Acid hydraulic fracturing in complex interbedded reservoirs

Full Text

Введение

В карбонатных пластах с невысокой «поровой» проницаемостью, особенно глубоко залегающих, в качестве эффективного метода повышения нефте- и газоотдачи или вообще ключевого элемента разработки применяется кислотный или кислотно-пропантный гидравлический разрыв пласта (далее – КГРП, КПГРП соответственно). Выбор между двумя разновидностями кислотного ГРП определяется растворимостью пород, долей в карбонатном пласте терригенных пропластков, литостатическими и тектоническими напряжениями. Но в основе «химических» ГРП лежит взаимодействие растворимых горных пород с растворяющими реагентами с образованием сравнительно высокопроводящих для пластовых флюидов каналов-червоточин, значительно увеличивающих площадь контакта с продуктивным пластом. После КГРП (КПГРП) важно решить две несколько противоречащие друг другу задачи: с одной стороны, быстро очистить трещины от продуктов реакции, особенно нерастворимых, до их осаждения в трещинах, для чего требуется довольно агрессивный режим работы скважины в первое время после стимуляции; с другой стороны, необходимо предотвратить смыкание узких каналов, созданных растворением пород кислотами, для чего требуется бережный ввод скважины в работу. Устранить противоречие проще всего, если снизить степень влияния одного из механизмов ранней деградации системы трещин до незначительной. Поскольку поля напряжений в карбонатных пластах часто очень сложны, расчёт и моделирование процессов смыкания трещин из-за приложения к ним избыточных внешних нагрузок при активной отработке продуктов реакции очень сложен и обладает очень невысокой предсказательной способностью и практической повторяемостью, что делает такую оценку почти бесполезной. Следовательно, целесообразнее не допускать образования нерастворимых осадков и иных твёрдых продуктов реакции, которые потенциально способны привести к полной или значительной потере проводимости системы трещин. Одними из ключевых осадков, которые могут образовываться, являются продукты реакции с трёхвалентным железом, которое часто восстанавливают до двухвалентного железа специальными реагентами. Двухвалентное железо в присутствии сульфатов, например, ангидритов, ускоряет потенциальную кристаллизацию гипса, что может стать причиной ещё большей деградации трещин, если в системе недостаточно хелаторов или они отсутствуют, а также присутствуют частицы коррозии [1]. Другой важной проблемой для эффективности ГРП справедливо считаются миграция и набухание глин. Развитие технологий ГРП в основном хорошо преодолевает этот риск, но набухание некоторых глин, таких как смектиты, полностью предотвратить в настоящее время не представляется возможным. Настоящая статья посвящена оценке способов предотвращения ранней деградации трещин КГРП из-за выпадения и кристаллизации нерастворимых осадков в трещинах и пространстве пласта около трещин.

Материалы и методы

Объектами исследования являются карбонатные нефтегазовые и нефтегазоконденсатные пласты, разработка которых предполагает применение методов интенсификации добычи. Выполнен анализ работ по стимуляции методом КГРП, которые проводились в Казахстане, Узбекистане и иных странах региона. Оценена эффективность кислотных ГРП, на основе этих оценок сделаны предположения об основных технологических, физико-химических и геологических причинах, приведших к высокой или пониженной эффективности КГРП. К главным влияющим факторам отнесены:

• проблема осаждения нерастворимых осадков в техногенных и естественных трещинах ранее, чем осадки могут быть отработаны на поверхность во время вывода скважин на режим и их освоения;
• набухание горных пород и миграция мелких частиц из-за взаимодействия пород с технологическими жидкостями, что приводит к ухудшению фильтрационных свойств пласта;
• несовместимость технологических жидкостей с пластовыми флюидами, которое может приводить к образованию стойких прямых или обратных эмульсий, выпадению продуктов реакции в трещинах и околотрещинном пространстве;
• смыкание незакрепленных техногенных трещин и каналов-червоточин при сравнительно агрессивном выводе скважин на режим;
• снижения относительных фазовых проницаемостей для пластового флюида, например газа, из-за нагнетания в пласт существенных, десятки и сотни кубических метров, объемов технологических жидкостей.

Оценка эффективности выполнялась по степени увеличения отборов пластового флюида непосредственно после вывода скважин на режим, в ряде случаев отмечалось снижение продуктивности скважин, что означает отрицательное влияние геолого-технологических мероприятий, планирующихся как стимулирующие.

Основные причины образования кольматирующих осадков

В работе рассмотрены следующие основные проблемы снижения эффективности стимуляции:

1. Переход ангидрита в гипс при взаимодействии ангидрита с технологическими жидкостями. Проанализированы условия, при которых такой переход становится возможным, и усиливаются негативные последствия от подобной реакции.
2. Отдельно рассмотрена роль трещины ГРП при протекании реакций перехода ангидрита и осаждении гипса. Показано, что из-за неоднородной геометрической конфигурации трещин и температуры в трещинах возможно интенсивное переосаждение гипса.
3. Отдельно рассмотрены проблемы кислотного ГРП газовых объектов как наиболее чувствительных к кратковременному снижению проницаемости, в т.ч. естественных и искусственных трещин из-за возникновения водных блокад.

Переход ангидрита в гипс в водной среде усиливается при увеличении концентрации двухвалентного железа. Как известно, трёхвалентное железо образует нерастворимые осадки при кислотном воздействии на пласт, и по этой причине в технологические жидкости добавляют агенты, восстанавливающие трёхвалентное железо до двухвалентного. Кроме того, на предварительном этапе через насосно-компрессорные трубы (далее – НКТ) прокачивают кислоту с повышенной концентрацией преобразователей железа с целью очистить их от частиц коррозии и восстановить железо до растворимых форм. При этом продукты взаимодействия веществ, находящихся на внутренней поверхности НКТ, с кислотой продавливаются в пласт, т.е. пласт может оказаться изначально (по отношению ко времени начала, собственно, стимуляции) загрязнён частицами коррозии, и концентрация двухвалентного железа может оказаться повышенной. Если элементов, связывающих двухвалентное железо (хелаторов) и особенно частицы коррозии, окажется недостаточно, то свободное железо может значительно сократить индукционный период и ускорить кристаллизацию гипса [1]. В присутствии электролитов, например, NaCl, активный переход ангидрита в гипс происходит при температуре ~ 40°C, при повышении температуры переход замедляется [2–3], но во время кислотного ГРП при концентрации соляной кислоты ~ 15–20% растворение карбонатов кальция повышает взаимодействие технологических жидкостей с сульфат-ионами SO₄^2–. После охлаждения системы и нейтрализации кислоты возможна перенасыщенность по CaSO₄ и осаждение гипса, особенно в сульфатной воде, которая использовалась для разбавления кислоты [4–6]. В табл. 1 приведены результаты лабораторного анализа воды, типичной для западной части Казахстана.

Таблица 1. Состав базовой воды

Table 1. Base Water Composition

Как видно из данных табл. 1, содержание сульфатов в базовой воде довольно значительное, что может усилить негативные последствия от взаимодействия технологических жидкостей с ангидритами. Стимулируемые пласты довольно часто имеют температуру значительно выше 40°C. Само по себе образование гипса и его осаждение не должно быть слишком значительным, особенно при условии, что хелаторов двухвалентного железа достаточно. Но следует учитывать, что в процессе стимуляции в пласт нагнетается сравнительно большой объём технологической жидкости, температура которой примерно равна 15–35°C, температура в трещинах и пространстве непосредственно у внешних границ трещин может понизиться (в процессе закачки) и оставаться относительно низкой непродолжительное время после остановки закачки. На рис. 1 показан профиль температуры в трещине.

Рисунок 1. Профиль температуры в трещине

Figure 1. Temperature Profile in the Fracture

Из данных, приведенных на рис. 1, следует, что в трещине могут возникнуть термобарические условия, способствующие образованию гипса, особенно, если в системе имеется достаточное количество несвязанного двухвалентного железа или в базовой воде повышена концентрация сульфатов. В ядре потока при температурах около 50–70°C время нахождения ионов ограничено, скорее, преобладает перенос ионов Ca²⁺/SO₄²⁻ без немедленного осаждения, но на поверхностях трещин в поровом пространстве, охлаждённых до температур менее 50°C, возможно осаждение гипса или бессанита как метастабильной предшествующей формы, особенно в присутствии железа [1, 7–9]. На рис. 2 показана карта риска осаждения гипса в зависимости от температуры и ионной силы раствора. Важной особенностью обработки высокотемпературных пластов относительно холодными технологическими жидкостями является возникновение довольно значительных тепловых напряжений. При быстром изменении температуры на 70–80°C тепловые напряжения становятся сопоставимыми с прочностью пород на разрыв (десятки МПа по порядку величины). В таких условиях могут образовываться микротрещины, увеличивающие удельную поверхность взаимодействия с пониженной температурой. Как следствие, повышается вероятность появления гетерогенных центров кристаллизации CaSO₄, и, согласно концептуальной карте, риск осаждения гипса возрастает [10–12].

Рисунок 2. Карта риска осаждения гипса

Figure 2. Gypsum Precipitation Risk Map

Карбонатные пласты из-за очень высоких значений модулей упругости даже при высокой температуре являются довольно хрупкими породами. При их нагружении тектоническими и литостатическими напряжениями в течение длительного времени могли образоваться трещины естественного происхождения. Естественные трещины в плотных карбонатных пластах формируют основные каналы фильтрации пластового флюида, а поры являются основным объёмом для его накопления. В процессе КГРП кислота распространяется по каналам, имеющим наименьшее гидравлическое сопротивление. Поскольку апертуры естественных трещин в любой точке вдоль оси, совпадающей с направлением их распространения, могут быть непостоянными, то вполне возможны локальные сужения естественных трещин, значит скорость потока также должна быть переменной. Как отмечалось выше, при высокой скорости потока и повышенной температуре переосаждения сульфатов вероятно не происходит, но, поскольку в естественных трещинах формируются «застойные» зоны, в них происходит осаждение и накопление мелко дисперсионных частиц, что приводит к выключению некоторых естественных трещин из фильтрационной системы, следствием чего является снижение общей проницаемости пластовой системы. Таким образом, КГРП не просто становится неэффективным с точки зрения увеличения отборов, а ухудшает фильтрационно-ёмкостные свойства (далее – ФЕС) пласта из-за очень низкой растворимости гипса в соляной кислоте [4–6, 9, 13–15]. На рис. 3 схематично показаны потоки в трещинной среде и образование зон осаждения гипса.

Рисунок 3. Схема потоков в трещинной сети

Figure 3. Flow Scheme in the Fracture Network

Помимо сульфатов и карбонатов, в пластах могут присутствовать глины различного происхождения, взаимодействие которых с технологическими жидкостями может привести к негативным последствиям из-за их набухания и миграции. С точки зрения набухания, наиболее опасными являются монтмориллониты и смешанно-слоистые глины, набухание которых в присутствии стабилизаторов снижается, но полностью не устраняется. В кислой среде набухание глин снижается из-за агрегации частиц, миграция также снижается из-за частичной нейтрализации поверхности частиц и их тенденции к взаимному прилипанию [14–18]. Но после нейтрализации кислот из-за растворения кислотой горных пород, набухание глин, особенно смектитов, может возобновиться, миграция частиц, особенно каолинитов, восстановиться, поскольку избыточную кислоту, как правило, в пласт не закачивают. В этом случае практически вся кислота должна вступить в реакцию и образовать проводящие каналы. Указанные проблемы хорошо решаются добавлением в технологические жидкости стабилизаторов на основе четвертичных аммониевых солей [9, 13–15].

Более важной проблемой, возникающей из-за взаимодействия глин с кислотами, является образование коллоидов железа и алюминия. В основном источником алюминия являются иллиты и смектиты, а железа – продукты растворения глинистых материалов. После поступления в раствор трёхвалентного железа или алюминия и повышения pH технологической жидкости образуется гидроксид железа и/или гидроксид алюминия. Гидроксиды способны образовать коллоидный гель, который после коагуляции превращается в плотный осадок, блокирующий фильтрационные каналы как естественного, так и техногенного происхождения. В результате эффективность стимуляции значительно снижается или приводит к ухудшению ФЕС пласта. Как правило, чтобы избежать образования коллоидных гелей, в систему добавляют ингибиторы окисления двухвалентного железа до трёхвалентного или стабилизаторы двухвалентного железа, поскольку оно хорошо растворимо. Но, как известно, двухвалентное железо сильно сокращает индукционный период и время осаждения гипса особенно в охлажденных зонах, что усиливает проблему блокировки фильтрационных каналов гипсом. Решение одной проблемы провоцирует вторую, если хелаторов железа недостаточно. Следовательно, для сложных пластов, в которых возможно взаимодействие технологических жидкостей с карбонатами, сульфатами и глинами, крайне важен детальный подбор рецептур в лабораторных условиях с использованием кернового материала или шлама. Обязательными для сложных объектов должны быть исследования на вращающихся дисках, фильтрационные исследования и тесты на растворение керна или шлама, а также коррозионные тесты, необходимые для защиты подземного оборудования и уменьшения загрязнения пласта частицами коррозии, формирующими центры кристаллизации гипсов.

В табл. 2 приведены основные параметры, которые могут привести к увеличению или уменьшению рисков осаждения гипсов.

Таблица 2. Чувствительность риска осадкообразования CaSO₄ к параметрам (качественная оценка)

Table 2. Sensitivity of CaSO₄ Precipitation Risk to Parameters (Qualitative Assessment)

Термодинамика образования и осаждения гипса в газовых пластах сохраняет общие закономерности, но газы обладают намного меньшей теплоёмкостью и низкой степенью конвекционного теплообмена, следовательно, охлаждённый слой после контакта с относительно холодной технологической жидкостью формируется значительно быстрее, низкие температуры сохраняются дольше, что усугубляет восстановление и осаждение гипса.

Результаты и обсуждение

После выполнения работ по кислотной стимуляции на одном из газовых месторождений, расположенных в Средней Азии, оказалось, что после стимуляции дебиты газа снизились по сравнению с таковыми до воздействия. На рис. 4 приведена основная геофизическая информация о пласте. Плотность пород, значение естественной радиоактивности варьируются в весьма высоких пределах, что может указывать на довольно сложное строение пласта. На рис. 5 представлено расчётное строение пласта. Из расчёта видно, что пласт представляет собой довольно сложное чередование карбонатов и сульфатов, что осложняет выполнение успешной стимуляции из-за осаждения осадков в естественных и техногенных трещинах. Поскольку пласт насыщен газом, то, кроме проблем с осаждением сульфатов, могут возникнуть осложнения из-за водной блокады, приводящие к снижению фазовой проницаемости газа, если не применяются технологические флюиды с повышенной энергией (за счёт добавления газов) или эмульгированных систем. Не исключено, что в пласте развита естественная трещиноватость. На рис. 6 приведены расчётные значения напряжений, свойственные рассматриваемому пласту, на рис. 7 и 8 – расчётные значения коэффициентов Пуассонов и модулей Юнга. Из расчёта следует, что в пласте выделяются мощные барьеры для техногенных трещин в вертикальном направлении, т.е. трещины ГРП, скорее всего, формируются в целевой зоне пласта. Следовательно, проблема прорыва трещин в нецелевые зоны не может объяснить существенное снижение дебитов после КГРП.

Рисунок 4. Данные гамма-каротажа и гамма-гамма плотностного каротажа

Figure 4. Gamma-ray and Gamma-Gamma Density Log Data

Рисунок 5. Строение пласта

Figure 5. Reservoir Structure

а) данные гамма-каротажа / gamma-ray log data; б) литологическое строение пласта / lithological structure of the reservoir

Рисунок 6. Минимальные горизонтальные напряжения и давления разрыва

Figure 6. Minimum Horizontal Stresses and Fracture Pressures

Рисунок 7. Профиль коэффициентов Пуассона

Figure 7. Poisson's Ratio Profile

Рисунок 8. Профиль модулей Юнга

Figure 8. Young's Modulus Profile

Основной причиной негативного отклика на обработку можно считать уменьшение фазовой проницаемости пласта для газа, выпадение нерастворимых осадков, снижающих проводимость техногенных трещин. На рис. 9 показаны расчётные значения запускных дебитов скважин после успешной и неуспешных стимуляций. Из расчёта видно, что потенциально, при корректно спроектированном КГРП, дебиты газа должны многократно увеличиться, но если происходит осаждение осадков в техногенных и естественных трещинах, то дебиты газа снижаются в ~ 1,5 раза. Если же происходит, кроме того, водная блокада, то дебиты газа могут снизиться более чем в два раза. Если осадки не отработать очень быстро, то повреждения трещин окажутся неустранимыми, но при агрессивном освоении может произойти деградация трещин, что чревато потерей эффектов от стимуляции.

Рисунок 9. Расчётные показатели добычи при различных эффективностях стимуляции

Figure 9. Calculated Production Rates at Different Stimulation Efficiencies

Заключение

Кислотный ГРП, несмотря на кажущуюся операционную лёгкость, является крайне сложной инженерной задачей. Это обусловлено механизмами химических реакций и термодинамической обстановкой: изменение температуры пласта в окрестностях зон нагнетания технологических жидкостей приводит к тому, что температуры и давления становятся благоприятными для протекания реакций с негативным для стимуляции исходом, таких как осаждение сульфатов, набухание и миграция глин. Как было указано выше, после стимуляции должны одновременно решаться две трудно согласуемые задачи: быстрая отработка осадков с наибольшей скоростью и предотвращение в процессе добычи и освоения смыкания техногенных трещин-червоточин, что предполагает крайне щадящие условия вывода скважины на режим. Следовательно, проблему осаждения следует купировать за счёт подбора рецептур технологических жидкостей и уменьшения доли воды в них.

Для газовых пластов отдельно стоят проблемы образования водных блокад и критически сильного снижения фазовой проницаемости для газа, которые преодолеваются использованием высокоэнергетических или эмульгированных технологических жидкостей, причём на основе кислоты и нефти.

Стоит отметить, что крайне важно для устранения рисков снижения эффективности обработки как можно быстрее приступить к освоению скважины. Процесс освоения после кислотной стимуляции сам по себе довольно сложен, поскольку конкурируют по меньшей мере два процесса. Необходима агрессивная программа освоения (с высокими депрессиями) для того, чтобы осадки и остатки технологических жидкостей как можно быстрее вывести из пласта, однако при этом депрессии должны быть умеренными, чтобы не допустить закрытия узких трещин, образованных за счёт реакции пород с активными технологическими жидкостями. Эффективные способы освоения являются отдельной темой для исследований, выходящей за рамки представленной статьи.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Дусалиев А.М. – построение геомеханической модели, расчёты и оценка, литературный обзор, написание рукописи; Исмаилов А.А. – проверка расчётов, редактирование статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors' contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Askhat M. Duisaliyev – constructed the geomechanical model, performed calculations and assessment, conducted the literature review, prepared the manuscript; Ismailov A.A. – verified the calculations and edited the manuscript.

About the authors

Askhat M. Duisaliyev

Author for correspondence.
Email: a.duisaliyev@cis.kz
ORCID iD: 0009-0000-9470-4225
Kazakhstan, Almaty

Abdulakhat A. Ismailov

Email: a.ismailov@kbtu.kz
ORCID iD: 0000-0002-1957-5168
Kazakhstan, Almaty

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. Temperature Profile in the Fracture

Download (108KB)

Indexing metadata

3. Figure 2. Gypsum Precipitation Risk Map

Download (133KB)

Indexing metadata

4. Figure 3. Flow Scheme in the Fracture Network

Download (47KB)

Indexing metadata

5. Figure 4. Gamma-ray and Gamma-Gamma Density Log Data

Download (93KB)

Indexing metadata

6. Figure 5. Reservoir Structure

Download (232KB)

Indexing metadata

7. Figure 6. Minimum Horizontal Stresses and Fracture Pressures

Download (182KB)

Indexing metadata

8. Figure 7. Poisson's Ratio Profile

Download (103KB)

Indexing metadata

9. Figure 8. Young's Modulus Profile

Download (93KB)

Indexing metadata

10. Figure 9. Calculated Production Rates at Different Stimulation Efficiencies

Download (68KB)

Indexing metadata