Строительная доска объявлений - BENT.RU
Cтроительный портал BENT. Проектирование, гражданское и промышленное строительcтво. Проектирование зданий.

Добавить объявление
Строительные объявления Строительная документация Статьи по строительству Строительный портал

Гидравлический разрыв и создание капсулированных разрушителей

  [Раздел: Строительные материалы]

М. Миллер, К. Дисмюк

МЭТТЬЮ МИЛЛЕР (Matt Miller) — менеджер Московского отделения фирмы «Шлюмберже». Занимается исследованиями, связанными с увеличением нефтеотдачи скважин, несет ответственность за разработку новых продуктов и услуг. Получил степень доктора по химической технологии в Мичиганском университете (США). Область научных интересов: реология водных растворов полимеров, гидроразрыв пластов.

КЕЙТ ДИСМЮК (Keith Dismuke) — старший менеджер фирмы «Шлюмберже» по персоналу, ответственный за повышение квалификации, включая техническую компетентность, культурный уровень, создание перспектив профессионального роста, а также за организацию правильного использования персонала. Степень доктора по физической химии получил в университете штата Флорида (США). Область научных интересов: ЭПР-спектроскопия малых углеродных молекул.

109004 Москва, ул. Таганская, д. 9, Шлюмберже Рисеч энд Девелопмент, Инк.; тел. (095)937-95-11, факс (095)937-95-12.

Введение

Месторождения углеводородов образуются, когда непроницаемые пласты задерживают нефть и газ, мигрирующие из нижележащих проницаемых пластов. Нефть и газ добывают через скважины, которые пробуривают в резервуаре. Пластовое давление в неразработанном месторождении достаточно для поднятия флюидов на поверхность по стволу скважины. Однако падение давления и повреждение продуктивного пласта вблизи ствола скважины, связанное с отложением минеральных веществ, парафина либо с миграцией мелких частиц, могут привести к полному прекращению добычи нефти и газа. Среднестатистическое месторождение после ликвидации по причинам экономической нецелесообразности все еще содержит 70— 80% исходных запасов. Применение на этих скважинах вторичных методов разработки позволяет превратить ликвидированные или выработанные коллекторы в чрезвычайно продуктивные. Кроме того, консервацию скважины можно отсрочить, применяя такие методы, как гидравлический разрыв пласта (ГРП) и механизированная добыча, которые позволяют повысить устойчивость скважин к повреждению проницаемости пласта и повысить темпы и общий объем добычи нефти и газа из коллекторов. Экономическая выгода, получаемая при увеличении добычи нефти из пластов, огромна. Теоретически при повышении суммарной нефтедобычи из существующих коллекторов на 1% можно добыть восемь миллиардов баррелей нефти. Это количество эквивалентно общей ожидаемой добыче нефти из гигантского месторождения Тенгиз в западном Казахстане.

Разработано много способов повышения темпа отбора углеводородов. Наиболее широкое применение в мировой практике находят два из них: гидравлический разрыв пласта и кислотная обработка породы. Оба способа осуществляют путем введения химически активных растворов в коллектор углеводородов. Для достижения желаемого результата при использовании обеих технологий приходится применять сложные химические соединения в сочетании с новаторскими техническими решениями. В данной статье рассматривается технология гидравлического разрыва пласта — бизнес, который оценивается в 2 млрд долларов в год. Ожидается, что он будет расти высокими темпами.

На выполнение гидравлического разрыва требуется менее суток, но осуществление этого способа обработки является серьезным техническим мероприятием. Сам по себе принцип прост. В коллектор вводится вязкая жидкость, называемая жидкостью для гидравлического разрыва, под давлением до 1000 бар при расходе до 10 м3/мин. При таких давлениях и расходах превышается предел прочности породы на разрыв и образуется трещина. Жидкость для гидравлического разрыва поступает в эту трещину и увеличивает ее до тех пор, пока продолжается введение жидкости при достаточном расходе. Во время одной обработки применяют от 10 до 20 насосов, как показано на рис. 1, хотя в большинстве случаев достаточно использовать от 2 до 5. Во время обработки в образовавшуюся трещину вместе с жидкостью для гидроразрыва подаются песок или керамические частицы, называемые проппантом. Это делается для того, чтобы трещина оставалась открытой после завершения закачки жидкости.

Образовавшаяся в результате ГРП трещина пересекает коллектор, как показано на рис. 2, и имеет очень высокую гидропроводность и огромную площадь поверхности (порядка 4000—120000 м2). Такое сочетание большой площади поверхности и высокой гидропроводности позволяет значительно повысить темп добычи нефти и газа. Технология разрыва связана с оптимизацией размеров гидравлического разрыва для данного коллектора. На начальной стадии применения ГРП жидкость для гидроразрыва закачивается без ка- кого-либо расчета размеров трещины. Такая обработка предназначена для разрыва повреждения вблизи ствола скважины, а не для обеспечения оптимальной добычи. Однако было обнаружено, что способ гидравлического разрыва позволяет увеличить производительность скважины до гораздо более высокого уровня, чем производительность неповрежденной скважины.

Тогда основной проблемой стало максимальное увеличение добычи при снижении до минимума затрат на материалы и оборудование, требуемые для обработки коллектора данным способом.

На ранней стадии разработки технологии ГРП работа была в основном сосредоточена на создании аналитических моделей, которые позволили бы выработать основные принципы получения наиболее экономически эффективных разрывов. Установили, что наиболее важными элементами технологии гидравлического разрыва являются правильный выбор типа проппанта и размещение его (в необходимой концентрации) в соответствующем месте в пласте. Проницаемость упаковки проппанта должна быть в 103÷108 раз выше, чем проницаемость коллектора, тогда обеспечивается минимальный перепад давления и максимальное течение нефти и газа в ствол скважины и на поверхность.

Для решения технической проблемы размещения проппанта требовалась специальная жидкость. Первоначальные исследования и разработки в области химии были направлены на создание жидкостей, которые переносят большее количество проппанта в трещину (более крупные трещины обеспечивали повышение продуктивности скважины). Были созданы полимерные жидкости для гидроразрыва на основе воды — они позволяли решить сразу несколько проблем, связанных с применением гидравлического разрыва:

1) снизить потери на трение в стволе скважины, что увеличивает скорость нагнетания жидкости и сокращает число количество насосного оборудования;

2) снизить скорость утечки таких жидкостей в пласт, что обеспечивает экономически эффективное создание крупных трещин;

3) облегчить образование более широких разрывов благодаря высокой вязкости этих жидкостей и транспорт проппанта к вершине разрыва в результате снижения скорости его осаждения.

Первоначально в качестве жидкости для гидравлического разрыва использовали загущенную нефть; ей на смену пришли жидкости на водной основе, загущенные простыми полисахаридами, такими как гуаровая смола. Увеличение объемов ГРП и концентраций проппанта привели к созданию рабочих жидкостей, загущенных сшитым полимером. Жидкости для гидроразрыва с использованием сшитых полимеров, которые использовались на начальном этапе, были несовершенны и иногда настолько густые, что их консистенция была близка к консистенции желатина. Исследования установили главный недостаток таких жидкостей — жидкость для гидроразрыва, оставшаяся в трещине после процедуры ГРП, значительно ухудшает проницаемость проппанта. Продуктивность трещины и особенно гидропроводность упаковки проппанта вот уже более тридцати лет являются предметом исследований и разработок в компании «Шлюмберже» (Schlumberger).

В данной статье сделан обзор химических продуктов, разработанных компанией «Шлюмберже» в течение последних тридцати лет. Они позволяют повысить проницаемость проппанта и обеспечить высокую продуктивность скважины. Компания «Шлюмберже» первой оптимизировала химический состав жидкости, в которой концентрация полимера снижена более чем на 60% и первой внедрила капсулированные разрушители для очистки проппанта от остатков полимеров, ухудшающих приток флюидов. Читатели получат общее представление об исследованиях и разработках, в результате которых созданы эти технологии. Кроме того, история процесса разработки капсулированных разрушителей показывает, как с применением фундаментальной химии и химической технологии создаются новые химические продукты для нефтяной и газовой промышленности.

Процесс разработки продукта включает в себя четыре этапа:

1) определение проблемы и возможности ее решения;

2) выработка научной концепции и техникоэкономические исследования;

3) сбор научных фактов, данных и освоение процессов в лабораторных условиях;

4) крупномасштабные полевые испытания созданного продукта.

В результате этого процесса создана высококачественная продукция, применяемая компанией «Шлюмберже» на скважинах по всему миру. Комплекс исследований, выполненных для создания рассматриваемого продукта, чрезвычайно широк, мы ограничимся лишь кратким изложением.

Гидравлический разрыв и повреждение трещины

Общепринятыми загустителями воды являются полисахариды (извлекаемые из бобов гуарового дерева, произрастающего в Пакистане и Индии), сшитые бором или цирконием. Эти жидкости обладают хорошими эксплуатационными качествами, но большая часть полимера остается в трещине и вокруг нее, забивая упаковку проппанта и препятствуя добыче углеводородов. Это усугубляется процессами фильтрации в сочетании с механикой горных пород, в результате которых полимер концентрируется внутри трещины. Во время операций по гидравлическому разрыву жидкость для гидроразрыва находится в трещине под гораздо более высоким давлением, чем в коллекторе, поэтому она просачивается из разрыва в пласт. Но поскольку молекулы сшитого гуара слишком крупные и не могут войти в поры пласта, то полимер образует плотную корку на поверхности трещины. Кроме того, когда по окончании операций по гидравлическому разрыву пласта выключают насосы, установленные на поверхности, трещина смыкается, создавая плотную упаковку проппанта. При смыкании трещины происходит дополнительное вытеснение воды из полимерной сетки в пласт, в результате чего еще более повышается концентрация полимера. В результате этого проппант, отложившийся в трещине, впрессовывается в концентрированную массу полимера. Концентрация полимера в трещине может быть в 2—10 раз выше, чем концентрация раствора полимера на поверхности. В связи с этим необходимы интенсивные исследования для предотвращения повреждения упаковки проппанта, чтобы улучшить продуктивность скважины.

Факторы, снижающие эффективность гидравлического разрыва

Во время анализа выявлена и определена относительная роль двух типов повреждения гидравлического разрыва: поверхностного эффекта на границе трещины и породы и закупоривания упаковки проппанта (рис. 3). Термином «поверхностный эффект на границе трещина/порода» (также употребляется выражение «поверхностный скин-эффект») обозначают ухудшение проницаемости резервуара вдоль поверхности трещины. Приповерхностный слой трещины оказывает небольшое влияние на продуктивность коллекторов с низкой проницаемостью, до тех пор пока проницаемость на поверхности трещины не снизится на два—три порядка. Авторы работы приводят общее уравнение для расчета влияния приповерхностного слоя трещины на продуктивность скважины:

где Sfs — приповерхностный слой трещины (безразмерная величина); xf — половина длины трещины; к — проницаемость коллектора; bs — степень повреждения коллектора перпендикулярно трещине, т.е. глубина, на которую жидкость для гидроразрыва проникла в породу, окружающую трещину; ks — сниженная проницаемость приповерхностного слоя.

Обычно приповерхностный слой трещины вызывает значительное снижение продуктивности скважины при значениях Sfs выше 0,3.

В противоположность этому, закупоривание упаковки проппанта, обычно называемое «закупоренной трещиной», существенно ухудшает добычу углеводородов. Проницаемость упаковки проппанта ухудшается вследствие его дробления, неподвижности жидкостей для гидроразрыва, проникновения обезвоженного полимера (остаток жидкости для гидроразрыва) и мелких частиц породы в поровое пространство проппанта и засорения его. Проницаемость трещины снижается из-за турбулентного характера течения при высоких скоростях потока и вследствие изменения проницаемости в проппанте при одновременной добыче двух или трех фаз. Снижение проницаемости трещины непосредственно приводит к снижению продуктивности скважины.

Из рис. 4 видно, что увеличение концентрации полимера (вследствие обезвоживания раствора полимера в трещине) значительно снижает остаточную проницаемость упаковки проппанта. Так, проницаемость упаковки проппанта, составляющая 100 Д (Д — дарси, 1Д = 1 мкм2), снижается приблизительно до 30 Д, если концентрация полимера достигнет 200 фунтов (1 фунт = 0,4095 кг) на 1000 галлонов (1 гал. США = 3,7854 дм3) (2,4%мас.) в конце операций по гидравлическому разрыву. Концентрированный полимер нелегко вытеснить из упаковки проппанта потоком нефти или газа. 

Таким образом, повышение концентрации полимера приводит к засорению упаковки проппанта. Зависимость между остаточной проницаемостью упаковки проппанта и долей засоренного порового пространства показана на рис. 5. Как видно, снижение концентрации полимера в упаковке проппанта приведет к значительному повышению ее проницаемости и к улучшению добычи из скважины.

Повышение эффективности гидравлического разрыва

Для повышения эффективности гидравлического разрыва компания «Шлюмберже» приступила к исследованиям и разработкам в трех направлениях: 1) технических усовершенствований операций по гидравлическому разрыву, методики ввода скважины в эксплуатацию и выбора проппанта, 2) предотвращения повреждения трещины путем улучшения химического состава жидкости для гидроразрыва и 3) химических методов устранения повреждений. Полученные результаты свидетельствуют о влиянии на проницаемость трещины вязкости жидкости для гидроразрыва, сил инерции, образования языков вследствие разности вязкостей, методики ввода скважины в эксплуатацию, остатков геля и разрушителей. На каждом направлении получены успешные разработки для конкретных областей применения. Некоторые результаты далее кратко рассмотрены.

Эксплуатационные факторы

Пропускная способность трещины, называемая гидропроводностью трещины, является произведением ее проницаемости на ширину. Можно уменьшить риск потери продуктивности вследствие закупорки трещины, создавая «запас» гидропроводности в 50, 200 или даже 1000%. Это целесообразно, если предполагается, что может происходить плохая очистка от жидкости для гидроразрыва, дробление проппанта, постепенное повреждение пласта или ухудшение гидропроводности из-за нелинейных эффектов при больших скоростях потока. Дополнительная пропускная способность трещины обеспечивается путем образования более широких трещин и использования проппанта с более высокой проницаемостью (более крупного и более прочного). Проппант является наиболее дорогостоящим компонентом в данном процессе, поэтому такой подход весьма затратен. Кроме того, пласты с высокой проницаемостью налагают технические ограничения на ширину образуемого разрыва вследствие очень высоких скоростей фильтрации жидкости. Другой подход — создание упаковки проппанта, который может выдерживать очень высокие напряжения во время очистки трещины. Значительное повышение продуктивности скважины достигается и при использовании методик очень быстрого ввода скважины в эксплуатацию после ГРП.

Оптимизирование жидкости для гидроразрыва

Жидкости на основе полимеров. Первоначально жидкости для гидроразрыва на основе воды загущали линейными полимерами, такими как полиакриламид, ксантан или гуар. При этом содержание полимера составляло до 0,95%(мас.) для создания трещины достаточной ширины и обеспечения эффективного переноса проппанта в созданный гидравлический разрыв. Количество полимера удалось существенно сократить при использовании сшитых полимеров. Эти более вязкие жидкости имеют более высокую температурную стабильность, создают более широкие трещины, а содержание полимера составляет всего 0,4—0,6%(мас.). Применение сшитых полимеров способствовало оптимизации жидкости для гидравлического разрыва и повлекло за собой расширение исследовательских работ. Были разработаны химические буферы" для регулирования pH системы в узких оптимальных пределах в широком диапазоне температур, а также стабилизаторы для защиты молекул полимера. Кроме того, изучение кинетики реакции между металлом и лигандом и стабильности лиганда позволило разработать высоко эффективные сшивающие системы, что позволило еще более расширить область применения высокотемпературных гидравлических жидкостей с низкой концентрацией полимеров, до 0,2%(мас.) полимера [31-33].

Применение оптимизированных жидкостей (с низким содержанием полимера) позволило значительно улучшить производительность трещин. Однако, во время ввода в эксплуатацию оптимизированных жидкостей первого поколения компания «Шлюмберже» определила следующее направление повышения их эффективности: увеличение стабильности к изменениям химического состава в условиях высоких скоростей потока и температур. Например, неоптимизированная жидкость на основе гуара, сшитого бором, сохраняет достаточно высокую эффективность даже при потере до 20% полимера или при изменении pH на единицу (от 10 до 9), а системы первого поколения могли полностью потерять свои эксплуатационные качества при отклонении pH более чем на 0,2 от оптимального значения либо при снижении концентрации полимера более чем на 10%, например, от 0,2 до

0, 18%(мас.). Необходимо также, чтобы жидкость могла выдерживать нарушения эксплуатационных параметров, таких как неудовлетворительное смешение и плохое качество материалов. Отдел исследований и разработок компании продолжает работу над этими проблемами.

Гидравлические системы, не содержащие полимеров. Во избежание образования концентрированного полимера в порах проппанта разработаны два типа жидкостей для гидравлического разрыва, не содержащие полимеров: загущенные нефтяные системы и вязкоупругие поверхностно-активные системы. Эти системы становятся вязкими и/или вязкоупругими в результате образования трехмерной гелевой сетки из небольших молекул в результате комплексообразования или агрегации указанных молекул. Молекулы с низкой молекулярной массой достаточно малы, чтобы войти в поры пласта во время фильтрации, поэтому не образуют плотные корки в поровом пространстве упаковки проппанта. Их трехмерные гелевые сетки легко разрушаются и вымываются из проппанта во время добычи. Их поведение противоположно поведению очень крупных и относительно неподвижных молекул полимера, которые с трудом растворяются и вымываются.

Жидкости для гидравлического разрыва изготавливают на основе сырой нефти, дизельного топлива, ксилола или аналогичных углеводородов. Вязкость «создается» путем комплексообразования диэфиров фосфорной кислоты, сшитых алюминием:

Алкильные группы должны сохранять растворимость в загущаемой нефти, и каждая группа обычно содержит от 1 до 18 атомов углерода. Эфиры фосфорной кислоты образуют координационную сферу вокруг полярного иона алюминия. Полярные ионы могут ослаблять или полностью разрушать гелевую структуру, поскольку ион алюминия притягивает полярные частицы, такие как вода, кислоты или основания. Технология с использованием загущенной нефти, однако, была признана нецелесообразной из-за экологических проблем и высокой стоимости.

Жидкости для гидравлического разрыва на основе вязкоупругих поверхностно-активных веществ приготавливают на воде с использованием ПАВ, соответствующего количества электролита и вспомогательных ПАВ для создания сетки стержнеобразных мицелл. Эти мицеллы ведут себя как длинноцепные полимеры до тех пор, пока в результате фазового перехода не превратятся в сферические мицеллы. В результате фазового перехода образуется раствор, похожий на водный; он легко вымывается из упаковки проппанта (рис. 6) и смешивается с сырой нефтью либо разбавляется водой.

Существует множество комбинаций ПАВ, электролитов и вспомогательных ПАВ, которые образуют стержнеобразные мицеллы и приводят к описанному выше реологическому поведению. Точная рецептура зависит от условий в коллекторе, состава водной смеси, экологических требований, стоимости и условий эксплуатации.

Жидкости на основе вязкоупругих поверхностноактивных веществ и загущенной нефти имеют низкие скорости фильтрации в пластах с очень низкой проницаемостью (<1 мД) и в пластах с вязкой (или тяжелой) сырой нефтью — это две области применения, где эффективность этих жидкостей достаточно высока. Однако они неэффективны в коллекторах с высокой и умеренной проницаемостью (особенно в газовых коллекторах). Эти жидкости не могут создать наружную корку на поверхности трещины, поэтому характеризуются относительно высокой скоростью фильтрации в указанных коллекторах. Вследствие этого для создания трещины заданного размера требуются очень большие объемы жидкости. Продолжающиеся исследования компании направлены на решение этой проблемы.

Устранение повреждения

Разработка технологии удаления остатков концентрированного полимера во время добычи велась параллельно с разработкой оптимальных жидкостей для гидравлического разрыва. Полисахариды, используемые для разрыва, теряют молекулярную массу в результате кислотного гидролиза, окисления, ферментативного разрушения и механических воздействий. Существенно, когда это происходит по времени. Во время операций по ГРП прилагаются огромные усилия, чтобы свести к минимуму факторы, ведущие к разрушению: механическое воздействие сводят к минимуму посредством управления эксплуатационными параметрами, для уменьшения влияния растворенного кислорода вводят поглотители кислорода (например тиосульфат натрия), для снижения уровня вредных ферментов в водную смесь вводят бактерицидные вещества. В конце операций по гидравлическому разрыву мы предпочитаем, чтобы полимер ушел из упаковки проппанта полностью, чтобы очистить трещину. Разработаны весьма действенные меры для уменьшения молекулярной массы и снижения вязкости остатка полимера.

В коллекторах с высокой температурой применяется термическая деструкция полимера. Однако это эффективно только выше 95 °С и с ограниченным количеством кислорода, растворенного в воде (примерно 8 млн-1). Это длительный и слабо управляемый процесс.

В течение многих лет для разрушения полимерных жидкостей (на основе гуара) для гидравлического разрыва используют гидролитические ферменты, такие как манназа и галаксидаза. Ферменты по своей природе являются катализаторами и значительно снижают расход энергии, требуемой для расщепления основной и боковых цепей полимера. Однако активность ферментов в большой степени зависит от pH, температуры и концентрации. Они эффективны при нейтральном pH и относительно низких температурах окружающей среды", что ограничивает область их применения небольшой группой современных жидкостей для гидравлического разрыва и небольшим числом скважин. Усложняет применение ферментов и тот факт, что многие химические вещества изменяют естественные свойства ферментов, сводя на нет их эффективность.

Для осуществления гликозидного гидролиза используют такие окислители, как персульфат аммония, перхлорат натрия и бромат натрия. Они чрезвычайно эффективно разрушают цепь полимеров, но это сложно контролировать. Эффективность окислителей практически не зависит от pH или наличия других химических веществ, а зависит от температуры. Механизмы управления реакцией заключаются в регулировании скорости образования радикалов или скорости поступления окислителя в раствор. Окислитель вводят ниже температуры его разложения, чтобы происходила гибель радикалов; при температуре выше Тразл. реакция не поддается контролю.

При сложных нативных (изменчивых) условиях добычи нефти и газа технология с использованием окислителей в качестве разрушителей полимеров оказалась наиболее надежной. Основная проблема, возникающая при использовании окислителей, состоит в том, чтобы ввести в трещину достаточное количество окислителя для очистки проппанта без нарушения реологии жидкости во время операций по гидравлическому разрыву. Напомним, что во время этих операций концентрация полимера в трещине вырастает в 2—10 раз по сравнению с концентрацией в жидкости для гидравлического разрыва, вследствие фильтрации жидкости. Для эффективной очистки проппанта от концентрированного полимера требуется высококонцентрированный разрушитель (рис. 7). Однако при введении в жидкость слишком большого количества активного разрушителя жидкость очень быстро теряет свои реологические свойства (рис. 8). Парадокс состоит в том, что при концентрациях разрушителя, достаточно высоких, чтобы повысить гидропроводность упаковки проппанта, вязкость жидкости

Первоначально в паровом пространстве содержалось 250 фунтов гуара на 1000 галлонов жидкости (3,0%мас.), чтобы смоделировать 10-кратную концентрацию полимера по сравнению с стандартной жидкостью для гидравлического разрыва. Остаточную проницаемость измеряли после подачи раствора, содержащего 2,0%(мас.) КС1 со скоростью 5 см/мин после того, как скважина была закрыта на 12 ч при указанной температуре снижается слишком быстро для эффективного разрыва. 

Поэтому необходимо затормозить или задержать реакцию с участием окислителя.

Компания «Шлюмберже» вложила большие средства в разработку эффективного механизма задержки реакции с участием окислителя. В идеале окислитель должен быть инертным во время закачки и стать активным в конце операций по гидравлическому разрыву. При наличии такого продукта можно было бы вводить в жидкость любое количество окислителя во время операций ГРП без риска преждевременного нежелательного изменения реологических свойств жидкости. Ниже подробно описана история разработки капсулированного разрушителя.

Российский Химический Журнал. Том XLVII (2003) №4
Химия современных строительных материалов

  [1] 2 »




Статьи |  Фотогалерея |  Обратная связь

© 2006-2024 Bent.ru
Бесплатная строительная доска объявлений. Найти, дать строительное объявление.
Москва: строительство и стройматериалы.