14.3. Гидропескоструйная перфорация

Гидропескоструйная перфорация (ГПП) — это метод, по которому образовывающиеся каналы проходят через колонну труб, цементное кольцо и углубляются в породу под действием кинетической энергии потока жидкости с пес­ком, сформированного в насадках.

Каналы, образованные вследствие действия кинетической энергии сформированного в насадках потока жидкости с пес­ком в породах прочностью на сжатие σ_сж =10÷20МПа, имеют длину l = 10÷30 см и поверхность фильтрации S = 200÷500 см². Поскольку поверхность фильтрации таких каналов в несколько десятков раз больше поверхности каналов, возникших в результате кумулятивной перфорации, то ГПП особенно полезна при вторичном вскрытии трещинных коллекторов и после капитального ремонта.

Для образования каналов ГПП, больших, чем получаемые при кумулятивной перфорации (КП), применяют интенсивные параметры проведения процесса. Длина канала увеличивается на 30% при использовании насадок диаметром d = 6 мм вместо 4,5 мм, на 30—50% — при разгазировании жидкости азотом, на 40% — при возрастании перепада давления в насадках ∆Р от 20 до 40 МПа.

Если время формирования канала t увеличить от 20 до 60 мин., то его длина будет медленно возрастать на 20%, а поверхность фильтрации — на 400% (очень быстро). При одновременном применении упомянутых средств длина канала может увеличиваться в 2—3 раза. Однако не следует забывать, что ГПП — технологически сложный и дорогостоящий процесс. Например, ГПП с плотностью 2 отверстия на 1 м в несколько раз дороже, чем КП зарядами ПК-103 при плотности 20 отверстий на 1 м.

Технологические возможности ГПП в добыче нефти могут быть эффективно использованы только в результате рационального планирования этого процесса с учетом ожидаемой дополнительной добычи продукции скважин и затрат на его проведение.

ГПП применяют преимущественно в разведочных скважинах с многоколонной конструкцией, с трещиноватыми коллекторами, а также при капитальном ремонте, особенно после изоляционных работ, для повторной перфорации.

Технологическая схема. Для проведения ГПП в скважину (рис. 14.7) на НКТ спускают пескоструйный аппарат (АП), в корпусе которого размещены две-четыре насадки диаметром 4,5 или 6 мм из абразивно-стойкого материала. Для точной установки АП напротив перфорированных пластов над НКТ размещают толстостенную муфту длиной до 50 см с толщиной стенки 10—15 мм. В АП предусмотрено два гнезда для клапанов. Верх ний большой шаровой клапан закидывают временно для опрессовки НКТ, потом его поднимают обратным промыванием. Нижнии, меньшего диаметра,— закидывают на время образования каналов. Герметизацию затрубного пространства для отведения потока проводят при помощи самоуплотненного сальника

П оследовательность работы. Перед процессом ГПП спрессовывают НКТ, после чего обратным промыванием поднимают верхний шаровой клапан и определяют гидравлические затраты давления Р_затр. Малогабаритным прибором исследуют геологический разрез скважины ГК (НГК), чтобы направить АП к пластам, уточняют длину труб, учитывая их собственный вес. После этого закидывают нижний шаровой клапан и в НКТ закачивают жидкость с абразивным материалом. Преимущественно это песок фракции размером 0,8— 1,2, реже — 2 мм. Смесь жидкости с песком поступает с расходом 8—16 л/с, при этом давление на насосных агрегатах составляет 25—45 МПа. При таких условиях скорость потока на выходе из насадок составляет 160—240 м/с.

Давление на манометрах агрегатов во время образова­ния каналов должно быть постоянным, например, 35 МПа. На выходе из насадки потенциальная энергия давления жидкости переходит в кинетическуюэнергию потока, которая во время ударов песчинок о перегородку (трубы, породы) разрушает их.

_________________

Рис. 14.7. Схема перфорации в скважине гидропескоструйным методом:

1-обсадная колонна; 2-НКТ; 3-АП; 4-насадка; 5-пласт; 6-каналы ГПП; 7-сальник.

Частицы разрушенной породы выносятся из канала перфорации в затрубное пространство и вымываются на поверхность. Если аппарат с насадками зафиксирован якорем на конце труб неподвижно, то образованный канал будет иметь грушевидную форму.

Т акие условия образования канала называют закрытыми. Если аппарат не зафиксирован (что бывает наиболее часто), то он в конце НКТ получает осевое перемещение и канал принимает форму вертикальной выемки длиной 5—10 см. Движение аппарата обусловлено произвольным колебанием давления (± 2—3 МПа) на агрегатах. При незафиксированном аппарате из пласта выносятся частицы породы (чаще до 10 мм), а условия образования канала называют открытыми. Механизм образования канала объясняется по рис. 14.8. Рассмотрим плоское сечение потока, вытекающего из насадки диаметром d₀ с начальной скоростью u₀ и образовывающего канал. Скорость u₀ сохраняется на расстоянии от насадки 7₀ < 5d₀, которую называют начальным участком потока;

Рис. 14.8. Схема вытекания потока в канал

далее скорость резко снижается, потому что с отдалением от насадки внешние границы турбулентного

потока расширяются за счет захвата частиц жидкости из окружающей среды.

Вследствие увеличения массы осевая скорость потока снижается от u₀ до u_х. Например, на расстоянии х = 40 d₀ она уменьшается до u_х = 0,1u₀, а сталкиваясь с дном канала, — u_х = 0. Поскольку скорость твердых частиц (песка) больше скорости по­тока, то более тяжелая твердая частица резко ударяется о перегородку (металл колонны, породу), преодолевает силы сцепления материала перегородки и разрушает его. Обсадная колонна должна находиться в пределах начального участка потока, так как тогда процесс образования отверстия в колонне длится лишь 1 — 2 мин. Остальное время резания затрачивается на образование канала в цементном кольце и породе.

Схема образования канала в скважине изображена на рис. 14.9.

Глубина канала, формирующегося за цементным кольцом, определяется по уравнению:

l_пл=R_ап+l_a+l_t-r_c,

где R_ап — радиус аппарата, м;

г_с-радиус скважины (по показателям каверномера в интервале фор­мирования отвер стий ГПП), мм;

l_t- глубина канала, сформированного ГПП, мм;

1_а- рас­стояние от торца насадки до эксплуатационной колонны, мм.

Рекомендуется выбирать R_ап, для которого l_а = 10÷20 мм.

Если в зоне образования канала имеются большие каверны, то действие потока не может выйти за границы цементного кольца, и ГПП будет неэффективной.

Проектирование ГПП проводят для обеспечения заданного качества сообщения скважины с пластами путем образования необходимого количества кана­лов определенных размеров.

Во время проектирования необходимо обосновывать выбор скважины; выбрать рецептуру жидкости для ГПП, тип абразивного материала, его фракционный состав и концентрацию в жидкости; рассчитать основные параметры процесса, подобрать глубинное, устьевое и наземное оборудование, оценить технологическую и экономическую эффективность спроектированного процесса.

Г ПП наиболее целесообразно применять в скважинах, гидродинамически несовершенных по характеру вскрытия пласта. Если такое несовершенство не обнаружено (например, после кумулятивной перфорации φ_с = φ_кн ), то принимают большее по сравнению с ним значение коэффициента гидродинамического совершенства скважины после ГПП, которое необходимо достичь.

Жидкости для ГПП не должны существенно снижать проницаемость продуктивных пластов и содействовать очищению призабойной зоны от загрязнения.

Для ГПП преимущественно применяют водные растворы ПАВ на пресной технической или минерализованной пластовой воде. ПАВ выбирают по таким же принципам, как и продвигающие и вытесняющие жидкости для кислотных обработок.

Рис. 14.9 Схема формирования канала ГПП в скважине: 1-гидропескоструйный аппарат; 2-насадка; 3-колонна; 4-цементное кольцо; 5-пласт.

Целесообразно, кроме того, использовать рецептуры таких жидкостей для глушения скважи­ны перед текущим или капитальным ремонтом. Абразивный материал — это обычно кварцевый песок с небольшим содержанием глины (до 0,5%), фракционный состав песка 0,5—1,2 мм

Наибольшие частицы не должны быть более 2 мм, так как иначе они могут закрывать отверстия насадок АП. Оптимальная концентрация песка составляет 30— 50 кг/м³ (3—5%). С возрастанием концентрации песка обычно увеличивается объем канала ГПП при той же глубине.

Прочность породы на сжатие значительно влияет на длину канала. Начальная скорость разрушения породы, от которой зависит длина канала ГПП, является функцией квадратного корня значения ее прочности на сжатие . Например, при одинаковых условиях длина канала в породе с прочностью на сжатие 20 МПа составляет 185 мм, а с прочностью 60 МПа — 125 мм.

Форма и диаметр насадки также значительно влияют на длину канала ГПП. Наиболее эффективные насадки с коноидальным входом и конусной проточной частью, диаметр которых выбирают, исходя из гидравлической мощности применяемых насосных агрегатов, равным 4,5 или 6 мм. Увеличение диаметра насадки в 2 раза при прочих равных условиях увеличивает длину канала почти вдвое.

Перепад давления в насадке — один из параметров процесса, который обусловливает увеличение глубины канала ГПП, и его наиболее трудно поддерживать постоянным. Начальная скорость потока является функцией квадратного корня из перепада давления u₀ = f(∆P^0,5), и именно она линейно влияет на длину образующегося канала. Например, увеличение перепада давления от 17 до 32 МПа содействует возрастанию длины канала от 9 до 13 см при прочих равных условиях.

Рассмотрим трудности, обусловленные нестабильностью работы насосных агрегатов во времени (процесс ГПП длительный, не менее 30—60 мин. для каждого резания). Во время ГПП постоянно разрушается входная часть насадки, а также ее сечение. Насадки из сплава ВК-6 после 10—15 резаний АП следует менять, так как их диаметр увеличивается на 1—1,5 мм. Давление на уровне АП в затрубном пространстве нестабильно. В затрубном пространстве может содержаться жидкостно-песчаная (большой плотности) смесь, при помощи которой происходит процесс, или чистая жидкость (меньшей плотности) в начале процесса резания в данном интервале или после его завершения, когда промывают скважину для приподнятия АП в новый интервал.

Давление на устье скважины принимают стабильным, но таковым оно не является.

По данным Г. Д. Савенкова (1968), изменение давления от­носительно заданной величины (обычно 20—40 МПа) состав­ляет ±2—3 МПа. На уровне АП такое изменение давления вызвано движением плунжеров насосных агрегатов. Например, в скважине глубиной около 3000 м в результате изменения давления на устье на 1 МПа АП, а следовательно, и насадки перемещаются почти на 3 см. Поэтому в обсадной колонне обычно образуется не отверстие диаметром 20—25 мм (как при первоначальной перфорации с защемлением АП в стандовых условиях), а щель длиной приблизительно 10 мм. Это дает два преимущества для ГПП с незакрепленным АП: 1) длина обра­зующегося канала возрастает на 20—30%; 2) не возникает из­быточное давление в канале перфорации за обсадной колон­ной, а следовательно, не разрушается цементное кольцо и не забиваются поры породы на поверхности образующегося пер­форационного канала. Возрастает качество раскрытия пласта ГПП в отличие от кумулятивной перфорации.

Время образования канала — контролируемый параметр процесса, который не зависит от других факторов. Канал образуется интенсивнее в первые минуты резания потоком, после 30 мин. рост глубины канала значительно замедляется. Здесь следует различать условия резания с зафиксированными и незафиксированными НКТ с АП. В первом случае имеем так называемые закрытые условия образования канала, а во втором — открытые. В закрытых условиях расширение канала усложняется, так как много энергии затрачивается во встречных потоках круглого отверстия, образовавшегося в эксплуа­тационной обсадной колонне и имеющего размер (3 — 4) d₀ диаметра насадки. В открытых условиях, когда отверстие в ко­лонне овальной формы и большая ось его близка к 20 d₀, поток, вытекая из канала, не встречает сопротивления и глубина канала увеличивается. Открытые условия свойственны для ГПП в зоне фильтра или без колонны. Известно, что увеличение канала ГПП можно записать как функцию времени:

Эта функция описывает увеличение канала за ограниченное время, например, до 100 мин. от начала резания.

ГПП с использованием глинистых растворов применяют в скважинах с высоким пластовым давлением. Особенности технологии заключаются в использовании глинистых растворов плотностью 1,5 — 1,8 г/см³ с абразивным материалом. Во время проведения возрастают вязкость и статическое напряжение сдвига, несколько уменьшается водоотдача. Это объясняется диспергированием глинистых и абразивных частиц во время резания.

Для проведения ГПП с использованием глинистого раствора готовят раствор бентонитовой глины плотностью 1,14 — 1,18 г/см³. Потом на поверхности производят 5 — 6 циклов циркуляции всего раствора с перепадом давления 25 — 30 МПа, напрявляя поток на металлический предмет. В этот момент диспергируются частицы глины, и раствор становится более стабильным. Благодаря диспергированию затраты глинопорошка уменьшаются вдвое. Далее добавляют к приготовленному раствору абразивный материал — барит, гематит, кварцевый песок. В этом ряду абразивность возрастает от барита к песку. Длительная работа агрегатов обеспечивается в том случае, если диаметр частиц абразива находится в пределах 0,4 — 0,8 мм. В раствор вначале добавляют 5% абразивного материала. После 2 — 3 циклов циркуляции через насадки АП раствор отрабатывается, и поэтому необходимо заменить абразивный материал новым (также 5%). Остальные параметры и технология остаются без существенных изменений.

ГПП с газовой фазой (азотом) целесообразно производить в скважинах с низким пластовым давлением. Особенности технологии связаны с применением двух азотных газификационных установок АГУ-8К, которые перевозят жидкий азот и га­зифицируют его под давлением 22 МПа с расходом б нм³/мин.

Газ поступает в жидкость через эжектор, и поэтому давление газожидкостной смеси с газосодержанием потока φ = 0,2 (вычисленным при гидростатическом давлении жидкости на уровне АП в скважине) достигается на устье 30 МПа, если давление на насосных агрегатах составляет 40 МПа. В остальном технология существенно не отличается от технологии обычной ГПП. Следует четко придерживаться правил техники безопасности во время проведения работ.

Таким образом, при использовании ГПП с газовой фазой глубина канала возрастает на 30%, а его объем — на 200%. Возникает дополнительный перепад давления на насадках и уменьшается противодавление на пласт. К недостаткам следует отнести трудности, связанные с транспортировкой жидкого азота на скважине, и его высокую стоимость.

ГПП с созданием перекрестных каналов предлагается для тонкослоистых пластов. Для проведения перфорации насадки размещают под углом обычно меньше 45° к горизонту. Для ГПП применяют конструкции (Г. Д. Савенкова) часто с автоматическим перекрытием части насадок и продолжением образования тех каналов, которые не перекрыты. Обратный поток частично сбрасывается в канал, образованный перекрытой насадкой.

ГПП с аппаратами для образования вертикальных или горизонтальных надрезов пласта впервые предложена ВНИИ (Москва) для инициирования щелей ГРП, улучшения связи скважины с пластами и т. п.

ГПП с выдвижением насадки в пласт применяют для образования глубоких каналов. Существуют различные конструкции аппаратов с одной насадкой на гибкой трубе, которая входит в пласт, а также конструкции ЦНДЛ АТ «Укрнафта» (г. Ивано-Франковск), института «Сирка» (г. Львов). Проектирование ГПП проводят поэтапно: оценивают технологическую и экономическую эффектив­ность применения ГПП;

определяют допустимые значения основных параметров резания, необходимых для образования каналов ГПП на проектной глубине;

рассчитывают основные параметры резания и необходимые материальные ресурсы для проведения работ.

Принимают практическое значение коэффициента гидродинамического совершенства φ , определяют дополнительную добычу нефти и газа, а также оценивают стоимость ГПП и ее эффективность.

Задаваясь длиной и плотностью каналов ГПП, требуемых для достижения проектного значения коэффициента φ, оценивают, какие режимы резания необходимы для образования каналов, и проверяют, достижимы ли они при возможном дав­лении на устье скважины. Если давления превышают возможные, то уменьшают число насадок, а если и это не помогает, то уменьшают проектное значение φ . Используя результаты первых двух этапов, рассчитывают параметры резания каналов и режимы работы насосных агрегатов и их качество, колонну НКТ из труб, имеющихся на предприятии; длительности ГПП, определяют потребность в материалах. На основе полученной информации можно точнее рассчитать стоимость ГПП и опре­делить ее экономическую эффективность.

Из табл. 14.3 видно, что во время ГПП очень прочных пород Прикарпатья (φ_сж = 100 МПа) в нормальных условиях резки ( ∆P = 20 МПа, d = 4,5 мм и τ = 20 мин.) длина сформированного канала 1= 78 мм, а при интенсивных режимах (∆P — 40 МПа, d = 6 мм и τ = 20 мин.) она возрастает до 180 мм. Поэтому для образования каналов в прочных породах следует применять интенсивные режимы и методы ГПП. Размеры канала (см. табл. 14.3) могут возрастать еще больше вследствие разгазировки жидкости с песком. Например, если степень разгазировки φ = 0,2 при давлении на уровне насадки в затрубном пространстве, то длина канала возрастает в 1,3 раза, а поверхность — в 1,5 раза.

Рассчитаем режим работы насосных агрегатов и количе­ство спецтехники для ГПП по заданному перепаду давления на насадках определенного диаметра и для выбранного числа насадок, учитывая первую снизу от забоя скважины глубину отверстия ГПП, диаметр и толщину стенок эксплуатационной колонны и НКТ.

Вначале рассчитываем расход жидкости (м³/с) во время резки через насадки АП по формуле:

где q_ап — расход жидкости, м³/с;

d₀ — диаметр насадки, м;

n_ап — число насадок;

µ_ап = 0,89 для насадок аппарата АП-6М и водопесчаной смеси;

∆P — перепад давления на насадках, МПа;

ρ_см— плотность смеси, кг/м³.

Например, для смеси воды с песком с концентрацией 50 кг/м³ плотность смеси ρ_см = 1030 кг/м³.

Число насадок в АП зависит от их диаметра, диаметра труб и глубины скважины. Для средних глубин Н = 2500 м,d_т = 73 мм и d₀ = 4,5 мм, n_ап = 3÷6, а для d₀ = 6 мм n_ап = 2÷4.

Потери давления в зависимости от рекомендательного расхода водопесчаной смеси оценивают по экспериментальным данным, приведенным в табл. 14.4.

Таблица 14.2

Изменение длины канала в зависимости от режимов резания и диаметра насадки, мм

Время, мин.	Прочность породы на сжатие, МПа
	20		50		100			150
	Перепад давления в насадке, МПа
	30	20	30	40	20	30	40	30	40
20	219 295	112 150	136 182	173 230	76 103	93 127	112 149	67 88	79 106
30	240 320	123 164	149 199	189 251	82 113	102 139	122 163	73 97	86 115
60	264 352	135 180	164 219	208 276	92 124	113 152	134 179	80 106	94 126
100	276 367	141 188	172 228	217 288	96 130	119 159	140 187	84 111	99 132
Примечание. В числителе данные для насадки диаметром 4,5 мм, в знаменателе — диаметром 6 мм.

Таблица 14.3

Потери давления во время циркуляции водопесчаной смеси для ГПП в скважине

q, л/с	Расход давления ∆Ртр на 100 м глубины для конструкций колонны, мм, при
	Dк = 146 мм и dт, мм			Dк = 168 мм и dт, мм
	60	73	89	60	73	89
5 10 15 20 25	0,030 0,130 0,310 0,520 0,720	0,025 0,115 0,270 0,440 0,620	0,020 9,100 0,230 0,370 0,520	0,020 0,120 0,270 0,420 0,560	0,018 0,100 0,230 0,360 0,490	0,015 0,080 0,190 0,310 0,430
Примечание. 1. Экспериментальные данные по П. М. Усачеву. 2. Для НКТ dт = 73 мм данные интерполированы.

Обычно принимают число насадок, при котором затраты жидкости не превышали бы 0,025 м³/с для ограничения гидравлических потерь. Применяют n_ап≤6 для насадок с d₀=4,5 м. и n_ап≤4 для насадок с d₀=6.Для коноидальных насадок µ_ап=0,89.

Плотность смеси жидкости с песком (кг/м³) определяют по формуле:

ρ_см = С_пк (ρ_пск – ρ_ж) + ρ_ж,

где ρ_пск — плотность абразивного материала, для зерен кварцевого песка ρ_пск = 2650 кг/м³;

ρ _ж — плотность жидкости, кг/м³.

Отсюда

Значение давления (МПа) на устье скважины рассчитываем по уравнению:

Р_у =∆Р + ∆Р_тр.

Значение ∆Р_тр определяют из формулы Дарси-Вейсбаха как сумму гидропотерь в НКТ и затрубном пространстве.

Рассчитанное по формуле (Р_у= ∆Р+ ∆Р_тр) давление на устье ∆Р_у сравниваем с характеристикой насосных агрегатов и допустимым давлением, вычисленным по формулам (Р_доп = Р_опр/1,5; Р_опр — давление опрессовки), когда принимаем решение о режиме их работы. Можно также рассчитать необходимое давление опрессовки напорных линий

Р_оп = 1,5 · Р_у.

Число насосных агрегатов

n_ап=(q_ап/q_ан)+1

q_ап — затраты жидкости насосных агрегатов во время нагнетания на такой скорости, для которой рабочее давление меньше расчетного;

q_ан — производительность 1 агрегата.

Частота вращения коленчатого вала насосного агрегата для 4АН-700 составляет 1300—1500 об. /мин.

Число обслуживающих агрегатов, которые подают жидкость с низким давлением на пескосмесительную машину (цементирующий агрегат) n_ца, определяют по формуле:

n_ца=n_ап/2

Кроме указанных агрегатов используют блок манифольда, СКУ и автоцистерны для перевозки жидкостей. Схема обвязки оборудования изображена на рис. 14.10.

Рис. 14.10. Схема обвязки оборудования при ГПП:

1-гидропескоструйный аппарат; 2-муфта-репер; м3-обсадная колонна; 4-НКТ; 5-сальник устьевой; 6-обратный клапан; 7-фильтр для песка; 8-насосные агрегаты высоконапорные; 9-блок манифольда; 10-пескосмеситель; 11-насосные аграгаты; 12-выкидная линия в ёмкость; 13-сито для улавливания хлама; 14-ёмкость для жидкости.