1.9.6 Сполучення експлуатаційної колони з пластом

При застосуванні конструкції вибійної частини свердловини із зацементованою експлуатаційною колоною, сполучення експлуатаційної колони з пластом (вторинне розкриття пласта) здійснюють за допомого перфорації – створення каналів в обсадній колоні, цементному камені і ділянці гірської породи, забрудненої частками бурового розчину в процесі буріння свердловини, з метою забезпечення гідродинамічного зв’язку продуктивного пласта із свердловиною. Вторинне розкриття пласта є однією з найважливіших операцій, що впливає на подальшу ефективну експлуатацію нафтогазових свердловин. Залежно від поставленої задачі, а також свердловинних умов і характеристики пласта-колектора можуть застосовуватися кумулятивна, свердлильна, гідромеханічна, пластична та інші види перфорації.

Частину робіт з вторинного розкриття нафтогазоносних пластів у наш час здійснюють за допомогою кумулятивної перфорації – прострілу отворів в колоні, цементному кільці і в породі пласта за допомогою спеціальних апаратів – перфораторів. Після освоєння свердловини нафта, газ чи газоконденсат надходять з пласта в експлуатаційну колону крізь ці отвори. Діаметр і число отворів на 1 м (густина перфорації) розраховується так, щоб приток флюїду з пласта був максимальним.

Перфорація за допомогою каротажного кабелю. Спуск на каротажному кабелі є основним методом доставки перфораційних систем у свердловину до інтервалу розкриття. Основною перевагою цього методу є значна економія часу на виконання СПО. При цьому застосовують як безкорпусні, так і корпусні перфоратори.

До основних переваг безкорпусних перфораторів (рис. 1.119) можна віднести їх невеликі розміри і гнучкість, що дозволяє проводити спуск у свердловини малого діаметра і крізь звужені ділянки обсадних колон і насосно-компресорних труб (НКТ), їх високу продуктивність, яка обумовлена невеликою масою конструкції і можливістю складання перфораторів великої довжини.

Рисунок 1.119 – Безкорпусні кумулятивні перфоратори:

а – тип 3ПРК-42 С; б – тип 3ПКС-80 Н-ГП; в – кумулятивні заряди; г – вигляд мішені після відстрілу заряду

(діаметр отвору 17,8 мм)

Основними недоліками безкорпусних перфораторів є мала довжина пробитих каналів, обумовлена малою масою кумулятивних зарядів, а також труднощі спуску в обважнених розчинах.

Корпусні перфоратори відрізняються тим, що кумулятивні заряди і засоби підривання ізольовані від зовнішнього середовища міцним сталевим корпусом. Завдяки цьому мінімізується можливість пошкодження обсадної колони і цементного каменю при проведенні робіт, не засмічуються свердловини продуктами вибуху і осколками зарядів. Високоміцний корпус перфоратора дозволяє проводити перфорацію продуктивних пластів на великих глибинах, а велика маса полегшує спуск у свердловини з розчинами великої густини. Корпусні перфоратори поділяються на два види – одноразового та багаторазового використання (рис. 1.120, а, б).

До перфораторів багаторазового використання належать перфоратори типу ПК-105 (рис. 1.120, а). Корпус цього перфоратора має вікна, які герметизуються сталевими пробками і гумовими ущільнювачами. Можливість неодноразового використання корпуса перфоратора здешевлює виконання робіт, а наявність більш тонкої, порівнюючи з самим корпусом, сталевої пробки, позначається на збільшенні довжини каналу в породі. До недоліків цього перфоратора необхідно віднести більш високий, ніж у перфораторів одноразового використання, фугасний вплив на кріплення свердловини і обмеження по довжині – 3 метри.

а

б

Рисунок 1.120 – Корпусні кумулятивні перфоратори:

а – багаторазового використання типу ПК-105;

б – одноразового використання типу ПКО-102

Основна відмінність перфоратора одноразового використання в тому, що корпус перфоратора виконаний із суцільної сталевої труби, а кумулятивні заряди монтуються на каркаси з різною фазовою орієнтацією. Крім зниженої фугасності, перфоратори одноразового використання більш прості при заряджанні, мають високу щільність установки кумулятивних зарядів і здатні витримувати високий гідростатичний тиск. До такого типу також відносяться модульні перфоратори. Їх головна особливість в тому, що секції перфоратора представляють собою модулі, заряджені в заводських умовах. Система передачі детонації між модулями дозволяє проводити швидке складання гірлянди перфоратора. При цьому максимальна довжина складання перфораторів, що спускаються на каротажному кабелі, може досягати 300 м.

Перфорація в складних умовах вторинного розкриття, які, зазвичай, виражаються в безпосередній близькості до інтервалу перфорації зони водонафтового або газонафтового контактів, а також у тому випадку, коли з якихось причин, якість цементного каменю не дозволяє провести кумулятивну перфорацію, що володіє фугасним впливом і, як наслідок, загрозою порушення цілісності цементного каменю і виникнення заколонних перетоків з вищих або нижчих пластів. Для перфорації таких об’єктів застосовують свердлильні або гідромеханічні перфоратори.

а б

Свердлильна перфорація призначена для створення перфораційних каналів, отворів в обсадних трубах, кільцевому цементному камені і породі. Основною перевагою свердлильної перфорації є мінімальний вплив при проведенні вторинного розкриття на обсадні колони і цементний камінь, оскільки створення перфораційних каналів відбувається в режимі безударної дії, не деформуючи і не руйнуючи обсадні труби, без тріщиноутворення в цементному кільці і погіршення фільтраційних харак-теристик гірських порід у вибійній зоні пласта. Спосіб забезпечує отримання отворів великого діаметру з чистою кромкою. Крім того, дозволяє ство-рювати отвори при проведенні ремонтних робіт у стінках свердловини багатоколонної конструкції, вибірково роз-кривати пласти перемежовані проникними і ущільненими породами, а також розкривати малопотужні нафтові пласти.

На рис. 1.121 показано перфоратор свердлильний ПС-112/70, який може з каротажною лабораторією і підйом-ником застосовуватися в свердловинах, пробурених долотом діаметром 190…215,9 мм і обсаджених трубами діаметром 146…168 мм. При експлуатації до глибини 4200 м – оснащений трижильним кабелем, а до 5400 м – семижильним кабелем. До недоліків цих перфораторів відносяться великі витрати часу на свердління каналів і мала глибина перфораційних каналів (не більше 90 мм), що не завжди може забезпечити якісний гідрозв’язок свердловини з пластом і, як наслідок, мають місце значні гідродинамічні втрати у вибійній зоні пласта.

Гідромеханічна перфорація є перспективним напрямом вторинного розкриття пластів, що має ряд переваг перед іншими методами. До переваг можна віднести більш високу гідродинамічну досконалість за якістю розкриття пласта, завдяки перфорації обсадної колони протяжною щілиною і включення в роботу всіх флюїдопровідних каналів пласта, велику питому площу розтину (перевищує площу розтину кумулятивною перфорацією більше, ніж у два рази), великий радіус проникнення і відсутність фугасного впливу на експлуатаційну колону під час перфорації.

За допомогою гідромеханічного перфоратора можна селективно розкривати продуктивні перемежовані тонкі пропластки, не порушуючи перемичку між ними.

На рис. 1.122 показано гідромеханічний щілинний перфоратор типу ПЩ-6-146 призначений для перфорації свердловин, обсаджених колоною діаметром 146 мм.

Перфоратор дозволяє:

- провести заміну свердловинної рідини до і після перфорації;

- створити поздовжні щілини довжиною 2…4 м і шириною 7…9 мм накатним диском на 16…20 мм за межі обсадної колони;

- розмивати цементний камінь і гірську породу крізь гідромоніторну насадку і готову щілину на глибину 150…200 мм;

- при розташуванні колони в колоні розкривати внутрішню колону, не ушкоджуючи зовнішню;

- виконувати операції з розкриття пластів без різких ударних навантажень на цементний камінь і вибійну зону пласта, які можуть призвести до утворення вертикальних техногенних тріщин і, як наслідок, до швидкого обводнення свердловин у водонафтових зонах.

Рисунок 1.122 – Гідромеханічний щілинний перфоратор ПЩ-6-146:

1 – накатувальний диск; 2 – опорні ролики; 3 – гідромоніторна насадка;

4 – підпружинений поршень-штовхач; 5 – з’єднувальна муфта

Гідромеханічний перфоратор з ножами-пробійниками представляє трансформатор тиску, який має гідравлічний зв’язок з корпусами. У корпусах перпендикулярно до поздовжньої осі розташовані ножі-пробійники. Кількість ножів – до 4 шт. Розташування ножів-пробійників може бути довільним. При створенні достатнього тиску у внутрішній порожнині перфоратора ножі-пробійники виходять із корпусів і прорізають отвір в обсадній колоні і цементному камені шириною 20 мм, висотою 50 мм, глибиною 50 мм (рис. 1.123). Перевагою такого перфоратора є відносна простота і мінімальний негативний вплив на кріплення свердловини. До недоліків слід віднести відносно невисоку стійкість ножів-пробійників: 15…40 прорізів до заміни (що обумовлено податливістю колони і пов’язаними з цим вимогами до матеріалів, з яких виготовляють ножі), а також малу глибину проникнення в пласт. Вирішити проблему створенням надійної і простої конструкції з гідромоніторною насадкою з використанням тисків у 30…40 МПа при теперішніх розмірах обсадних колон досить складно.

а б

Рисунок 1.123 – Пробиті щілини ножами-пробійниками гідромеханічного перфоратора:

а – односторонній пробій; б – двосторонній пробій

Перфорація за допомогою насосно-компресорних труб. Перфоратори, які спускаються на НКТ, дозволяють здійснювати розкриття в похилих пластах або сильно викривлених свердловинах, в яких неможливо зробити спуск перфоратора на кабелі. Довжина перфораційного вузла, при спуску його на НКТ практично необмежена, що дозволяє розкривати пласт великої протяжності, а також кілька роз’єднаних пластів, що лежать на значній відстані один від одного.

Останнім часом почали широко застосовувати новий метод – гідропіскоструминну перфорацію. При такому методі, в НКТ, спущені в експлуатаційну колону, під великим тиском нагнітають рідину з піском. На кінці труб встановлюється струминний апарат (рис. 1.124), з сопла якого з великою швидкістю виходить рідина з піском. Ця суміш викликає швидке абразивне руйнування обсадної колони, цементного кільця і породи.

При гідропіскоструминній перфорації обсадна колона і цементне кільце не тріскаються. Крім того, цей метод дозволяє регулювати глибину і діаметр отворів.

Рисунок 1.124 – Апарат для піскоструминної перфорації АП-6М:

1 – вузол насадки; 2 – кулька пресувального клапана; 3 – корпус;

4 – заглушка; 5 – кулька клапана;

6 – центратор; 7 – хвостовик

Піщанорідинна суміш закачується в НКТ насосними агрегатами високого тиску, змонтованими на шасі автомобілів, піднімається зі свердловини на поверхню по кільцевому простору. Це відносно новий метод розкриття пласта. Сфера і масштаби застосування гідропіско-струминного методу перфорації свердловин постійно розширюються, і крім розкриття пласта він знайшов застосування при капітальних ремонтах, вирізці колон і в поєднанні з іншими методами впливу.

Створення отворів у колоні, цементному камені і каналу в породі відбувається завдяки надання піщано-рідинній суміші дуже великої швидкості, що сягає декількох сотень метрів на секунду. Перепад тиску при цьому становить 15…30 МПа. У породі вимивається каверна грушоподібної форми, зверненої вузьким конусом до перфораційного отвору в колоні. Розміри каверни залежать від міцності гірських порід, тривалості впливу та потужності піщанорідинного струменя. При стендових випробуваннях були отримані канали до 0,5 м.

Інноваційною технологією є продуктивна комплексна гідромеханічна щілинна перфорація з використанням хімічної дії на пласт (пластична перфорація з використанням НКТ, рис. 1.125).

а б

в г

д е

Рисунок 1.125 – Комплексна пластична перфорація:

а – схема комплексної перфорації; б – розташування пластичного перфоратора в експлуатаційній колоні; в, д – схема перфоратора і його 3D-модель; 1 – додаткові отвори для циркуляції технологічних рідин; 2 – гідромоніторні форсунки; 3 – різальні диски; г, е – обсадна труба, розрізана щілинним перфоратором

Технологія заснована на принципі пластичної деформації металу і не має ударної дії на експлуатаційну колону свердловин. Загальна площа розтину складає 0,024 м² на один погонний метр. Це рівнозначно площі розтину 34-ма кумулятивними зарядами з діаметром прохідного отвору 30 мм.

Щілини не змикаються завдяки рівномірному розвантаженню металу. Сумарна потужність розтину за один спуск – до 50 метрів.

При пластичній перфорації використовують перфо-ратор – прилад циліндричної форми, оснащений двома дисками-фрезами, що формують поздовжні щілини в експлуатаційний колоні, двома гідромоніторними форсун-ками, розташованими в одній площині з дисками-фрезами (див. рис. 126, в). Рідина, що подається з форсунок розмиває гірську породу в інтервалі оброблення, очищає вибійну зону пласта від бруду. У перфораторі є технологічні отвори, що дозволяють закачуванти хімічні речовини в пласт і освоєння свердловин. Технологія високоефективна перед операціями гідророзриву пласта. На рис. 1.126 показані етапи пластичної перфорації, а на рис. 1.127 – випробування перфоратора перед спуском у свердловину.

а б

в г

Рисунок 1.126 – Етапи пластичної перфорації:

а – розтин колони і початок намивання каверни; б – намивання каверни; в – хімічне оброблення; г – освоєння

Рисунок 1.127 – Випробування перфоратора перед спуском у свердловину

Глибока перфорація. Технологія глибокої перфорації продуктивного інтервалу при закінченні будівництва свердловин, або її капітальному ремонті, здійснюється за допомогою перфобура. Технологія передбачає видалення частини обсадної колони (на першому етапі впровадження), розширення основного стовбура, закачування ізолюючих гелеутворюючих речовин, створення цементної пробки, розбурювання в ній допоміжного стовбура і буріння в ньому спіралеподібних каналів (діаметром 50 мм) глибиною від 5 до 40 метрів (рис. 1.128), з використанням спеціальних рідин і спеціальних компонувань перфобура для орієнтованого буріння.

а б

Рисунок 1.128 – Глибока перфорація продуктивного інтервалу:

а – тривимірна схема розташування перфораційного каналу;

1 – свердловина; 2 – цементна пробка; 3 – продуктивний пласт;

4 – перфораційний канал; б – радіальна проекція перфораційних каналів одного ярусу; 5 – продуктивна неоднорідність; 6 – лінза; 7 – проекція перфораційного каналу; 8 – цементна пробка;

9 – стовбур свердловини

Перфобури виконані в одно-, дво- або багатосекційному варіантах. Вони складаються з таких основних вузлів (рис. 1.128): труби-штовхача діаметром 50 мм, з’єднаної зверху з переливним клапаном, а внизу – з розміщеними в трубному корпусі поворотним вузлом і напрямним перехідником, пов’язаним за допомогою гідроштовхача і гнучкої труби з криволінійним спеціальним двосекційним гвинтовим двигуном Д-42 (або Д-43) і долотом типу PDC. Знизу до трубного корпуса під’єднані відхилювач і якір, який працює з опорою на вибій (або важкий низ).

Відомі способи забезпечують глибину каналів: при свердлильній перфорації 90…120 мм; при кумулятивній і гідропіскоструминній перфорації 400…600 мм, а пропонованим перфобуром – від 5000 до 40000 мм. Оскіль-ки технологія дозволяє створювати перфораційні канали в 20…30 разів більшої довжини, ніж будь-який з теперішніх методів, то, природно, збільшується і площа поверхні зони фільтрації, що підвищує середньодобовий дебіт.

Рисунок 1.128 – Схема перфобура

ПБ50-10-140:

1 – долото з генератором хвиль;

2 – двигун гвинтовий 2Д-42;

3 – продуктивний пласт;

4 – перфораційний канал; 5 – гнучка труба; 6 – цементна пробка;

7 – напрямний паз; 8 – колона НКТ;

9 – труба-штовхач; 10 – обсадна колона;

11 – штифт поворотного вузла;

12 – корпус трубний;

13 – поворотний вузол;

14 – напрямний перехідник;

15 – гідроштовхач гнучкої труби;

16 – відхилювач; 17 – якір;

18 – вибій