Гідравлічний розрив пласта (ГРП) (або коротко «фре́кінг», від ) — це технологічний процес закачування рідкої суміші під тиском, достатнім для розкриття природних чи утворення штучних тріщин у продуктивному пласті (зазвичай зі щільних порід) із подальшим закачуванням рідини (на водній або вуглеводневій основі, кислотні розчини тощо) із розклинювачем або без нього для створення високої пропускної здатності з метою отримання припливу пластових флюїдів у свердловину після закінчення процесу.

Загальний опис Гідравлічний розрив пластів передбачає нагнітання у породи великих кількостей води під великим тиском, що спричиняє тріщини у породі, а потім закачування суміші води та твердої речовини «пропанту» (дрібнозернистий пісок та невеликі кількості інших додатків, відомих як хімічні речовини для фрекінгу, які допомагають утримувати тріщини відкритими) у свердловину і через перфоратори в обсадженні у сланцеву породу для видобутку нетрадиційних видів викопного палива (таких як метан вугільних пластів, ущільнені пісковики та сланцевий газ) та для підвищення дебіту виснажених нафтових родовищ. Гідравлічний тиск, створений закачуванням рідини у свердловину, достатній для того, щоб утворилися тріщини (фіссури) у резервуарі і сланцева порода розкололася на відстані в середньому 100 м у кожний бік (максимально по 500 м від осі горизонтальної свердловини) від сталевого трубопроводу, вивільняючи газ з порід та допомагаючи газу попасти у свердловину через численні тріщини у породі та піднятися на поверхнюMaximilian Kuhn & Frank Umbach (2011), «Strategic Perspectives of Unconventional Gas: A Game Changer with Implications for the EU's Energy Security».

Зазвичай на проведенні ГРП та інших методів інтенсифікації нафтовидобутку спеціалізуються сервісні нафтові компанії (Halliburton, Schlumberger, BJ Services та ін.)

Технологія

Технологія здійснення ГРП включає в себе закачування в свердловину за допомогою потужних насосних станцій рідини розриву. За допомогою сильного напору води створюють тріщини у гірських породах на глибині 1000 до 5000 метрів. Через ці шпарини газ може надходити у свердловину і підніматись нагору.

При бурінні однієї свердловини використовуються десятки тонн хімікатів, склад яких становить «комерційну таємницю». Під час виконання гідравлічних розривів лише для однієї свердловини використовується від 9 000 до 29 000 м³ води. Частина води (1 300 — 23 000 м³ води з однієї свердловини) потім повертається на поверхню. Ця вода містить хімічні речовини зі сланцевих порід: важкі метали, природні радіоактивні матеріали та різноманітні забруднюючі речовини, що використовуються при закачуванні, включаючи токсичні речовини.

Ризик потрапляння цих хімікатів у ґрунтові води під час фрекінгу пов'язаний зThe Sky is Pink, «Annotated documents» from Southern Energy, Oilfield Review Schlumberger, Watson Bacchu, Archer, Colorado Oil and Gas Conservation Commission (COGCC) (http://www1.rollingstone.com/extras/theskyispink_annotdoc-gasl4final.pdf );: розливанням бурового розчину, зворотнім потоком, витіканням з відстійників або з транспортних засобів під час перевезення; Протіканнями або аваріями, спричиненими непрофесійними діями персоналу або пов'язаними із використанням застарілої техніки; Протіканнями, спричиненими дефектами обсадки свердловини: документи свідчать, що 6 % свердловин для гідророзриву виходять з ладу відразу, а 50 % — протягом 15 років; Протіканнями, які сталися під землею, через природні або штучні тріщини та ходи. Більша частина рідини для фрекінгу залишається під землею (до 80 % закачаного об'єму). Деякі дослідження на комп'ютерних моделях показують, що ця рідина теоретично може мігрувати до природних запасів питної води (таких як водоносні горизонти і джерела) часто за кілька роківMyers, T. «Potential Contaminant Pathways from Hydraulically Fractured Shale to Aquifers», National Ground Water Association, May 2012 (http://www.energyindepth.org/wp-content/uploads/2012/05/myers-potential-pathways-from-hydraulic-fracturing4.pdf ) «New Study Predicts Frack Fluids Can Migrate to Aquifers Within Years», 01/05/2012, Abrahm Lustgarten, ProPublica (http://www.propublica.org/article/new-study-predicts-frack-fluids-can-migrate-to-aquifers-within-years ).

За технологічними схемами здійснення розрізняють однократний, скерований (поінтервальний) та багатократний ГРП. При однократному гідророзриві під тиском рідини закачування перебувають всі розкриті перфорацією пласти одночасно (інтервал, який має, наприклад, занижену продуктивність), а при багатократному ГРП — здійснюється дія послідовно на кожний окремий пласт або пропласток.

Операція ГРП складається з наступних послідовних етапів: закачка в пласт рідини розриву для утворення в ньому тріщин; закачка рідини пісконосія; закачка рідини для продавлювання піску в свердловину. Для проведення цих операцій попередньо встановлюють якість і об'єм робочої і продавочної рідини, кількість піску та його вміст в робочій рідині, а також темпи їх закачування. Часто рідину розриву використовують і як рідину пісконосія. До рідин розриву висуваються наступні основні вимоги:

- сумісність їх з породою і флюїдами продуктивного пласта;

- мала фільтрація через поверхні утворених тріщин;

- простота технології отримання і відносно невисока вартість.

Крім того, рідина-пісконосій повинна мати утримуючу здатність по відношенню до розклинюючих агентів. За фізико-хімічними властивостями рідини розриву поділяються на рідини на вуглеводневій основі і рідини на водній основі. Вони не повинні зменшувати фільтраційні характеристики пласта, не спричиняти набухання глинистого цементу порід, не утворювати осади при контакті з флюїдами і водночас бути доступними і дешевими.

Раніше широко використовувались рідини на вуглеводневій основі (нафта; та загущена мазутом, бітумом, асфальтенами; дизельне паливо) і емульсії гідрофобні та гідрофільні водонафтові; нафто-кислотні; кислотно-гасові). Їх. Застосування може бути доцільним при проведенні ГРП у видобувних свердловинах. У наш час в основному (десь біля 20 % операцій ГРП) використовують на водній основі (вода, розчини полімерів, кислотні розчини, міцелярні розчини). Збільшенням витрат таких рідин забезпечується розрив пласта і компенсується їх недостатня пісконесучість. Загустіння води досягається вдаванням ПАА (поліакриламід), ССБ (сульфат-спиртова барда), КМЦ (карбоксилметилцелюлоза). Для попередження набухання глин (стабілізації глин) воду додають ПАР, полімери, хлористий амоній та ін.

Як розклинюючий агент використовують зернисті матеріали: пісок, шкарлупа волоського горіха, нейлонові і пластмасові кульки, корунд, суміші цих матеріалів.

Розклинюючим матеріалом (наповнювачем тріщин — Пропант) звичайно служить кварцевий пісок з діаметром частинок 0,5.1,2 мм. Гранульований розклинювальний агент має володіти високою міцністю на зім'яття і не втискуватися в поверхню тріщин, мати невелику густину, сферичну форму і однорідний фракційний склад.

На практиці, як правило, при проведенні ГРП в 1 м3 рідини-пісконосія вводять 200—250 кг розклинюючого агента. Відомі технології гідророзриву із змінною концентрацією розклинюючого агента в рідині пісконосія, при цьому звичайно масовий вміст частинок в ній рекомендується поступово збільшувати від 100—150 кг до 500 кг на 1 м3.

Оптимальний об'єм розклинюючого агенту встановлюється в результаті накопиченого досвіду. Разом з тим, найбільш доцільно закачувати при гідророзриві 5-6 м3 наповнювача тріщин.

Обладнання свердловини при гідророзриві пласта

Рідину розриву за допомогою насосних агрегатів високого тиску нагнітають у свердловину по насосно-компресорних трубах. Обсадну колону від впливу високого тиску захищають пакером, який встановлюється вище покрівлі пласта (рис.). Щоб досягти необхідних темпів нагнітання (не менше 2 м3/хв.), одночасно використовують кілька агрегатів (рис.). Пісок змішується з рідиною-пісконосієм у спеціальному агрегаті. Піскоутримуюча здатність емульсій та загущених рідин досягає 1,2 кг/л. У тріщини вводяться 5 — 6 м3 крупнозернистого кварцового піску, а при посилених гідророзривах — до 500 т піску.

Насосні агрегати 2АН-500, 3АН-500, 4АН-500 призначені для закачування робочої рідини та піщано-рідинних сумішей у свердловину, протискання їх у тріщини при виконанні робіт з гідравлічного розриву пласта. Насосні агрегати змонтовані на базі шасі КрАЗ і включають: силову установку; коробку передач; плунжерний насос; маніфольди; систему керування.

Піскозмішувальні агрегати призначені для транспортування піску та приготування піщано-рідинних сумішей, що застосовуються при проведенні гідравлічного розриву пласта. Агрегати змонтовані на базі автомобіля КрАЗ і включають: бункер зі шнековим транспортером і мішалкою; змішувальний пристрій вертикального типу; відцентровий насос; силову установку для привода відцентрового насоса; коробку передач; механізми керування агрегатом; маніфольди. Піскозмішувальний агрегат 4ПА обладнаний бункером конічної форми, який розділений на два однакові відсіки, забезпечені оглядовими люками. Шнек складовий і під час руху відводиться убік (кріпитися до монтажної рами).

Автоцистерни призначені для транспортування рідин для гідравлічного розриву пласта, піскоструминної перфорації, подачі їх у піскозмішувальний або насосний агрегат. Застосовуються автоцистерни (ЦР-20, ЦР-500, ЦР-7АП, 4Ц) змонтовані на базі автомобільного шасі, які включають: цистерну, оснащену рівнеміром, люком, дихальним клапаном, майданчиком обслуговування; насосами; силовою установкою; редуктором; маніфольдами; запірною та запобіжною арматурою.

Для обв'язки агрегатів при роботах з проведення гідравлічного розриву пласта застосовують блок маніфольда 1БМ-700, змонтований на шасі автомобіля, а також універсальну гирлову арматуру 1АУ-700 та 2АУ-700.

Види ГРП Направлений ГРП. Рекомендується проводити у вапнякових породах. При цьому у тріщини пісок не закачується, а в свердловини закачується крейдяний розчин з фракцією крейди до 0,5 мм. У наміченому інтервалі за допомогою гідропіскоструминного перфоратора нарізають вертикальні і горизонтальні щілини (залежно від бажаного спрямування майбутніх тріщин). Як рідину розриву використовують гасо-кислотну або конденсато-кислотну емульсію, які розчиняють карбонатні породи на поверхні тріщин і розширюють їх. Для вапняків час реакції емульсії повинен бути не меншим доби, а для карбонатних порід з меншою розчинністю — 2 - 3 доби.

Поінтервально-направлений ГРП. При поінтервально-направленому гідророзриві способом «знизу-вгору» спочатку по каротажній діаграмі намічають інтервали розриву. У заповнену крейдяним розчином свердловину спускають НКТ з гідропіскоструминним перфоратором. Нижній інтервал перфорують у трьох положеннях перфоратора, повертаючи його кожен раз на 300. Перфораційні канали розташовуються в одній площині. Потім НКТ з перфоратором піднімають на поверхню, а в свердловину спускають насосно-компресорні труби з пакером, який встановлюють вище проперфорованого інтервалу. Проводять гідророзрив пласта в надрізаному інтервалі. Після цього НКТ з пакером піднімають на поверхню, а в свердловину опускають НКТ з перфоратором, щоб провести перфорацію другого знизу вибраного для ГРП інтервалу. Описані операції повторюють для всіх вибраних інтервалів.

Після закінчення поінтервального ГРП свердловину промивають і спускають насосно-компресорні труби до вибою. Потім її освоюють і продувають. З метою видалення із пласта крейдяного розчину проводять соляно-кислотну обробку. Об'єм закачуваної кислоти береться рівним поглинутому об'єму крейдяного розчину. Через 5 ‒ 6 годин свердловину знову освоюють і продувають. Потім свердловину передають у експлуатацію.

Поінтервальний направлений ГРП «зверху-вниз» відрізняється тим, що спочатку обробляється верхній інтервал, потім другий зверху (перший при цьому розташовується вище пакера) тощо до самого нижнього інтервалу.