*119757*

К.т.н. Сабирова Л.Б., магистрант Кожайсаков Р.Х.

 

Казахский Национальный Технический Университет им. К.И.Сатпаева

Алматы, Казахстан

        

О способе гидроразрыва нефтяного пласта

 

Начиная с 60-х годов XX-го столетия до настоящего времени – это немалый срок для всестороннего исследования горных пород, как в массиве, так и в лабораторных условиях. Работы ученых Протодьяконова М.М. (старшего), Слесарева В.Д., Руппенейта К.В., Шевякова Л.Д., Цымбаревича П.М., Динника А.Н., Ильюшина А.А., Борисова А.А., Кузнецова Г.Н. и др. являются более ранними, посвященные горнотехническим, геометрическим и физико-механическим особенностям и показателям горных парод. Этим же вопросам в более поздние сроки (60 и 90-ые годы) поставили свои труды многие ученые: Протодьяконов М.М. (младший), Ржевский В.В., Либерман Ю.М., Матвеев Б.В., Черняк И.Л., Ержанов Ж.С., Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Канлыбаева Ж.М., Борщ-Компониец В.И., Макаров А.Б., Койфман М.И., Чирков С.Е., Барон Л.И. и многие другие. Причем работы перечисленных ученых по горному делу весьма многосторонние, охватывают расчеты горного давления на выработки и крепи, блочного обрушение подработанной толщи пород кровли; расчеты параметров различных систем разработок и целиков, смещений и т.д., а также изучение физико-математических свойств пород в массиве и лаборатории.

Теснейшим образом, опираясь на работы вышеприведенных ученых, автором уточнены при исследовании пределы прочности горных пород Карагандинского угольного бассейна на растяжение; результаты использовании в предложенной расчетной формуле шага обрушения труднообрушаемой кровли  угольных пластов, выполнены прогнозные расчеты шага обрушения кровли ряда угольных пластов, результаты которых внедрены в производство. При изучении физико-маханических свойств горных пород автором установлено, что на результаты определения, особенно, прочности на растяжение ơp сильно (понижающе) влияют ошибки экспериментов (эксцентриситеты; несоответствие размеров образца стандартам и т.д.). Выявлено также, что несколько стандартов, т.е. ГОСТов по испытанию на растяжение не состоятельны вообще, и в результате этого данные исследований по физико-механическим свойствам горных пород изобилуют ошибочными выводами следующего характера: резкое понижения значения ơp при малых увеличениях размеров образца, вызванное ошибками экспериментов, как правило всегда исследователи относят к влияниям масштабных факторов.

Ввиду того, чтобы действительно выявлять влияние масштабных факторов, необходим точнейший эксперимент при определении предела прочности на растяжение ơp, в работе предложено устройство (см. авт. св. СССР №1013849, 1983; Бюл. №15) на уровне изобретения для испытания образцы с большими сечениями (до 1 м2). Этому изобретению-устройству должен быть присвоен статус ГОСТа РК.

В последующем, опираясь на значительный материал по исследованию горных пород в массиве и в условиях лаборатории на образцах, а также на работы вышеприведенных исследователей по механике горных пород и массивов, автором было рассмотрено довольно укоренившееся в нефте-газовой добывающей промышленности так называемый «гидроразрыв нефтяного пласта». Этот метод берет свое начало в публикациях 50-х и 60-х годов последнего столетия и с тех пор продолжает называться методом «гидроразрыва», хотя, по-видимому, этот термин не подходит к этому способу (методу).

Экспериментальные исследования прочностных свойств горных пород Карагандинского и Алакульского угольных месторождений, рудных месторождений Джезкангана, Хромтау, Ачиского, Орловского полиметаллических комбинатов (в основном на разрыв-растяжение) в институте горного дела им. Д.А.Кунаева АН РК, а также непосредственные подземные наблюдения в горных выработках и эксперименты по изучению сдвижении подработанных массивов с применением метода радиоактивных изотопов, автору позволяют считать процесс не «гидроразрывом»  пласта, а лишь некоторым расширением объема разрушения пород вокруг перфорированного участка нефтяной скважины под давлением 140 МПа в жидкости. А жидкость под этим давлением, продавливая межпоровые каркасные структуры пород, прокладывает себе множество микроканалов способствуют уже большему притоку нефти к скважине. К такому выводу непременно приводит нижеследующий анализ.

В работах (1,2,3) излагаются возможности осуществления метода гидроразрыва пород нефтяного пласта против коллекторной части скважины. В работе (2) утверждая, что «расход значительно увеличивается и продолжат возрастать при почти неизменном давлении жидкости», - автор статьи противоречит закону физики. Встречаем также рассуждение: «Прочность породы не играет почти никакой роли в процессе образования трещин», далее утверждение: «Очевидно трещина откроется тогда, когда внешняя нагрузка будет полностью снята с грунтового скелета Поэтому давление, при котором начнет образовываться горизонтальная трещина, будет равно местному вертикальному горному давлению». Здесь путаница заключает в том, что утверждая «трещина откроется тогда, когда внешняя нагрузка будет полностью снята с грунтового скелета», тут же противоречит приведенному следующим выражением: «давление, при котором начнет образовываться горизонтальная трещина, будет равно местному вертикальному давлению». Таким образом, в одном случае автор статьи полностью снимает горное давление для образования трещины и тут же утверждает, что трещина образуется при местном вертикальном давлении. Следующее толкование, что «при давлении  жидкости в порах, меньшем, чем горное давление, все трещины будут закрыты», побуждает задать следующий вопрос: при отнесении и пор к трещинам, содержащим нефть и газ, то при закрытии всех трещин и пор, куда же денутся нефть и газ? Правильным ответом на поставленный вопрос считаем следующее: для любого порового давления пласта вновь устанавливается и сохраняется закон равновесия пласта, то есть между всеми его компонентами, как системы.

Выражению «для образования вертикальной трещины нужно, чтобы давление в скважине было по крайней мере равно боковому горному давлению», следует возразить, что – это ошибочное понимание возможности вертикального трещинообразования горных породах нефтяного пласта. Трещины вообще не образуются, потому что для из возникновения необходимо, раздвигая частицы породы, преодолевать боковое горное давление. Но «давление в скважине, равное боковому горному давлению», не нарушит установившееся равновесие в нефтяном пласте и нет никакой причины для возникновения трещины.

Отмеченная работа содержит еще ряд противоречивых суждений в пользу о возможности «гидроразрыва пласта», в основном сомнительных и предположительных, неподкрепленных экспериментальными данными, она вызывает к себе возражения, опирающиеся на современный развитый уровень исследований геомеханических, напряженно-деформированных состояний горных пород, на больший объем данных изучений физико-механических свойств пород в массиве и в условиях лаборатории.

По закону физики при установлении постоянного давления в сечении устьевой части скважины скорость расхода жидкости через это сечение остается постоянным. Поэтому для увеличения расхода жидкости в единицу времени через сечение, необходимо увеличить скорость прохождения жидкости через сечение скважины, что сразу же влечет за собой изменение режима в трубке тока, т.е. в сечении устьевой части скважины немедленно понизится давление. В рассматриваемой статье поддержание постоянного давления в устьевой части и пропорциальное увеличение расхода жидкости возможно при одновременном ежесекундном возрастании мощности насоса и продлении промежутка времени Δt. Так как ежесекундное обеспечение возрастания мощности насоса для поддерживания устьевого давления постоянным невозможно, то расход жидкости увеличивается только за счет промежутка времени  Δt.

Если растет скорость Ʋу  подачи жидкости, то в устьевом сечении скважины устанавливается равенство:

Vy= Ʋу.Sy. Δt,

где Vy – устьевой прокаченный объем жидкости; Ʋу – скорость жидкости в устьевой части скважины; Sy – сечение скважины в устьевой части; Δt – конкретный промежуток времени закачивания жидкости в скважину. Из приведенной формулы следует, что объем жидкости, проходящий через любое сечение всей трассы (устье – забой скважины – поры и трещины пласта до эксплуатационных добычных скважин), может увеличиваться только при возрастании скорости ʋ (за счет увеличения производительности  насоса). При этом закон вдоль всей трассы сохраняется в следующем виде:

ʋ1 S1  Δt =  ʋ2 S2  Δt = ʋ3 S3  Δt =…

где ʋ1 – скорость жидкости в i-ом поровом канале; - сечение i – го порового канала.

Если для любого сечения трассы выдерживать    , т.е. эта величина может быть принята за секунду, минуту или час, что в конечном счете не влияет на ряд произведений и сумму   и:

    (2)

Таким образом, устанавливается и стабилизируется вдоль длины трассы по закону физики жидкости течение, где в малых сечениях поддерживается большая скорость, а в больших сечениях малая скорость жидкости, что и обуславливает полное отсутствие сбора и накапливания жидкости перед малыми сечениями. Последнее происходит еще потому, что в районах малого сечения давление в потоке снижается, а в больших сечениях оно возрастает.

В формулах (1) и (2) сумма  отражает сумму произведений площадей сечений элементарных поровых каналов и скоростей жидкости в них в нефтяном пласте, расходящиеся радиально от коллекторной части забоя скважины. В этой сумме  и  означают некоторые усредненные показатели поровых каналов, полная сумма произведений которых, т.е. , в конечном счете обеспечивает прохождение расхода жидкости   равного по формуле (1) расходам , которые постоянны.

Если же, увеличивая мощность насоса и его скорость подачи жидкости за единицу времени под большим давлением, достигается большая производительность насоса (под большим напором), то течение вдоль длины всей трассы изменит, лишь величины скоростей и давлений в сечениях при другой стабилизации процесса течения жидкости по трассе. При этом в породах нефтяного пласта, расположенных вокруг забоя скважины, большое количество поровых каналов обеспечивают прохождение через них нового расхода жидкости, прошедшего через устье и другие участки скважины, обусловленного изменившейся мощности насоса и новым повышенным напором.

 

Литература

1.        Желтов Ю.П. Исследования по механизму гидравлического разрыва пласта. 1957, 141 с. (кандидатская диссертация).

2.     Христианович С.А. Исследования механизма гидравлического разрыва пласта.//Сб. научн.тр./Ип-г геологии и разработки горных ископаемых АП СССР, 1960. Т.2. С. 159-165.

3.     Батугим С.А. Анизотропия массива горных пород. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988, 86 с.