Глава 8. Проппант

После завершения операции ГРП, осажденный в трещине проппант должен удерживать ее в открытом состоянии и обеспечивать высокую проводимость канала. Способность проппанта выдерживать давление закрытия трещины в пластовых условиях и сохранять ее проводимость со временем зависит от его размера, прочности и концентрации в трещине. Поэтому выбор проппанта оказывает огромное влияние на результат ГРП.

Типы проппанта

После проведения первых операций по ГРП было установлено влияние проницаемости трещины на результаты работы скважины. Несмотря на то, что понимание механики процесса ГРП после 1949 года стало намного глубже, проводимость трещины w*k_f остается одним из наиболее важных критериев.

В настоящее время в промышленности существует три основных типа проппанта:

• песок

• проппант средней прочности (ISP)

• высокопрочный боксит (HSP)

Песок представляет собой природный диоксид кремния. Он механически промывается, сушится и просеивается. ISP и HSP представляют собой синтетический проппант, изготовленный из бокситовой руды (HSP), или сочетания боксита и диоксида кремния (ISP). Преимущества и недостатки каждого типа проппанта представлены в таблице 12.

Таблица 12. Преимущества и недостатки проппанта
Тип проппанта	Преимущества	Недостатки
Песок	легко доступен низкая стоимость плотность 2.65 г/см3	значительное разрушение проппанта при давлениях закрытия > 5000 psi
Проппант средней прочности (ISP)	превосходная проводимость трещины для давлений закрытия < 8,000 psi средняя стоимость плотность 3.2 г/см3	дорогостоящий для ГРП большого объема абразивный материал для штуцеров и поверхностного оборудования во время очистки газовых скважин при высоких дебитах небольшая растворимость в HCl
Высокопрочный проппант (HSP)	превосходная проводимость трещины для давлений закрытия < 15,000 psi доступен самый прочный проппант	дорогостоящий для ГРП большого объема абразивный материал для штуцеров во время очистки скважины плотность 3.72 г/см3

Размеры проппанта

Размеры проппанта распределены в определенных интервалах, каждый из которых называется меш (mesh). Каждый меш включает гранулы, распределенные по различным диаметрам и определяемые при ситовом анализе. Интервал диаметров частиц, покрываемый каждым ситом, зависит от используемой эталонной шкалы.

В исследовательских лабораториях сервисных и добывающих компаний осуществлялось множество испытаний проводимости различных типов проппанта, используемых в настоящее время. Основные группы размеров проппанта (40/60, 20/40, 16/20, 12/20 и 8/16) были проверены по стандартам Американского нефтяного института. Средний размер зерна для каждой группы представлен в таблице 13.

Таблица 13. Размеры зерен наиболее используемого проппанта
U.S. Mesh Size	Средний размер зерна (дюйм)
8/16 12/20 16/20 20/40 40/60	0,082 0,054 0,041 0,027 0,014

Для большинства ГРП используется проппант 20/40, так как его можно эффективно транспортировать различными жидкостями разрыва (благодаря небольшим размерам), и при этом обеспечивается хорошая проводимость трещины. Также используются и другие группы проппантов, особенно для повторных ГРП или для технологии Frac & Pack.

Выбор проппанта

Проппант, размещенный в трещине, должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать давление закрытия трещины. Если проппант может удерживать ширину трещины w без разрушения, то проницаемость трещины k_f остается высокой и проводимости трещины w*k_f будет достаточно для поддержания высокой производительности скважины после ГРП.

Когда давление закрытия трещины превышает 5000 psi, для сохранения проводимости трещины должен быть использован проппант средней прочности (ISP). Если давление закрытия превышает 10000 psi, должен быть использован высокопрочный проппант (HSP).

Производители также предлагают проппант, покрытый смолой. Любые из упомянутых типов проппанта (песок, ISP и HSP) могут быть покрыты смолой. Прочность слоя смолы, покрывающего зерна проппанта, увеличивает сопротивление разрушению на 1000 - 2000 psi. Так как смоляная оболочка увеличивает диаметр зерен, для получения проппанта 20/40 используется проппант 30/50. Проппант, покрытый смолой, признан эффективным материалом для уменьшения его выноса из трещины.

Определение давления закрытия трещины

Давление закрытия трещины - это напряжение, приложенное к стенкам трещины после ее закрытия и пуска скважины в эксплуатацию. Депрессия на проппант является наиболее интенсивной в призабойной зоне. Давление закрытия связано с градиентом разрыва и забойным давлением следующим соотношением:

CP = (F.G. x глубина) – FBHP (Уравнение 19)

Где:

CP = давление закрытия трещины, psi

F.G. = градиент разрыва, psi/фут

глубина = глубина середины интервала перфорации, фут

FBHP = забойное давление, psi

Пример:

Интервал перфорации: 9975 – 10025 футов

FBHP: 2000 psi

F.G. = 0,8 psi/фут

CP = (10000 x 0,8) – 2000 = 6000 psi

В лабораторных условиях различные типы, размеры и концентрации проппанта (фунтов проппанта на квадратный фут площади трещины, фунт/фут²) могут быть исследованы на различные давления закрытия. Пример результатов подобных исследований представлен на рис.30.

Выбор концентрации проппанта

Кроме того, пропускная способность трещины зависит не только от типа и размера используемого проппанта, но и от его концентрации. Концентрация проппанта (фунт/фут²) зависит от его распределения в трещине жидкостью разрыва. Другими словами проппант распределяется в трещине определенным образом. Это распределение проппанта определяет его концентрацию в закрытой трещине. Чем больше концентрация проппанта, тем шире будет закрепленная трещина.

Концентрация проппанта в трещине рассчитывается с помощью различных моделей трещин. Лабораторные исследования показали, что для обеспечения достаточной пропускной способности в условиях закрытия трещины необходима эффективная концентрация проппанта в 1,0 фунт/фут² (или выше). Оптимальная концентрация проппанта в трещине значительно зависит от типа горных пород и цели ГРП. Например, 1,0 фунт/фут² может быть достаточным для твердых низкопроницаемых пород, а концентрации проппанта в 5,0 – 6,0 фунтов/фут² или выше необходимы для применения технологии Frac & Pack в высокодебитных скважинах. (Концентрация использованного для исследований проппанта составляет 2,0 фунта/фут² - рис.30).

Проводимость

трещины (w*k_f)

10000

8000

6000 20/40 HSP

20/40 ISP

4000

20/40 песок

2000

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 10000

Давление закрытия, psi

Рис.30. Сравненительная характеристика типов проппанта

Для реальной операции ГРП разрабатывается план работ, в котором указывается объем «подушки», график добавления проппанта (фунт/галлон), объем продавочной жидкости. Добавление проппанта обычно начинается с концентрации 1,0 – 2,0 фунта на галлон и увеличивается с шагом 1,0 фунт/галлон до максимальной концентрации (в соответствии с планом работ). На сегодняшний день, благодаря новым достижениям в технологиях производства оборудования, возможно производить увеличение концентрации проппанта как с определенным шагом, так и мгновенно. Скачкообразный график добавления проппанта может быть применим в областях, где часто происходит преждевременное экранирование трещины. Очень важно производить наблюдения за изменением давления при достижении перфорационных отверстий каждой порции проппанта. Скачкообразный график добавления проппанта часто используется в областях, где имеется достаточный опыт проведения обычных ГРП и применения технологии Frac & Pack, при которых концентрация проппанта может быть значительно увеличена для инициирования концевого экранирования трещины (TSO).

Как было сказано, количество добавляемого проппанта влияет на его распределение в трещине. Поэтому для успешного проведения операции важно равномерное добавление проппанта в жидкость разрыва для обеспечения однородного раствора для каждой проппантной стадии закачки. Максимальная концентрация проппанта варьируется в интервале от 8,0 до 10,0 фунтов/галлон для обыкновенных ГРП и от 14,0 до 16,0 фунтов/галлон для ГРП в высокопроницаемых пластах.