Перфорация скважин

Введение

 

Одной из операций в процессе закачивания  скважины является спуск и цементирование обсадной колонны. Выполнение данной операции обусловлено необходимостью разобщения всех пород-коллекторов, вскрытых скважиной  для обеспечения ее дальнейшей нормальной эксплуатации. Для вызова притока  пластового флюида из пласта коллектора необходимо обеспечить наличие устойчивой гидросвязи в системе скважина –  пласт.

Именно  для этой цели предназначены перфорационные кумулятивные системы. Основное назначение кумулятивных перфораторов – пробитие отверстий в обсадной колонне  и цементном кольце. Процесс создания этих отверстий и называется перфорацией.

Операция, проводимая в скважине при помощи специальных стреляющих аппаратов (перфораторов) с целью создания в обсадной колонне отверстий, служащих для сообщения между скважиной и пластом-коллектором называется перфорацией.

Эти отверстия используются как для  извлечения пластового флюида, так  и для закачки в пласт или  затрубное пространство воды, газа, цемента и др. агентов.

Применяется также перфорация прихваченной бурильной  колонны с целью восстановления циркуляции.

Основной  вид перфорации скважины - кумулятивный, а пескоструйная и пулевая  перфорация применяются редко.

Главной целью  использования современных перфораторов является обеспечение эффективной  связи между продуктивным пластом  и стволом скважины. Для достижения  этой связи перфоратор пробивает  геометрическую систему каналов  через обсадную колонну, цементное  покрытие и в продуктивном пласте. Глубина перфорации в пласте  зависит от типа и размера перфоратора, физических характеристик коллектора и напряженного состояния пласта. Глубина может изменятся от нескольких до десяти и более дюймов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общее представление о перфорации и перфораторах

 

Типичный  перфоратор, такой как показа на Рис. 1.1, состоит из набора зарядов взрывчатого вещества, носителя зарядов, детонирующего шнура и детонатора. Кумулятивные заряды заряжаются в носитель и плотно крепятся к детонирующему шнуру, к одному из концов которого присоединяется детонатор. Локатор муфт обсадной колонны, установленный на верхней части перфоратора, используется для точного определения глубины нахождения перфоратора в стволе скважины. Перфоратор опускается в скважину на каротажном кабеле на ту глубину, где нужна перфорация. Через электрическую жилу кабеля активируется детонатор. Детонатор генерирует ударную волну, которая инициирует взрыв детонирующего шнура, последовательно взрывающего перфорационные заряды (см. Рис 1.2.). Перфоратор – это последовательное взрывное устройство. Он состоит из серий взрывчатых компонентов, созданных для работы в заранее установленной и рассчитанной по времени последовательности. Реакция одного компонента в серии или цепи приводит к возникновению реакции в следующем компоненте, и, в итоге, совершает перфорацию обсадной колонны и цемента.

Инициировав взрывную последовательность, её невозможно остановить, так как время выполнения всей последовательности от взрыва детонатора до пробития отверстий составляет несколько  микросекунд. Разработка, создание оборудования и планирование работы имеют очень  важное значение. Плохая проектировка и неадекватное планирование может  стать причиной безрезультатной  перфорации, которая не позволит добиться желаемых результатов.

 

Рис. 1.1. Устройство перфоратора    Рис. 1.2. Перфорация скважины

 

Конечной  целью перфорации является обеспечение эффективной связи в системе скважина-пласт. Это обеспечит выполнение поставленных целей и реализацию максимальной выгоды. Для планирования эффективных работ по

перфорации  должны быть известны тип вскрытия, характеристики пластов и условия  в стволе скважины. Также должны быть учтены типы доступного перфорационного  оборудования и виды работ, для которых  они были созданы. Эти факторы определяют оборудование и технику работы, которые будут использованы. Для работы нужен знающий опытный персонал. Все это необходимо для обеспечения оптимальной производительности труда.

 

 

 

 

 

2 Перфораторы

 

Как упоминалось в разделе 1, перфоратор состоит из набора перфорационных зарядов, носителя зарядов, детонирующего шнура и детонатора. Это представляет собой взрывную цепь из серии взрывчатых компонентов (детонатор – детонирующий шнур – заряд) увеличивающегося размера и уменьшающейся чувствительности. Эта глава представляет собой описание различных типов носителей зарядов, их преимуществ и ограничений. Менее подробно здесь обсуждаются заряды, но в то же время дается подробное описание детонирующего шнура и детонаторов.

 

2.1 Типы носителей зарядов

 

Перфораторы и носители зарядов разделены  по области применения на две большие  категории: перфораторы обсадных труб и перфораторы, спускаемые через  НКТ. Перфораторы обсадных труб используются для образования отверстий в  обсадных колоннах большого диаметра. Все они извлекаемые некоторые  из них предназначены для многократного  использования. Перфораторы, спускаемые через НКТ, используются для перфорации обсадной колонны ниже колонны насосно-компрессорных  труб и обсадной колонны содержащей сужения, которые препятствуют прохождению  перфораторов большого диаметра, а  также когда насосно-компрессорная  труба используется в качестве обсадной колонны. Некоторые перфораторы, спускаемые через НКТ, являются извлекаемыми, однако среди них нет моделей для  многократного использования.

 

2.2 Перфораторы обсадных труб

 

Перфоратор  обсадных труб состоит из толстостенного цилиндрического корпуса, в который помещаются заряды. Концы этого корпуса загерметизированы для того, чтобы защитить заряды от действия скважинных флюидов и давлений. Заряды взрываются через окна перфоратора, закрытые пробками, или тонкостенные участки корпуса перфоратора. Окна перфоратора представляют собой отверстия, просверленные в стенке корпуса, и закупоренные тонкими металлическими, плотно подогнанными пробками с уплотнителем. Тонкостенные участки – это утоненные области, которые были выточены в стенке корпуса перфоратора. На Рис. 2.1. и 2.2. показаны: перфоратор с загерметизированными окнамии перфоратор с тонкостенными участками. Производительность заряда возрастает за счет относительно тонкого слоя металла в пробках или в тонкостенных участках. Кроме того, за счет небольшой толщины пробки, заусенец, образуемый кумулятивной струей на внешней стороне корпуса перфоратора, становится наименьшим. При использовании перфоратора с тонкостенными участками, заусенец совсем не выступает за внешнюю сторону корпуса перфоратора. Перфоратор извлекается из скважины после отстрела, и в случае использования пробок, они меняются, в корпус заряжаются новые заряды, и перфоратор используется повторно. Относительно большой диаметр перфоратора обсадных труб позволяет устанавливать в него широкий круг зарядов. Следовательно, такие параметры конструкции зарядов как диаметр облицовки, высота головки и зазор могут быть выбраны для обеспечения оптимальной производительности их предполагаемого применения.

Осколки зарядов остаются в корпусе и  извлекаются из скважины, что предотвращает засорение скважины и возникновение препятствий на пути потока флюида. Так как стальная стенка корпуса перфоратора поглощает большую часть ударной волны после детонации заряда, то обсадная колонна и цемент защищены от повреждений. Корпус перфоратора немного утолщается вследствие давлений, возникающих в процессе детонации заряда, поэтому диаметр перфоратора многократного использования после очередного прострела замеряют для того, чтобы убедиться в том, что он не превышает допустимых пределов. В случае превышения значений этих пределов перфоратор бракуется. Для того чтобы обеспечить многообразие эффективных моделей перфораторов, в настоящее время созданы перфораторы с широким выбором фазировки и плотности перфорации. Под фазировкой понимается угловая мера между двумя соседними зарядами, в случае если они установлены в плоскости перпендикулярной оси перфоратора. Наиболее часто применяемые фазировки: 0°, 60°, 90°, 120° и 180°. На Рис. 2.1. изображен перфоратор с 900 фазировкой. Фазировка также может быть спиральной, как показано на Рис. 2.2. Плотность перфорации означает количество отверстий, расположенных в вертикальном интервале длиной в один фут. Наиболее часто встречающиеся значения плотности перфорации составляют от 1 до 16 отверстий на фут (Shoots Per Foot) (3-52 отв/м). Перфораторы обсадных труб могут соединяться в сборки различной длины. Для перфорации интервалов больших, чем длина одной секции перфоратора. Существуют также специальные заряды для работы в областях высоких температур.

Главные ограничения перфораторов обсадных труб относятся к их размерам и  прочности. Они не могут использоваться в скважинах, имеющих сужения  или винтообразные изгибы обсадной колонны, а также если обсадная колонна  сдавлена.

 

2.3 Перфораторы, спускаемые через НКТ

 

В перфораторах, спускаемых через НКТ, применяются несколько носителей зарядов, один из которых представляет собой полый корпус. Корпусной перфоратор, спускаемый через НКТ, показанный на Рис. 2.3, является, по существу, версией перфоратора обсадных труб малого диаметра, и, соответственно, он обладает аналогичными преимуществами.

 

 

 

Рис. 2.1. Корпусной перфоратор обсадных труб с герметизируемыми

окнами.

 

Рис. 2.2. Корпусной перфоратор обсадных труб с уменьшенной толщиной стенки в месте установки заряда

 

Среди них: защита зарядов от скважинных давлений и флюидов, поглощение ударной волны  от детонации зарядов и извлечение осколков зарядов из скважины. Однако из-за малого размера таких перфораторов, в них должны использоваться заряды малых размеров. Таким образом, диаметр  пробиваемых отверстий и глубина  пробиваемого канала этих перфораторов уменьшаются, по сравнению с перфоратором обсадных труб. Перфораторы этого  типа не могут быть повторно использованы, так как происходит прострел тонкостенных участков корпуса перфоратора. Фазировка  обычно принимается равной 0° или 180°; плотность перфорации изменяется от 1 до 6 отверстий на фут (spf) (3-20 отв/м).

 

Рис. 2.3. Корпусный перфоратор, спускаемый через НКТ.

 

Для достижения меньших размеров перфоратора, при необходимости прохождения  его через участки скважин  малых диаметров, а также для  обеспечения эластичности при прохождении  через винтообразные изгибы колонны, используются другие виды носителей  зарядов, спускаемых через НКТ. На Рис.2.4. и 2.5. изображены ленточный и кабельный носители зарядов.

Ленточный носитель зарядов состоит из металлической  ленты с выштампованными отверстиями  для установки зарядов. Эти ленты  изготавливаются фиксированной  длины, но могут быть разрезаны для  получения нужной длины перфоратора. Их фазировка может быть 0° или 180°, а плотность перфорации изменяется от 1 до 6 отверстий на фут (3-20 отв/м).

Кабельный носитель зарядов состоит из нескольких отрезков жесткой проволоки, которые  в собранном состоянии способны удерживать заряды. Кабель поставляется длинными отрезками и может быть нарезан на длину, которая требуется  для данного вида работ. Фазировка  и плотность перфорации у этого  типа носителя зарядов такая же, как у ленточного.

В дополнение к их эластичности, ленточные  и кабельные перфораторы являются относительно легкими, и поэтому  могут быть соединены в длинные гирлянды для одновременной перфорации нескольких интервалов или интервалов большой мощности. Максимальная длина этих гирлянд обычно определяется высотой бурового станка или характеристиками устьевого оборудования скважины. Более того, в перфораторах ленточного и

кабельного типа, спускаемых через  НКТ, могут использоваться заряды большого размера, из-за отсутствия корпуса, ограничивающего их установку. Корпуса этих зарядов должны поглощать и ударную волну и давление, возникшие в результате детонации, однако часть осколков зарядов остается после перфорации в скважине.

 

Рис. 2.4. ленточный перфоратор

 

Рис. 2.5. Перфоратор с кабельным носителем

 

Так как заряды подвержены влиянию скважинных флюидов,  показатели максимально; допустимых давления и температуры для них в общем случае ниже, чем при использовании в корпусных перфораторах. Для данного типа перфораторов используются специальные заряды,  предназначенные для работы  при высоких температурах.

2.4 Детонирующий шнур

 

Детонирующий шнур осуществляет передачу  детонации от детонатора кумулятивным зарядом.

Детонирующий шнур произошел от запала, используемого для детонации дымного пороха. Одной из причин, по которой дымный порох был раньше широко распространен во взрывных работах, было его легкое инициирование. Дымный порох является относительно нечувствительным к удару и трению веществом, но он легко поджигается пламенем или при нагревании.

Когда дымный порох впервые начал применяться как взрывная смесь, было опробовано множество способов его инициирования. В одном способе  использовалась горелка или горячий железный прут для поджигания пороховой дорожки, ведущей к основному заряду. Другой способ состоял в зажигании какого ни будь медленногорящего запала, например, пропитанной серой шерстяной нити, которая вела к заполненной порохом соломинке или полому стеблю тростника, который,  в свою очередь, был соединен с основным зарядом. Похожим  способом использовались крупные гусиные перья, но без запала. Не нужно говорить о том, что все эти способы были неоднозначны, ненадежны и часто опасны.

В 1831 г. Уильям Бикфорд (William Bickford), торговец кожей из г. Корнуолла в Англии, раз; работал Безопасный  Шахтерский Запал. Он состоял из длинной сердцевины, заполненной дымным мелкозернистым порохом, обернутой крепким джутовым шпагатом; все это обмакивалось в нагретый лак для водостойкости. По сравнению с ранее существовавшими метода; ми инициирования, безопасный запал был более надежный и водостойкий: более точно определялось время его горения, а также его работа была более последовательна.