Оборудование, используемое при ГРП

При разрыве пласта используют целый комплекс наземного оборудования: насосные агрегаты типа 2АН-500 или 4АН-700, песка смесительный агрегат 4ПА. Для перевозки жидкости разрыва применяют автоцистерны 4ЦР или ЦР-20.

Агрегат 4АН-700 конструкции Азинмаша является основным в комплекте наземного оборудования. Он отличается повышенными мощностью и производительностью, удобен в эксплуатации. Рабочее давление агрегата позволяет проводить разрыв пластов и осуществлять гидропескоструйные процессы и в глубоких скважинах. Все узлы его смонтированы на грузовом трехосном автомобиле КрАЗ-257 грузоподъемной силой 100−120 кН и представляют из себя следующее:

• — силовую установку;
• — коробку передач;
• — трех плунжерный насос;
• — манифольд, систему управления.

На раме автомобиля, непосредственно за кабиной водителя, расположена силовая установка агрегата, состоящая из двигателя с многодисковой фрикционной муфтой и центробежным вентилятором, систем питания, смазки и охлаждения, установки воздухоочистителя и других вспомогательных узлов.

Двигатель агрегата дизель-мотор двенадцати цилиндровый, имеет мощность 588 кВт при частоте вращения коленчатого вала 2000 об/мин. Двигатель с помощью многодисковой фрикционной муфты соединен с приемным валом коробки передач.

Насос 4Р-700 трех плунжерный, горизонтальный одинарного действия. Плунжеры предусмотрены размерами 100 и 120 мм., что обеспечивает работу насоса соответственно при давлениях до 70 и 50 МПа. Производительность агрегата при давлении 70 МПа составляет 6,3 л/с и при 20 МПа — 22 л/с. Масса агрегата 20 200 кг., габаритные размеры 9800×2900×3320 мм. Управление агрегатом производится с центрального пульта, расположенного в кабине автомобиля, где размещены педали управления топливным насосом и фрикционной муфтой двигателя, рукоятка управления коробкой передач и необходимая контрольно-измерительная аппаратура.

Для транспортировки песка нужных фракций к скважине, в которой намечено произвести разрыв пласта, и для последующего механического приготовления песчано-жидкостной смеси применяют специальные песка смесительные агрегаты типа 4ПА.

На самоходном шасси автомашины КрАЗ-257 смонтированы бункер 1 для сыпучего материала с загрузочным шнеком 2 и рабочим шнеком 3, камера гидравлического смещения 5, смеситель 7 с поплавковым регулятором уровня 6, а также приемный коллектор 11 и раздаточный коллектор 10 с насосом 9 для перекачки песка. В верхней разгрузочной части шнека 3 установлена поворотная заслонка 4, соединенная с поплавковым регулятором 6. К стенкам и днищу бункера 1 прикреплены вибраторы, обеспечивающие надежное поступление сыпучего материала самотеком в приемник шнека 3.

Загрузочный и рабочий шнеки, а также лопастная мешалка приводятся в действие двигателями при помощи масляного насоса 8. Все агрегаты установки управляются с пульта, размещенного в кабине автомобиля.

Песчано-жидкостная смесь с небольшой концентрацией песка приготавливается следующим образом. Жидкость через приемный коллектор 11 попадает в камеру гидравлического смещения 5, в которую из бункера 1 шнеком 3 подается сыпучий материал. Количество сыпучего материала регулируется частотой вращения рабочего шнека и заслонкой 4 при помощи поплавкового регулятора уровня 6 в зависимости от уровня смеси в смесителе 7. Избыточное количество сыпучего материала по отводящему патрубку поступает обратно в бункер. В камере гидравлического смешения 5 приготавливается раствор требуемой концентрации, который поступает в смеситель 7, где при помощи лопастной мешалки поддерживается равномерность концентрации песка. Из смесителя 7 раствор подается Песковым насосом 9 через раздаточный коллектор 10 к месту потребления.

При приготовлении песчано-жидкостной смеси с большой концентрацией сыпучего материала камера гидравлического смешения заменяется проходной трубой, а жидкость из коллектора 11 и сыпучий материал из бункера 1 поступают непосредственно в смеситель 7, через сменную трубу (указана пунктиром). Готовая смесь отбирается так же, как и в первом случае.

Рис. 7.1 — Схема песка смесительного агрегата:

Емкость бункера 6,5 м³. Максимальная производительность рабочего шнека (по песку) 50 т/ч, максимальная грузоподъемная сила 90 кН, производительность загрузочного шнека 12−15 т/ч. Масса агрегата с грузом 23 000 кг, габаритные размеры 8700×2625×3600 мм. Смесительный агрегат обслуживается одним шофером-мотористом. При проведении разрыва пласта песка смесительный агрегат с помощью гибких шлангов соединяется с автоцистернами и с насосными агрегатами. К агрегату 4ПА можно присоединить одновременно две автоцистерны и четыре насосных агрегата (по два с каждой стороны). Автоцистерна 4ЦР предназначена для перевозки жидкости, используемой для гидравлического разрыва пласта, и подачи ее в смесительный или насосный агрегат. Автоцистерна 4ЦР смонтирована на шасси автомобиля КрАЗ-219 грузоподъемной силой 120 кН и состоит из цистерны 1, вертикального плунжерного насоса 2, системы обвязки насоса с арматурой 3, коробки отбора мощности 4, узла трансмиссии 5, узла жесткой буксировки б и искрогасителя 7.

Цистерна оборудована специальным устройством для подогрева жидкости паром. Для определения количества жидкости, отобранной из цистерны, внутри ее смонтирован поплавковый указатель уровня. Жидкость перекачивается из автоцистерны с помощью трех плунжерного вертикального насоса, имеющего производительность 16,7 л/с и максимальное давление 2,0 МПа.

Объем цистерны 9 м³. В зависимости от плотности жидкости в ней масса автоцистерны достигает 21 435 кг. Габаритные размеры 10 100×2700×2740 мм. Время подогрева жидкости от 20 до 50С равно 2 ч. В настоящее время выпускают автоцистерны для жидкости разрыва емкостью 17 м³ под шифром ЦР-20, смонтирована цистерна на тягаче с прицепом. Кроме подогревательного устройства и вертикального насоса, автоцистерна снабжена центробежным. насосом производительностью по воде 100 л/с, с максимально развиваемым давлением 0,2 МПа.

При гидравлическом разрыве пласта устье скважины оборудуют специальной арматурой типа 1АУ-700, которая крепится на резьбе к эксплуатационной колонне. Арматура рассчитана на работу с давлением 70 МПа и состоит из крестовины, устьевой головки, пробковых кранов, предохранительного клапана и прочих элементов обвязки.

Для регулирования работы всего комплекса оборудования и агрегата при гидравлическом разрыве пласта используется самоходный блок манифольда типа 1БМ-700, который состоит из напорного и раздаточного коллекторов, подъемной стрелы и комплекта 60-мм насосно-компрессорных труб с шарнирным и быстро сборным соединениями. Все оборудование блока манифольда монтируется на шасси грузового автомобиля повышенной проходимости (ЗИЛ-157К). Напорный коллектор состоит из клапанной коробки с шестью отводами для соединения с насосными агрегатами; центральной трубы с датчиком контрольно-измерительных приборов (манометра, плотномера и расходомера) для работы со станцией контроля и управления процессами, двух отводов для соединения с арматурой на устье скважины; пробковых кранов и предохранительного клапана. Раздаточный коллектор служит для распределения рабочих жидкостей (раствора, воды, песчано-жидкостной смеси и т. д.) насосным агрегатам.

Комплект 60-мм насосно-компрессорных труб употребляется для соединения напорного коллектора с устьем скважины и подвода к раздаточному коллектору раствора, воды и других жидкостей. Для механизации погрузки и выгрузки арматуры устья блока манифольда имеется поворотная стрела с ручным управлением.

Рис. 7.2 — Автоцистерна 4ЦР:

8. Расчет гидравлического разрыва пласта Расчёт давления разрыва пласта:

Р_разр = Р_в.г. — Р_пл + _р

Где:

Р_в.г. — вертикальное горное давление;

Р_пл — пластовое давление;

_р — давление расслоения пород.

Вертикальное горное давление Р_в.г. — определяют по формуле:

Р_в.г. = _п * gН Где:

Н — глубина залегания пласта;

_п = 2500 кг/м³ — средняя плотность вышележащих горных пород.

Р_в.г. = 2500 * 9,81 * 2250 = 55,181 МПа.

Если давление расслоения пород _р = 1,5 МПа, то давление разрыва пласта будет:

Р_разр = 55,181 — 17 + 1,5 = 39,681 МПа.

Давление разрыва на забое можно определить приближенно по эмпирической формуле:

Р_разр = 10⁴ * НК Где:

К = 1,5 — 2.

Принимаем среднее значение К = 1,75.

Тогда Р_разр = 10⁴ * 2250 * 1,75 = 39,375 МПа.

Расчет рабочего устьевого давления разрыва.

Допустимое устьевое давление ГРП определяется по формуле:

Р_д.у = - gH + Р_тр

Где:

D_н², D_В² — наружный и внутренний диаметры обсадных труб;

_тек = 650 МПа — предел текучести стали марки L;

К = 1,5 — запас прочности;

Р_тр = потери напора на трение в трубах определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

Р_тр =.

Где:

— коэффициент гидравлического сопротивления труб, определяется из соотношения:

= 0,3164 / Re^0,5

— для турбулентного или:

= 64 / Re.

— для ламинарного режимов движения жидкости в трубе.

Здесь Re — параметр, определяющий режим течения.

При Re < 2300 поток считается ламинарным.

А при Re >2300 турбулентным.

Re = d_см / _см

_см = 90 * е^3,18*0,091 = 120 мПа * с Где:

_см — вязкость песчано-жидкостной смеси.

— скорость движения жидкости по трубам.

Скорость движения жидкости по трубам, м/с определяется:

= Q / F.

Где:

Q — темп закачки жидкости разрыва, м³/сут (0,015 м³/сут);

F — площадь внутреннего сечения НКТ.

F = D_B² / 4 = 3.14*0.144² / 4 = 0.0162, м²

Скорость движения жидкости: = 0,015 / 0,0162 = 0,926 м/с.

_см = (_п — _ж) * С + _ж

— плотность смеси (нефть + песок),.

С = С₀ / (С₀ + _п).

— объёмное содержание песка;

Где:

С₀ — концентрация песка.

С = 250 / (250 + 2500) = 0,091.

_см = (2500−895) * 0,091 + 895 = 1041 кг/м³.

Число Рейнольдса:

Re = 0,926 * 0,144 * 1041 / (120 * 10^-3) = 1156,76 тогда:

= 64 / Re = 0,055.

Потери давления на трение в трубах: Р_тр = 0,055 * (1041 * 0,926² * 2250) / (2 * 9,81 * 0,144) = 0,039 МПа.

Следовательно допустимое устьевое давление составляет:

Р_д.у. = (0,173² — 0,144²) / (0,173² + 0,144²) * (650 / 1,75) + 17 — 1041 * 9,81 * 2250 * 10^-6 = 61,418 МПа.

Допустимое давление на устье скважины в зависимости от прочности резьбы верхней части колонны труб на страгивающие усилия определяется по формуле:

Р_д.у =.

Где:

Р_стр — страгивающая нагрузка для обсадных труб из стали группы прочности L равна 1,59 МН;

G — усилие затяжки при обвязке обсадной колонны (берётся по данным бурового журнала), равное 0,5 МН;

К — запас прочности, который принимаем равным 1,5.

Тогда допустимое устьевое давление:

Р_д.у. = 34,4МПа.

Из полученных двух значений Р_д.у. принимаем меньшее (34,4 МПа).

Возможное забойное давление при допустимом давлении на устье 34,4 МПа составит:

Р_з = Р_д.у. + GН — P_тр = 34,4 * 10⁶ + 1041 * 9,81 * 2250 — 0,039 * 10⁶ = 57,34.

Учитывая, что потребное давление разрыва на забое Р_разр = 39,375 МПа меньше Р_з = 57,34 МПа, определим рабочее давление на устье скважины:

Р_у = Р_разр — gН + Р_тр = 39,375 * 10⁶ — 1041 * 9,81 * 2250 + 0,039 * 10⁶ = 16,9.

Следовательно, давление на устье скважины ниже допустимого, поэтому можно проводить закачку жидкости гидроразрыва по НКТ.

Определение необходимого количества рабочей жидкости.

Количество жидкости разрыва не поддаётся точному расчету.

Оно зависит от вязкости жидкости разрыва и фильтрации, проницаемости пород призабойной зоны скважины, темпа закачки жидкости и давления разрыва.

По опытным данным объем жидкости разрыва изменяется от 5 до 10 м³. Примем для нашей скважины V_р = 7,5 м³ нефти.

Количество жидкости зависит от свойств этой жидкости, количества закачиваемого в пласт песка и его концентрации. На практике заготавливают 20−50 м³ жидкости (V_пж) и 8−10 т. песка (G_пес).

Концентрация песка C зависит от вязкости жидкости песконосителя и темпа её закачки.

Для нефти вязкостью 90 мПа/с принимаем С = 250 кг/м³. При этом условии объем жидкости песка носителя:

Vпж = Gпес / С = 8000 / 250 = 32 м³.

Объем жидкости должен быть несколько меньше емкости колонны труб, так как при закачке этой жидкости в объеме, превышающем емкость колонны, насосы в конце процесса закачки будут работать при высоком давлении, необходимым для продавливания песка в трещины.

А закачка жидкости с абразивными частицами при высоких давлениях приводит к очень быстрому износу цилиндров и клапанов насосов.

Емкость 168 — мм обсадной колонны длиной 1800 м составляет 34 м³, а принятое количество жидкости — 29 м³. Оптимальная концентрация песка может быть определена на основании скорости падения зерен песка в принятой рабочей жидкости по формуле:

С = 4000 /.

Где:

С — концентрация песка, кг/м³;

— скорость падения зерен песка диаметром 0,8 мм в м/ч в зависимости от вязкости жидкости находится графически.

Для вязкости жидкости:

90 МПа * с * = 15.

Следовательно: С = 4000 / 15 = 267 кг/м³.

Содержание песка в объеме 29 м³ составит: G = 267 * 29 = 7743 кг.

Объем жидкости оставления на забое песка следует принимать в 1,2 — 1,3 больше, чем объем колонны, по которой закачивается песок. Необходимый объем жидкости:

Vпр = = 3,14 * 0,144 * 2 * 2250 * 1.3 / 4 = 47.6 м3.

Время проведения разрыва:

Т = (V_р + V_жп + Vпр) / Q = (7.5 + 32 + 47.6) / 1500 = 0.06.

Где:

Q — суточный расход рабочей жидкости, мі.

Радиус горизонтальной трещины:

rt = c * (Q v (10^ - 9 * м * tр) / к) ^ 0.5.

Где:

с — эмпирический коэффициент, зависящий от горного давления;

Q — расход жидкости разрыва; м-вязкость жидкости разрыва;

tр — время закачки;

К-проницаемость породы.

rt = 0,02 * (1020 v (10 — 9 * 0,05 * 7,2) / 75 * 10 — 15) * 0,5 = 5,3.

Проницаемость горизонтальной трещины:

Где:

щ — ширина трещины (щ = 0,1 см).

Проницаемость призабойной зоны:

Кп.з = (кп * h + кт * щ) / (h + щ) Где:

кп — проницаемость пласта;

h — эффективная мощность пласта (h = 22 м);

щ = 0,001 м.

Проницаемость всей дренажной системы:

Кд.с = [кп * кп. з * lg * (Rk / rc)] / (кп.з * lg * (Rk / rT) + кп * lg * (rT / rc)).

Где:

Rk — радиус контура питания скважины (Rк = 250 м);

rc — радиус забоя скважины;

rт — радиус трещины (rт = 5,3 м).

Дебит скважины после гидроразрыва:

Q = (2р * кд. c * h * p) / (м * lg * (Rк / rт) Где:

Q-максимальный дебит, мі/с;

кд.с — проницаемость пласта после гидроразрыва;

h — эффективная мощность пласта;

р — депрессия на забое.

Др = рпл — рз * (Др = 2,8 МПа) Где:

м-динамическая вязкость нефти.

Число насосных агрегатов:

N = (q / qаг) + 1.

Где:

qаг = 5,1 л/с — производительность одного агрегата на второй скорости при р = 18,2 МПа.

N = (17 / 5,1) + 1 = 4,3~5.

Эффективность проведения ГРП.

Ожидаемый эффект от ГРП предварительно можно определить по приближенной формуле Г. К. Максимовича, в которой радиус скважины rс после ГРП принимается равным радиусу трещины rт.

n = Q2 / Q1 = lg (Rк / rс) / lg (Rк / rт) Где:

Q1 и Q2 -дебит скважин соответственно до и после гидроразрыва, Rк = 250 м;

rс = 0,075 м;

rт = 5,3 м.

n = lg * (250 / 0.075) / lg * (250 / 5.3) = 2.1.

Фактическая эффективность может быть несколько ниже, так как при движении жидкости по трещинам, заполненным песком, наблюдается не учитываемые формулой небольшие потери напора. Гидравлический расчёт выкидной линии добывающих скважин базируется на использовании уравнения Д. Бернулли, записанного относительно выбранной плоскости сравнения для двух сечений:

pg (zy — zc) + (py — pc) + (vy — vc) / 2 = pдл + рмс Где:

zy, zc — соответственно абсолютные величины над плоскостью сравнения устья скважины и сепаратора, м;

py, pc — соответственно давления на устье скважины и на входе в сепаратор, Па;

vy, vc — соответственно скорость движения нефти на устье скважины и перед входом в сепаратор, м/с;

— плотность нефти, кг/м³;

pдл — потери давления по длине на течение при движении нефти до сепаратора, Па:

pдл = * l * / dвн v / 2.

Где:

l — длина выкидной линии, м;

dвн — внутренний диаметр выкидной линии, м;

v — средняя скорость движения нефти в выкидной линии, м/с;

рмс — потери давления на местных сопротивлениях, Па.

* рмс = * * (v — 2) / 2.

Где:

— коэффициент потерь на местных сопротивлениях;

(v — 2) — потерянная скорость на местном сопротивлении.

Коэффициенты потерь на местных сопротивлениях для различных их видов (внезапное расширение или сужение потока, задвижки, повороты и т. д.) приводятся в справочниках. Коэффициент гидравлических сопротивлений рассчитывается по соответствующим формулам в зависимости от режима движения жидкости.

Для простых напорных трубопроводов при течении в них жидкостей гидравлический расчёт сводится к решению одной из следующих задач:

Расчёт пропускной способности; расчёт начального давления; расчёт диаметра трубопровода.

Рассчитаем давление на устье добывающей скважины для следующих условий:

• — выкидная линия горизонтальна, местные сопротивления отсутствуют, длина выкидной линии l = 3600 м, внутренний диаметр линии вн = 0,1 м, дебит скважины = 280 м/сут, плотность нефти н = 865 кг/м;
• — давление перед входом в сепаратор pс = 1,6 МПа, вязкость нефти н = 5 мПа/с.

Т. к., выкидная линия горизонтальна, то zy = zс. Учитывая, что диаметр выкидной линии постоянен, vy = vc. Тогда уравнение Бернулли записывается в виде:

y = c + дл Прежде чем рассчитать дл, определяем скорость движения нефти v = 4 * 280 / (86 400 * 3,14 * 0,1) = 0,143 м/с.

Рассчитаем число Рейнольдса: Re = 0,143 * 0,1 * 865 / 0,005 = 7145.

Так как число Re = 7145 2320.

Тогда режим турбулентный и коэффициент гидравлических сопротивлений вычисляем по формуле:

= 0,3164 / Re = 0,3164 / 7145 = 0,3164 / 9,194 = 0,0344.

Рассчитываем дл:

дл = 0,0344 * 3600 * 865 * 0,413 / 0,1 * 2.

Определяем давление на устье скважины у = 1,6 + 0,092 = 1,7 МПа.

Таким образом, давление на устье на устье скважины должно быть равным 1,7 МПа.