Расчет гидравлического разрыва пласта

Расчет гидравлического разрыва пласта
При ГРП расчет сводится к определению следующих данных:
- основных технологических показателей процесса гидроразрыва пласта;
- увеличения проницаемости призабойной зоны скважины после гидроразрыва за счет образования трещин в этой зоне;
- ожидаемого прироста дебита скважины после ГРП при различной глубине и ширине распространения трещин;
- экономической эффективности ГРП.
Гидравлический разрыв пласта осуществляется в скважине со следующей характеристикой: глубина скважины H=1800 м; диаметр эксплуатационной колонны D=168 мм; пластовое давление p_пл=15 МПа; забойное давление p_з=10 МПа.
Определение расчетных показателей процесса ГРП
Основными расчетными показателями процесса ГРП являются давление разрыва пласта, расход рабочих жидкостей и песка, радиус трещин, проницаемость трещин призабойной зоны и всей дренажной системы, дебит скважины после гидроразрыва, тип и число насосных агрегатов, ожидаемая эффективность гидроразрыва.
1) Расчёт давления гидроразрыва пласта
Для выяснения приемистости скважины и ожидаемого давления разрыва скважина была предварительно испытана. По данным испытания построена зависимость приемистости скважины от давления на забое (рисунок 2.1). Эта кривая позволяет определить давление разрыва пласта. Как видно из графика, при давлении разрыва р_з.р=37 МПа приемистость скважины составила 1400 м³/сут.

Рисунок 2.1 - Зависимость приемистости скважины от забойного давления при гидроразрыве
Определяем вертикальное горное давление
p_в.г=H_пg=1790Ч2300Ч9,81=40,4 МПа,(2.1)
где H-глубина залегания пласта (нижних отверстий фильтра), м;
_п-средняя плотность осадочных вышележащих пород, (2200-2600 кг/м³).
Давление разрыва пласта определяем по формуле
p_з.р= p_в.г- p_пл+_р=40,4-15+2=27,4 МПа,(2.2)
где p_пл-пластовое давление;
_р-предел прочности песчаника на разрыв, принимаем 2 МПа.
2) Расчет рабочего устьевого давления гидроразрыва
ГРП можно проводить как через эксплуатационную колонну, так и через колонну НКТ. Для выяснения возможности проведения ГРП через обсадную колонну следует определить допускаемое давление на устье скважины из условий прочности колонны на разрыв от внутреннего давления и прочности резьбового соединения.
Определим допустимое давление на устье скважины (в случае проведения процесса непосредственно через эксплуатационную колонну без установки пакера) по формуле

, Па (2.3)
где D_н - наружный диаметр эксплуатационных труб;
D_в - внутренний диаметр нижней части эксплуатационных труб (D_в=144,1 мм, согласно ГОСТ 632-80);
_тек - предел текучести для стали группы прочности Д, равный 380 МПа (согласно ГОСТ 632-80);
K - запас прочности (k=1,5);
H - потери на трение в обсадной колонне, м;
- плотность жидкости разрыва (=950 кг/м³);
L - глубина скважины, м.
Для определения потерь напора на трение в обсадной колонне необходимо знать расход жидкости через колонну (трубы) в процессе разрыва. Этот расход определяем на основе зависимости p_з.р=f(Q) (рисунок 2.1). Эта зависимость позволяет определить давление разрыва пласта. Как видно из графика, при давлении 37 МПа приемистость скважины составила 1400 м³/сут и в дальнейшем она растёт почти без увеличения давления. Это означает, что при давлении 37 МПа произошел разрыв пласта. Примем расход Q=15 дм³/с. Для этого расхода при вязкости жидкости =0,25 Пас и глубине скважины 1750 м с диаметром колонны 168 мм потери напора составят 56 м [8, стр. 133, табл. VIII.2), а для нашей скважины глубиной 1800 м они будут пропорционально равны
h=561800/1750=57,6 м.
Допустимое давление на устье p_у определим по формуле 2.3. Оно составит

МПа.
Допустимое давление на устье скважины в зависимости от прочности резьбы верхней части колонны труб на страгивающие усилия, определяется по формуле

, МПа(2.4)
где P_стр - страгивающая нагрузка для обсадных труб из стали группы прочности Д, равна 1,7 МН [10, стр.54, табл.24];
k - запас прочности (k=1,5);
G - усилие затяжки при обвязке обсадной колонны, равное 0,5 МН.
Из полученных двух значений p_у принимаем меньшее (37,78 МПа). Соответствующее забойное давление составит:
p_з.р=p_у+g(H-h)=37,7810⁶+9509,81(1800-57,6)=54,02 МПа.
Полученное значение забойного давления оказалось больше, чем необходимое давление разрыва (23,4 МПа).
Поэтому давление на устье должно быть:
p_у= p_з.р-g(H-h)=27,4-16,2=11,2 МПа.
По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:
Давление на устье скважины (11,2 МПа) ниже допустимого для принятых труб из стали группы прочности Д (при толщине стенки 12,1 мм трубы испытываются на внутреннее давление 43,7 МПа, согласно ГОСТ 632-80), но соответствующее забойное давление (54,02 МПа), при минимальном давлении на устье (37,78 МПа), выше допустимого для эксплуатационной колонны (43,7 МПа).
Поэтому проведение ГРП через обсадную колонну невозможно, следовательно при гидроразрыве пласта необходимо проводить закачку жидкости по насосно-компрессорным трубам с установкой пакера и якоря, для предохранения эксплуатационной колонны от воздействия избыточных давлений.
3) Определение необходимого количества рабочей жидкости
Количество жидкости разрыва не поддаётся точному расчету. Оно зависит от вязкости жидкости разрыва и фильтруемости, проницаемости пород призабойной зоны скважины, темпа закачки жидкости и давления разрыва. По опытным данным объем жидкости разрыва изменяется от 5 до 10 м³. Примем для нашей скважины V_р=8 м³ нефти.
4) Необходимое количество песка
Количество песка G_п, потребное для гидроразрыва, также нельзя рассчитать. По данным отечественной практики количество песка обычно принимают равным 8-10 т на один гидроразрыв. Принимаем для рассматриваемой скважины G_п=10 т.
5) Количество жидкости-песконосителя
Количество жидкости-песконосителя зависит от свойств этой жидкости (вязкость, фильтруемость и пескоудерживающая способность), количества закачиваемого в пласт песка и его концентрации.
Концентрация песка С зависит от вязкости жидкости-песконосителя и темпа закачки. Рекомендуется принимать следующую концентрацию песка: для нефти вязкостью до 0,25 Пас 300-500 г/л. Принимаем С=300 г/л=0,3 т/м³.
Объем жидкости-песконосителя
V_ж.п=G_п/С=10/0,3=33 м³(2.5)
6)Объем продавочной жидкости
Чтобы на забое скважины не осталось части песка, объем продавочной жидкости следует принимать на 20-30% больше объема колонны, по которой закачивается песок. Избыточный объем продавочной жидкости должен закачиваться в скважину при сниженном давлении во избежание оттеснения песка и смыкания трещин вблизи стенок скважины.
Объем продавочной жидкости равен объему НКТ. К расчетному объему НКТ прибавляется объем затрубного пространства между башмаком НКТ и верхними дырами фильтра.
Необходимый объем продавочной жидкости

м³,(2.6)
где K - коэффициент, учитывающий превышение объема жидкости над объемом труб, K=1,3;
d_в - внутренний диаметр НКТ (для 73-мм труб d_в=62 мм, согласно ГОСТ 633-80);
Н - глубина спуска труб (трубы допущены на 10 м выше верхних отверстий фильтра), м.
7) Общая продолжительность процесса гидроразрыва

сут=0,7944 ч или 48 мин,(2.7)
где Q-суточный расход рабочей жидкости (рисунок 6), м³/сут.