Назначение, область применения, технология ГРП

После промывки, очистки и проверки специальным шаблоном в скважину спускают насосно-компрессорные трубы диаметром 75 или 100 мм, по которым прокачивается жидкость разрыва. Для предохранения обсадной колонны от воздействия большого давления над разрываемым пластом устанавливают пакер, который разобщает фильтровую зону пласта от ее вышележащей части. Благодаря этому давление, создаваемое насосами, передается только на фильтровую зону и на нижнюю поверхность пакера.

Применяют различные конструкции  пакеров. Наиболее распространены шлипсовые  пакеры, выпускаемые под различные диаметры эксплуатационных колонн и рассчитанные на давление 50 МПа (рис.1).

Герметизация обсадной колонны  осуществляется при деформации резиновых  уплотнительных манжет от веса колонны  насосно-компрессорных труб при  опоре конуса на шлипсы пакера, центрирование которого осуществляется фонарем. Замковое устройство фонаря раскрывается при трении фонаря о стенки обсадных труб во время вращения пакера.

Осевая нагрузка при гидроразрыве воспринимается головкой пакера с опорным  кольцом и передается на якорь, удерживающий пакер и колонну насосно-компрессорных труб от перемещения вверх. Головка пакера имеет левую резьбу в месте соединения с якорем.

В случае заклинивания манжет в обсадной колонне якорь может быть отвинчен от пакера правым вращением и поднят на поверхность.

Конструкция плашечного гидравлического  действия приведена на рис.2

В отличие от других типов пакеров  в конструкции пакера ПС предусмотрен перепускной клапан, предназначенный  для перепуска жидкости гидроразрыва в затрубное пространство во время спуска пакера, за счет чего снимается давление на самоуплотняющиеся манжеты. Перепускной клапан присоединяется через переводник и устанавливается выше гидравлического якоря.

После спуска труб с пакером и  якорем устье скважины оборудуют специальной головкой, к которой подключают агрегаты для нагнетания в скважину жидкости разрыва.

 

3.1 Обвязка и оборудование при  ГРП

 

На рис.3 приведена общая схема обвязки и расположения оборудования при гидравлическом разрыве пласта. На первом этапе закачивают жидкость разрыва насосными агрегатами, в результате чего давление постепенно увеличивается и по достижении определенного значения происходит разрыв пласта. О моменте разрыва судят по манометру на выкидной линии. Этот момент характерен резким спадом давления и увеличенным расходом нагнетаемой жидкости.

После разрыва пласта переходят ко второму этапу - подаче в трещину жидкости-песконосителя с песком при большом расходе и высоком давлении нагнетания. Жидкость-песконоситель с песком задавливают в трещину продавочной жидкостью при максимальном давлении и с максимальной скоростью закачки. Достигается это путем подключения наибольшего числа агрегатов. В качестве продавочной жидкости для нефтяных скважин используют нефть и для нагнетательных - воду. Количество этой жидкости должно быть равно емкости колонны труб. Закачка продавочной жидкости является последним, третьим этапом непрерывного процесса гидроразрыва пласта.

После продавки устье  закрывают и скважину оставляют  в покое до тех пор, пока устьевое давление не упадет до нуля. Затем скважину промывают, очищают от песка и  приступают к освоению.

Представляет интерес  техника проведения гидроразрыва в скважинах, продуктивные горизонты которых залегают на глубинах 2800—3400м. Технология разрыва пласта в таких скважинах отличается от обычной тем, что процесс гидроразрыва проходит при постоянном противодавлении на на-сосно-компрессорные трубы и на верхний торец резинового элемента пакера. Величина противодавления определяется как разность между расчетным значением давления гидроразрыва и максимально допустимым давлением на пакер. Для таких скважин рабочее давление в кольцевом пространстве (затрубном) определяют опытным путем. Для подкачки жидкости разрыва используют вспомогательный агрегат. Особенности расположения оборудования и обвязки устья при гидроразрыве по данной технологии показан на рис.3

Работы по гидроразрыву на скважине рекомендуется осуществлять в следующей последовательности. Опрессовывают наземное оборудование на давление, равное 70 МПа, и заменяют в скважине воду на нефть, после чего спускают пакер. Затем с помощью насосных агрегатов, применяемых для гидроразрыва пласта, прокачкой жидкости в насосно-компрессорных трубах и под пакером создают максимально возможное давление. Подкачкой жидкости вспомогательным цементировочным агрегатом поднимают давление в кольцевом пространстве (затрубном) и оставляют скважину в покое на 30 мин. Этим на первом этапе достигается возможность образования трещин в пласте.

 

            

 

  Рис.1 Шлипсовый пакер

  

 

   Рис.2 Конструкция плашечного гидравлического действия

 

На втором этапе проводят операцию по закреплению трещин песком. После испытания скважины на приемистость в пласт закачивают жидкость-песконоситель.

 

 

Рис. 3 Схема обвязки оборудования при ГРП в глубоких скважинах

 

Давление на устье  во время закачки и продавливания  в пласт может увеличиваться  до 60—80 МПа. Проведение гидроразрыва по данной технологии позволяет значительно повысить производительность скважины.

При наличии в скважинах  большой фильтровой зоны или несколько  вскрытых продуктивных пропластков  производят поинтервальные многократные гидравлические разрывы.

В последнее время разработан и внедрен новый способ поинтервального гидроразрыва, позволяющий за один спуск забойного оборудования проводить в любой последовательности гидроразрыв тех или иных пластов. При осуществлении гидроразрыва по этой технологии в одном пласте перфорированные отверстия против вышележащих пластов перекрываются тонущими, а против нижележащих пластов - плавающими в жидкости разрыва эластичными шариками. Применяемое забойное оборудование отличается простотой конструкции и может быть изготовлено в промысловых мастерских. Состоит оно из двух полых цилиндров, соосно-закрепленных на насосно-компрессорных трубах. Цилиндр с отверстиями в дне открыт сверху, а цилиндр с отверстиями в крышке — снизу. Труба, на которую надеты и приварены цилиндры, заглушена снизу и имеет отверстия над нижним цилиндром.

Подготовительные работы по поинтервальному гидроразрыву производят в следующей последовательности. В скважину на насосно-компрессорных  трубах спускают цилиндры, пакер и  якорь. Под нижний цилиндр помещают специальные эластичные шарики диаметром 18—20 мм с удельным весом меньшим, чем у жидкостей, применяемых при гидроразрыве (плавающие шарики); следовательно, в жидкости они все время будут прижиматься к крышке нижнего цилиндра. Диаметр цилиндра подбирают таким образом, чтобы шарики не могли попасть в зазор между ним и эксплуатационной колонной. Число шариков, загружаемых в нижний цилиндр, берется несколько больше, чем число перфорационных отверстий, находящихся ниже самого верхнего интервала, намеченного для гидроразрыва.

В верхний цилиндр  помещают тонущие шарики. При этом количество их также должно быть больше, чем число отверстий, находящихся  выше нижнего интервала, намеченного  для гидроразрыва. Чтобы шарики при  спуске вниз или при негерметичном  перекрытии колонны не попадали под пакер, ставят специальный диск-отбойник. Пакер устанавливается с таким расчетом, чтобы интервал, намеченный для гидроразрыва, находился между цилиндрами с шариками. После этого производят гидроразрыв намеченного пласта обычным способом. Если при разрыве начнут принимать жидкость выше или нижележащие пласты, то их перфорационные отверстия перекрываются шариками, которые потоком жидкости увлекаются из цилиндров к этим отверстиям.

 

4. ОБОРУДОВАНИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРИ ГРП

 

При гидроразрыве пласта используют целый комплекс наземного оборудования: насосные агрегаты типа 2АН-500 или 4АН-700, пескосмесительный агрегат 4ПА. Для перевозки жидкости разрыва применяют автоцистерны 4ЦР или ЦР-20.

Агрегат 4АН-700 конструкции  Азинмаша является основным в комплекте наземного оборудования. Он отличается повышенными мощностью и производительностью, удобен в эксплуатации. Рабочее давление агрегата позволяет проводить гидроразрыв пластов и осуществлять гидропескоструйные процессы и в глубоких скважинах. Все узлы его смонтированы на грузовом трехосном автомобиле КрАЗ-257 грузоподъемной силой 100—120 кН и представляют из себя следующее: силовую установку; коробку передач; трехплунжерный насос ; манифольд, систему управления.

На раме автомобиля, непосредственно за кабиной водителя, расположена силовая установка агрегата, состоящая из двигателя с многодисковой фрикционной муфтой и центробежным вентилятором, систем питания, смазки и охлаждения, установки воздухоочистителя и других вспомогательных узлов.

Двигатель агрегата-дизельмотор двенадцатицилиндровый, четырехтактный имеет мощность 588 кВт при частоте вращения коленчатого вала 2000 об/мин. Двигатель с помощью многодисковой фрикционной муфты соединен с приемным валом коробки передач.

Насос 4Р-700 трехплунжерный, горизонтальный одинарного действия. Плунжеры предусмотрены размерами 100 и 120 мм, что обеспечивает работу насоса соответственно при давлениях до 70 и 50 МПа. Производительность агрегата при давлении 70 МПа составляет 6,3 л/с и при 20 МПа - 22 л/с. Масса агрегата 20200 кг, габаритные размеры 9800 х 2900 x 3320 мм. Управление агрегатом производится с центрального пульта, расположенного в кабине автомобиля, где размещены педали управления топливным насосом и фрикционной муфтой двигателя, рукоятка управления коробкой передач и необходимая контрольно-измерительная аппаратура.

Для транспортировки  песка нужных фракций к скважине, в которой намечено произвести гидроразрыв  пласта, и для последующего механического  приготовления песчано-жидкостной смеси применяют специальные пескосмесительные агрегаты типа 4ПА.

На самоходном шасси  автомашины КрАЗ-257 смонтированы бункер 1 для сыпучего материала с загрузочным  шнеком 2 и рабочим шнеком 3, камера гидравлического смещения 5, смеситель 7 с поплавковым регулятором уровня 6, а также приемный коллектор 11 и раздаточный коллектор 10 с насосом 9 для перекачки песка. В верхней разгрузочной части шнека 3 установлена поворотная заслонка 4, соединенная с поплавковым регулятором 6. К стенкам и днищу бункера 1 прикреплены пневмовибраторы, обеспечивающие надежное поступление сыпучего материала самотеком в приемник шнека 3.

Загрузочный и рабочий  шнеки, а также лопастная мешалка  приводятся в действие гидродвигателями при помощи масляного насоса 8. Все  агрегаты установки управляются  с пульта, размещенного в кабине автомобиля.

Песчано-жидкостная смесь  с небольшой концентрацией песка  приготавливается следующим образом. Жидкость через приемный коллектор 11 попадает в камеру гидравлического  смещения 5, в которую из бункера 1 шнеком 3 подается сыпучий материал. Количество сыпучего материала регулируется частотой вращения рабочего шнека и заслонкой 4 при помощи поплавкового регулятора уровня 6 в зависимости от уровня смеси в смесителе 7. Избыточное количество сыпучего материала по отводящему патрубку поступает обратно в бункер. В камере гидравлического смешения 5 приготавливается раствор требуемой концентрации, который поступает в смеситель 7, где при помощи лопастной мешалки поддерживается равномерность концентрации песка. Из смесителя 7 раствор подается Песковым насосом 9 через раздаточный коллектор 10 к месту потребления.

При приготовлении песчано-жидкостной смеси с большой концентрацией  сыпучего материала камера гидравлического  смешения заменяется проходной трубой, а жидкость из коллектора 11 и сыпучий материал из бункера 1 поступают непосредственно в смеситель 7, через сменную трубу (указана пунктиром). Готовая смесь отбирается так же, как и в первом случае.

 

Рис. 4. Схема пескосмесительного агрегата

 

Емкость бункера 6,5 м3. Максимальная производительность рабочего шнека (по песку) 50 т/ч, максимальная грузоподъемная сила 90 кН, производительность загрузочного шнека 12-15 т/ч. Масса агрегата с грузом 23 000 кг, габаритные размеры 8700 х 2625 х 3600 мм. Пескосмесительный агрегат обслуживается одним шофером-мотористом. При проведении гидроразрыва пласта пескосмесительный агрегат с помощью гибких шлангов соединяется с автоцистернами и с насосными агрегатами. К агрегату 4ПА можно присоединить одновременно две автоцистерны и четыре насосных агрегата (по два с каждой стороны).

Автоцистерна 4ЦР предназначена  для перевозки жидкости, используемой для гидравлического разрыва  пласта, и подачи ее в пескосмесительный  или насосный агрегат. Автоцистерна 4ЦР (рис. 5) смонтирована на шасси автомобиля КрАЗ-219 грузоподъемной силой 120 кН и состоит из цистерны 1, вертикального плунжерного насоса 2, системы обвязки насоса с арматурой 3, коробки отбора мощности 4, узла трансмиссии 5, узла жесткой буксировки б и искрогасителя 7.

Цистерна оборудована  специальным устройством для подогрева жидкости паром. Для определения количества жидкости, отобранной из цистерны, внутри ее смонтирован поплавковый указатель уровня. Жидкость перекачивается из автоцистерны с помощью трехплунжерного вертикального насоса, имеющего производительность 16,7 л/с и максимальное давление 2,0 МПа.

Объем цистерны 9 м3. В  зависимости от плотности жидкости в ней масса автоцистерны достигает 21435 кг. Габаритные размеры 10100 x 2700 х 2740 мм. Время подогрева жидкости от 20° до 50°С равно 2 ч. В настоящее время выпускают автоцистерны для жидкости разрыва емкостью 17 м3. под шифром ЦР-20, смонтирована цистерна на тягаче с прицепом. Кроме подогревательного устройства и вертикального насоса, автоцистерна снабжена центробежным. насосом производительностью по воде 100 л/с с максимально развиваемым давлением 0,2 МПа.

При гидравлическом разрыве  пласта устье скважины оборудуют  специальной арматурой типа 1АУ-700, которая крепится на резьбе к эксплуатационной колонне. Арматура рассчитана на работу с давлением 70 МПа и состоит из крестовины, устьевой головки, пробковых кранов, предохранительного клапана и прочих элементов обвязки.

Для регулирования работы всего комплекса оборудования и  агрегата при гидравлическом разрыве  пласта используется самоходный блок манифольда типа 1БМ-700, который состоит из напорного и раздаточного коллекторов, подъемной стрелы и комплекта 60-мм насосно-компрессорных труб с шарнирным и быстросборным соединениями. Все оборудование блока манифольда монтируется на шасси грузового автомобиля повышенной проходимости (ЗИЛ-157К).