AN ANALYSIS OF POSSIBLE WAYS TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF MULTISTAGE HYDRAULIC FRACTURING IN OIL FIELDS

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ МНОГОСТАДИЙНОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА НА НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Обзорная статья

Синельников И.А.*

Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (ivan4858[at]mail.ru)

Аннотация

Целью настоящей работы является определение комплекса технических мероприятий, обеспечивающих технологически и экономически наиболее эффективное проведение многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП) на нефтяных месторождениях.

Задачей работы является провести анализ современных разработок в области повышения эффективности проведения МГРП, выявить актуальные проблемы и резервы улучшения проектирования МГРП, а также выявить наиболее вероятные риски при реализации проектов многостадийного гидравлического разрыва пласта.

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта, многостадийный гидравлический разрыв пласта, горизонтальная скважина, проппант.

AN ANALYSIS OF POSSIBLE WAYS TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF MULTISTAGE HYDRAULIC FRACTURING IN OIL FIELDS

Review article

Sinelnikov I.A.*

St. Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author (ivan4858[at]mail.ru)

Abstract

The purpose of this study is to determine a set of technical measures that ensure the most technologically and economically efficient multi-stage hydraulic fracturing at oil fields.

The objectives are to analyze modern developments in the field of improving the efficiency of multistage hydraulic fracturing, to identify current problems and reserves for improving the design of multistage hydraulic fracturing, as well as to identify the most likely risks in the implementation of the projects of the practce under study.

Keywords: hydraulic fracturing, multi-stage hydraulic fracturing, horizontal well, proppant.

Введение

В настоящее время существует множество вариантов проведения многостадийного гидроразрыва пласта. Для разработки трудноизвлекаемых запасов нефти, которыми представлена большая часть текущей ресурсной базы, ГРП является одним из немногих способов, позволяющих добиться необходимой степени извлечения углеводородов и достичь желаемого экономического эффекта. Повысить экономический эффект можно за счет снижения себестоимости проведения операции, но при таком подходе существует предел, обусловленный спецификой технологии. Гидравлический разрыв пласта является масштабным мероприятием, требующим большого количества технических и финансовых ресурсов, и, таким образом, затраты на его проведение будут оставаться высокими. В работе основное внимание было уделено поиску нестандартных решений, сочетающих в себе современные инженерные изыскания и эффективные методы управления и распределения ресурсов. Максимизировать экономический эффект можно за счет правильного распределения технических средств и ресурсов.

Анализ возможных способов повышения эффективности проведения многостадийного гидравлического разрыва пласта на нефтяных месторождениях

Разработка нефтяных залежей, относящихся к баженовской свите, в настоящее время является одним из приоритетных направлений. Нефтяные компании сосредотачивают большое количество средств на поиск оптимального способа разработки таких трудноизвлекаемых запасов. ПАО «Газпромнефть» планирует в качестве главного инструмента использовать многостадийный гидроразрыв пласта с особым дизайном. Опыт проведения первых МГРП на залежах баженовской свиты показал недостаточную эффективность стандартных технологий. В твердых слабопроницаемых породах образуются очень узкие трещины, при этом стандартные жидкости гидроразрыва в таких трещинах образуют трудно разрушаемый осадок. Одним из возможных решений является использование в качестве жидкости воды или других маловязких жидкостей.

Изначально в рамках экспериментальных проектов в роли жидкости гидроразрыва выступала вода, но от нее пришлось отказаться. Вода обладает низкой вязкостью, недостаточной для удержания проппанта во взвешенном состоянии. Проппант осаждается в скважине, не доходя до нужных участков внутри трещины, в результате чего не достигается проектная длина трещины, и мероприятие несет лишь негативные последствия. В ПАО «Газпромнефть» было решено использовать насосы высокой мощности для создания повышенных скоростей закачки. При движении жидкости с большой скоростью проппант не успевает осаждаться в скважине. Однако при увеличении скорости течения жидкости давление на стенки трубы также увеличивается. Для предотвращения превышений допустимых параметров давления необходимо использовать трубы большего диаметра. На практике это означает, что необходимо отказаться от применения компоновок ГРП с муфтами и насоснокомпрессорными трубами (НКТ). Кроме того, более мощные насосы, повышенные скорости закачки и связанный с этим больший расход жидкости разрыва влекут за собой и более высокие затраты на проведение мероприятия [4].

В работе [5] представлен анализ результатов проведения МГРП на Приобском месторождении.

Экспериментально установлено, что на увеличение эффекта от проведения МГРП положительно влияет увеличение длины горизонтального участка скважины. На скважинах с более длинным горизонтальным стволом эффективность мероприятия выше. Эффект от увеличения длины ГС подтвердился на всех опытных участках лицензионной территории.

В работе [9] приведено исследование зависимости чистой приведенной стоимости проекта по проведению ГРП от длины горизонтального участка скважин и количества стадий гидроразрыва (рис. 1).

Рис. 1 – Зависимость экономической эффективности от длины горизонтального участка скважин (ΔLгy) и количества стадий гидроразрыва [9]

 

Наибольшими показателями экономической эффективности обладает скважина с длиной горизонтального участка 750 м, максимальное значение NPV достигнуто при числе стадий, равном 8. Максимальные значения NPV для скважин с длиной горизонтального ствола 500 м и 1000 м достигаются при числе стадий 5 и 9–11 соответственно. Но зачастую МГРП приходится рассматривать как часть системы разработки месторождения, и от эффективности его проведения зависит конечный коэффициент извлечения нефти. Максимальное вовлечение в разработку слабодренируемых участков низкопроницаемых коллекторов наилучшим образом достигается при большем числе стадий гидроразрыва.

При проектировании МГРП следует принимать во внимание число стадий, ориентацию трещин (перпендикулярно горизонтальному стволу или вдоль горизонтального ствола), количество проппанта на стадию и расстояние между портами МГРП. В работе [2] установлено, что проницаемых коллекторов более оптимальна ориентация трещин перпендикулярно горизонтальному участку скважины. Увеличение количества стадий гидроразрыва приводит к созданию большего числа трещин и, следовательно, к росту продуктивности. Однако при увеличении количества стадий и уменьшении расстояния между портами до определенного значения дальнейшего прироста продуктивности не происходит. В значительной степени на повышение продуктивности скважин оказывает влияние увеличение количества проппанта на стадию [5].

Увеличить площадь охвата пластов низкопроницаемых коллекторов возможно за счет создания более длинных трещин, особенно в местах окончания ствола ГС. Для повышения эффективности мероприятия при отсутствии геологических и технических ограничений следует создавать более длинные трещины, позволяющие увеличить площадь дренирования запасов. Необходимо помнить, что увеличение массы проппанта на стадию и увеличение длины трещины имеет экономические ограничения. Следует проводить сопоставление нескольких проектных вариантов и выбирать наиболее оптимальный.

Анализ опыта показывает, что освоение ранее нерентабельных трудноизвлекаемых запасов возможно с выявлением наиболее эффективных мероприятий и успешным их испытанием на опытных участках месторождений [5].

Проведение МГРП является технологически сложным мероприятием, требующим тщательной подготовки, планирования и использования максимального количества промысловой информации. Зачастую необходимые для этого исследования не проводятся нефтяными компаниями в полном объеме. В результате после проведения МГРП либо во время самой операции появляются различные осложнения, ухудшающие технико-экономические показатели работы скважин. Компания может не получить запланированного эффекта от ГРП, а в ряде случаев мероприятие может иметь отрицательные последствия.

Различные факторы снижают эффект от ГРП, в результате чего проектные показатели добычи не соблюдаются и компания несет экономические потери. К таким факторам относятся снижение пластовой энергии, уменьшение фазовых проницаемостей по нефти, низкая начальная проводимость трещины. Данные явления могут не возникнуть при корректной организации системы разработки и технологии проведения МГРП, однако другие возможные осложнения, например, вынос проппанта из трещины, кольматация трещины и околоскважинной зоны неразложившимся гелем, прорывы газа и воды по трещине из непроектных горизонтов [3] носят системный характер и в любом случае имеют определенную вероятность возникновения. Требуются дополнительные мероприятия для минимизации их последствий.

Наибольшее негативное влияние на работу скважины после ГРП оказывает вынос проппанта из трещины. В результате выноса проппанта происходит не только быстрый износ скважинного оборудования вследствие абразивного эффекта, но и уменьшение ширины созданной трещины в местах отсутствия расклинивающего агента вплоть до ее полного схлопывания.

Частицы проппанта выносятся из трещины под действием движущихся с большой скоростью пластовых флюидов. Снизить интенсивность данного явления позволяет уменьшение депрессии на пласт за счет повышения забойного давления [3].

Для предотвращения выноса проппанта может быть использована технология PropNET. В пласт одновременно с проппантом закачивается гибкое стекловолокно, заполняющее промежутки между частицами проппанта, благодаря чему достигается большая устойчивость проппанта в трещине. Наиболее распространенной технологией является применение RCP-проппанта. Проппантные частицы покрыты фенолформальдегидной смолой, в результате чего достигается их дополнительная прочность и устойчивость [3].

Другой распространённой проблемой является кольматация трещины неразложившимся гелем жидкости разрыва. Основной компонент большинства жидкостей ГРП – это гели гуаровой смолы. Добавляются также сшиватели и брейкеры-деструкторы полимеров, за счет которых гель саморазрушается после проведения ГРП и выводится из пласта вместе с нефтью, либо гель растворяется пластовой нефтью. Однако нередко полимер остается неразрушенным после размещения проппанта в трещине, в результате чего образуется сверхвязкая масса, блокирующая пространство трещины и призабойной зоны. Решением данной проблемы является использование более совершенных жидкостей ГРП, таких как высокоструктурированные гелирующие комплексы, кислотные составы, низкополимерные жидкости разрыва, а также не загрязняющие пласт жидкости [3]. Данные композиции обладают более высокой стоимостью, но при этом значительно снижают риск образования нерастворимых осадков в пласте, что оправдывает их применение для проведения МГРП.

Основным ограничением при проведении ГРП остается низкая толщина разрабатываемого коллектора, близость водонасыщенных горизонтов и газовых шапок. В коллекторах с близко расположенными водонасыщенными горизонтами существует опасность прорыва воды по трещине ГРП. В настоящее время делаются различные попытки по ограничению водопритока. Существуют такие методы, как ограничение распространения трещины в вертикальном направлении; создание проппантных барьеров для ограничения увеличения высоты трещины; закачка реагентов, уменьшающих относительную фазовую проницаемость для воды за счет создание химических барьеров в трещине. Первые два способа направлены на сдерживание нежелательного роста трещины, ограничением их применения являются прочностные характеристики слагающих пласт пород. Третий способ является более универсальным и по своей сути аналогичен технологиям ограничения водопритока к добывающим скважинам на поздних этапах разработки месторождения [3].

Гидравлический разрыв пласта является методом, позволяющим значительно повысить эффективность разработки объекта, но может оказаться и убыточным мероприятием. При правильной организации и проведении работ, при использовании нужных технологий удастся избежать возможных проблем и негативных последствий.

Гидравлический разрыв пласта является одним из наиболее эффективных способов повышения коэффициента извлечения нефти, но вместе с тем и достаточно дорогостоящим мероприятием. Используется специализированная техника, современное дорогостоящее оборудование, большие объемы технологических жидкостей и проппанта для достижения давления на забое, достаточного для разрыва пород, и последующего создания трещин. Крайне важным является отслеживание всех статей затрат на проведение мероприятия и постоянный поиск путей их оптимизации.

При проектировании МГРП всегда существуют определенные инвестиционные риски. Следует отказаться от прогнозирования на основе средних по месторождению или по предприятию затрат на проведение МГРП и учитывать индивидуальные технико-экономические показатели каждой скважины. При планировании МГРП следует тщательно отбирать скважины-кандидаты для включения в программу мероприятия. Специалистами [7] предложен подход по использованию минимального рентабельного дебита скважины как критерия включения в программу МГРП.

В работе [1] предлагается снизить транспортные затраты на проведение ГРП. В случае, если техника для проведения ГРП (флот ГРП) используется нерационально, необходимо разработать пути более эффективного использования техники с меньшими временными потерями.

В большинстве случаев гидравлический разрыв пласта проводится на одной скважине за один выезд флота ГРП с базы. Более эффективно осуществлять ГРП на двух или трех скважинах в пределах одного нефтегазодобывающего управления (НГДУ) за один выезд флота ГРП. Благодаря проведению ГРП одновременно на двух скважинах транспортные затраты снизятся в два раза, в результате чего будет достигнут дополнительный экономический эффект.

Существует риск неготовности двух скважин подряд к проведению ГРП из-за возможности непредвиденной дополнительной работы при проведении подготовительно-заключительных работ. Возможны простои в работе скважин, вследствие чего происходит потеря добычи нефти и компания теряет прибыль. Для снижения риска возникновения простоев следует проводить подготовку и других скважин из числа тех, по которым не наблюдается потерь нефти и простои которых в ожидании флота ГРП не приведут к значительному экономическому ущербу. Из этого следует вывод о том, что особое внимание следует уделить своевременной подготовке скважин для проведения ГРП.

Таким образом, за счет рационального использования техники частично снижается себестоимость мероприятия. Однако при планировании МГРП необходим комплексный подход, сочетающий современные инженерные изыскания и эффективные методы распределения ресурсов.

Для достижения желаемого эффекта от проведения ГРП необходимо оптимально использовать материалы. Наибольшего прироста добычи позволит достичь правильно подобранный дизайн МГРП (расположение портов, ориентация трещин, число стадий, стратегия перфорирования). Важную роль в планировании мероприятия играет разработка инноваций, повышающих как технологическую эффективность, так и снижающих стоимость проведения операций.

Работа [10] посвящена изучению эффективности технологии кластерного ГРП HiWAY, испытанной на Южно-Приобском месторождении.

Концепция кластерного ГРП предполагает создание высокопроводящих каналов внутри итоговой трещины, благодаря которым достигается значительно более высокая ее проводимость в сравнении со стандартным ГРП. Образование таких каналов происходит посредством особой техники закачки смеси ГРП, при которой чередуются кластеры насыщенного проппантом раствора и чистый раствор. При этом производится расчет количества и устойчивости открытых каналов, основанный на геомеханической модели скважины и расписании закачки. Таким образом, расписание закачки должно подбираться так, чтобы трещины не смыкались в промежутках отсутствия проппанта.

Основное преимущество технологии заключается в значительном снижении затрат на ГРП. Именно за счет кластеров чистого раствора достигается снижение необходимого количества проппанта на 45% по сравнению с обычным ГРП, а также заметно сокращается количество жидкости и время на проведение МГРП. Проведенные испытания на скважинах Южно-Приобского месторождения позволили заключить, что технология кластерного ГРП HiWAY не уступает по продуктивности, а в некоторых случаях имеет более высокую продуктивность по сравнению со стандартным гидроразрывом. При использовании волоконно-армированного проппанта в данной технологии достигается меньшее осаждение проппанта в трещине, происходит более равномерное его распределение, что делает трещину более устойчивой.

Заключение

Проведенное исследование показывает, что необходимо искать более эффективные технологии МГРП. Неотъемлемой частью планирования МГРП является поиск путей оптимизации использования ресурсов и сокращения себестоимости проведения мероприятия. Наилучшим решением является поиск нестандартных способов проведения МГРП, обеспечивающих эффективное извлечение нефти и рациональное использование ресурсов. Наиболее эффективным комплексом мероприятий с технологической и экономической точек зрения является проведение МГРП по кластерной технологии HiWAY. Включение в программу МГРП мероприятий по минимизации рисков делает технологию еще более выгодной, имеющей большое практическое значение для нефтяных компаний.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Антипова О. В. Управление затратами при организации работ по гидравлическому разрыву пласта внефтедобыче / О. В. Антипова, А. Д. Прохорова // Фундаментальные исследования. – 2018. – № 5. – C. 30-34.
2. Бархатов Э. А. Эффективность применения многозонного гидроразрыва пласта в горизонтальных скважинах / Э. А. Бархатов, Н. Р. Яркеева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2017. – Т. 328. № 10. – С. 50–58.
3. Бобков Д. О. Проблемы, возникающие при проведении ГРП, и возможности их решения [Электронный ресурс] / Д. О. Бобков // Современные научные исследования и инновации. – 2017. – № 7. – URL: https://web.snauka.ru/issues/2017/07/84111 (дата обращения: 06.05.2021).
4. Зорина С. Работа на разрыв. ГРП— вчера, сегодня, завтра / С. Зорина, К. Николаев // Сибирская нефть. – 2015. – № 10/127. – С. 26–33.
5. Листик А. Р. Выбор лучших технологических решений для повышения эффективности применения горизонтальных скважин с многостадийным гидроразрывом пласта на Приобском месторождении / А. Р. Листик // Нефтяное хозяйство. – 2017. – № 1130.
6. Прокопьев-Ротермиль А. А. Анализ геолого-технических мероприятий, проводимых на Восточно-Мессояхском месторождении / А. А. Прокопьев-Ротермиль // Научно-практический журнал «Энигма». – 2020. – № 27. – С. 124.
7. Буренина И. В. Совершенствование методического подхода к планированию мероприятий по гидроразрыву пласта на нефтяных месторождениях / И. В. Буренина, Л. А. Авдеева, И. А. Соловьева и др. // Записки Горного института. – 2019. – Т. 237. – С. 344-353.
8. Технологии добычи нефти и газа [Электронный ресурс]. «Газпром нефть». – URL: https://www.gazprom-neft.ru/technologies/production/ (дата обращения: 05.04.2021).
9. Шупик Н. В. Повышение эффективности площадных систем заводнения низкопроницаемых пластов Западной Сибири : дис. … канд. техн. наук : 25.00.17 : защищена 15.07.2017 : утв. 15.10.2017 / Шупик Наталья Владиславовна. – М., 2017. – С. 13.
10. Юдин А. Кластерный ГРП в горизонтальных скважинах. Первое в России массовое применение новой технологии / А. Юдин // Oil&Gas Journal Russia. – 2018. – С. 48-53.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Antipova O. V. Upravlenie zatratami pri organizacii rabot po gidravlicheskomu razryvu plasta v neftedobyche [Cost management in the organization of hydraulic fracturing operations in oil production] / O. V. Antipova, A. D. Prohorova // Fundamental'nye issledovanija [Basic research]. – 2018. – № 5. – Р. 30-34. [in Russian]
2. Barhatov Je. A. Jeffektivnost' primenenija mnogozonnogo gidrorazryva plasta v gorizontal'nyh skvazhinah [Efficiency of multi-zone hydraulic fracturing in horizontal wells] / Je. A. Barhatov, N. R. Jarkeeva // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov [Proceedings of the Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering]. – 2017. – V. 328. № 10. – Р. 50–58. [in Russian]
3. Bobkov D. O. Problemy, voznikajushhie pri provedenii GRP, i vozmozhnosti ih reshenija [Problems that arise during hydraulic fracturing, and the possibilities of their solution] [Electronic resource] / D. O. Bobkov // Sovremennye nauchnye issledovanija i innovacii [Modern scientific research and innovation]. – 2017. – № 7. – URL: https://web.snauka.ru/issues/2017/07/84111 (accessed: 06.05.2021). [in Russian]
4. Zorina S. Rabota na razryv. GRP — vchera, segodnja, zavtra [Work on the gap. Hydraulic fracturing — yesterday, today, tomorrow] / S. Zorina, K. Nikolaev // Sibirskaja neft' [Siberian oil]. – 2015. – № 10/127. – P. 26–33. [in Russian]
5. Listik A. R. Vybor luchshih tehnologicheskih reshenij dlja povyshenija jeffektivnosti primenenija gorizontal'nyh skvazhin s mnogostadijnym gidrorazryvom plasta na Priobskom mestorozhdenii [Selection of the best technological solutions for improving the efficiency of horizontal wells with multi-stage hydraulic fracturing at the Priobskoye field] / A. R. Listik // Neftjanoe hozjajstvo [Oil industry]. – 2017. – № 1130. [in Russian]
6. Prokop'ev-Rotermil' A. A. Analiz geologo-tehnicheskih meroprijatij, provodimyh na Vostochno-Messojahskom mestorozhdenii [Analysis of geological and technical measures carried out at the Vostochno-Messoyakhskoye field] / A. A. Prokop'ev-Rotermil' // Nauchno-prakticheskij zhurnal «Jenigma» [Scientific and practical magazine «Enigma»]. – 2020. – № 27. – Р. 124. [in Russian]
7. Burenina I. V. Sovershenstvovanie metodicheskogo podhoda k planirovaniju meroprijatij po gidrorazryvu plasta na neftjanyh mestorozhdenijah [Improving the methodological approach to the planning of hydraulic fracturing activities in oil fields] / I. V. Burenina, L. A. Avdeeva, I. A. Solov'eva et al. // Zapiski Gornogo instituta [Notes of the Mining Institute]. – 2019. – V. 237. – P. 344-353. [in Russian]
8. Tehnologii dobychi nefti i gaza [Oil and gas production technologies] [Electronic resource]. «Gazprom neft'». – URL: https://www.gazprom-neft.ru/technologies/production/ (accessed: 05.04.2021). [in Russian]
9. Shupik N. V. Povyshenie jeffektivnosti ploshhadnyh sistem zavodnenija nizkopronicaemyh plastov Zapadnoj Sibiri [Improving the efficiency of areal flooding systems in low-permeable reservoirs in Western Siberia] : dis. … of PhD in Engineering : 25.00.17 : defense of the thesis 15.07.2017 : approved 15.10.2017 / Shupik Natal'ja Vladislavovna. – M., 2017. – P. 13. [in Russian]
10. Judin A. Klasternyj GRP v gorizontal'nyh skvazhinah. Pervoe v Rossii massovoe primenenie novoj tehnologii [Cluster hydraulic fracturing in horizontal wells. The first mass application of the new technology in Russia] / A. Judin // Oil&Gas Journal Russia. – 2018. – P. 48-53. [in Russian]