Пути совершенствования щадящей перфорации скважин

Sophistication ways of wells «spare» perforation

O. SOLOVKIN Burenie SPU

Основным направлением деятельности ОАО «НПО «Бурение» (когда-то ВНИИкрнефть) являются разработки по креплению нефтяных и газовых скважин. Помимо работ, направленных на создание качественной крепи, большое внимание уделяется ее сохранению – в первую очередь путем проведения безударной, щадящей перфорации.

Main direction of Burenie SPU JSC activity is casing of oil and gas wells. Besides qualitative casing there are conducted surveys on its maintaining by «spare» shot-less perforation.

ОАО «НПО «Бурение» является автором и разработчиком оборудования для щадящей перфорации скважин. Нашими сотрудниками в конце 1980-х гг. был создан роликовый щелевой перфоратор, проводилась разработка перфоратора с ножами-пробойниками, исследовались различные типы привода гидромеханических перфораторов, совершенствовались технологии щелевого вскрытия и разгрузки продуктивного пласта с применением гидропескоструйной перфорации, изучались методы глубокой перфорации скважин с применением гибких валов и использованием сверхвысоких давлений.

Качество вскрытия скважины определяется ее последующими добычными возможностями, состоянием крепи после проведения перфорации и возможностью параллельного решения сопутствующих задач: разгрузки продуктивного пласта, борьбы с выносом песка и т. д.

Любой процесс проведения щадящей перфорации характеризуется, в отличие от кумулятивной, приложением энергии только к участку формирования собственно канала и длительностью процесса во времени, что и обеспечивает минимальное негативное воздействие на крепь скважины и породу пласта.

Щадящая перфорация является наиболее эффективной, а зачастую и безальтернативной, в случае перфорации пластов с близким расположением газо- и водонефтяного контактов, когда предъявляются повышенные требования к качеству крепи; при перфорации пескующих скважин с неустойчивым коллектором; глубоких высокотемпературных скважин в условиях АВПД; высокодебитных газовых скважин, требующих для обеспечения «гидравлической прозрачности» в зоне фильтра плотностей перфорации до 400 отв/пог. м, производства специальных отверстий с большим размером поперечного сечения.

К настоящему времени разработано множество способов щадящей перфорации. На основании имеющегося опыта, считаем, что наиболее рациональными и перспективными для дальнейшего развития способами щадящей перфорации являются щелевая гидропескоструйная перфорация, гидромеханическая, с использованием для формирования перфорационных отверстий роликов или ножей-пробойников, а также зондовая.

Щелевая гидропескоструйная перфорация. Данный метод известен довольно давно. Суть его заключается в перемещении работающего гидропескоструйного перфоратора в обсадной колонне с созданием реза (щели). Опытами было установлено, что при длине щели, равной 40 диаметрам насадки, отраженная струя не гасит входящую. Этим явлением объясняется факт увеличения на 20 – 30% глубины щели по сравнению с точечным вскрытием.

На качество формирования струи и глубину ее проникновения в пласт оказывают влияние форма и диаметр внутренней полости перфоратора, расстояние от насадки до преграды, взаимное расположение и перепад давления на насадках, диаметр, тип и концентрация абразива, вид рабочей жидкости, скорость движения перфоратора в колонне.

На основании проведенных исследований была оптимизирована конструкция гидропескоструйного перфоратора и забойного двигателя (щелевика), что позволило увеличить глубину проникновения струи в пласт на 10 – 15% по сравнению со стандартным оборудованием – перфоратором АП-6М при прочих равных условиях.

Проведение щелевой гидропескоструйной перфорации позволяет разгружать пласт от горного давления, что крайне эффективно для недогруженных пластов, работающих в условиях АВПД, неустойчивых пластов, склонных к разрушению при падении пластового давления, пластов с выраженной зоной кольматации. Разгрузка пласта позволяет «разжать» его призабойную зону, увеличить просветность трещин и пор, повысить способность к дальнейшему самоочищению.

В общем случае глубина проникновения струи (жидкостной, кумулятивной) в пласт зависит не только от прочностных свойств преграды (крепи скважины и породы пласта), но и гидростатического давления в скважине. Многочисленными опытами установлен факт значительного уменьшения глубины проникновения струи в пласт с ростом гидростатического давления. Преодолеть данное явление можно, увеличив гидравлическую мощность передаваемой рабочей жидкостью на забой. Это возможно осуществить следующими путями.

Во-первых, – увеличить диаметр и перепад давления на насадке. Опыты, проведенные в НПО «Бурение», показали, что, например, увеличение диаметра насадки в значительной степени способствует увеличению размеров канала. Так, при точечной перфорации мишени, представляющей собой стальной стакан диаметром 16,8 см и длиной 70 см, заполненный цементным камнем, с приваренной торцевой пластиной толщиной 9 мм, при гидростатическом давлении в 20 МПа, перепаде давления на насадке – 25 МПа, концентрации песка – 40 г/литр и времени воздействия – 15 мин. были получены следующие результаты:
  • при диаметре насадки 4,5 мм – глубина канала – 11 см, расход жидкости – 3,5 л/сек.;
  • при диаметре насадки 5,6 мм – глубина канала – 18 см, расход жидкости – 5,5 л/сек.;
  • при диаметре насадки 9 мм – глубина канала 56 см., расход жидкости 14,1 л/сек., а в условиях щелевого вскрытия – до 80 – 90 см.
Второй способ увеличения размеров перфорационного канала значительно более эффективен и основан на введении в рабочую жидкость некоторого количества азота. Введение газа приводит к увеличению скорости струи за счет уменьшения плотности жидкости, расширения пузырьков газа при выходе из насадки и разгазирования столба жидкости в затрубном пространстве. Кроме этого происходит развитие кавитационных процессов и улучшаются условия очистки перфорационного канала и промывки скважины в целом. Снижается также сопротивление движению струи к преграде. Применение газа позволяет увеличить глубину канала в 3 раза [1]. Для реализации данного процесса в НПО разработан полный комплекс оборудования для ведения данных работ: модернизированный гидропескоструйный перфоратор, щелевой забойный двигатель, специальное смесительное устройство, работающее на принципе вейерных струй и позволяющее получать качест­венную газожидкостную смесь. Проведенные стендовые испытания показали высокую эффективность процесса – добавление азота в рабочую жидкость позволило увеличить глубину проникновения струи в пласт, в среднем, в 2,7 раза. Предварительные расчеты показывают, что при работе насадками 9 мм, гидростатическом давлении 20 МПа, в условиях щелевого вскрытия возможно получить глубины перфорационных каналов порядка 100 – 120 см. В настоящее время имеются насосные агрегаты и азотные установки, имеющие достаточные характеристики для реализации данного процесса.

Третий способ является наиболее эффективным – позволяет перейти на качественно новый уровень работ по бурению и перфорации скважин. Он заключается в использовании сверхвысоких, 250 МПа и выше, давлений рабочей жидкости. Например, результаты опытов по бурению гранита (твердость по штампу 390 кг/мм2) следующие: при перепаде давления в насадке 200 МПа, гидростатическом давлении 6 МПа и расходе 0,4 л/сек. чистой, без абразива, жидкости механическая скорость бурения составила 30 м/час. Диаметр образуемого канала был равен 42 мм. Весьма показательно, что с увеличением перепада давления в насадке (с увеличением подводимой гидравлической мощности) уменьшается удельная (на единицу объема выбуренной породы) мощность [2]. Важно и то, что при применении сверхвысоких давлений расходы рабочей жидкости минимальны и потери на трение незначительны. Кроме того, по этим же причинам избыточное давление в образуемой каверне практически отсутствует, что гарантирует полную сохранность коллекторских свойств продуктивного пласта.

Гидромеханическая перфорация. НПО «Бурение» является автором и разработчиком двух типов гидромеханических перфораторов: роликового (щелевого), в котором разрушение крепи осуществляется деформацией обсадной колонны роликом, и перфоратора с ножами-пробойниками, который работает по принципу вырубного пуансона.

Гидромеханический роликовый перфоратор первоначально проектировался для реза и снятия стального пластыря с обсадной колонны. Достоинством данной конструкции являются простота, высокие надежность и производительность, что закономерно повлекло ряд ограничений по применению данного устройства. Наиболее существенно то, что при длине щели, приближающейся к диаметру перфорированной колонны, последняя теряет устойчивость на несколько порядков. При испытаниях патрубков из НКТ размером 60,3 х 5 мм длиной 200 мм, имеющих дефект (щель), были получены следующие результаты. При длине щели в 1 см разрушающее давление для образца составляло более 90 МПа, а при длине щели 7 см – уменьшалось до 7 МПа [3]. Исходя из того, что коэффициент запаса прочности колонны для фильтровой зоны принимается не менее 1,3, щель следует делать такой, чтобы напряжения в трубах возрастали не более чем на 30%. Исходя из этого условия длина щели не должна превышать половины радиуса перфорируемой колонны [4]. Создание длинных щелей особенно опасно в пескующих скважинах, где могут возникать значительные осевые нагрузки, вызванные силами трения грунта о колонну. В то же время при существующей технологии роликовой (пластической) перфорации создать щель длиной 3,5 – 4,5 см не представляется возможным, так как деформирование колонны осуществляется натяжением колонны труб, на которых спущен перфоратор. Другим серьезным недостатком данного перфоратора является малая глубина проникновения в пласт, определяемая радиусом ролика. Применяемая в различных конструкциях гидромониторная промывка неэффективна в силу параметров процесса. Рабочее давление для данного перфоратора обычно не превышает 20 МПа на поверхности, что с учетом потерь в трубах и оборудовании приводит к величине перепада давления на насадке в 15 – 16 МПа, что в условиях работы без абразива лишено практического смысла. Для примера: при работе гидропескоструйным перфоратором на поверхности насадкой диаметром 6 мм, с перепадом давления 25 МПа и концентрацией песка 40 г/л, скорость разрушения цементного камня составляет 3 см/мин. Для эффективной работы струи необходим переход на насадки 9 мм и более, с перепадом давления 25 МПа, что соответствует расходу 14,1 л/сек. на одну насадку. В этом случае отсутствие абразива в рабочей жидкости будет частично компенсироваться увеличением гидравлической мощности и работой собственного абразива разрушаемого пласта.

Еще одним технологическим недостатком данного перфоратора является обязательное увеличение окружности (диаметра) обсадной колонны на толщину внедрившихся в нее роликов, что приводит к растрескиванию цементного камня в зоне перфорации и еще большей потере устойчивости обсадной колонны.

В настоящее время в НПО «Бурение» разработан и успешно испытан в условиях стенда роликовый перфоратор, во многом свободный от перечисленных недостатков.

Гидромеханический перфоратор с ножами-пробойниками представляет собой трансформатор давления, гидравлически связанный с корпусами. В корпусах перпендикулярно продольной оси расположены ножи-пробойники. Количество ножей – до 4 шт. Фазировка ножей-пробойников может быть произвольной. При создании достаточного давления во внутренней полости перфоратора ножи-пробойники выходят из корпусов и прорезают отверстие в обсадной колонне и цементном камне шириной 2 см, высотой 5 см, глубиной 5 см (рис 1, 2). Достоинством данного перфоратора являются относительная простота и минимальное негативное воздействие на крепь скважины. К недостаткам следует отнести относительно невысокую стойкость ножей-пробойников: 15 – 40 резов до замены (что обусловлено податливостью колонны и связанными с этим требованиями к материалам, из которых изготавливаются ножи), а также малую глубину проникновения в пласт. Решить проблему созданием надежной и простой конструкции с гидромониторной насадкой с использованием давлений в 30 – 40 МПа при существующих размерах обсадных колонн весьма сложно.
Рис.1. Односторонний пробойник
Рис. 2. Двусторонний пробойник
В ряде случаев большая глубина перфорационного канала не требуется, что иллюстрируется анализом эффективности различных способов перфорации, проведенных на месторождении Краснодарского края (табл.).
Табл. Эффективность способов перфорации
(Анастасиевско-Троицкое месторождение, 1990 г.)
Худшие результаты, показанные гидропескоструйной перфорацией по сравнению с гидромеханической, обусловлены тем, что в силу геологического строения данного месторождения глубокие перфорационные каналы провоцировали образование каверн и преждевременное обводнение скважины.

Для перфорации пескующих скважин был разработан специальный нож-пробойник, позволяющий без применения фильтра снизить вынос песка на 25 – 30%.

Аналогичные данные по добычным возможностям скважин были получены при применении щелевого перфоратора конструкции ОАО «НПО «Бурение» на 16 скважинах Лянторского месторождения. Для данного перфоратора было разработано и успешно испытано несколько типов привода: от насосного агрегата – перфоратор спускается на трубах; от порохового заряда; гидростатического давления в скважине; теплового расширения жидкости – перфоратор спускается на кабеле.

Зондовая перфорация. Как отмечалось выше, к недостаткам перечисленных выше способов щадящей перфорации относится, в первую очередь, сравнительно небольшая глубина проникновения в пласт. Для решения данной проблемы в середине 80-х годов Сибирским отделением АН СССР и ВНИИнефть были начаты работы по разработке метода зондовой перфорации. Способ зондовой перфорации основан на внедрении в пласт металлической трубки-зонда на глубину 1,5 и более метров. Первоначально специальным ножом в колонне вырезается окно, в которое затем подается трубка-зонд, имеющая на конце гидромониторную насадку. Разрушение породы пласта ведется струей жидкости без абразива под давлением 250 МПа. Принципы и результаты работы струй сверхвысоких давлений описаны выше. В случае непрерывной подачи зонда к разрушаемой преграде и поддержании оптимального расстояния между насадкой и преградой процесс разрушения породы пласта максимально эффективен. Энергоемкость процесса может быть снижена, если наряду с разрушением породы струями применить механическое воздействие. Перфоратор был испытан в условиях стенда. При давлении 150 МПа трубка-зонд прошла мишень длиной 40 см (цементный камень в металлической обечайке) за несколько секунд (рис 3, 4). Скважинные испытания подтвердили работоспособность конструкции. Накопленные к настоящему времени знания позволяют сделать данный вид перфорации еще более эффективным. Есть опыт создания насосных агрегатов, уплотнений и насосно-компрессорных труб на требуемое давление.
Рис. 3. Разрушение образца бетона
Рис. 4. Мишень с трубкой-зондом
Применение сверхвысоких давлений в нефтегазовой промышленности позволит перейти на новое качество работ в области бурения и перфорации скважин, упростить скважинное оборудование, значительно снизить стоимость проводимых работ.

В заключение можно сделать следующие выводы:

1. Глубина перфорационного канала пропорциональна гидравлической мощности, переданной на забой. Наиболее эффективна передача гидравлической мощности с использованием сверхвысоких давлений в 250 МПа и более.

2. Применение гидромеханических перфораторов при имеющихся достоинствах ограничено малыми глубинами получаемых отверстий (щелей).

3. Получить отверстия (щели) достаточной глубины возможно с помощью гидропескоструйной перфорации либо с подачей той же гидравлической мощности на гидромеханический перфоратор. Последнее решение неэффективно, так как время реза обсадной колонны гидропескоструйным перфоратором с большой подведенной гидравлической мощностью сравнимо со временем механического создания отверстия (щели). Кроме того, происходят значительное усложнение конструкции гидромеханического перфоратора и снижение его надежности.

4. Наиболее эффективным решением проблем перфорации скважин являются развитие и применение техники сверхвысоких давлений.

В настоящее время в ОАО « НПО «Бурение» накоплен достаточный опыт для создания любых типов гидромеханических перфораторов. Возможна адаптация перфоратора к существующим горно-геологическим, техническим и иным условиям конкретного месторождения, что позволяет значительно повысить эффективность работ по вскрытию продуктивного пласта.

Литература

  1. Bleakley W.B. Good well completion // Oil and Gas Journal. 1962. June 11.
  2. Соловкин Е.Б., Надточий В.В., Гребенник О.И., Граков А.Н. / Сборник научных трудов ВНИИнефть, Выпуск 54. 1976 г.
  3. Мамедов А.А. Предотвращение нарушений обсадных колонн. М.: Недра, 1990. 240 с.: ил.
  4. Песляк Ю.А. Расчет напряжений в колоннах труб нефтяных скважин. М.: Недра, 1973. 215 с.: ил.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Соловкин О.Е.

    Соловкин О.Е.

    к.т.н., директор учебного центра

    ОАО «НПО «Бурение»

    Просмотров статьи: 9378

    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru