Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития нефтегазовой отрасли одним из наиболее эффективных методов повышения производительности скважин является гидравлический разрыв пласта (ГРП) Этот метод особенно актуален при разработке месторождений в низкопроницаемых коллекторах Гидроразрыв пласта также активно применяется для повышения производительности скважин в средне- и высокопроницаемых породах
Гидравлический разрыв пласта представляет собой механический метод воздействия на продуктивный пласт Трещина гидроразрыва создается в пласте под действием жидкости, которую закачивают в скважину под большим давлением Чтобы после снятия избыточного давления трещина ГРП не сомкнулась обратно, ее заполняют твердым гранулярным материалом, называемым проппантом Частицы проппанта добавляются в жидкость разрыва и переносятся в виде суспензии по созданной трещине После завершения операции гидроразрыва трещина представляет собой узкий слой высокопроницаемого материала, пересекающий продуктивный пласт, который служит каналом для поступления пластового флюида в скважину Таким образом, расширяется область пласта, дренируемая скважиной
С точки зрения моделирования гидроразрыва выделяют следующие задачи формирование трещины, в т ч механическая деформация породы под действием давления жидкости, течение жидкости и распространение трещины, перенос проппанта, те течение суспензии в скважине и но трещине гидроразрыва, закрытие трещины, те формирование окончательной геометрии трещины под действием сжимающих напряжений в пласте, очистка созданной трещины от жидкости разрыва, те вытеснение жидкости разрыва пластовым флюидом
Важным элементом моделирования гидравлического разрыва пласта является описание процессов переноса проппанта и очистки трещины от остаточной жидкости разрыва Несмотря на различную
физическую природу, эти два процесса обладают рядом общих черт и описываются сходными математическими моделями В обоих случаях происходит течение двухфазной системы внутри узкой трещины при наличии обмена одной из фаз через боковые поверхности трещины с пластом Иными словами, сложная двумерная система "вложена" в сравнительно простую трехмерную систему Описание подобных систем стандартными сеточными методами весьма трудоемко и потому неэффективно Развиваемые в данной работе модели основаны на сочетании детального двумерного описания течения в трещине с приближенным описанием перетока между пластом и трещиной На этой основе удается построить достаточно простые эффективные модели, отражающие основные черты явления
Практика гидроразрыва давно показала, что остаточная жидкость разрыва значительно уменьшает пропускную способность трещины Немногочисленные количественные исследования обнаружили, что большая часть жидкости разрыва остается в трещине, несмотря на усилия по снижению вязкости остаточной жидкости с помощью химических добавок (брекеров) Поэтому анализ процесса очистки трещины является необходимым элементом подготовки эффективного гидроразрыва
Задача о переносе проппанта исследуется много лет, и современные промышленные пакеты программ для проектирования ГРП позволяют моделировать данный процесс Однако, перенос проппанта в стандартных пакетах моделируется как пассивный процесс В то же время, перспективным является активный, управляемый перенос проппанта в необходимые области трещины Рациональное распределение проппанта может обеспечить повышенную проводимость трещины Одним из инструментов управляемого переноса проппанта может стать программированная закачка смеси частиц различного размера и (или) плотности В связи с этим, возможность расчета переноса смеси проппантов становится необходимым инструментом проектирования гидроразрыва
Целью работы является разработка методов расчета и последу-
ющее исследование процессов переноса, возникающих при создании и очистке трещины гидроразрыва Основные задачи исследования:
разработка численной модели, описывающей очистку трещины гидроразрыва от остаточной жидкости разрыва,
верификация упрощенной модели очистки трещины,
разработка математической и численной модели, описывающей течение в вертикальной трещине гидроразрыва суспензии, состоящей из нескольких видов частиц,
моделирование течений многокомпонентной суспензии в вертикальной трещине гидроразрыва
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем
-
Проведен анализ применимости упрощенной одномерной модели очистки трещины гидроразрыва Показано, что в случае высокой проводимости трещины прогнозы ее очистки, полученные с помощью упрощенной модели, согласуются с аналогичными результатами, полученными в рамках двумерной модели
-
Усовершенствована математическая модель переноса проппан-та в вертикальной трещине гндроразрыва Полученная модель позволяет учитывать перетоки между пластом и трещиной в сочетании с течением в трещине суспензии, состоящей из нескольких видов частиц
-
Проведен анализ математической модели переноса проппанта Определены основные безразмерные параметры, характеризующие течение суспензии по трещине гидроразрыва
-
Предложена двумерная численная модель переноса проппанта в вертикальной трещине гидроразрыва В ходе численного эксперимента исследована чувствительность решения к безразмерным параметрам задачи
Практическая ценность результатов. Показано, что на базе упрощенной модели возможно быстрое численное решение задачи об очистке трещины гидроразрыва, которое может быть использовано на этапе проектирования трещины Предлагаемая модель очистки трещины может быть использована при решении задачи оптимизации гидроразрыва пласта, с учетом стоимости использования различных брекеров, их влияния на вязкость жидкости разрыва, последующую очистку трещины, и, как следствие, на суммарную добычу
Обобщенная модель переноса частиц позволяет исследовать течение в вертикальной трещине гидроразрыва суспензии, состоящей из нескольких видов частиц Моделирование течения такого рода суспензий в перспективе позволит проектировать гидроразрыв для создания трещин с заданными свойствами
Положения, выносимые на защиту
-
Положения упрощенной модели очистки трещины гидроразрыва
-
Подход к моделированию течения суспензии, состоящей из нескольких видов частиц, в вертикальной трещине гидроразрыва
-
Вывод безразмерных параметров задачи течения суспензии по трещине гидроразрыва
-
Методика оценки, алгоритмы и программы для расчета переноса пропнанта, с учетом перетоков между пластом и трещиной в сочетании с течением в трещине суспензии, состоящей из нескольких видов частиц
Методика исследования. Основной метод исследования, рассмотренный в диссертации - численный. В процессе работы использовались известные алгоритмы расчета и компьютерные программы, написанные автором диссертации самостоятельно Для написания компьютерных программ использовались языки программирования C++ и Фортран Для сравнительных расчетов использовался программный продукт Eclipse фирмы Schlumberger
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья" (Москва ГЕОС 2004 г), на 6-ой научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России", посвященной 75-летию Российского государственного университета нефти и газа им И М Губкина (26-27 января 2005 г), на международной конференции, состоявшейся в РГУ нефти и газа им И М Губкина в ноябре 2005 по инициативе кафедры ПМ и КМ, на 7-й научно-технической конференции и выставке "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (29-30 января 2007, РГУ нефти и газа им И М Губкина), а также на семинарах по Прикладной механике сплошных сред в ИПМех РАН (Москва, 2003-2007)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 4 в материалах научных конференций, одно учебное пособие и одна статья
Структура и объем работы. Диссертационная работа излагается на 131 странице машинописного текста и состоит из содержания, введения, четырех глав, разбитых на разделы, заключения, списка используемой литературы и двух приложений Список литературы насчитывает 111 наименований В работе содержится 42 рисунка и 11 таблиц
