Технология Plug-n-Perf в низкопроницаемых и нефтематеринских коллекторах заключается в применении кластерного ГРП, т.е. одновременной закачки ГРП с высоким расходом в несколько перфорационных кластеров. При этом существует проблематика как неравномерного распределения жидкости среди кластеров, так и повышенного давления при инициировании и развитии трещин [1].
В настоящее время существуют различные методы снижения давления инициирования и распространения трещины при выполнении работ по МГРП [1]. Эти методы включают в себя подбор оптимальной технологии перфорации в скважине, закачку мелкого пропанта (100 меш) на начальной стадии ГРП, закачку кислотных агентов с целью растворения цементного камня и породы в случае карбонатного коллектора, способствующего устранению призабойных сопротивлений и трения, снижению забойного давления.
Поведение забойного давления при выполнении ГРП схематически показано на рисунке 1 [1].

Для нефтематеринских пород характерно наибольшее устьевое и забойное давление при выполнении ГРП при первичном инициировании трещины, поэтому наиболее высокие риски осложнений связаны именно с этим этапом закачки, в связи с чем необходим контроль давления инициирования трещины ГРП. Вязкость жидкости разрыва, расход, а также диаметр и количество перфораций – это лишь некоторые из множества параметров, которые приходится регулировать для снижения устьевого давления при разрыве горной породы. Предлагаемый метод заключается в ступенчатом постепенном повышении расхода, непосредственно влияя на забойное и устьевое давление при ГРП. При проведении кластерного МГРП условия инициирования и развития трещины осложняются неоднородностью коллектора, различными свойствами пород в интервале перфораций, наличием трения в интервале перфораций и призабойной зоне пласта.

Для большинства нефтематеринских пород характерны утечки, зависящие от давления, при которых характеризуется раскрытие микротрещин (при наличии) и дополнительные утечки. Таким образом, превышение давление раскрытия данных микротрещин может способствовать повышенным потерям давления на трение в призабойной зоне пласта. При выполнении работ по ГРП закачиваемая жидкость создает избыточное давление в горной породе, в результате чего возникает трещина. Упрощенно геометрия трещины характеризуется высотой (h_f), шириной (w) и длиной (L_f). Значение избыточного давления относительно давления смыкания называется чистым или эффективным давлением (P_net).
В работе [2] приводится пример расчета чистого (эффективного) давления в зависимости от вязкости жидкости (μ_i) и расхода жидкости (q_i). Расход также связан со временем закачки (общим объемом жидкости). С учетом геомеханических свойств породы и эффектов на конце трещины,
P_net определяется следующим уравнением:

где Еʹ — модуль плоской деформации; μ_i — вязкость жидкости; q_i — расход жидкости;
p_tip– давление, которое необходимо поддерживать на кончике для роста трещины.

При этом, чистое давление можно также определить как

P_net = Р_{забоное в трещине} – Р_{закрытия} = Р_{устьевое} + Р_{гидростатическое} – Р_{трение в НКТ} –
– Р_{трение в ОК} – Р_{трение в перфорациях} – Р_{трение в ПЗП} – Р_{закрытия} (2)

Р_{забоное в трещине} — забойное давление в трещине; Р_{закрытия} — давление закрытия; Р_{устьевое} — устьевое давление; Р_{гидростатическое} — гидростатическое давление; Р_{трение в НКТ} — потери давления на трение в НКТ; Р_{трение в ОК} — потери давления на трение в обсадной колонне;
Р_{трение в перфорациях} — потери давления на трение в перфорациях; Р_{трение в ПЗП} — потери давления на трение в призабойной зоне пласта.

В уравнении 1 геомеханические параметры пласта (такие, как модуль Юнга E, коэффициент Пуассона ν) считаются постоянными. При этом варьирование расхода жидкости, вязкости закачиваемой жидкости и времени закачки оказывают прямое влияние на геометрию созданной трещины и развиваемое чистое давление в трещине. К примеру, высокая вязкость жидкости может способствовать увеличению чистого давления и развитию трещины в высоту. В уравнении 2 потери давления на трение также зависят от расхода закачки. Таким образом, метод ступенчатого выхода на плановый расход способствует как контролю чистого давления в трещине, так и постепенному замещению жидкости в стволе скважины, обладающей высокими потерями давления на трение, на жидкость разрыва с меньшими потерями давления на трение, что, в свою очередь, позволяет контролировать устьевое и забойное давление.
В случае кластерной перфорации МГРП с технологией Plug-n-Perf, при расположении кластеров в различных по геомеханическим свойствам зонах, возможно первоначальное инициирование трещины только в одном кластере, при этом условии повышение расхода закачки может приводить к значительному увеличению потерь на трение при прохождении жидкости через интервал перфораций и призабойную зону. Последующее инициирование трещины в других кластерах способствует снижению забойного давления в связи с уменьшением потерь на трение в перфорациях и призабойной зоне пласта.
На рисунке 2 слева схематично изображено поведение забойного давления при соответствующем развитии трещины, представленном на рисунке справа [3].

Момент времени 1 отражает начало развития трещины, когда произошел гидравлический разрыв и инициирование трещины, которое характеризуется высоким значением чистого давления. Далее по мере роста трещины в длину и в высоту чистое давление снижается, пока, наконец, трещина не распространится по высоте до геомеханических барьеров (например, глинистый пропласток) (момент времени 2). С этого момента и далее, если сдерживающий эффект барьеров достаточен,
может увеличиваться c развитием трещины в длину (момент времени 3).
Предлагаемый метод на практике выражается в следующем алгоритме проведения работ:
1. Увеличивать расход небольшими шагами на ~0,5 м³/мин для низкорасходных ГРП и на ~1 м³/мин для высокорасходных ГРП) и удерживать скорость закачки до тех пор, пока забойное давление либо достигнет стабилизации или начнет снижаться. Практически данные шаги реализуются последовательным включением насосов высокого давления в работу. В случае отсутствия регистрации забойного давления во время производства ГРП, рекомендуется ориентироваться на расчетное значение забойного давления на основании устьевого давления при наличии корректных данных по коэффициентам трения. Рекомендуется выдерживать постоянное время на каждом шаге с заданным расходом;
2. Повторять шаг 1, пока не будет достигнут целевой (или возможный) расход закачки. Скорость закачки не следует изменять до тех пор, пока явно не будет наблюдаться стабилизация или снижение давления;
3. Выполнить основной этап ГРП и внимательно следить за изменением тренда давления.
Данный подход был симулирован в корпоративном симуляторе «РН-ГРИД» [4–5], сравнивались два варианта закачки при одинаковых условиях: в стволе скважины находится солевой раствор плотностью 1,03 г/см³, замещение производится линейным гелем на гуаровой основе с загрузкой гуара 1,8 кг/м³. Объем замещения – 27,5 м³. При агрессивном наборе расхода до 4,5 м³/мин, симулятор показывает получение «СТОП» при максимальном разрешенном устьевом давлении
62 МПа с самого начала закачки, что объясняется высокими потерями на трение для жидкости, находящейся в стволе скважины (рис. 3а). Для ступенчатого набора скорости закачки с шагом
0,5 м³/мин и интервалом времени на каждом шаге закачки 1 мин происходит постепенное замещение жидкости с высоким градиентом потерь давления трения на линейный гель с меньшим градиентом потерь давления на трение, давление на устье скважины не превышает максимального допустимого значения, ситуация «СТОП» не реализуется (рис. 3б).

Для апробации предложенной методики были рассмотрены работы по многостадийному ГРП на горизонтальной скважине А одного из месторождений Западной Сибири на баженовской свите, с шаровой компоновкой заканчивания скважины (закачка условно производилась в одну трещину ГРП — один порт). На скважине было выполнено 15 стадий ГРП при длине горизонтального участка 1 500 м, была применена гибридная технология, а именно закачка как низковязкой жидкости ГРП, так и высоковязкого сшитого боратного геля.
Примером набора планового расхода 10 м³/мин явилась стадия X, где был выполнен набор расхода закачки согласно методике (рис. 4), выход на целевой расход происходил в течение 25 мин. Из графиков проведения работы видно, что максимальное устьевое давление в процессе раннего развития трещины не превышает 58,8 МПа, а забойное давление — 65,9 МПа. Расход повышался при стабилизации или снижении устьевого давления.

В то же время примером агрессивного подхода явилась стадия Y, где набор планового расхода до
10 м³/мин был осуществлен в течение 8 минут, при этом максимальное устьевое и забойное давление составили 63,8 и 70,9 МПа соответственно, что выше на ~5,1 МПа по сравнению
со стадией 2 (рис. 5).

На стадии Z также была предпринята попытка быстрого выхода на целевой расход, однако при достижении 6 м³/мин в течение ~3 минут устьевое давление достигло максимально допустимого значения, в связи с чем дальнейший набор расхода проводился ступенчато (рис. 6).

В качестве другого примера рассмотрено проведение многостадийного ГРП в скважине Б, в которой было выполнено 15 стадий ГРП при длине горизонтального участка 1 500 м
с применением гибридной технологии, а именно закачкой как низковязкой жидкости, так и высоковязкого сшитого боратного геля. Данные по забойному давлению при проведении ГРП на этой скважине отсутствуют по причине отказа работы манометра.
На стадии X набор расхода до планового расхода 7 м³/мин производился плавно и ступенчато в течение 13 минут, устьевое давление закачки при этом не превышало 56,7 МПа (рис. 7).

Примером агрессивного набора расхода явилась стадия Y, где была предпринята попытка быстрого выхода (в течение ~5 минут) на целевой расход 6 м³/мин, из-за чего давление закачки достигло
66,9 МПа, т.е. на ~10,1 МПа выше, чем на стадии Х (рис. 8).

Следует отметить, что данная стадия также отличается нехарактерным беспорядочным поведением устьевого давления, в конце работы была получена преждевременная остановка («СТОП») ввиду превышения максимального допустимого давления, где одной из причин неуспешной операции могли послужить проблемы при инициировании и распространении трещины при агрессивном наборе расхода.

Рассмотрим еще один пример проведения ГРП на наклонно-направленной скважине В, выполненный на доманиковый горизонт Волго-Уральского бассейна (рис. 9).

Перед проведением ступенчатого повышения расхода до планового значения 4,5 м³/мин на основном ГРП провели закачку кислоты для дополнительного снижения давления разрыва (рис. 9). Выход на расход производили в течение 12 мин, устьевое давление при этом составило 38,5 МПа. Основной ГРП проводили по гибридной технологии: 90 % буферной стадии составил линейный гель, оставшиеся 10 % от объема буфера и пропант закачивались на сшитом геле. Работа прошла без осложнений, конечное давление на устье не превысило 52,7 МПа. Таким образом, закачка кислоты, ступенчатое повышение расхода при инициировании трещины ГРП способствовали успешному проведению операции ГРП (рис. 10).