Давление гидроразрыва

По мере заполне­ния скважины жид­костью и создания на поверхности давле­ния, давление жид­кости в порах породы возрастает и действу­ет равномерно во всех направлениях.

При повышении давления жидкости до момента, когда разрывающая сила жидкости, действую­щая на породу, пре­высит силы сцепления этой породы, скала расколется и произойдет разрыв. Трещины могут быть горизонтальными, вертикальными и на­клонными. Пространственная ориентация трещины определяется на­пряженным состоянием горных пород в зоне скважины и изменени­ями, обусловленными распределением напряжений. Напряжения формируются, главным образом, под действием гравитационных сил.

Для песчаников и известняков коэффициент бокового распора составляет 0,25—0,4; для глин - около 1.

Принято считать, что на глубине свыше 300 м вертикальное на­пряжение гораздо выше двух других составляющих. Поэтому трещи­на всегда должна быть вертикальной, в силу того, что образование трещины происходит в направлении, перпендикулярном наименьшей из нагрузок.

На самом деле реальная картина несколько сложней. В зависимо­сти от местных особенностей и строения пластов (микротрещины, на­личие псевдопластических характеристик пород, разгрузка продук­тивного пласта в зоне скважины и т.д.) при ГРП могут возникать как горизонтальные, так и вертикальные трещины (рис. 8.2.4,8.2.5). В слу­чае образования вертикальных трещин, азимут трещины определяет­ся амплитудой двух минимальных горизонтальных напряжений.

Ограничение трещины по высоте и ее геометрия тесно связаны со свойствами породы пласта, напряженным состоянием пород, изло-мостойкостью породы и плотностными свойствами проппанта.

Если образующаяся при гидроразрыве трещина приближается к поверхности раздела слоев и породы ограничивающих горизонтов об­ладают более высокими прочностными характеристиками, чем обра­батываемый пласт, то теоретически рост трещины по вертикали бу­дет приостановлен (если поверхность раздела не пересекают ранее образовавшиеся трещины). Примером этого может служить пласт песчаника с выше- и нижезалегающими глинистыми пропластками, работающими как перемычки. Минимальное напряжение у песчани­ков ниже, значит дальнейший рост трещины будет сдерживаться.

Таким образом, рост трещины по высоте — сложная функция рео­логии жидкости, объемной скорости закачки, давления, создаваемо­го в трещине, и проявление сдерживания механизмов развития тре­щины в вертикальном направлении. Первые три фактора — регули­руемые параметры обработки, а последний определяется механикой горных пород, в том числе поведением пласта и трещины. Определе­ны следующие механизмы сдерживания трещин по высоте:

- различие напряжений в обрабатываемом и смежных с ним плас­тах;

- различие упругих свойств обрабатываемого и смежных с ним пла­стов.

Прочность обрабатываемого и смежных с ним пластов измеряется коэффициентом интенсивности напряжения, который зависит от гео­метрии трещины, свойств жидкости разрыва, объемной скорости за­качки и давления обработки при гидроразрыве пласта. Этот показа­тель определяет распространение трещины в вертикальном и гори-

зонтальном направ­лениях. Коэффици­ент интенсивности напряжения снижа­ется, когда трещина достигает высоко­пластичного или ма-лопроницаемого пласта. Если отсут­ствуют барьеры, ог­раничивающие рас­пространение тре­щины по вертикали (контраст напряже­ний не достаточно высок), то возможно образование неогра­ниченной трещины, имеющей радиальную форму.

Одним из наиболее важных факторов ограничения трещины по вертикали является сопротивление течению в узких зонах у верхнего и нижнего краев трещины (рис. 8.2.6). Расклинивающий агент с вы­сокой концентрацией отлагается в узких зонах в верхней и нижней частях трещины и снижает проводимость и проницаемость этих уча­стков. Жидкость, которая течет в широком центральном канале, мо­жет не проникать ни в верхний, ни в нижний забитые расклиниваю­щим материалом узкие края трещины. Это способствует формирова­нию верхнего и нижнего барьеров, которые исключат дальнейшее развитие трещины в вертикальном направлении.

Благодаря воздействию вышеуказанных факторов, ограничиваю­щих вертикальное развитие трещины, при поддержании правильно­го расхода жидкости можно получить высокопроводимую трещину желаемой длины.

Давление гидроразрыва пласта определяется из условия, что гид­родинамический напор на забое скважины должен преодолеть давле­ние вышележащей толщи пород (геостатическое давление) и предел прочности продуктивной породы на разрыв, т.е.

p_c = q + s_p, (8.2.2)

где р_с — забойное давление разрыва пласта; q - горное давление; s_p -прочность породы обрабатываемого пласта на разрыв.

Давление нагнета­ния на устье скважины вычисляется по фор­муле: Pyd ⁼ 9 + s_p + p_mp-p_wl,

(8.2.3) где р_уд — устьевое дав­ление разрыва; р_тр -потери давления в трубах и в зоне перфо­рации;/^ - пластовое давление.

Создаваемое избы­точное давление дол- ^Рис- ⁸-²-⁷- Развитие трещины жно обеспечивать осу­ществление трех этапов роста трещины:

- увеличение трещины до достижения барьеров;

- рост трещины в длину в рамках барьеров, ограничивающих верти­кальный рост;

- рост трещины по высоте, когда давление достигает предела раз­рыва.

Р_ш=Р_с + Р_ШТ-Р_к + Р#, (8.2.4)

где Р_с - давление смыкания трещины; P_h — гидростатическое давле­ние; Ptf— общие потери давления на трение; Р^ет~ чистое давление; Рлет⁼ ?w~ Ро ?w~ избыточное давление, Р_с - давление смыкания. При P_NET< О трещина будет закрываться. При P_NET> О трещина будет оставаться открытой.