Контроль качества рабочих смесей при гидравлическом разрыве нефтегазосодержащих пластов с помощью комплекса РИКП-01

Одним из наиболее распространенных современных методов повышения дебита новых и бывших в эксплуатации нефтяных и газовых скважин является гидроразрыв продуктивного пласта. В результате удачного проведения операции гидроразрыва дебит нефтяных и газовых скважин увеличивается на 200–600%.
Суть операции заключается в нагнетании в скважину под давлением до 1600 атм. жидкости (нефти или воды), обработанной соответствующими химреагентами для повышения вязкости, в которую добавляют проппант (спеченные из кварцевого песка шарики диаметром 0,8–116 мм). С помощью проппанта в полученной трещине формируется своеобразный клин, который не дает ей сомкнуться. Качественно сформированный клин определяет успех всей дорогостоящей операции гидроразрыва пласта. Для успешного формирования этого клина необходимо экспрессно (минимум через каждые 15 секунд) определять концентрацию проппанта с относительной погрешностью не хуже ±3,5 %. Кроме того, при проведении гидроразрыва пласта контролируются и другие параметры этого процесса (давление, температура, расход, уровень), для чего и выпускаются компьютеризированные комплексы контроля параметров процесса гидроразрыва нефтегазосодержащих пластов. У всех подобных зарубежных и отечественных комплексов имеется один общий недостаток — большая погрешность определения концентрации проппанта в рабочих смесях. Разработчики систем контроля не учитывают флуктуации плотности рабочих жидкостей на входе и поэтому не могут обеспечить погрешность определения концентрации проппанта лучше ±15%.
В результате проведенных экспериментов выяснилось, что изменение плотности геля на 0,01 г/см3 увеличивает погрешность определения концентрации проппанта на 3,0%. Для исключения этой погрешности предложено синхронно измерять плотность рабочей жидкости на входе в агрегат приготовления смеси (АПС) и рабочей смеси на выходе из АПС, что позволяет существенно снизить погрешность определения концентрации проппанта.
Действительно, анализ баланса масс и баланса объемов позволяет выразить текущие значения массовой доли проппанта Х и объемной концентрации проппанта С через текущие значения плотности геля ρгеля и плотности смеси ρсм:
где ρпр — минералогическая плотность проппанта;
ρсм — плотность смеси;
ρгеля — плотность жидкости;
θ — коэффициент увеличения объема смеси при смешивании геля с проппантом и химреагентом — деструктором (определяется экспериментально при градуировачных работах);
β = (ρпр – ρнас)/ ρпр — объемная доля пустот в проппанте до смешивания его с гелем,
ρнас — насыпная плотность проппанта.
Метод обеспечивает приведенную погрешность определения концентрации проппанта не хуже ±3,5% при доверительной вероятности 0,95 через каждые 15 секунд.
По результатам исследований был спроектирован и изготовлен опытный образец измерительного комплекса концентрации проппанта в рабочих смесях РИКП-01. В его состав входят два датчика плотности с источником гамма-квантов цезий-137, концентратор, персональный компьютер, два цифровых индикатора и соединительные кабели.
Измерительный комплекс РИКП-01 работает следующим образом. Рабочая жидкость нагнетается насосными агрегатами в агрегат приготовления смеси; так как плотность рабочей жидкости непостоянна, на входе ставится датчик плотности №1, который определяет точную плотность рабочей жидкости. В агрегате приготовления смеси в рабочую жидкость добавляют химреагенты и проппант и на выходе получают рабочую смесь, которая через манифольд высокого давления подается в скважину. На выходе из агрегата приготовления смеси стоит датчик плотности №2, который измеряет плотность смеси, поступающей в скважину. Это дает нам возможность после математической обработки сигналов по приведенным формулам получать текущие значения объемной концентрации C и массовой доли X проппанта в рабочих смесях, применяемых для гидроразрыва нефтегазосодержащих пластов с необходимой точностью.
Концентратор комплекса РИКП-01, кроме сигналов от радиоизотопных датчиков плотности, принимает, обрабатывает и передает на персональный компьютер сигналы с турбинного датчика расхода рабочей жидкости. Концентратор содержит стабилизированные источники низковольтного напряжения для питания датчиков плотности и контроллер, выполненный на базе микропроцессора AT90S8535.

Запись гидроразрыва, проведенная 25.01.2003 г. на скв. 244, куст 9 Комсомольского месторождения:
1 — плотность на входе в АПС, 2 — плотность на выходе из АПС, 3 — масса проппанта, 4 — концентрация проппанта, 5 — мгновенный расход
Контроллер позволяет производить измерение частоты поступления импульсов по частотно-импульсным каналам и измерение величины аналоговых сигналов по всем аналоговым каналам. Результаты измерений в графическом виде отображаются на дисплее компьютера, а в цифровом виде отображаются на цифровых индикаторах.
Запись гидроразрыва, проведенная 25.01.2003 г. на скв. 244, куст 9 Комсомольского месторождения, приведена на рисунке.
Опытный образец радиоизотопного измерительного комплекса РИКП-01 с 25.12.2002 по 31.01.2003 гг. прошел производственные испытания на Верхнепурпейском и Комсомольском месторождениях ОАО «Пурнефтегаз». Испытания показали, что комплекс обеспечивает погрешность определения объемной кон¬центрации проппанта не хуже ±3,5% за время измерения 15 с.
Комплекс РИКП-01 принят в эксплуатацию ОАО «Пурнефтеотдача» (г. Губкинский Ямало-Ненецкого автономного округа Тюменской области) с 01.02.2003г.