Гидроразрыв пласта: назначение и выбор скважин

Кратко о главном

Трещина образуется, когда давление на забое превышает давление разрыва; она раскрывается против наименьшего главного напряжения и на обычных глубинах вертикальна, с двумя симметричными крыльями.
Проппант удерживает трещину открытой. Её пропускную способность описывает проводимость $k_f w$ — проницаемость упаковки проппанта, умноженная на ширину.
Трещина высокой проводимости работает как скважина радиусом около половины своей полудлины: $r_w' \approx x_f/2$ . Эквивалентный скин $S_f = -\ln(r_w'/r_w)$ обычно от −4 до −6.
Безразмерная проводимость $F_{CD} = k_f w/(k x_f)$ сравнивает способность трещины проводить флюид со способностью пласта его отдавать. При $F_{CD}$ от 10 и выше длина трещины используется почти полностью, при малых $F_{CD}$ работает лишь её часть у ствола.
Относительный выигрыш тем больше, чем ниже проницаемость пласта: в плотном пласте решает длина трещины, в проницаемом — её проводимость.
Кандидат — низкая проницаемость или повреждение, достаточные запасы и давление, надёжные барьеры сверху и снизу, особенно если рядом вода или газ, скважина, рассчитанная на давления гидроразрыва, и запас пропускной способности подъёмника и наземного оборудования.

Ключевые соотношения

F_{CD} = \dfrac{k_f\,w}{k\,x_f}

безразмерная проводимость трещины

r_w' \approx \dfrac{x_f}{2},\quad S_f = -\ln\dfrac{r_w'}{r_w}

трещина высокой проводимости ( $F_{CD}$ от 10 и выше)

\dfrac{q_2}{q_1} = \dfrac{X + S_1}{X + S_f},\quad X = \ln\dfrac{r_e}{r_w} - \dfrac34

кратность увеличения дебита при той же депрессии

Где чаще всего ошибаются

Ждать одинакового эффекта от одной и той же трещины в пластах разной проницаемости.
Проектировать длинную узкую трещину для проницаемого пласта: ей не хватит проводимости.
Забыть о барьерах: трещина, выросшая в водоносный или газонасыщенный пласт, может погубить скважину.
Проводить гидроразрыв в скважине, колонна, цемент и арматура которой не рассчитаны на его давления.
Считать эквивалентный скин постоянным: проводимость трещины падает при росте нагрузки на проппант, выносе проппанта и засорении.

После урока вы сможете

объяснить, как образуется трещина гидроразрыва, почему она обычно вертикальна и что делает проппант;
описать трещину полудлиной, высотой, шириной и проводимостью и объяснить смысл безразмерной проводимости трещины;
рассчитать эквивалентный скин и приведённый радиус скважины с трещиной и оценить кратность увеличения дебита;
объяснить, почему относительный выигрыш от гидроразрыва больше в низкопроницаемых пластах, а в проницаемых важнее проводимость трещины, чем её длина;
отобрать скважины-кандидаты и выбрать между кислотной обработкой и гидроразрывом;
перечислить этапы обработки, виды гидроразрыва и главные эксплуатационные риски.

Как образуется трещина и что она даёт

Если закачивать жидкость в пласт быстрее, чем он способен её принять, давление на забое растёт. Когда оно превышает давление разрыва, порода раскалывается. Чтобы трещина раскрывалась и росла дальше, давление жидкости в ней должно оставаться выше напряжения, которое сжимает её стенки, — наименьшего из главных напряжений в породе (Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение). Поэтому трещина раскрывается против наименьшего напряжения и растёт перпендикулярно ему.

На обычных глубинах вес вышележащих пород больше горизонтальных напряжений, и наименьшим оказывается минимальное горизонтальное напряжение. Трещина получается вертикальной, с двумя крыльями, симметрично расходящимися от ствола в направлении наибольшего горизонтального напряжения. Все трещины одного месторождения поэтому ориентированы почти одинаково — это учитывают при расстановке добывающих и нагнетательных скважин (Механика горных пород для гидроразрыва).

Жидкость разрыва делают вязкой: так трещина получает ширину, а жидкость удерживает во взвеси проппант — песок или керамические гранулы. Когда закачку останавливают, жидкость уходит в пласт, давление падает, и стенки трещины смыкаются на проппанте. Остаётся узкий, но очень проницаемый канал. Вязкость жидкости затем разрушают специальными добавками (деструкторами), чтобы она вышла из трещины при освоении.

Обход повреждения. Поток входит в трещину далеко от ствола и минует повреждённую призабойную зону любой природы. Для этого достаточно знать, что повреждение есть (урок о повреждении пласта).
Другая геометрия притока. Вместо того чтобы сходиться к стволу радиусом 10 см, флюид течёт к двум плоскостям длиной в десятки метров. Площадь фильтрации огромна, скорости малы, и та же депрессия даёт гораздо больший дебит.
Связь с тем, что ствол не вскрыл. Трещина может соединить со скважиной прослои, разобщённые глинистыми пропластками, и естественные трещины.

Полудлина, высота, ширина и проводимость

СхемаТрещина гидроразрыва в плане и в разрезе. Вверху — вид сверху: два крыла полудлиной

x_f

раскрыты против наименьшего горизонтального напряжения, ширина показана с большим увеличением. Внизу — разрез по плоскости трещины: созданная трещина немного заходит в глинистые барьеры, закреплённая проппантом часть короче и ниже. Схема не в масштабе.

Полудлина $x_f$: расстояние от ствола до конца одного крыла трещины (fracture half-length). Важна закреплённая полудлина: созданная трещина длиннее, но её незакреплённая часть после снятия давления смыкается.
Высота $h_f$: размер трещины по вертикали. Её ограничивают слои с большим напряжением — обычно глины; при слабых барьерах трещина прорастает в соседние пласты.
Ширина $w$: раскрытие закреплённой трещины: обычно миллиметры, при специальной технологии — до сантиметра-двух.
Проводимость $k_f w$: проницаемость упаковки проппанта $k_f$ , умноженная на ширину; измеряется в мД·м (в англоязычной литературе — мД·фут). Без нагрузки проницаемость упаковки проппанта — сотни дарси; под давлением смыкания и с остатками геля она в разы меньше.

Одной проводимости мало, чтобы судить о трещине: она должна быть велика по сравнению с пластом. Пласт отдаёт флюид в трещину по всей её длине, а трещина должна донести весь этот поток до ствола. Отношение двух способностей — безразмерная проводимость трещины.

Безразмерная проводимость трещины

F_{CD} = \frac{k_f\,w}{k\,x_f}

где:

$F_{CD}$ безразмерная проводимость трещины (в литературе также $C_{fD}$ ), —
$k_f$ проницаемость упаковки проппанта в трещине в пластовых условиях, мД
$w$ ширина закреплённой трещины, м
$k$ проницаемость пласта, мД
$x_f$ закреплённая полудлина трещины, м

Единицы: любые согласованные: $k_f$ и $k$ в одних единицах, $w$ и $x_f$ — тоже

Справедливо, если

вертикальная трещина на всю толщину пласта с двумя одинаковыми крыльями;
проводимость трещины и проницаемость пласта одинаковы по длине;
однофазное течение по закону Дарси; инерционные потери и многофазный поток в трещине уменьшают её эффективную проводимость.

Числитель — способность трещины проводить флюид вдоль себя к стволу, знаменатель — способность пласта отдавать флюид в трещину на её длине. При большом $F_{CD}$ давление вдоль трещины почти не падает, и работает вся её длина. При малом трещина «не успевает» проводить приток: давление вдоль неё падает, и дальние части почти не работают.

Проводимость закреплённой трещины снижают давление смыкания (дробление и вдавливание зёрен), остатки полимера жидкости разрыва, мелкие частицы породы, забивающие упаковку, вынос проппанта в скважину, а также инерционные потери и многофазный поток в самой трещине. Песок дешевле, но годится для умеренных нагрузок; при больших глубинах и нагрузках применяют прочную керамику. Подбор проппанта и размеров трещины разобран в теме Размеры и проводимость трещины: проектирование.

Эквивалентный скин и кратность увеличения дебита

Вдали от скважины поток «не видит» подробностей трещины: скважина с трещиной ведёт себя как обычная скважина большего радиуса. Этот приведённый радиус и отвечающий ему отрицательный скин позволяют считать приток к скважине с трещиной по привычным формулам радиального притока. Для трещины высокой проводимости приведённый радиус равен половине полудлины.

Эквивалентный скин трещины высокой проводимости

S_f = -\ln\frac{r_w'}{r_w},\qquad r_w' \approx \frac{x_f}{2}

где:

$S_f$ эквивалентный скин скважины с трещиной, —
$r_w'$ приведённый радиус: радиус скважины без трещины и без скина с той же продуктивностью, м
$r_w$ радиус ствола, м
$x_f$ закреплённая полудлина трещины, м

Единицы: любые единицы длины, одинаковые для всех радиусов

Справедливо, если

трещина высокой проводимости: $F_{CD}$ от 10 и выше; при меньшей проводимости приведённый радиус меньше (следующий раздел);
трещина мала по сравнению с областью дренирования: полудлина заметно меньше $r_e$ ;
псевдоустановившийся приток; в первые месяцы, пока течение к трещине линейное, продуктивность выше;
трещина обходит повреждение, поэтому скин повреждения в сумму не входит.

Трещина полудлиной 50 м действует как ствол радиусом около 25 м. При $r_w$ = 0,108 м это скин $-\ln(25/0{,}108) \approx -5{,}4$ . Эквивалентный скин растёт по модулю лишь логарифмически: вдвое более длинная трещина добавляет к нему только $-\ln 2 \approx -0{,}7$ .

Кратность увеличения дебита после гидроразрыва

\frac{q_2}{q_1} = \frac{X + S_1}{X + S_f},\qquad X = \ln\frac{r_e}{r_w} - \frac34

где:

$q_1,\ q_2$ дебит до и после гидроразрыва при той же депрессии, м³/сут
$S_1$ скин до обработки, включая скин повреждения, который трещина обходит, —
$S_f$ эквивалентный скин скважины с трещиной, —
$X$ логарифмический член идеальной скважины при псевдоустановившемся притоке, —

Единицы: безразмерная; логарифм натуральный

Справедливо, если

одинаковые среднее пластовое давление и депрессия; подъёмник и наземное оборудование пропускают возросший дебит;
псевдоустановившийся приток в круговой области дренирования.

В англоязычной литературе эту величину называют folds of increase (FOI). Знаменатель $X + S_f$ при длинной трещине становится маленьким — отсюда кратности 3–6 и больше даже у неповреждённых скважин, где обработка призабойной зоны почти ничего не даёт.

Расчётный примерЭквивалентный скин трещины и прирост дебита

Исходные данные (условные)

Пласт: $k = 1$ мД, $h = 15$ м
Нефть в пласте: $\mu = 0{,}8$ мПа·с, $B = 1{,}3$ м³/м³
Скважина: $r_w = 0{,}108$ м, $r_e = 400$ м, депрессия 10 МПа, скин до обработки +3
Трещина на всю толщину пласта: $x_f = 60$ м, $k_f w = 900$ мД·м

Решение

Безразмерная проводимость: $F_{CD} = \dfrac{900}{1\cdot 60} = 15$ — трещина высокой проводимости, и $r_w' \approx x_f/2 = 30$ м.
Эквивалентный скин: $S_f = -\ln\dfrac{30}{0{,}108} = -5{,}63$ .
Логарифмический член: $X = \ln\dfrac{400}{0{,}108} - 0{,}75 = 7{,}467$ .
Дебит до гидроразрыва: $q_1 = \dfrac{0{,}536\cdot 1\cdot 15\cdot 10}{0{,}8\cdot 1{,}3\cdot(7{,}467 + 3)} = 7{,}38$ м³/сут.
После: $X + S_f = 1{,}840$ , $q_2 = 42{,}0$ м³/сут; кратность $\dfrac{7{,}467 + 3}{1{,}840} = 5{,}69$ .
Уточнение для конечной проводимости: при $F_{CD} = 15$ приведённый радиус по корреляции (см. следующий раздел) — $0{,}46\,x_f = 27{,}4$ м, скин $-5{,}54$ , кратность 5,4, дебит 40,0 м³/сут.

Ответ: Трещина даёт эквивалентный скин около −5,54…−5,63 и увеличивает дебит с 7,38 примерно до 40,0 м³/сут — в 5,4 раза, на 32,6 м³/сут (205 bbl/d).

Что это значит. Часть выигрыша дал обход повреждения: у неповреждённой скважины кратность была бы 3,9. Оценка $r_w' = x_f/2$ — верхняя, при $F_{CD} = 15$ она завышает дебит лишь на 5 %. Полудлина 60 м при $r_e$ = 400 м — ещё «небольшая» трещина; для трещин, сравнимых с размерами области дренирования, приведённый радиус заменяют решениями для конкретной формы области. Данные примера условные.

Длина или проводимость: роль проницаемости пласта

При малой безразмерной проводимости трещина сама становится узким местом: пласт отдаёт в неё больше, чем она успевает провести, и приведённый радиус получается меньше половины полудлины. Зависимость $r_w'/x_f$ от $F_{CD}$ получена решением задачи о притоке к трещине конечной проводимости; её удобная аппроксимация приведена в дополнительном блоке ниже.

Приведённый радиус трещины конечной проводимости

$F_{CD}$: 0,3
$r_w'/x_f$: 0,08
Что это значит: работает лишь часть трещины у ствола

$F_{CD}$: 1
$r_w'/x_f$: 0,19
Что это значит: проводимость сильно ограничивает выигрыш

$F_{CD}$: 3
$r_w'/x_f$: 0,33
Что это значит: ограничение заметное

$F_{CD}$: 10
$r_w'/x_f$: 0,44
Что это значит: почти предельный радиус

$F_{CD}$: 30
$r_w'/x_f$: 0,48
Что это значит: практически бесконечная проводимость

$F_{CD}$: 100
$r_w'/x_f$: 0,49
Что это значит: предел $x_f/2$

$F_{CD}$	$r_w'/x_f$	Что это значит
0,3	0,08	работает лишь часть трещины у ствола
1	0,19	проводимость сильно ограничивает выигрыш
3	0,33	ограничение заметное
10	0,44	почти предельный радиус
30	0,48	практически бесконечная проводимость
100	0,49	предел $x_f/2$

Значения рассчитаны по аппроксимации из дополнительного блока; её погрешность — несколько процентов.

Отсюда главный вывод о выборе трещины. Для заданной трещины $F_{CD}$ обратно пропорционален проницаемости пласта. В плотном пласте даже скромная проводимость даёт большой $F_{CD}$ — трещина почти идеальна, и выигрыш определяется её длиной. В проницаемом пласте та же трещина проводит плохо: выигрыш меньше, и решает проводимость. Поэтому в плотных пластах стремятся к длинным трещинам, а в проницаемых — к коротким и широким.

РасчётКратность увеличения дебита неповреждённой скважины (

S_1 = 0

) после гидроразрыва в зависимости от проницаемости пласта: трещина полудлиной 50 м с проводимостью 500 мД·м (сплошная линия) и 2000 мД·м (пунктир);

r_w

= 0,108 м,

r_e

= 400 м. А, Б и В — пласты 0,5; 5 и 50 мД из примера ниже.

Подробнее:Приведённый радиус трещины конечной проводимости

Широко используемый график, связывающий приведённый радиус трещины конечной проводимости с $F_{CD}$ , опубликовали в 1981 году Х. Синко-Лей и Ф. Саманиего; предельный результат $r_w' = x_f/2$ для трещины бесконечной проводимости ещё в 1961 году получил М. Пратс. Для расчётов график удобно заменить аппроксимацией:

Приведённый радиус трещины конечной проводимости (аппроксимация)

\ln\frac{x_f}{r_w'} = \frac{1{,}65 - 0{,}328\,u + 0{,}116\,u^2}{1 + 0{,}180\,u + 0{,}064\,u^2 + 0{,}005\,u^3},\qquad u = \ln F_{CD}

где:

$x_f$ закреплённая полудлина трещины, м
$r_w'$ приведённый радиус скважины с трещиной, м
$u$ натуральный логарифм безразмерной проводимости, —
$F_{CD}$ безразмерная проводимость трещины, —

Единицы: безразмерная; логарифмы натуральные

Справедливо, если

вертикальная трещина на всю толщину пласта, скважина в центре области дренирования, трещина мала по сравнению с областью;
аппроксимация графика с погрешностью в несколько процентов в практически важном диапазоне — примерно от 0,3 до сотен; при меньшей проводимости она завышает $r_w'$ (при $F_{CD} = 0{,}1$ — примерно на 12 %, подробнее в уроке Приток к скважине после гидроразрыва); при больших $F_{CD}$ правая часть приближается к $\ln 2$ , то есть $r_w'$ — к $x_f/2$ .

Эквивалентный скин выражается через ту же величину: $S_f = \ln(x_f/r_w') - \ln(x_f/r_w)$ . При бесконечной проводимости правая часть равна $\ln 2 \approx 0{,}69$ ; её превышение над этим значением — плата за конечную проводимость. Например, при $F_{CD} = 1$ правая часть равна 1,65, и $r_w' \approx 0{,}19\,x_f$ .

Расчётный примерОдна и та же трещина в пластах разной проницаемости

Исходные данные (условные)

Трещина: $x_f = 50$ м, $k_f w = 500$ мД·м
Пласты: $k$ = 0,5; 5 и 50 мД; до обработки скин 0
Скважина: $r_w = 0{,}108$ м, $r_e = 400$ м

Решение

$F_{CD} = \dfrac{500}{k\cdot 50}$ : 20; 2 и 0,2 для 0,5; 5 и 50 мД.
По аппроксимации $r_w'/x_f$ = 0,47; 0,28 и 0,055, то есть $r_w'$ = 23,4; 13,9 и 2,76 м.
Эквивалентный скин $S_f = -\ln(r_w'/0{,}108)$ : −5,38; −4,86 и −3,24. Кратность $X/(X + S_f)$ при $X = 7{,}467$ : 3,57; 2,86 и 1,77.
В пласте 50 мД тот же объём проппанта можно уложить иначе. Объём пропорционален $x_f w$ , поэтому при той же проницаемости упаковки постоянно произведение $x_f\,k_f w = 25\,000$ мД·м². Возьмём $F_{CD} = 1{,}6$ : тогда $k_f w = 80\,x_f$ и $x_f = \sqrt{25\,000/80} = 17{,}7$ м, $k_f w = 1414$ мД·м — трещина в 2,8 раза короче и во столько же раз шире.
Для неё $r_w'/x_f = 0{,}25$ , $r_w' = 4{,}4$ м, $S_f = -3{,}71$ и кратность 1,99 вместо 1,77.

Ответ: Одна и та же трещина увеличивает дебит в 3,57 раза в пласте 0,5 мД и лишь в 1,77 раза в пласте 50 мД; в проницаемом пласте тот же проппант выгоднее уложить в короткую широкую трещину — кратность 1,99.

Что это значит. В плотном пласте трещина почти идеальна, и выигрыш определяет длина. В проницаемом пласте она не успевает провести то, что отдаёт пласт, и выигрыш определяет проводимость. При заданном количестве проппанта и трещине, малой по сравнению с областью дренирования, наилучший результат получается при $F_{CD}$ около 1,6 — перебор длин в этом примере даёт тот же оптимум. На этом основано проектирование размеров трещины (Размеры и проводимость трещины: проектирование). Данные примера условные.

Какие скважины подходят для гидроразрыва

Главный признак кандидата — низкая проницаемость. В нефтяных пластах гидроразрыв обычно применяют при проницаемости от долей до нескольких десятков миллидарси, в газовых — на один-два порядка меньше, вплоть до микродарси: газ маловязок, и рентабельный дебит газа достижим в гораздо более плотных породах. В проницаемых пластах применяют короткие широкие трещины: чтобы обойти глубокое повреждение, а в слабых песчаниках — вместе с гравийной набивкой против выноса песка (Жидкости разрыва и гидроразрыв с остановкой роста трещины, Методы борьбы с пескопроявлением).

Запасы и давление. Трещина ускоряет отбор, поэтому в области дренирования должно быть что добывать, а пластового давления — хватать на весь период (или должна быть предусмотрена механизированная добыча).
Барьеры и контакты. Над и под пластом нужны слои с большим напряжением, которые остановят рост трещины по высоте. Если в нескольких метрах водонасыщенный пласт или газовая шапка без надёжного барьера, трещина может открыть путь воде или газу.
Обводнённость. Скважина с высокой обводнённостью после гидроразрыва чаще всего даст больше воды, а не нефти.
Конструкция скважины. Колонна, цемент, фонтанная арматура и насосно-компрессорные трубы (НКТ) должны выдержать давление гидроразрыва; качественный цемент нужен, чтобы трещина не пошла по заколонному пространству. Скважину, которую не проектировали под гидроразрыв, нередко невозможно обработать.
Система сбора и подъёмник. Дебит может вырасти в разы — подъёмник, выкидная линия и установка подготовки должны его принять.
Люди и техника. Гидроразрыв гораздо сложнее кислотной обработки, и ход закачки приходится корректировать на месте, поэтому нужны опытные специалисты и надёжный флот насосных агрегатов. Первые обработки в новом районе чаще обычного заканчиваются преждевременной остановкой, пока технологию не подстроят под местные породы.

Кислота или гидроразрыв

1
Насколько проницаем пласт?
Если проницаемость низкая, заметный выигрыш даст только трещина: удаление повреждения в плотном пласте добавит немного, а трещина меняет саму геометрию притока.
2
Есть ли повреждение?
Если пласт проницаем и не повреждён, кислотная обработка почти ничего не даст — разве что в карбонате, где червоточины дают скин −2…−3. Трещина даст прирост и здесь, но меньший, чем в плотном пласте, и только при высокой проводимости; окупит ли он затраты и риски, решают расчёт и экономика.
3
Что известно о повреждении?
Неглубокое повреждение известного типа, растворимое кислотой, дешевле удалить кислотной обработкой. Глубокое, нерастворимое или непонятное обходят короткой трещиной: для неё достаточно знать, что повреждение есть.
4
Что говорят экономика и риски?
Сравнивают прирост и затраты обоих вариантов, опыт соседних скважин, близость воды и газа, состояние колонны и цемента.

Трещина не знает, где кончается пласт

Высоту трещины задают не границы продуктивного пласта, а контраст напряжений между слоями. Если соседний глинистый слой тонкий или напряжение в нём не больше, чем в пласте, трещина прорастает сквозь него. Прорыв в водонасыщенный пласт или газовую шапку может сделать скважину непригодной. На месторождениях с заводнением важно и направление трещин: трещина, вытянутая к нагнетательной скважине, приводит к раннему прорыву воды.

Как проводят гидроразрыв

Этапы обработки

1
Подготовка
сбор данных о напряжениях и свойствах пород, проверка колонны и цемента, опрессовка оборудования; часто — калибровочная закачка (мини-ГРП), по которой определяют давление смыкания трещины и утечки жидкости в пласт.
2
Подушка
порция жидкости разрыва без проппанта: она раскрывает трещину, создаёт ширину, достаточную для зёрен, и частично уходит в пласт.
3
Закачка проппанта
жидкость-песконоситель с постепенно растущей концентрацией проппанта; последние, самые насыщенные порции остаются у ствола, где нужна наибольшая проводимость.
4
Продавка
проппант продавливают чистой жидкостью до интервала перфорации — не дальше, чтобы не оставить трещину у ствола без проппанта.
5
Смыкание
скважину закрывают; жидкость уходит в пласт, трещина смыкается на проппанте, деструктор разрушает гель.
6
Освоение и оценка
отработанную жидкость разрыва выводят на поверхность, затем пускают скважину в работу; дебит и исследование скважины сравнивают с проектом.

На поверхности работает флот гидроразрыва: ёмкости с базовой жидкостью (часто раствор хлорида калия, на море — морская вода), смесительная установка, где в жидкость вводят загуститель, сшиватель, деструктор и проппант, бункеры проппанта с транспортёрами, несколько насосных агрегатов высокого давления, работающих параллельно, с резервными агрегатами, манифольд и станция управления, откуда следят за давлением, расходом и концентрацией проппанта. Обработка должна идти без остановок: отказ насоса в середине закачки может погубить работу.

Скважина испытывает большие нагрузки. Фонтанную арматуру защищают специальным устройством, отсекающим её от высокого давления. НКТ работают на разрыв изнутри, поэтому в затрубном пространстве держат противодавление, а на случай разрыва труб предусматривают сброс давления. Холодная жидкость охлаждает трубы, они укорачиваются, и растут нагрузки на пакер и резьбы. Всё это закладывают в конструкцию скважины заранее.

Что может пойти не так: стоп (screen-out) — проппант перекрывает трещину или прискважинную зону, давление резко растёт, и закачку прекращают раньше срока; рост трещины по высоте за пределы пласта; оседание проппанта из-за недостаточной вязкости, из-за чего закреплённая часть трещины оказывается короче созданной; повреждение упаковки остатками геля; вынос проппанта в скважину при освоении.

Разновидности гидроразрыва

Вид: Гидроразрыв с проппантом
Где применяют: песчаники и карбонаты низкой и средней проницаемости
Что держит проводимость: упаковка проппанта

Вид: Короткая широкая трещина, в том числе с гравийной набивкой
Где применяют: проницаемые пласты с глубоким повреждением, слабые песчаники
Что держит проводимость: плотная упаковка проппанта у ствола

Вид: Кислотный гидроразрыв
Где применяют: прочные неоднородные карбонаты
Что держит проводимость: кислота неравномерно растворяет стенки, и выступы не дают им сомкнуться

Вид: Многостадийный гидроразрыв
Где применяют: горизонтальные скважины в низкопроницаемых и сланцевых толщах
Что держит проводимость: несколько трещин вдоль ствола, каждая с проппантом

Вид	Где применяют	Что держит проводимость
Гидроразрыв с проппантом	песчаники и карбонаты низкой и средней проницаемости	упаковка проппанта
Короткая широкая трещина, в том числе с гравийной набивкой	проницаемые пласты с глубоким повреждением, слабые песчаники	плотная упаковка проппанта у ствола
Кислотный гидроразрыв	прочные неоднородные карбонаты	кислота неравномерно растворяет стенки, и выступы не дают им сомкнуться
Многостадийный гидроразрыв	горизонтальные скважины в низкопроницаемых и сланцевых толщах	несколько трещин вдоль ствола, каждая с проппантом

Кислотный гидроразрыв неприменим в песчаниках: кислота почти не растворяет их стенки, и трещина без проппанта смыкается.

Размер трещины выбирают по экономике. С ростом длины прирост добычи увеличивается всё медленнее — эквивалентный скин растёт по модулю лишь логарифмически, — а объём жидкости и проппанта, а с ними и стоимость, растут всё быстрее. Поэтому существует длина, при которой NPV обработки наибольший (Чистая приведённая стоимость (NPV), Размеры и проводимость трещины: проектирование). Как и после кислотной обработки, значительная часть прироста — ускорение добычи, а не новые запасы.

Высокое давление

Давление на устье при гидроразрыве достигает десятков мегапаскалей, а в линиях высокого давления движется абразивная смесь с проппантом. Разрыв линии, соединения или арматуры опасен для жизни, поэтому к линиям во время закачки не подходят, а зона вокруг них ограждена. Пыль кварцевого проппанта вредна для лёгких. Описание в уроке — учебное, а не порядок работ: гидроразрыв выполняют обученные бригады по утверждённому плану с опрессовкой оборудования и планом действий при осложнениях.

Термины и обозначения

Гидроразрыв пласта (ГРП): создание трещины в пласте закачкой жидкости под давлением выше давления разрыва и её закрепление проппантом.
Проппант: песок или керамические гранулы, удерживающие трещину открытой.
Полудлина трещины $x_f$: расстояние от ствола до конца одного крыла закреплённой трещины.
Проводимость трещины $k_f w$: проницаемость упаковки проппанта, умноженная на ширину трещины.
Безразмерная проводимость $F_{CD}$: отношение проводимости трещины к произведению проницаемости пласта на полудлину.
Эквивалентный скин трещины $S_f$: отрицательный скин, с которым скважина с трещиной работает как обычная скважина.
Подушка и продавка: порция жидкости без проппанта в начале закачки и порция чистой жидкости, доводящая проппант до перфорации, в конце.
Стоп: преждевременная остановка закачки из-за того, что проппант перекрыл трещину или прискважинную зону.
Кислотный гидроразрыв: гидроразрыв карбонатов кислотой без проппанта: проводимость создают неровно протравленные стенки.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Чем длиннее трещина, тем лучше — всегда».

На самом деле

В проницаемом пласте длинная трещина с обычной проводимостью работает лишь частью у ствола: её $F_{CD}$ мал. К тому же эквивалентный скин растёт с длиной лишь логарифмически, а стоимость — быстрее. Длину выбирают вместе с проводимостью и по экономике.

Неверно

«Гидроразрыв даёт одинаковый эффект в любом пласте».

На самом деле

Относительный выигрыш тем больше, чем ниже проницаемость: в примере урока одна и та же трещина увеличила дебит в 3,6 раза в пласте 0,5 мД и лишь в 1,8 раза в пласте 50 мД.

Неверно

«Высота трещины равна толщине пласта».

На самом деле

Высоту определяют контрасты напряжений между слоями. При слабых барьерах трещина прорастает в соседние пласты — в том числе водоносные.

Неверно

«Скин после гидроразрыва не меняется».

На самом деле

Проводимость трещины падает при росте нагрузки на проппант по мере истощения, при дроблении и вдавливании зёрен, выносе проппанта и засорении упаковки мелкими частицами. Эквивалентный скин со временем растёт.

Неверно

«Против повреждения, которое не растворяет кислота, ничего не сделать».

На самом деле

Трещина обходит повреждение любой природы: поток входит в неё за пределами повреждённой зоны. Для гидроразрыва достаточно знать, что повреждение есть.

Подробно: для продвинутых

Почему трещина обычно вертикальна

Трещина раскрывается против наименьшего из трёх главных напряжений. Вертикальное напряжение создаёт вес вышележащих пород и растёт с глубиной примерно на 22–25 кПа на метр; горизонтальные напряжения в большинстве осадочных бассейнов меньше него. Поэтому на глубинах больше нескольких сотен метров трещины вертикальны. На малых глубинах и в районах сильного горизонтального сжатия наименьшим может оказаться вертикальное напряжение — тогда трещина горизонтальна и растёт вдоль напластования.

Вертикальная трещина вытянута по направлению наибольшего горизонтального напряжения. Горизонтальную скважину, пробуренную вдоль направления наименьшего напряжения, пересекают поперечные трещины — так устроен многостадийный гидроразрыв; вдоль наибольшего напряжения образуется одна продольная трещина вдоль ствола. Подробнее о напряжениях и давлении смыкания — в теме Механика горных пород для гидроразрыва, о горизонтальных скважинах — в теме Горизонтальные скважины.

Первые месяцы после гидроразрыва

Формулы с приведённым радиусом описывают установившуюся картину, когда возмущение давления охватило всю область дренирования. Сразу после пуска флюид течёт к плоскости трещины почти параллельными линиями — это линейный режим притока, а при конечной проводимости сначала билинейный, с потоком и в пласте, и вдоль трещины. В это время дебит выше, чем даёт формула, и быстро снижается; кратность увеличения дебита сначала больше расчётной и постепенно приближается к ней.

В пластах с проницаемостью в доли миллидарси и ниже неустановившийся период длится месяцы и годы. Поэтому добычу скважин с трещинами в плотных пластах прогнозируют моделями неустановившегося притока, а при исследовании таких скважин ищут характерные признаки линейного и билинейного течения (Гидродинамические исследования: цели и виды, Приток к скважине после гидроразрыва).

Связь с другими темами

Повреждение пласта и скин повреждения — повреждение призабойной зоны и почему трещина его обходит.
Скин-фактор — приведённый радиус и отрицательный скин.
Кислотные обработки: принцип, экономика и выбор скважин — когда вместо трещины достаточно кислотной обработки.
Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение — давление разрыва и наименьшее напряжение в породе.
Механика горных пород для гидроразрыва — напряжения в пласте, давление смыкания, высота и ориентация трещины.
Приток к скважине после гидроразрыва — приток к скважине с трещиной и кратность увеличения продуктивности подробно.
Размеры и проводимость трещины: проектирование — проппант, проводимость и оптимальные размеры трещины.
Узловой анализ добывающей системы — пропустит ли подъёмник возросший дебит.

Проверьте себя

1
Одну и ту же трещину ( $x_f$ = 50 м, $k_f w$ = 500 мД·м) создают в неповреждённых пластах 0,5; 5 и 50 мД. Где относительный прирост дебита будет наибольшим?
1. А.Везде одинаковым: трещина та же
2. Б.В пласте 0,5 мД
3. В.В пласте 50 мД
4. Г.В пласте 5 мД
Показать ответ
Правильный ответ: Б. В пласте 0,5 мД
$F_{CD} = k_f w/(k x_f)$ равен 20; 2 и 0,2. В плотном пласте трещина почти идеальна ( $r_w' \approx 0{,}47\,x_f$ ), в проницаемом работает лишь её часть у ствола ( $r_w' \approx 0{,}06\,x_f$ ). Кратности — около 3,6; 2,9 и 1,8. Абсолютный прирост в проницаемом пласте может быть больше, но относительный — меньше.
2
Трещина высокой проводимости полудлиной 40 м создана в скважине радиусом 0,1 м; $X = \ln(r_e/r_w) - 3/4 = 7{,}2$ . Найдите эквивалентный скин и кратность увеличения дебита, если до обработки скин был 0 и если он был +4.
Показать ответ
$r_w' \approx 20$ м, $S_f = -\ln(20/0{,}1) = -\ln 200 \approx -5{,}3$ . При исходном скине 0 кратность $7{,}2/(7{,}2 - 5{,}3) \approx 3{,}8$ ; при скине +4 — $11{,}2/1{,}9 \approx 5{,}9$ : трещина ещё и обходит повреждение.
3
Как изменится безразмерная проводимость трещины, если такую же трещину создать в пласте с проницаемостью в 10 раз выше?
1. А.Уменьшится в 10 раз
2. Б.Не изменится: она зависит только от проппанта
3. В.Вырастет в 10 раз
4. Г.Уменьшится в $\sqrt{10}$ раз
Показать ответ
Правильный ответ: А. Уменьшится в 10 раз
Проницаемость пласта стоит в знаменателе $F_{CD} = k_f w/(k x_f)$ . Пласт отдаёт в трещину вдесятеро больше, а трещина проводит столько же, поэтому она в 10 раз «хуже» относительно пласта.
4
Какая скважина — самый неудачный кандидат на гидроразрыв?
1. А.Пласт 300 мД с глубоким повреждением неизвестной природы
2. Б.Нефтяной пласт 2 мД с повреждением, запасов и давления достаточно, сверху и снизу мощные глины
3. В.Газовый пласт 0,1 мД с надёжными барьерами
4. Г.Пласт 3 мД, в 4 м ниже — водонасыщенный пласт без глинистого барьера
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Пласт 3 мД, в 4 м ниже — водонасыщенный пласт без глинистого барьера
Без барьера трещина почти наверняка прорастёт в водонасыщенный пласт, и скважина начнёт давать воду. Остальные — нормальные кандидаты: низкая проницаемость в первом и третьем случае, а в четвёртом глубокое повреждение неизвестной природы разумно обойти короткой широкой трещиной.
5
Почему в песчанике трещину закрепляют проппантом, а в карбонате иногда обходятся одной кислотой?
Показать ответ
Соляная кислота растворяет карбонатную породу, причём неравномерно: в неоднородной прочной породе на стенках трещины остаются выступы, которые после снятия давления не дают стенкам сомкнуться, и протравленные каналы проводят флюид. Песчаник кислота почти не растворяет, и трещина без проппанта смыкается.
6
Для пласта 50 мД предложили трещину полудлиной 150 м с проводимостью 300 мД·м. Что не так с этим проектом?
Показать ответ
$F_{CD} = 300/(50\cdot 150) = 0{,}04$ : трещина проводит несравнимо хуже, чем пласт отдаёт в неё флюид, и работает лишь её небольшая часть у ствола — большая часть длины и проппанта потрачена впустую. В проницаемом пласте нужна короткая и широкая трещина с $F_{CD}$ порядка единицы, а если задача — только обойти неглубокое повреждение, возможно, достаточно кислотной обработки.

Обновлено: 1 октября 2026 г.