Перспективы применения технологии безводного гидравлического разрыва пласта на основе углекислотной жидкости

В статье автор анализирует особенности технологии ГРП на основе углекислотной жидкости и оценивает перспективы применения технологии в России.

Ключевые слова: ГРП, углекислотный ГРП, сверхкритическая углекислота, трудноизвлекаемые запасы.

Технология стимуляции продуктивности пластов методом гидравлического разрыва приобрела большую популярность в конце 20го века во множестве нефтегазодобывающих регионов мира. Технология позволяет создать протяженные высокопроницаемые каналы в толще пласта, создав таким образом в призабойной зоне подобие корневой системы скважины, в которой происходит фильтрация флюида из пласта и перемещение его на забой скважины. Эффективность такого способа связи с пластом во множество раз выше, чем любой другой метод приобщения пластов, т. к. получаемые каналы формируют огромную суммарную площадь поверхности фильтрации флюида. Гидравлический разрыв позволяет эффективно приобщить обширную зону пласта, увеличивает продуктивность скважин, является методом извлечения запасов, считающихся трудноизвлекаемыми, а в некоторых случаях является единственным эффективным методом получения флюида, например, для коллекторов с низкой проницаемостью. Именно применение ГРП стало ключом к «сланцевой» нефти Соединенных Штатов, т. к. без гидроразрыва из таких коллекторов невозможно эффективно извлекать запасы. На сегодняшний день гидравлический разрыв очень популярен среди недропользователей и стал, едва ли, не обязательной операцией. ГРП выполняется почти на каждой скважине, где по техническим соображениям его возможно произвести. Однако у технологии все же имеется ряд отрицательных свойств, требующих внимания. Первой проблемой гидроразрыва является задача объективного моделирования создаваемых каналов, для того чтобы возможно было прогнозировать развитие трещины в толще пласта и избегать ее прорыва в обводненную зону. Подобные прорывы оказывают очень негативное влияние на результат операции и ставят целесообразность ГРП под вопрос. Вторая проблема кроется в технологии выполнения работ. Дело в том, что в качестве инструмента гидравлического разрыва используются различные жидкости на водной основе. Задачей жидкости является формирование трещины в пласте и, обычно, размещение в сформированной трещине расклинивающего агента, керамического проппанта, после чего, жидкость должна быть выведена из пласта с минимальным воздействием на его фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС). Как известно, вода оказывает существенное негативное влияние на свойства пласта, т. к. провоцирует набухание формирующих пласт глинистых пород, может образовывать устойчивые эмульсии с пластовым флюидом, а также насыщает поровое пространство, снижая их относительную проницаемость для целевых флюидов, что в комплексе оказывает сильное негативное влияние на проницаемость пласта и снижает его продуктивность. Для снижения негативного эффекта в рецептуру жидкостей гидроразрыва в обязательном порядке включают ингибиторы глин и деэмульгаторы, тщательно контролируют качество разрушения вязкой структуры жидкости для ее качественного удаления из пласта, однако, эффективность данных мер далеко не всегда высокая, кроме того, некоторые пласты в виду их физико-химических свойств остаются не совместимыми с жидкостями на водной основе.

Для решения данной проблемы уже с начала освоения и популяризации технологии ГРП ведутся работы по внедрению безводных жидкостей гидроразрыва. На настоящий момент в качестве альтернативы имеется опыт применения жидкостей на углеводородной основе, и пенно-азотной жидкости, обе эти технологии освоены в Российской нефтегазодобывающей промышленности и успешно применяются на различных месторождениях в случае их целесообразности. Однако не изученным остается западный опыт в области выполнения ГРП с применением сжиженного углекислого газа (Liquid CO2)

Гидроразрыв пласта с применением жидкой углекислоты был освоен в Канаде в начале 1980-х годов. К концу 20-го века Канадскими компаниями было успешно выполнено более 1200 операций ГРП с применением углекислоты. В нормальных условиях давления и температуры, близких атмосферным CO2 является бесцветным газом без вкуса и запаха. Использование углекислого газа для гидроразрыва пласта предполагает использование его в сжиженном виде в качестве жидкости разрыва, и жидкости-песконосителя, для размещения проппанта в созданной трещине. Особенностью углекислого газа для гидроразрыва является его физическое свойство перехода в сверхкритическую фазу при термобарических условиях, создающихся во время закачки в пласт. Фазовый переход жид происходит в критической точке при температуре — 304,1K (30.1С) и давлении выше 7,38МПа, и придает веществу промежуточные свойства между жидкостью и газом.

Таблица 1

Сравнение свойств сверхкритической, жидкой и газообразной фазы углекислоты CO ₂

Увеличивается коэффициент диффузии, силы поверхностного натяжения становятся равны нулю, что в сочетании со снижением вязкости вещества существенно снижает гидравлические сопротивления во время закачки, а также существенно увеличивает его проникающую способность. Снижение плотности почти в два раза относительно жидкой фазы увеличивает растворяющую способность углекислоты.

Рис. 1. Породоразрушающий эффект

Н ₂ ОСО ₂

Рис. 2. Результат ГПП

Кроме того, практические исследования по сравнению эффекта гидропескоструйной перфорации на водяном и углекислотном флюиде, проведенные на сланцевом месторождении Mancos в Соединенных Штатах Америки показывают существенно больший породоразрушающий эффект сверхкритической углекислоты при меньшем давлении закачки, и намного большее значение Pressure Boost effect, в сравнении с водой.

В целом уникальные свойства углекислотного флюида дают следующие преимущества при использовании его в качестве жидкости гидроразрыва:

− Уход от закачки воды в пласт и исключение негативных факторов, снижающих ФЕС пласта.

− Повышение проницаемости ПЗП путем растворения вязких смолистых отложений и вытеснения из порового пространства воды и газов повышая тем самым проницаемость порового пространства для флюида.

− Повышенные породоразрушающие свойства и сильный эффект повышения давления при ГПП позволяют сформировать более обширные фильтрационные каналы в ПЗП.

Рис. 3. Схема обвязки оборудования при углекислотном ГРП

Гидравлический разрыв на базе углеводородной жидкости выполняется по схожей с обычным гидроразрывом технологии. Сжиженный углекислый газ доставляется на место производства работ в специальных емкостях, в которых поддерживается установленная температура и давление, для сохранения жидкого состояния вещества. Поверхностные линии обвязываются таким образом, что жидкий CO2 под давлением газообразного азота вытесняется в манифольд специальной смесительной установки, осуществляющей подачу проппанта в жидкость под давлением, после чего, смесь подается в приемный манифольд насосов высокого давления, которые осуществляют непосредственную закачку флюида в пласт, выдерживая необходимый объемный расход смеси и давление нагнетания. При этом программа закачки составляется аналогично стандартным операциям ГРП и предполагает буферную стадию, стадию подачи песка и стадию продавки. В сверхкритическое состояние флюид переходит естественным образом в процессе закачки в пласт, под воздействием пластовой температуры и давления закачки.

Для оценки перспектив данной технологии в конце 1990х — начале 2000х годов под руководством Департамента Энергетики США (DOE) на гидрофобных сланцевых коллекторах Девонского пласта месторождений в восточной части штата Кентукки, Западной Пенсильвании, Техас и Колорадо были проведены несколько серий опытно промышленных работ. В рамках ОПР было выполнено девятнадцать успешных операций ГРП с размещением от 20 до 30 тонн проппанта в пласт, на шестнадцати скважинах — кандидатах, и последующая оценка результатов прироста дебета газа в сравнении с аналогичными скважинами, ГРП на которых было выполнено на пенно-азотной основе. Выполненные исследования выявили ряд недостатков технологии и дали не однозначные результаты сравнения. Так в процессе выполнения работ исполнители столкнулись с проблемой герметизации плунжеров насосных установок, во время закачки углекислоты из за ее физических свойств, кроме того, плохая песконесущая способность флюида в некоторых случаях приводила к засыпанию забоя и преждевременным остановкам закачки, кроме того, из-за применения специальной смесительной установки (блендера) закрытого типа, подающего проппант в жидкость под давлением, максимальный объем размещаемого в пласте проппанта ограничивался объемом предварительной загрузки установки, что стало условием для формирования только не больших по протяженности трещин. Сравнение продуктивности скважин после выполненных углекислотных ГРП с контрольной группой скважин, ГРП на которых производилось с помощью пенно-азотного флюида в 80–90 % случаев показало приблизительно равные результаты, однако в 10–20 % случаев продуктивность скважин после углекислотного ГРП существенно превосходила продуктивность скважин после пенно-азотного ГРП. Т. к. стоимость выполнения углекислотного ГРП существенно превосходит аналогичные работы с применением пенно-азотной технологии, хотя пенно-азотная технология не может считаться полностью безводной, сопоставимость результатов продуктивности способствовала негативным выводам относительно перспектив технологии. На основании комплексной оценки результатов исследований комиссия Департамента Энергетики США сформировала заключение о необходимости доработки технологии, более тщательного подбора скважин — кандидатов и проведении повторных ОПР по оценке эффективности технологии. К сожалению, дополнительные опытно-промышленные исследования в этой области до настоящего момента не производились.

Оценивая общие характеристики технологии, и ее применимость на месторождениях нефти и газа в России, можно предположить, что применение углекислотного ГРП может быть актуальным методом для решения задач по извлечению трудно извлекаемых запасов вязкой нефти и газа в низко проницаемых пористых и трещиновато-пористых коллекторах, содержащих чувствительные к воздействию воды породы. Для успешного внедрения технологии требуется детальная проработка технической стороны, а также более широкая геолого-технологическая подготовка и анализ результатов. Однако, при должной проработке задачи, технология может стать ключом к успешному освоению наиболее сложных категорий ТРИЗ.

Литература:

1. Обоснование применения струйно-колтюбингового ГРП с использованием сверхкритического CO2 — Г.Ли, Й.Ченг, Х.Ванг, Ш.Тиан, Й.Жанг // Специализированный журнал «SOCAR Proceedings». — Режим доступа: http://proceedings.socar.az/ru/journal/15
2. Field testing & optimization of CO2/Sand fracturing technology. Final report — RAYMOND L. MAZZA // Petroleum Consulting Services Canton, Ohio: 2004
3. Literature Review and Analysis of Waterless Fracturing Methods — George Moridis — Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley: 2017
4. Final Report production verification tests — Phase I — RAYMOND L. MAZZA// Petroleum Consulting Services Canton, Ohio: 2003
5. Final Report production verification tests — Phase II — RAYMOND L. MAZZA// Petroleum Consulting Services Canton, Ohio: 2003