкость в пескосмеситель (4ПА), из которого центробежным насосом вначале только жидкость, а затем жидкость с песком направляются на выход насосных агрегатов (4АН-700) для нагнетания в скважину.
Чтобы провести ГРП, из скважины поднимают НКТ и другое глубинное оборудование (насосное, газлифтное), шаблонируют эксплуатационную колонну, спускают пакер на НКТ и спрессовывают их. Процесс ГРП начинается с проверки приемистости скважины при наименьшем расходе жидкости разрыва, которую постепенно увеличивают, например, от 250 до 450, 900, 1500 м3/сут, вплоть до значения, при котором обеспечивается закрепление трещин (2000-3000 м3/сут). Далее нагнетают жидкость-песконоситель, обычно концентрацией Сп песка 50-200 кг/м3. Концентрация зависит от вязкости жидкости. В завершение процесса необходимо вытеснить смесь жидкости с песком из ствола скважины в пласт продавливающей жидкостью и закрыть НКТ, пока давление в скважине не снизится до атмосферного. После поднимают НКТ с пакером и спускают глубинное оборудование для эксплуатации скважины. Обычные ГРП проводят ньютоновскими жидкостями. Для проведения обычных ГРП требуется закрепляющий агент (кварцевый песок) в количестве Qпс = 10?20 т, фракции 0,6…1 мм, жидкость разрыва пласта (Vр = 10?ЗО м3), жидкость-песконоситель (Vп = 100?300 м3), жидкость для продавливания в пласт (Vпр) песконосителя в объеме той части полости скважины, по которой поступают жидкости. Небольшую часть жидкости-песконосителя без закрепителя, нагнетаемую после жидкости разрыва для предварительного раскрытия трещин, называют буферной жидкостью. Жидкость разрыва пласта должна быть совместимой с пластовыми флюидами, хорошо фильтроваться в низкопроницаемую породу, не уменьшать ее проницаемости, не греть, быть доступной, недорогостоящей, поэтому часто используют водные растворы ПАВ. Жидкость-песконоситель должна быть совместимой с пластовыми флюидами, иметь свойство удерживать песок, плохо фильтроваться сквозь поверхность трещин, не гореть, быть доступной и недорогостоящей. Для обычных ГРП применяют водные растворы с добавкой 0,1-0,3% ПАВ и полимеров (ПАА, КМЦ, ССБ). Например, в Предкарпатье применение 0,4%-водного раствора ПАА обеспечивает развитие и закрепление трещин песком в количестве до 10т при концентрации Сп = 100 кг/м3, объеме жидкости 100 м3 и расходе 2000-3000 м3/сут с применением раствора 0,4% ПАА. Возможно, также проведение процесса поэтапно в течение двух-трех дней с закреплением трещин 24-72 т песка по технологии, осуществляемой в НГДУ «Долинанефть».
Для глубокопроницаемых ГРП по технологии ВНИИнефти применяют неньютоновские жидкости с динамической вязкостью 50-200 мПа-с при скорости сдвига 650-1100 с-1 (q = 2100?3500 м3/сут) и температуре 20° С не менее 8 ч, стабильные (2 ч) при пластовой температуре. Также ВНИИКРнефтью предложена рецептура на водной основе, содержащая 1-2,5% КМЦ, 1-3% хроматов, 0,2-0,7% лигносульфата, 0,75-2,1% соли хлорноватой кислоты, которая применяется для пластовых температур 60-150° С.
Оптимальные свойства продавливающей жидкости — она не должна гореть и быть маловязкой. Как правило, применяют водные растворы с добавкой 0,1-0,3% ПАВ. Для закрепления трещин в скважинах глубиной до 3000 м, как установлено практикой, пригоден кварцевый песок. В скважинах большей глубины, где обычно горное давление превышает 50-70 МПа, следует использовать более крепкие закрепители-проппанты.
?
1.2. Развёртывание микросейсмического мониторинга
Микросейсмический мониторинг – это метод статичного сейсмического прослушивания, позволяющий картировать сеть трещин, возникающих при фрекинге, выявить их основную направленность и проанализировать геомеханическую конструкцию коллектора. Мониторинг основан на принципе регистрации сигнала, выделяемого при закрытии и образовании новых трещин, получаемого в процессе гидроразрыва пласта, а также движения фрагментов породы относительно друг друга, или переупаковки проппанта при кратковременной смене напряжения в пласте. Эти микросейсмические события происходят с характерными магнитудами от -3 до -1 по шкале моментов Mw?11].
Сейсмические приборы высокой чувствительности, дислоцированные в ближайшей скважине, регистрируют продольные и поперечные волны от всех явлений, соответственно, после математической обработки определяют местоположение источника сигнала, производится интерпретация процесса возникновения трещин при гидроразрыве пласта и строится карта всех таких событий.
Микросейсмический мониторинг фрекинга подразделяется на две фундаментальные разновидности – скважинный и наземный. Внутрискважинный подземный микросейсмический мониторинг предполагает использование соседней скважины в качестве наблюдательной, но при этом имеет гораздо более высокую точность и позволяет получить значительно больший объем информации о ходе проведения фрекинга. Также при проведении работ внутри скважины требуется ориентация сейсмоприемников в пространстве с применением внешних источников – сигнала от перфорации, взрыва, сейсмического вибратора, торпедирования скважины. Метод наземного микросейсмического мониторинга более прост в реализации, так как датчики размещаются на поверхности земли, но обладает довольно низкой точностью определения положения событий, особенно по глубине.
Рисунок 1. Схема скважинного подземного микросейсмического мониторинга
За последние 5 лет, метод скважинного микросейсмического мониторинга ГРП активно стал применяться на территории России. Многие сервисные геофизические компании наработали опыт и определили подход к таким работам, определены основные ограничения в условиях различных типов коллекторов.[3]
Наблюдая за процессом разрастания трещин, с помощью микросейсмического мониторинга скважин, мы можем улучшить дизайн фрекинга и план по разработке месторождения. Сопоставляется сетка бурения, азимут проводки горизонтальных стволов скважин, уменьшается вероятность расхождения трещин в соседние пласты, особенно водонасыщенные. Удается предотвратить появление экологических проблем, а также повышение сейсмичности в сейсмоопасных регионах ?9, с. 678-683?.
?
1.3. Технология мониторинга микросейсмического каротажа при проведении фрекинга
При проведении наблюдений используются сейсмические приборы, состоящие из трёх компонентов – геофоны. Расстояние от сенсора до события определяется путем измерения задержки прихода первых вступлений продольной и поперечной волны, с учетом скоростной модели. Положение события определяется с использованием данных о расстоянии до него и направления (угол и азимут), определяемого по направляющим векторам с помощью инверсии. При использовании трехкомпонентных сенсоров (X, Y, Z), направление возникновения события определяется путем расчета поляризации продольной волны по всем трем направлениям. Поскольку используется несколько сейсмоприемников, становится возможна инверсия источника колебаний, которая выполняется с помощью симплекс метода или алгоритма сетевого поиска ?3?. В следствии этого, расположение события высчитывается путем уменьшения пространственных ошибок на всех сейсмоприемниках.
Рисунок 2. Принцип определения эпицентра микросейсмического события
Рисунок 3. Пример микросейсмического события
Данные, фиксируемые совокупностью сейсмоприёмников (рис. 3) в скважине, в реальном времени, отправляются на станцию сбора данных, расположенную в каротажном подъемнике, где могут быть быстро проанализированы. Трехмерная карта возникающих в ходе фрекинга трещин, отправляется каждые десять или двадцать минут оператору месторождения либо руководителю гидравлического разрыва пласта.
1.4. Микросейсмический мониторинг процесса геологического разреза месторождения
Геологический разрез месторождения представляется с наличием терригенных и карбонатных отложений платформенного чехла, разобщенно залегающими на размытой поверхности фундамента. Подстилаются они метаморфическими и магматическими породами кристаллического фундамента. Продуктивный пласт представлен частым чередованием проницаемых и плотных кварцевых песчаников, с редкими прослоями аргиллитов [3]. Покрышкой для пласта является толща мощных карбонатных и глинисто-терригенных пород.
По кровле наблюдаемого пласта отмечается общее погружение слоев на юго-запад при региональном усилении мощности соленосной толщи в направлении востока. Поверхность в области лицензионного участка осложнена соляно-карстовыми мульдами, довольно широко распространёнными на текущем местоположении. Они сформировались из-за распространения соляного карста в зонах, ослабленных тектонической активностью.
Зона проведения работу усложнена средними и крупными оперяющими разломами.
На рисунке 4 отображена структурная карта наблюдаемого пласта.
На работу скважины после проведения фрекинга, в большей степени влияет наличие разломов. Бывали случаи, когда трещина созданная гидроразрывом пласта расходилась в водосодержащий разлом, расположенный ниже, из-за этого приходилось ликвидировать скважину или же наоборот – трещина распространялась в нефтенасыщенный пласт, что увеличивало продуктивность выше ожидаемой в несколько раз. Необходимо правильно проектировать сетку бурения скважин, ссылаясь на информацию по локальной и региональной тектонике. В распознавании разломов значительное место занимает трёхмерная сейсмика, однако, она не всегда может обнаружить мелкие разломы, которые могут ухудшить показатели продуктивности скважин.
Рисунок 4. Структурная карта по кровле целевого пласта (1 – наблюдательная скважина, 2 – скважина ГРП)
Цель программы фрекинга на исследуемом месторождении – усиление интенсивности добычи нефти, в соответствии с операциями на фонде действующих скважин. На следующие десять лет запланировано существенное количество операций по фрекингу, на территории действующих скважин, с целью повысить дебит нефти. В рамках данной программы был осуществлен пилотный проект по бурению нескольких скважин, ориентированный на нахождение подходящей структуры скважин и выбор техники заканчивания скважин, для подтверждения стратегии будущей разработки месторождений. При реализации этой программы были проведены дополнительные комплексы гидроразрыва пласта и ГИС с использованием различных технических составляющих. Согласно проекту, было пробурено несколько горизонтальных и вертикальных скважин на установленный пласт. В вертикальных скважинах реализованы большеобъёмные ГРП (65-95 тонн проппанта) с использованием новых технологий, которые позволяют увеличить дренирование трещины в отличии от стандартных технологий фрекинга, а также, за счет улучшенного переноса и равномерного распределения проппанта позволят углубить трещины. В качестве ключевого варианта была запущена программа разработки месторождения с использованием горизонтальных скважин. В результате проведённых работ, можно сделать вывод, что разработка месторождения бурением вертикальных скважин не имеет финансовой привлекательности. Тщательный анализ особенностей пласта и применение современных технологий исследования скважин, позволили сделать вывод о целесообразности заканчивания скважин с горизонтальным окончанием и использованием многостадийного гидроразрыва пласта.
В рамках усовершенствования программы фрекинга на месторождении недропользователем были реализованы планы по исследованиям с расширенным комплексом ГИС: — дополнительно было допущено проведение замеров пробором кросс-дипольного широкополосного акустического зондирования в 2 этапа: до проведения фрекинга и после него. В результате получен глубокий анализ характера и курса распространения трещины пласта после проведения фрекинга. Эта информация позволяет определить эффективность гидроразрыва пласта и в дальнейшем использовать для корректировки местоположений нагнетательных и горизонтальных скважин при проектировании системы разработки. При этом, данная технология не позволяет оценить такие параметры созданных трещин ГРП как ширина зоны трещинноватости, сложность гидроразрыва, асимметрия. Также, она позволяет провести наблюдение за многостадийным фрекингом в скважинах с горизонтальным окончанием.
Ссылая на проект разработки, можно выяснить, что было пробурено несколько горизонтальных скважин с 2019 по 2021 год. Информация, полученная в ходе наблюдений за вертикальными скважинами проекта, использовалась в качестве снижения риска, связанного с геологической неопределенностью. Чтобы определить направление планирования фрекинга и горизонтальных стволов, было подписано решение, о бурении пилотных стволов с последующим уточнением проектной траектории. Схема заканчивания скважин включает: установку в интервале горизонтального участка компоновки для многостадийного фрекинга; спуск в кровлю продуктивного пласта эксплуатационной обсадной колонны 178 мм. Крайняя состоит из 4, 5 и более секций и отделяющих пакеров. Освоение после фрекинга происходило с применением колтюбинга. Сравнительный анализ времени и стоимости работ по заканчиванию горизонтальной скважины с применением компоновки с МГРП или использования перфорации для фрекинга показал, что при использовании компоновки с портами и пакерами, несмотря на большую стоимость, процесс её развертывания занимает значительно меньше времени, чем выполнение перфорации обсадной колонны, что зачастую оказывается критически важным. Одним из преимуществ компоновок МГРП является то, что они оборудованы регулируемыми элементами, которые позволяют изолировать обводненные зоны пласта [3].
В соответствии с программой освоения, на одной из скважин с горизонтальным окончанием был проведен скважинный микросейсмический мониторинг гидравлического разрыва пласта для уточнения и корректировки дизайна ГРП последующих скважин. Так как компоновка с пакерами и портами не позволяет менять дистанцию между стадиями в фрекинге, а также принимая во внимание то, что риск прорыва в водонасыщенный пласт был минимален, было принято решение проводить мониторинг с обработкой данных не в реальном времени, а только после окончания процесса фрекинга.
Микросейсмический мониторинг процесса стимулирования пласта проводился с целью оптимизации программы бурения, дизайнов ГРП, расстановки и количества пакеров и портов, изучения проблем возникающих при проведении воздействия на пласт и его свойств. Из-за того, что на текущем месторождении планируется проведение существенного количества операций ГРП, эффект от такой оптимизации позволит значительно сократить издержки.?
ГЛАВА 2. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ФРЕКИНГА ПРИ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОМ КАРОТАЖЕ И АНАЛИЗ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ
2.1. Комплексное воздействие при фрекинге
Существует несколько видов комплексного воздействия, при котором задействуется фрекинг. Речь идет о: CoilFRAC - гидроразрыве пласта через ГНТК, что позволяет интенсифицировать приток; PerfFRAC - избирательном перфорировании, включая гидроразрыв пласта и использование уплотнительных шариков для ступенчатой изоляции; AbrasiFRAC – абразивном перфорировании, включая гидроразрыв пласта.
Благодаря последней технологии возможен полный контроль закачки жидкости разрыва в некоторый промежуток обработки. Для закачки используется пространство внутри обсадной колонны либо пространство, разделяющее обсадную и рабочую колонны (рис. 5). Процесс сопровождается снижением перепада давления между скважиной и пластом, поэтому в приствольной зоне расклинивающий агент выпадает реже (при его скоплении в обсадной колонне после прекращения поступления в пласт). С помощью данной технологии можно успешно обрабатывать пласты, для которых необходимы высокие давления. Кроме того, она позволяет инициировать распространение трещин, а также участков, где точность, с которой закачка подвергаемой обработке жидкости распределяется, ощутимо влияет на эффективность обработки.
