Полный текст

Введение

В карбонатных пластах с невысокой «поровой» проницаемостью, особенно глубоко залегающих, в качестве эффективного метода повышения нефте – газоотдачи или вообще ключевого элемента разработки применяется кислотный или кислотно-пропантный гидравлический разрыв пласта (далее КГРП или КПГРП). 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 в той или иной активной среде, нагнетаемой с поверхности, пород с растворяющими реактивами и 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: 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, то расчет 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 образование нерастворимых осадков и иных твердых продуктов реакции, которые потенциально способны привести к полной или значительной потере проводимости системы трещин. Одним из ключевых осадков, которые могут образовываться – продукты реакции с трехвалентным железом, которое часто восстанавливают до двухвалентного специальными понизителями железа. Двухвалентное железо, в присутствии сульфатов, например, ангидритов, ускоряет потенциальную кристаллизацию гипса, что может стать причиной еще большей деградации трещин, если в системе недостаточно или отсутствуют хилаторы, присутствуют частицы коррозии [6]. Другой важной проблемой для эффективности ГРП справедливо считается 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 осадков и иных продуктов реакции.

Литературный обзор

2.1. Геохимия осадкообразования CaSO₄

Переход «гипс↔ангидрит» в водной среде при ~1 бар: T≈42 °С; присутствие электролитов (NaCl и др.) смещает переход к меньшим T; растворимость гипса максимальна около 40 °С и уменьшается при дальнейшем росте T [1–2]. В кислотном ГРП (HCl 15–20 %) растворение карбонатов повышает [Ca²⁺], взаимодействие с ангидритом — [SO₄²⁻]; после нейтрализации и охлаждения возможна пересыщенность по CaSO₄ и осаждение гипса/бассантита, особенно если кислота приготовлена на морской (сульфатной) воде [3–5]. Присутствие Fe²⁺ значительно сокращает индукционный период и ускоряет кристаллизацию гипса [6]. (см. Рис. 1)

Рисунок 1. Профили температуры и глубина охлаждения у стенок трещины при закачке 20–30 °С в пласт ~100 °С.

2.2. Транспорт и переосаждение в разрыве

В ядре потока (T≈50–70 °С) время пребывания ограничено, и, вероятно, доминирует перенос Ca²⁺/SO₄²⁻ без немедленного осаждения. На стенках и в горловинах пор охлаждённой зоны (≤ 50 °С) возможно переосаждение гипса (возможен бассанит как метастабильный предшественник); присутствие Fe²⁺ ускоряет нуклеацию кристаллов [6–9]. (см. Рис. 2)

Рисунок 2. Концептуальная карта риска переосаждения CaSO₄ в зависимости от температуры и ионной силы.

2.3. Термоупругие эффекты и микротрещиноватость

Охлаждение стенок трещины вызывает термоэластические напряжения порядка десятков МПа (σ_th ≈ E α ΔT / (1−ν) при ΔT≈70–80 К), что сопоставимо с растягивающей прочностью пород. В результате на стенках образуются микротрещины, увеличивается удельная поверхность и появляются гетерогенные центры кристаллизации CaSO₄ [21–24]. (см. Рис. 2)

2.4. Естественные и искусственные трещины

В естественно‑трещинных карбонатах кислота предпочитает высокопроводящие пути; чередование областей высоких градиентов с застойными карманами и узкими апертурами создаёт условия для гетерогенной нуклеации и роста кристаллов CaSO₄. Даже малые объёмы гипса способны блокировать субмиллиметровые апертуры; низкая растворимость CaSO₄ в HCl затрудняет ремедиацию [3–5, 9–12]. (см. Рис. 3)

Рисунок 3. Схема потоков в трещинной сети: застойные зоны и локализация осадков; вклад тонкодисперсных частиц (fines).

2.5. Набухание и миграция глин

Водочувствительные глины (смектит, иллит, каолинит) вызывают снижение проницаемости k (проницаемость) пород и проводимости трещины через набухание и миграцию тонкодисперсных частиц (fines). Низкая минерализация (солёность) – главный триггер набухания; кислый pH временно флокулирует глинистые частицы, но может разрушать края слоёв и после нейтрализации возвращать набухание и дисперсию [11–15]. Комбинированные системы (например, 3–6 % KCl + малые дозы полиаминов/четвертичных аммониевых ПАВ и/или PHPA) эффективно предотвращают совместное влияние глин и CaSO₄ в узких горловинах и протравленных каналах [9–12].

2.6. Диагностика осложнений

Диагностика: ранний рост перепада давления (Δp) и падение приёмистости/дебита; появление тонкодисперсных частиц в фильтрах и увеличение концентраций SO₄²⁻/Ca²⁺ в обратном потоке. Микроскопия шлама выявляет пластинчатые частицы глин и кристаллы CaSO₄. (см. Табл. 1)

Таблица 1. Чувствительность риска осадкообразования CaSO₄ к параметрам (качественная оценка)

2.8. Особенности кислотного ГРП в газовых пластах

Газовые коллекторы предъявляют дополнительные требования к составу и реологии кислотных систем. Риск «водоблокировки» и конденсат‑банкинга в призабойной зоне повышает чувствительность дебита к даже кратковременной потере относительной проницаемости газа. Поэтому для кислотного ГРП широко применяют энергоносители — пенокислоты на N₂/CO₂, эмульгированные и энергированные кислоты, ускоряющие вытеснение водной фазы и снижающие капиллярный удерживающий эффект.

При высоком газовом факторе критичны «сухие» рецептуры и жёсткий контроль водного баланса: избыточная вода усиливает набухание смектитов, провоцирует миграцию тонкодисперсных частиц (fines) и формирует локальные перемычки в узких апертурах. Предпочтительны ингибированные составы (KCl 3–6 %, катионные ингибиторы/PHPA), совместимые с кислотой; полимерные системы с обратимым разрывом цепи облегчают очистку трещины.

Термодинамика CaSO₄ в газовых пластах сохраняет общие тренды: охлаждение стенок трещины при закачке 20–30 °С в пласт ~100 °С создаёт приповерхностную область стабильности гипса. Специфика газовых систем — более выраженное влияние низкой теплоёмкости и конвективного теплообмена: охлаждённый слой формируется быстрее, а застойные карманы служат центрами кристаллизации CaSO₄. Наличие Fe²⁺ (коррозия НКТ, восстановители железа) сокращает индукционный период; ингибитор CaSO₄ (фосфонаты, PPCA) в сочетании с хелатором железа обязателен на всех стадиях.

Проектирование кислотного ГРП в газовых пластах учитывает: (i) высокую газонасыщенность и рост капиллярных давлений — необходимость энергирования кислот; (ii) повышенную чувствительность к мелким осадкам и глинам — требуются высокофильтруемые рецептуры с низким нерастворимым остатком; (iii) HSE‑ограничения при работе с CO₂/N₂; (iv) диагностику в реальном времени (Δp при Q=const, отбор фильтров на fines, онлайн‑контроль SO₄²⁻/Ca²⁺ и железа).

Механические свойства и литология целевого пласта

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 рисунке 4 приведены основная геофизическая информация о плате. Плотность пород, значение естественной радиоактивности варьируются в весьма высоких пределах, что может указывать на довольно сложное строение пласта. На рисунке 5 представлено расчетное строение пласта. Из расчета 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 счет добавления газов) или эмульсированных систем. Не исключено, что в пласте развита естественная трещиноватость.

Рисунок 4 - Данные ГК и ГГП

Рисунок 5 - Строение пласта

На рисунке 6 приведены расчетные значения напряжений, свойственные рассматриваемому пласту, на рисунках 7 и 8 – расчетные значения коэффициентов Пуассонов и модулей Юнга. Из расчета следует, что в пласте выделяются мощные барьеры для техногенных трещин в вертикальном направлении, то есть трещины ГРП скорее всего формируются в целевой зоне пласта. Следовательно, проблема прорыва трещин в нецелевые зоны не может объяснить существенное снижение дебитов после КГРП. Основной причиной негативного отклика на обработку можно считать уменьшение фазовой проницаемости пласта для газа. Основными причинами которого может быть водная блокада и осаждение нерастворимых осадков, особенно в трещинах естественного происхождения. На рисунке 9 показаны расчетные значения запускных дебитов скважин после успешной и неуспешных стимуляций. Из расчета видно, что потенциально, при корректно спроектированном КГРП, дебиты газа должны многократно увеличиться, но если происходит осаждение осадков в техногенных и естественных трещин, 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 6 - Минимальные горизонтальные напряжения и давления разрыва

Рисунок 7 - Профиль коэффициентов Пуассона

Рисунок 8 - Профиль модулей Юнга

Заключение

          Кислотный ГРП, несмотря на кажущуюся операционную легкость, крайне сложная инженерная задача. Ее сложность определяется  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 негативных для стимуляции исходом, таких, как осаждение сульфатов, набухание и миграция глин. Как было указано выше, после стимуляции должны одновременно решаться две трудно согласованные 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 счет подбора рецептур технологических жидкостей, уменьшения доли воды в них. Для газовых пластов отдельно стоит проблема образования водных блокад, критически сильного снижения фазовой проницаемости для газа, которые преодолеваются использованием высокоэнергетических или эмульгированных технологических жидкостей, причем на основе кислоты и нефти. 

Практические акценты для газовых коллекторов:

— Выбор энергоносителя: пенокислоты (N₂/CO₂) или энергированные кислоты для снижения водонасыщения в трещине.

— Полный запрет сульфат‑содержащей воды; ингибитор CaSO₄ + хелатор Fe на всех стадиях (предфлеш/основная/послепромывка).

— Стабилизация глин (KCl 3–6 % + катионные ингибиторы/PHPA) и контроль ионной силы/pH.

— Диверсия и управление профилем закачки для исключения застойных карманов.

— Онлайн‑диагностика: Δp, анализ фильтров, оперативное переключение рецептуры при росте доли fines/сульфатов.

 

Об авторах

Асхат Мубинович Дуйсалиев

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.nurbekova@kmg.kz
ORCID iD: 0009-0000-9470-4225
Казахстан

Абдулахат Абдукаримович Исмаилов

Казахстанско-Британский Технический Университет

Email: a.ismailov@kbtu.kz
ORCID iD: 0000-0002-1957-5168
Scopus Author ID: 57202758242
ResearcherId: JON-3767-2023

PhD

Казахстан, Алматы

Список литературы

Дополнительные файлы