4. Техника и технология перфорации скважин

Существует четыре способа перфорации: пулевая, торпед­ная, кумулятивная, пескоструйная.

Первые три способа перфорации осуществляются на про­мыслах геофизическими партиями с помощью оборудования, имеющегося в их распоряжении. Поэто­му детально техника и технология этих видов перфорации первыми тремя спо­собами изучается в курсах промысло­вой геофизики. Пескоструйная перфо­рация осуществляется техническими средствами и службами нефтяных про­мыслов. При пулевой перфорации в скважину на электрическом кабеле спу­скается стреляющий пулевой аппарат, состоящий из нескольких (8  10) камор  стволов, заряженных пулями диаметром 12,5 мм. Каморы заряжаются взрывча­тым веществом (ВВ) и детонаторами. При подаче электрического импульса происходит залп. Пули пробивают ко­лонну, цемент и внедряются в породу. Существует два вида пулевых перфора­торов:

* - перфораторы с горизонтальными стволами. В этом случае длина стволов мала и ограничена радиальными габа­ритами перфоратора;

* - перфораторы с вертикальными ство­лами с отклонителями пуль на концах для придания полету пули направления, близкого к перпендикулярному по отно­шению к оси скважины.

Пулевой перфоратор ПБ-2 собирает­ся из нескольких секций. Вдоль секции просверлено два или четыре вертикаль­ных канала, пересекающих, каморы с ВВ, стволы которых заряжены пулями и закрыты герметизирующими проклад­ками. Верхняя секция  запальная имеет два запальных уст­ройства. При подаче по кабелю тока срабатывает первое за­пальное устройство и детонация распространяется по вертикаль­ному каналу во все каморы, пересекаемые этим каналом. В ре­зультате почти мгновенного сгорания ВВ давление газов в каморе достигает 2 тыс. МПа, под действием которых пуля выбрасывается.

Происходит почти одновременный выстрел из половины всех стволов. При необходимости удвоить число прострелов по вто­рой жиле кабеля подается второй импульс и срабатывает вто­рая половина стволов от второго запального устройства. В этом перфораторе масса заряда ВВ одной каморы мала и составляет 4  5 г, поэтому пробивная способность его невелика.

Д лина образующихся перфорационных каналов составляет 65  145 мм (в зависимости от прочности породы и типа перфо­ратора). Диаметр канала 12 мм.

Н а рис. 6 показан пулевой перфоратор с вертикально-кри­волинейными стволами ПВН-90.

Рис. 6. Пулевой пер­форатор с вертикально-криволинейными ство­лами

При вертикальном расположении стволов объем камор и длина стволов больше.

Одна камера отдает энергию взрыва сразу двум стволам. Масса ВВ в одной камере достигает 90 г. Давление газов в ка­мерах здесь ниже и составляет 0,6  0,8 тыс. МПа, но действие их более продолжительное. Это позволяет увеличить начальную скорость вылета пули и пробивную способность перфоратора. Длина перфорационных каналов в породе получается 145  350 мм при диаметре около 20 мм. В каждой секции перфора­тора имеются четыре вертикальных ствола, на концах которых сделаны плавные желобки  отклонители. Пули, изготовленные из легированной стали, для уменьшения трения в отклонителях покрываются медью или свинцом. Выстрел из всех стволов про­исходит практически одновременный, так как все каморы с ВВ сообщаются огнепроводным каналом.

В каждой секции два ствола направлены вверх и два вниз. Это позволяет компенсировать реактивные силы, действующие на перфоратор.

Торпедная перфорация осуществляется аппаратами, спускае­мыми на кабеле и стреляющими разрывными снарядами диа­метром 22 мм. Внутренний заряд ВВ одного снаряда равен 5 г. Аппарат состоит из секций, в каждой из которых имеется по два горизонтальных ствола. Снаряд снабжен детонатором накольного типа. При остановке снаряда происходит взрыв внут­реннего заряда и растрескивание окружающей горной породы. Масса ВВ одной камеры  27 г. Глубина каналов по результа­там испытаний составляет 100  160 мм, диаметр канала  22 мм. На 1 м длины фильтра обычно делается не более четы­рех отверстий, так как при торпедной перфорации часты слу­чаи разрушения обсадных колонн.

Пулевая и торпедная перфорации применяются ограниченно, так как все больше вытесняются кумулятивной перфора­цией.

Кумулятивная перфорация осуществляется стреляющими перфораторами, не имеющими пуль или снарядов. Прострел пре­грады достигается за счет сфокусированного взрыва. Такая фо­кусировка обусловлена конической формой поверхности заряда ВВ, облицованной тонким металлическим покрытием (листовая медь толщиной 0,6 мм). Энергия взрыва в виде тонкого пучка газов  продуктов облицовки пробивает канал. Кумулятивная струя приобретает скорость в головной части до 6  8 км/с и создает давление на преграду до 0,15  0,3 млн. МПа. При вы­стреле кумулятивным зарядом в преграде образуется узкий пер­форационный канал глубиной до 350 мм и диаметром в средней части 8  14 мм. Размеры каналов зависят от прочности породы и типа перфоратора.

Все кумулятивные перфораторы имеют горизонтально распо­ложенные заряды и разделяются на корпусные и бескорпусные. Корпусные перфораторы после их перезаряда используются многократно. Бескорпусные  одноразового действия. Однако разработаны и корпусные перфораторы одноразового действия, в которых легкий корпус из обычной стали используется только лишь для герметизации зарядов при погружении их в сква­жину. Перфораторы спускаются на кабеле (имеются малогаба­ритные перфораторы, опускаемые через НКТ), а также перфо­раторы, спускаемые на насосно-компрессорных трубах. В по­следнем случае инициирование взрыва производится не электрическим импульсом, а сбрасыванием в НКТ резинового шара, действующего как поршень на взрывное устройство. Масса ВВ одного кумулятивного заряда составляет (в зависи­мости от типа перфоратора) 25  50 г.

Максимальная толщина вскрываемого интервала кумуля­тивным перфоратором достигает 30 м, торпедным  1м, пуле­вым  до 2,5 м. Это является одной из причин широкого рас­пространения кумулятивных перфораторов.

Рассмотрим устройство корпусного кумулятивного перфора­тора ПК-105ДУ (рис. 7), нашедшего широкое распростране­ние. Электрический импульс подается на взрывной патрон 1, на­ходящийся в нижней части перфоратора. При взрыве детонация передается вверх от одного заряда к другому по детонирую­щему шнуру 2, обвивающему последовательно все заряды.

Корпусные перфораторы позволяют простреливать интервал до 3,5 м за один спуск, корпусные одноразового действия  до 10 м и бескорпусные или так называемые ленточные  до 30 м.

Рис. 7. Устройство корпусного ку­мулятивного перфоратора ПК105ДУ:

1  взрывной патрон, 2  детонирующий шнур, 3  кумулятивный заряд, 4  элек­тропровод.

Рис. 8. Ленточный кумулятив­ный перфоратор ПКС105:

КН  кабельный наконечник; 1  го­ловка перфоратора, 2  стальная лен­та, 3  детонирующий шнур, 4  куму­лятивный заряд, 5  взрывной патрон, 6  груз.

Ленточные перфораторы (рис.8) намного легче корпусных, однако их применение ограничено величинами давления и тем­пературы на забое скважины, так как их взрывной патрон и де­тонирующий шнур находятся в непосредственном контакте со скважинной жидкостью. В ленточном перфораторе заряды смон­тированы в стеклянных (или из другого материала), герметич­ных чашках, которые размещены в отверстиях длинной сталь­ной ленты с грузом на конце. Вся гирлянда спускается на ка­беле. Обычно при залпе лента полностью не разрушается, но для повторного использования не применяется. Головка, груз, лента после отстрела извлекаются на поверхность вместе с ка­белем. К недостаткам бескорпусных перфораторов надо отнести невозможность контролирования числа отказов, тогда как в кор­пусных перфораторах такой контроль легко осуществим при ос­мотре извлеченного из скважины корпуса.

Кумулятивные перфораторы нашли самое широкое распро­странение. Подбирая необходимые ВВ, можно в широких ди­апазонах регулировать их термостойкость и чувствительность к давлению и этим самым расширить возможности перфорации в скважинах с аномально высокими температурами и давле­ниями. Однако получение достаточно чистых, с точки зрения фильтрации, и глубоких каналов в породе остается актуальной проблемой и до сих пор. В этом отношении определенным ша­гом вперед было осуществление пескоструйной перфорации, ко­торая позволяет получить достаточно чистые и глубокие перфо­рационные каналы в пласте.

При гидропескоструйной перфорации разрушение преграды происходит в результате использования абразивного и гидромо­ниторного эффектов высокоскоростных песчано-жидкостных струй, вылетающих из насадок специального аппарата  песко­струйного перфоратора, прикрепленного к нижнему концу насосно-компрессорных труб. Песчано-жидкостная смесь закачи­вается в НКТ насосными агрегатами высокого давления, смон­тированными на шасси тяжелых автомашин, поднимается из скважины на поверхность по кольцевому пространству.

Это сравнительно новый метод вскрытия пласта. В настоя­щее время ежегодно обрабатываются около 1500 скважин этим методом. Область и масштабы применения гидропескоструйного метода обработки скважин постоянно расширяются, и кроме вскрытия пласта он нашел применение при капитальных ремон­тах, вырезке колонн и в сочетании с другими методами воз­действия.

При гидропескоструйной перфорации (ГПП) создание от­верстий в колонне, цементном камне и канала в породе дости­гается приданием песчано-жидкостной струе очень большой скорости, достигающей нескольких сотен метров в секунду. Перепад давления при этом составляет 15  30 МПа. В породе вымывается каверна грушеобразной формы, обращенной узким конусом к перфорационному отверстию в колонне. Размеры ка­верны зависят от прочности горных пород, продолжительности воздействия и мощности песчано-жидкостной струи. При стен­довых испытаниях были получены каналы до 0,5 м.

Размеры канала увеличиваются сначала быстро и затем ста­билизируются в результате уменьшения скорости струи в ка­нале и поглощения энергии встречным потоком жидкости, вы­ходящей из канала через перфорационное отверстие.

Время воздействия на преграду не должно превышать 15  20 мин, так как при более продолжительном воздействии ка­налы не увеличиваются.

Перфорация производится пескоструйным аппаратом, спус­каемым на насосно-компрессорных трубах. Аппарат АП-6М конструкции ВНИИ (рис. 9) имеет шесть боковых отверстий, в которые ввинчиваются шесть насадок для одновременного соз­дания шести перфорационных каналов. При малой подаче на­сосных агрегатов часть отверстий может быть заглушена проб­ками. Насадки в стальной оправе изготавливаются из твердых сплавов, устойчивых против износа водопесчаной смесью, трех стандартных диаметров 3; 4,5 и 6 мм.

Рис. 9. Аппарат для пескоструйной перфорации АП-6М:

1  корпус, 2  шар опрессовочного клапана, 3  узел насадки, 4  заглушка; 5  шар клапана,

6  хвостовик, 7  центратор

Насадки диаметром 3 мм применяются для вырезки прихва­ченных труб в обсаженной скважине, когда глубина резания должна быть минимальной. Насадки диаметром 4,5 мм исполь­зуются для перфорации обсадных колонн, а также при других работах, когда возможный расход жидкости ограничен. На­садки диаметром 6 мм применяют для получения максимальной глубины каналов и при ограничении процесса по давлению.

Медленно вращая пескоструйный аппарат или вертикально его перемещая, можно получить горизонтальные или вертикаль­ные надрезы и каналы. В этом случае сопротивление обратному потоку жидкости уменьшается и каналы получаются примерно в 2,5 раза глубже.

В пескоструйном аппарате предусмотрены два шаровых кла­пана, сбрасываемых с поверхности. Диаметр нижнего клапана меньше, чем седло верхнего клапана, поэтому нижний шар сво­бодно проходит через седло верхнего клапана.

П осле спуска аппарата, обвязки устья скважины и присое­динения к нему насосных агрегатов система спрессовывается давлением, превышающим рабочее в 1,5 раза. Перед опрессовкой в НКТ сбрасывается шар диаметром 50 мм от верхнего кла­пана для герметизации системы. После опрессовки обратной промывкой, т. е. закачкой жидкости в кольцевое пространство, верхний шар выносится на поверхность и извлекается. Затем в НКТ сбрасывается малый  нижний шар, и при его посадке на седло нагнетаемая жидкость получает выход только через насадки. После этого проводится перфорация закачкой в НКТ водопесчаной смеси. Концентрация песка в жидкости обычно составляет 80  100 кг/м³. При пескоструйной перфорации НКТ испытывают большие напряжения.