Механизм распространения трещины и оптимизация параметров гидроразрыва при CO2-гибридном разрыве в многослойных коллекторах

Резюме: CO2-гибридный метод гидроразрыва совмещает преимущества CO2- и водных методов, при котором жидкий CO2 вводится для инициирования гидравлических трещин (ГТ), после чего подается армированная проппантом водная жидкость для дальнейшего удлинения и поддержания ГТ. Под воздействием температуры ствола скважины и пласта жидкий CO2 обычно переходит в сверхкритическое состояние. Между сверхкритическим CO2 (Sc-CO2) и водной фазой образуется фронт, который распространяется внутри ГТ. Из-за сильного контраста вязкостей двух жидкостей динамика интерфейса влияет на распределение давления жидкости и ширины ГТ в двух зонах, занятых разнородными флюидами. В настоящем исследовании разработана полностью связанная модель распространения ГТ для учета двухфазного течения в трещинах, в которой движение интерфейса во времени описано уравнением объема фазы (volume-of-fluid, VOF). Сначала мы проверили способность модели отслеживать движение интерфейса с помощью аналитического решения задачи о трещине при постоянном давлении на входе. Затем проведен параметрический анализ для выявления механизмов, влияющих на распространение ГТ в слоистых коллекторах. Численные результаты показали, что к концу этапа Sc-CO2 гидроразрыва высота ГТ значительно меньше её длины, поскольку слои с более высоким напряжением существенно задерживают вертикальный рост ГТ вследствие более интенсивного филтрационного оттока низковязкого Sc-CO2 в массив породы и слоистые плоскости (bedding planes, BPs). На этой стадии фронт Sc-CO2 совпадает с горизонтальным фронтом трещины, но по мере продолжения разрыва ГТ проникает вертикально в соседние слои с более высоким напряжением, а горизонтальный рост временно подавляется до тех пор, пока водная фаза не догонит передний край трещины. Продолжительность сосуществования двух флюидов в ГТ в первую очередь зависит от скорости закачки водной жидкости. Последующий гидроразрыв водной фазой способствует увеличению длины и высоты ГТ. В рассматриваемом случае расстояние утечки Sc-CO2 вдоль слоистых плоскостей может достигать примерно 56 м, что примерно в 13 раз превышает соответствующий показатель для высоковязкого линейного геля. Масштабная инфильтрация Sc-CO2 повышает давление в слоистых плоскостях, ограничивая вытеснение линейного геля и тем самым затрудняя распространение ГТ. Наблюдается оптимизационный компромисс между утечкой Sc-CO2 и скоростью роста ГТ при регулировании скорости закачки и объёма жидкого CO2, поэтому выбор оптимальных эксплуатационных параметров CO2-гибридного гидроразрыва имеет важное значение. Наконец, нами выполнено исследование по оптимизации для вертикальной сланцевой нефтяной скважины; предлагаемая модель и полученные результаты предоставляют практические рекомендации для проектирования CO2-гибридных режимов гидроразрыва в многослойных коллекторах.