Теоретические основы проведения гидравлического разрыва пласта.

ГРП предназначен для повышения проницаемости обрабатываемой области ПЗС и заключается в создании искусственных и расширении естественных трещин.

Наличие микротрещин в ПЗС связано с процессом первичного вскрытия в фазе бурения вследствие взаимодействия долота с напряженными горными породами, а также с процессом вторичного вскрытия (перфорации).

Сущность ГРП заключается в нагнетании под давлением в ПЗС жидкости, которая заполняет микротрещины и «расклинивает» их, а также формирует новые трещины. Если при этом ввести в образовавшиеся или расширившиеся трещины закрепляющий материал (например, песок), то после снятия давления трещины не смыкаются.

Общие положения. В невозмущенном горном массиве напряженное состояние горных пород характеризуется следующими напряжениями:

— вертикальным, определяемым весом вышележащих горных пород:

(5.9)

— горизонтальным  ,  (5.10)

где  — плотность вышележащих горных пород;

Н—глубина залегания горизонта, для которого рассчитываются напряжения;

 — коэффициент бокового распора, определяемый по формуле академика А.Н. Динника:

 (5.11)

 — коэффициент Пуассона горной породы, зависящий от продольных и поперечных ее деформаций.

Для песчаников и известняков ; для упругих пород коэффициент Пуассона изменяется в пределах 0,25- 0,43. Для пластичных горных пород (глина, глинистые сланцы, каменная соль) коэффициент Пуассона стремится к 0,5, вследствие чего .

Одним из основных параметров ГРП является давление разрыва горных пород, которое зависит как от горного давления, так и от прочности горных пород. Прочность горных пород даже одного объекта разработки может изменяться в значительных пределах в зависимости от типа породы, ее пористости, структуры порового пространства, минералогического состава, а также от наличия глинистых разностей. Следовательно, давление разрыва Рр является трудно рассчитываемой величиной, но принципиально оно может соотноситься с горным давлением Рг следующим образом:

В зависимости от соотношения Рр /Рг в определенной степени зависит и ориентация в пространстве образующихся трещин. Таким образом, соотношение Рр/Рг в реальных случаях может быть самым различным. Практика показывает, что во многих случаях Рр < Рг. В общем случае давление разрыва зависит от следующих основных факторов:

— горного давления Рг;

— проницаемости ПЗС и наличия в ней микротрещин;

— прочности и упругих свойств горной породы;

— структуры порового пространства;

— свойств жидкости разрыва;

— геологического строения объекта;

— технологии проведения ГРП и др.

При реализации ГРП в призабойной зоне могут образовываться трещины различной пространственной ориентации: горизонтальные, вертикальные или наклонные. На рис. 5.4 приведена схема горизонтальной и вертикальной трещин.

Рис. 5.4. Схема горизонтальной и вертикальной трещин

А. Образование горизонтальной трещины.

Если в призабойную зону скважины нагнетать слабофильтрующуюся (среднефильтрующуюся) жидкость, то фильтрация начинается в наиболее проницаемые области ПЗС, определяемые, как правило, наличием трещин. Фильтрация возможна только при определенном перепаде давлений , зависящем от ряда факторов:

 (5.13)

В этом случае слабофильтрующаяся жидкость действует как клин, увеличивая длину и раскрытость горизонтальной трещины. При этом положительный результат может быть получен только при определенном темпе закачки жидкости разрыва. Минимальный темп закачки жидкости разрыва определяют по эмпирической зависимости:

, (5.14)

где Qмин.г —минимальная подача насосным агрегатом жидкости разрыва для образования горизонтальной трещины, м3/с;

Rr— радиус горизонтальной трещины, м;

— ширина трещины на стенке скважины, м (см. рис. 5.4);

 — вязкость жидкости разрыва, мПа*с.

Принципиально возможно образование горизонтальной трещины и фильтрующейся жидкостью, что связано с существенным увеличением темпа и давления закачки.

Б. Образование вертикальной (наклонной) трещины

Если используется нефильтрующаяся жидкость разрыва, то по мере повышения давления закачки напряжение в горной породе возрастает. При определенном напряжении, превышающем предел прочности породы на сжатие, порода разрывается. Физически этот процесс протекает следующим образом. По мере роста давления закачки напряжение в горной породе возрастает и происходит ее сжатие. Сжатие происходит до определенного предела, определяемого прочностью на сжатие. После превышения этого предела порода не может сопротивляться увеличивающемуся сжатию и растрескивается. После снятия давления закачки возникают остаточные трещины (трещины разуплотнения), как правило, вертикальной или наклонной ориентации.

Минимальный темп закачки жидкости разрыва рассчитывают по следующей эмпирической зависимости:

(5.15)

где Qмин.в —минимальная подача насосным агрегатом жидкости разрыва для образования вертикальной трещины, м3/с;

h — толщина пласта, м.

Так как в процессе закачки определенная часть жидкости фильтруется в породу , формируя вдоль трещин зоны инфильтрата, действительный темп закачки жидкости разрыва QД должен быть выше такового, рассчитываемого по формулам (5.14) и (5.15)