Способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов

Сущность: способ включает в себя измерение расхода и плотности жидкости, используемой для приготовления смеси для гидравлического разрыва пласта, измерение расхода и плотности смеси жидкости с проппантом на выходе из агрегата приготовления смеси. При этом текущее значение плотности смеси измеряют через некоторое время задержки, равное времени прохождения порции жидкости через агрегат приготовления смеси. По результатам измерений этих параметров вычисляют текущее значение объемной концентрации проппанта С и массовой доли проппанта Х в смеси по формулам:

где: ρ_пр - минералогическая плотность проппанта; ρ_ж - текущее значение плотности жидкости; ρ_нас - насыпная плотность проппанта; ρ_см – текущее значение плотности смеси; Θ - коэффициент увеличения объема смеси при смешивании жидкости с проппантом и химреагентами. Технический результат - повышение точности определения концентрации проппанта. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам контроля без отбора проб параметров технологических процессов, а более точно к способам экспрессного контроля концентрации проппанта в смесях, нагнетаемых по трубопроводам высокого давления в скважины для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности.

Известен способ экспрессного определения концентрации проппанта в смесях, заключающийся в измерении в трубопроводе на входе в смеситель расхода жидкости, используемой для приготовления смеси с проппантом и химическими реагентами, в измерении плотности смеси в трубопроводе на выходе из агрегата приготовления смеси и вычислении по измеренным параметрам концентрации проппанта [US 5441340].

Недостатком этого способа является отсутствие учета меняющихся текущих значений плотности жидкости, в качестве которой используется вода с различной степенью минерализации или различные сорта нефти.

Также известен способ определения массовой доли твердой фазы водных пульп в трубопроводах, заключающийся в одновременном определении текущих значений плотности с помощью гамма-плотномера и массовой доли жидкой фазы с помощью нейтронного датчика, по которым вычисляют текущее значение твердой фазы.

Недостатком этого способа является недостаточное быстродействие (минуты вместо секунд) нейтронного датчика массовой доли жидкой фазы и его большие размеры, из-за применения биологической защиты, препятствующие его установке на агрегат приготовления смеси, смонтированный на шасси автомобиля типа КРАЗ или УРАЛ [RU 2082152].

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ экспрессного определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, заключающийся в измерении в трубопроводе на входе в агрегат приготовления смеси расхода жидкости, из которой изготавливается смесь, путем смешивания ее с проппантом и химическими реагентами (гелеобразователем и деструктором), измерении плотности и расхода смеси в трубопроводе на выходе из агрегата приготовления смеси и вычислении по этим измерениям концентрации проппанта в смеси [US 4953097].

Недостатком этого способа является отсутствие учета меняющихся текущих значений плотности жидкости и соответствия порции смеси, в которой плотность измерена, соответствующей порции жидкости. Это приводит к тому, что приведенная погрешность определения текущих значений концентрации проппанта по этому способу составляет плюс-минус 10% и более, при времени измерения, равном 15 секундам, в то время как необходима погрешность определения концентрации проппанта не более плюс-минус 3-4%, за то же время измерения.

Этот недостаток прототипа поясняется Фиг.1, на которой изображена зависимость скорости счета гамма-плотномера, установленного после агрегата приготовления смеси, от концентрации проппанта для различных типов жидкостей, из которых приготавливается смесь. Из этой зависимости видно, что одному и тому же измеренному значению плотности смеси на выходе из агрегата приготовления смеси может соответствовать разная концентрация проппанта (С1 и С2) для смесей на основе нефтяного или водяного гелей. Как показали наши расчеты, погрешность определения концентрации проппанта в водяном или нефтяном геле, по своей зависимости, с учетом погрешности гамма-плотномера, не будет превышать плюс-минус 20 г/л, что обеспечивает приведенную погрешность не хуже плюс-минус 3,2%, в то время, как каждое изменение плотности геля (плотность нефтяного геля составляет 0,82 г/см³, плотность водяного геля составляет 1,0 г/см³) на 0,01 г/см³ увеличивает погрешность определения концентрации проппанта на 2,44%.

Действительно, абсолютная погрешность определения объемной концентрации проппанта ΔС составляет:

ΔС=867 г/л-383 г/л=484 г/л.

Разность плотностей водяного и нефтятого геля Δρ, приведенных на Фиг.1, равна:

Δρ=(1,0-0,82)г/см³=0,18 г/см³.

Определим долю абсолютной погрешности ΔС, приходящуюся на изменение плотности геля, равное 0,01 г/см³:

.

Приведенная погрешность для С, равного 1100 г/л из Фиг.1, будет составлять:

приведенная погрешность = .

Задачей изобретения является создание способа определения, с заданной точностью, текущих значений концентрации проппанта в смеси для гидравлического разрыва пласта, приготовленной на основе любых типов жидкостей, например воды с различной степенью минерализации или сортов нефти, различающихся друг от друга по плотности.

Технический результат, при осуществлении предлагаемого способа, заключается в повышении качества формирования трещины и закрепления искусственного порового пространства в теле пласта при проведении гидравлического разрыва, за счет более точного определения текущих значений концентрации проппанта в смесях, используемых в этом процессе.

Для решения этой задачи, как и в прототипе, способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов включает измерение расхода жидкости до смешивания с проппантом, измерение расхода и плотности смеси, выходящей по трубопроводу из агрегата приготовления смеси, и вычисление концентрации проппанта в смеси по результатам измерений. В отличие от прототипа дополнительно измеряют плотность жидкости до смешивания с проппантом, а текущее значение плотности смеси измеряют через некоторое время задержки, равное времени прохождения порции жидкости через агрегат приготовления смеси, и по результатам измерений соответствующих текущих значений плотности жидкости и смеси определяют текущее значение объемной концентрации проппанта С и массовой доли проппанта Х по формулам:

где:

ρ_пр - минералогическая плотность проппанта;

ρ_cм - текущее значение плотности порции смеси;

ρ_ж - текущее значение плотности порции жидкости;

ρ_нас - насыпная плотность проппанта;

Θ - коэффициент увеличения объема при смешивании жидкости с проппантом и химреагентами (гелеобразователем деструктором).

Минералогическая плотность проппанта ρ_пр и насыпная плотность проппанта ρ_нас берутся из паспортных данных партии проппанта.

Формулы (1) и (2) получены из рассмотрения баланса масс и баланса объемов при приготовлении смеси. Вывод формул описан в Приложении к материалам заявки.

Следовательно, измеряя текущие значения плотности жидкости и плотности смеси, можно вычислить по формулам (1) и (2) текущие значения концентрации проппанта С и массовую долю проппанта X. При этом, текущее значение плотности смеси целесообразно измерять через некоторое время задержки после измерения текущего значения плотности жидкости, равное времени прохождения жидкости через агрегат приготовления смеси.

Коэффициент увеличения объема при смешивании жидкости с проппантом и химреагентами Θ, для конкретного типа жидкости, определяют по формуле:

где:

ρ_{см мах} - максимально возможное значение текущей плотности смеси в конкретной операции гидроразрыва пласта;

k - константа, подлежащая определению;

n - показатель степени, принимающей значения 0, 1, 2.

При этом, конкретное значение параметров k и n для конкретной жидкости можно определить двумя вариантами.

Вариант 1. Конкретные значения параметров k и n для конкретной жидкости выбирают по критерию:

где:

С_экс(ρ_см) - экспериментально установленная зависимость объемной концентрации проппанта от плотности смеси;

С_расч(ρ_см) - расчетная зависимость объемной концентрации проппанта от плотности смеси.

Вариант 2. Конкретные значения k и n, необходимые для вычисления коэффициента увеличения объема смеси Θ по формуле (3), определяют по измеренной массе проппанта М_пр, закачанной в скважину, путем решения уравнения:

где:

Т - время, затраченное на закачивание смеси в скважину;

М_пр - измеренная масса проппанта;

Q_см(t) - текущее значение объемного расхода смеси;

t - текущее время измерения расхода и плотности смеси;

ρ_см(t) - текущее значение плотности смеси;

X(t,ρ_cм,n,k) - текущее значение массовой доли проппанта.

Таким образом, задача определения текущих значений объемной концентрации проппанта С и массовой доли проппанта Х по измерению текущих значений плотностей ρ_см и ρ_ж, с учетом коэффициента Θ, полностью решена.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 - зависимость скорости счета гамма - плотномера от концентрации проппанта в рабочих смесях для водяного геля и нефтяного геля;

Фиг.2 - зависимость величины расчетной объемной концентрации проппанта от плотности водяного геля для различных k при n, равном 1;

Фиг.3 - зависимость величины расчетной объемной концентрации проппанта от плотности водяного геля для различных k при n, равном 2;

Фиг.4 - численное решение уравнения (4) при n, равном 1 и 2;

Фиг.5 - сравнение экспериментальной и расчетных зависимостей объемной концентрации проппанта от плотности смеси при n, равном 1 и 2 для водяного геля;

Фиг.6 - структурная схема концентратомера проппанта;

Фиг.7 - запись параметров гидроразрыва с помощью концентратомера проппанта РИКП-01 на скважине 244, куст 9 Комсомольского месторождения ОАО "Пурнефтегаз", проведенного ОАО "Пурнефтеотдача".

Практическое определение оптимальных величин n и k по критерию F проиллюстрировано на Фиг.2 и Фиг.3, на которых приведены расчетные зависимости концентрации проппанта от плотности смеси для водяного геля при различных n и k и их сравнение с экспериментально установленной зависимостью объемной концентрации проппанта от плотности смеси С_экс(ρ_см). Видно, что для водяного геля лучшее согласование с экспериментом получается при использовании в формуле (3) n, равного 2, и k, равного 0,6.

Величина М_пр, стоящая в левой части выражения (5), известна, поэтому это выражение можно рассматривать как уравнение для определения величины n и k. Численное решение этого уравнения для водяного геля и n, равного 1, и n, равного 2, показано на Фиг.4. Видно, что для n, равного 1, получаем значение k, равное 0,45, а для n, равного 2, получаем k, равное 0,56.

Выбор более подходящего значения коэффициента k осуществляется путем сравнения С_экс(ρ_см) и С_расч(ρ_см), полученных при разных значениях n. Этот выбор проиллюстрирован на Фиг.5: выбираем значения n, равное 2, и k, равное 0,56, для водного геля, и используем их для расчета коэффициента Θ по формуле (3).

Предложенный способ реализован в принципе действия концентратомера проппанта, структурная схема которого представлена на Фиг.6.

Концентратомер проппанта содержит первый датчик 1 расхода и первый датчик 2 плотности жидкости, установленные перед агрегатом приготовления смеси 3, второй датчик 4 расхода и второй датчик 5 плотности смеси жидкости с проппантом, установленные после агрегата приготовления смеси 3, выходы датчиков соединены через концентратор 6 с компьютером 7, который через концентратор 6 связан с индикаторами 8 и 9.

Концентратомер проппанта работает следующим образом: датчики расхода 1, 4 и датчики плотности 2, 5, установленные на трубопроводах на входе и выходе агрегата приготовления смеси 3, с шагом 15 секунд измеряют текущее значение расхода и плотности жидкости (водяного или нефтяного геля) и смеси, которые через концентратор 6 поступают в персональный компьютер 7. В компьютере 7, с помощью программного обеспечения, с использованием формул (1), (2), (3) вычисляют текущие значения объемной концентрации проппанта С и массовой доли проппанта Х с использованием k и n, предварительно определенных с использованием выражений (4) и (5). Вычисленные текущие значения концентрации проппанта, а также текущие значения плотности, расхода и вычисленная масса проппанта, отданная в скважину, и записываются в памяти компьютера 7, выводятся на дисплей и на цифровые индикаторы 8, 9. По этой экспрессной информации операторы управляют процессом гидравлического разрыва пласта.

На Фиг.7 приведены результаты графической записи параметров гидроразрыва с помощью концентратомера проппанта РИКП-01 на скважине 244, куст 9 Комсомольского месторождения ОАО "Пурнефтегаз", проведенного ОАО "Пурнефтеотдача". На Фиг.7 кривые обозначают запись определения следующих параметров: 10 - плотность жидкости; 11 - плотность смеси; 12 - концентрация проппанта; 13 - расход смеси; 14 - масса проппанта, отданного в скважину.

Таким образом, измеряя текущие значения плотности жидкости и плотности смеси, например с помощью гамма-плотномера, можно вычислить по формулам (1) и (2) текущие значения концентрации проппанта С и массовую долю проппанта X. При этом, текущее значение плотности смеси целесообразно измерять через некоторое время задержки после измерения текущего значения плотности жидкости, равное времени прохождения жидкости через агрегат приготовления смеси. Это время τ можно предварительно определить по формуле:

где: S - расстояние между плотномерами;

V - скорость движения жидкости.

Оценим погрешность определения объемной концентрации проппанта С по формуле (1). Формула для оценки полной погрешности ΔС(ρ_см, ρ_ж) имеет вид:

Результаты оценки приведенной погрешности определения объемной концентрации проппанта для водяного геля, с использованием формулы (7) при погрешности гамма - плотномера плюс-минус 0,02 г/см^-3 для доверительной вероятности 0,95 и времени усреднения 15 секунд, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Оценка приведенной погрешности определения объемной концентрации проппанта для смеси на основе водяного геля
Плотность смеси, г/см-3	ΔС(ρсм,ρж), г×л-1	±ΔСсм	±ΔСж	Приведенная погрешность, %
1,08	121,3	15,8	15,1	1,7
1,18	298,7	17,9	16,2	1,9
1,30	537,2	21,2	17,6	2,2
1,40	823,1	25,9	19,2	2,6
1,48	1106,4	31,3	20,3	3,0
1,50	1205,9	33,4	20,6	3,1

Из таблицы 1 видно, что предложенный способ обеспечивает для водяного геля приведенную погрешность не хуже плюс-минус 3,1%, т.е. полностью решает поставленную задачу.

Опытный образец радиоизотопного концентратомера проппанта РИКП-01 прошел испытания в ОАО "Пурнефтеотдача" (г. Губкинский Ямала-Ненецкого автономного округа).

Приложение: Вывод формул для определения концентрации проппанта и массовой доли проппанта.

Текущее значение объемной концентрации проппанта С и массовой доли проппанта Х определяют по формулам:

ρ_пр - минералогическая плотность проппанта;

ρ_ж - текущее значение плотности порции жидкости;

ρ_нас - насыпная плотность проппанта;

ρ_см - текущее значение плотности порции смеси;

Θ - коэффициент увеличения объема при смешивании жидкости с проппантом и химреагентами (гелеобразователем, деструктором).

Формулы (1) и (2) получают из рассмотрения баланса масс и баланса объемов при приготовлении смеси. Действительно, обозначим:

М_ж - масса жидкости в смеси;

V_ж - объем жидкости в смеси;

- плотность жидкости;

М_пр - масса проппанта в смеси;

V_пp - истинный объем проппанта в смеси;

V_нас - насыпной объем проппанта в смеси;

- минералогическая плотность проппанта;

- насыпная плотность проппанта;

- коэффициент заполнения объема проппантом;

V_пуст=(1-α)·V_нас - объем пустого пространства в объеме, занимаемом проппантом;

М_см - масса смеси;

V_см - объем смеси;

- плотность смеси.

Требуется по измеренным ρ_ж и ρ_см найти концентрацию проппанта и массовую долю проппанта .

Запишем баланс объемов и баланс масс после приготовления смеси:

где:

Θ - коэффициент увеличения объема смеси, используемый в (1) и (2) (объем смеси больше суммы объемов проппанта и жидкости),

Выразим плотность смеси через массы и объемы ее составляющих:

Заметив, что М_ж=(1-Х)·М_см и М_пр=Х·М_см, перепишем выражение (10) в виде:

Далее приведем выражение (11) к общему знаменателю и получим:

Из выражения (12) находим X:

Концентрация проппанта С выражается формулой:

Подставив в формулу (13) выражение для Х, получим:

1. Способ определения концентрации проппанта в смесях для гидравлического разрыва нефтегазосодержащих пластов, включающий измерение расхода жидкости до смешивания с проппантом, измерение расхода смеси и измерение плотности смеси, выходящей по трубопроводу из агрегата приготовления смеси, вычисление текущих значений концентрации проппанта по результатам измерений, отличающийся тем, что дополнительно измеряют плотность жидкости до смешивания с проппантом, а текущее значение плотности смеси измеряют через некоторое время задержки, равное времени прохождения порции жидкости через агрегат приготовления смеси, и по результатам измерений соответствующих текущих значений плотностей жидкости и смеси определяют текущее значение объемной концентрации проппанта С и массовой доли проппанта Х в смеси по формулам:

где ρ_пр - минералогическая плотность проппанта;

ρ_ж - текущее значение плотности жидкости;

ρ_нас - насыпная плотность проппанта;

ρ_cм - текущее значение плотности смеси;

Θ - коэффициент увеличения объема смеси при смешивании жидкости с проппантом и химреагентами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент увеличения объема смеси Θ для используемого типа жидкости определяют по формуле:

где k - некоторая константа, подлежащая определению;

n - показатель степени, принимающий значение 0, 1, 2;

ρ_{см мах} - максимально возможное значение текущей плотности смеси в конкретной операции гидроразрыва пласта.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что конкретные значения параметров константы k и показателя степени n для конкретной жидкости выбирают по критерию:

где С_экс(ρ_см) - экспериментально установленная зависимость объемной концентрации проппанта от плотности;

С_расч(ρ_см) - расчетная зависимость объемной концентрации проппанта от плотности смеси.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что конкретные значения параметров константы k и показателя степени n для конкретной жидкости определяют по измеренной массе проппанта М_пр, закачанной в скважину, по уравнению:

где М_пр - измеренная масса проппанта;

Q_cм(t) - текущее значение объемного расхода смеси;

t - текущее время измерения расхода и плотности смеси;

ρ_см(t) - текущее значение плотности смеси;

X(t, ρ_cм, n, k) - текущее значение массовой доли проппанта;

Т – время, затраченное на закачивание смеси в скважину.