CC BY
76
УДК 662.245.142.3
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КУМУЛЯТИВНОЙ СКВАЖИННОЙ ПЕРФОРАЦИИ
Екатерина Михайловна Гриф
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, студент, тел. (383)346-11-21, e-mail: grif.2015@stud.nstu.ru
Анатолий Васильевич Гуськов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, зав. кафедрой газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-11-21, e-mail: a.guskov@corp.nstu.ru
Константин Евгеньевич Милевский
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-11-21, e-mail: milevskij@corp.nstu.ru
Надежда Федоровна Чайка
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)343-91-11
В работе анализируются современные достижения кумулятивной скважинной перфорации, рассматриваются пути дальнейшего развития кумулятивной перфорации и повышения ее эффективности. Предлагается новая модель заряда кумулятивного скважинного перфоратора, позволяющая повысить приток нефти и газа в скважину.
Ключевые слова: перфорация, кумулятивная перфорация, кумулятивный заряд перфоратора, кумулятивная выемка, кумулятивная струя.
FUTURE TRENDS OF CUMULATIVE BOREHOLE PERFORATION
Ekaterina M. Grif
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Student, phone: (383)346-11-21, e-mail: grif.2015@stud.nstu.ru
Anatoly V. Guskov
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, D. Sc., Head of Department of Gasdynamic Impulse Devices, phone: (383)346-11-21, e-mail: a.guskov@corp.nstu.ru
Konstantin E. Milevsky
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Gasdynamic Impulse Devices, phone: (383)346-11-21, e-mail: milevskij@corp.nstu.ru
Nadezhda F. Chayka
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Photonics and Instrument, phone: (383)343-91-11
In work modern achievements of cumulative borehole perforation are analyzed, ways of further development of cumulative perforation and increase of its efficiency are considered. The new model of a charge of the cumulative borehole puncher allowing theincrease of oil and gasinflow to the well is offered.
Key words: perforation, cumulative perforation, cumulative charge of the puncher, cumulative dredging, cumulative stream.
Основные достижения современной скважинной перфорации
Перфорация скважин (от лат, perforatio - пробуравливание) - пробивание отверстий в стенках буровой скважины против заданного участка продуктивного пласта с целью получения или усиления притока воды, нефти, газа в добычную скважину или пласт. Для перфорации скважин применяют взрывчатые вещества (кумулятивная, пулевая и снарядная перфорация скважин) и реже поток жидкости с абразивными материалами (гидропескоструйная перфорация скважин) [1].
Рассмотрим подробнее четыре существующих способа скважинной перфорации: торпедный, гидропескоструйный, пулевой, кумулятивный. Торпедный способ перфорации - взрыв, производимый при помощи торпеды, входящей в пласт и растрескивающей канал в нем - создает перфорационные каналы глубиной до 160 мм и диаметром до 22 мм. Этот достаточно простой и эффективный способ перфорации применяется также в случаях, когда требуется разрушение пород продуктивных пластов, обрыв скважинных труб, очистка их от песчаных пробок и т.д. В иной ситуации, когда разрушение обсадной трубы крайне нежелательно, торпедная перфорация имеет низкую эффективность: невысокое качество стенок перфорационных каналов и низкая максимальная плотность расположения зарядов (до 4 штук на метр) не дают получить большую площадь пробития скважинной трубы. В отличие от торпедной перфорации, гидропескоструйный способ скважинной перфорации очень деликатно воздействует на обсадную трубу и цементное кольцо. Смесь воды с абразивом, нагнетаемая компрессорами и выстреливающаяся под большим давлением из сопел перфоратора, создает очень глубокие (до 1 м) и качественные перфорационные каналы (щели). Несмотря на ряд перечисленных достоинств, данный способ перфорации имеет существенные недостатки, например, требует очень больших материальных вложений и полного соблюдения технологии работы, а также не может применяться к перфорации пластов, впитывающих жидкость. В отличие от него, пулевой способ перфорации - прострел обсадной трубы и цементного кольца пулями, осуществляемый с помощью детонации взрывчатого вещества - относительно экономичен. С помощью применения пулевых перфораторов создаются перфорационные каналы до 145 мм в длину и до 12,5 мм в диаметре. Настолько же удобным в применении, но еще более эффективным является кумулятивный способ перфорации. Кумулятивные перфораторы включают в себя несколько единиц, а иногда и десятков кумулятивных зарядов, и предназначены для формирования перфорационных каналов в скважине путем пробития обсадных труб, цементных колец и дальнейшего гидроразрыва продуктивного пласта кумулятивной струей, а также используются для
борьбы с пескопроявлением. При этом перфоратор формирует отверстие, не разрушая зацементированное затрубное пространство. Длина перфорационных каналов в этом случае составляет до 350 мм, а их диаметр - до 24,6 мм. Площадь расположения зарядов на 1 метр - до 16-18 штук, в зависимости от модели перфоратора. Общая площадь пробития обсадной трубы при кумулятивной перфорации ниже, чем, например, при использовании щелевого гидропескоструйного способа перфорации, но именно соотношение эффективности работы и универсальности кумулятивных перфораторов делают этот вид перфорации наиболее распространенным среди остальных.
Универсальность применения кумулятивных перфораторов обуславливается огромным количеством вариаций их конструкций. В целом кумулятивные перфораторы делятся на корпусные и бескорпусные. Первые отличаются тем, что заряды размещены в толстостенном, прочном герметичном корпусе, тогда как во второмзаряды помещаются в индивидуальные оболочки из стекла, керамики, сплавов алюминия, пластмассы и т.д. Корпусные перфораторы более ща-дяще воздействуют на скважину при работе, но имеют малую длину (до нескольких метров), тогда как дешевые бескорпусные имеют ярко выраженное фугасное действие в процессе перфорации, при этом засоряя скважинное пространство обломками взорвавшихся оболочек кумулятивных зарядов, но также отличаются большой длиной (до 30 м).
Несмотря на все достоинства кумулятивной перфорации, такие как большая длина перфорационных каналов, малое воздействие на цементный камень скважины (в случае работы с корпусным кумулятивным перфоратором), большой диапазон конструкторских решений для различных нужд горного дела, данный процесс сопровождается рядом существенных проблем: разрушение цементного камня скважины при слишком большой мощности зарядов перфоратора, плохое качество стенок перфорационных каналов, малый диаметр входных отверстий перфорационных каналов. Разрушение цементного кольца нарушает целостность скважины, выводя ее из рабочего состояния, и приносит убытки нефтедобывающей компании, а плохое качество и маленький диаметр перфорационных каналов не позволяют получить эффективный приток полезных ископаемых, и компания теряет часть возможной прибыли.
Известные перспективы развития кумулятивной скважинной перфорации
Исходя из представленных проблем, выделяют несколько перспективных направлений развития кумулятивной скважинной перфорации.
Во-первых, увеличение глубины пробития перфорационных каналов за счет внесения изменений в конструкцию облицовок, а также использования беспестовых материалов.
Во-вторых, увеличение поперечного сечения перфорационных каналов за счет изменений в конструкции кумулятивной облицовки: добавление кумулятивных резаков, полусферических элементов, комбинаций различных форм стенок кумулятивной выемки.
В-третьих, повышение качества стенок перфорационных каналов достигается за счет использования различных отдельных материалов или их комбинаций при изготовлении кумулятивных облицовок.
Но нельзя не отметить, что эффективно совместить перечисленные выше направления довольно проблематично. Современные технологии и разработки в области материаловедения позволяют добиваться длинныхперфорационных каналов с достаточно ровными и гладкими стенками, а вот осуществить сочетание длины, большой площади поперечного сеченияи хорошего качества стенок каналов непросто: при усложнении кумулятивной облицовки различными выступами, резаками с целью увеличения площади пробития качество стенок перфорационных каналов неизменно ухудшается. Усовершенствуются конструкции кумулятивных воронок, применяются беспестовые материалы для кумулятивных облицовок, но добиваться окончательного эффективного результата приходится плотностью размещения кумулятивных зарядов.
Сложность получения эффективного результата по всем трем параметрам можно объяснить тем, что кумулятивные заряды перфораторов, задействованные в современной нефтедобывающей промышленности, имеют определенную форму кумулятивной облицовки - коническую (или ее производные). В теории струеобразования кумулятивная струя, получаемая схлопыванием конической облицовки, описывается как длинная тонкая металлическая проволока, двигающаяся продольно с очень большой скоростью [2]. То есть, можно отметить, что возможности максимального диаметра пробития при использовании кумулятивных конических воронок весьма ограничены. Это подтверждают характеристики кумулятивных перфораторов, в данный момент представленных на рынке нефте- и газодобычи. К примеру, в каталоге французской компании БсЫитЬе^ег [3], мировых лидеров организации процессов нефтедобывающей промышленности, представлены кумулятивные заряды с конической формой выемки, при этом максимальный диаметр входного перфорационного канала для этих зарядов не превышает дюйма, то есть, по сути, эффективность добычи ископаемых достигается преимущественно количеством единиц зарядов.
Также стоит отметить, что кумулятивные заряды перфораторов, зарегистрированные в патентных ведомствах, в большинстве своем также имеют форму кумулятивной выемки, близкую к конической и (или) ее производным. Отличия от стандартной формы, выраженные добавлением кумулятивных резаков и полусферических частей в облицовку, позволяют в некоторой степени увеличить площадь пробития, но, как было сказано выше, при этом страдают качество и дальность пробития перфорационных каналов.
Выделение нового перспективного направления кумулятивной скважинной
перфорации
Задача данной разработки - создание модели заряда кумулятивного перфоратора, отвечающей как требованиям к качеству стенок перфорационных каналов, так и позволяющей перфорировать каналы с большой площадью поперечного сечения. Использование данного заряда (рис. 1) возможно унитарно
или в составе кумулятивного перфоратора. Решение поставленной задачи достигается добавлением уникальной формы кумулятивной облицовки [4]. В заряд добавляется не только коническая кумулятивная выемка, но и кольцевая. Эффективное обжатие кумулятивных облицовок достигается за счет установки линзового узла с комбинацией дополнительных взрывчатых веществ [5], тем самым обеспечивая образование и кумулятивной струи, и кольцевой кумулятивной пелены.
Рис. 1. Кумулятивный скважинный перфоратор:
1 - средство инициирования; 2 - корпус; 3, 4, 5 - вспомогательные взрывчатые вещества; 6 - линзовый узел; 7 - основное взрывчатое вещество; 8 - кольцевая кумулятивная выемка; 9 - коническая кумулятивная выемка
Теоретическое распространение детонационных волн представлено ниже (рис. 2):
Рис. 2. Детонация в заряде кумулятивного скважинного перфоратора
Результатом работы скважинного кумулятивного заряда перфоратора является пробитие трубчатого и кольцевого перфорационных каналов (рис. 3):
Рис. 3. Схема работы скважинного кумулятивного заряда перфоратора:
1 - кумулятивный заряд; 2 - обсадная труба; 3 - цементное кольцо; 4 - продуктивный пласт; 5 - перфорационные каналы
За счет увеличившейся массы кумулятивной облицовки заряда, достигнутой изменением ее формы, на выходе мы получаем отверстие большей площади, что повышает эффективность перфорационных работ. Также стоит отметить, что представленная модель конструкции кумулятивного заряда перфоратора предполагает возможность использования подходов, разработанных для улучшения характеристик зарядов кумулятивных скважинных перфораторов с конической кумулятивной выемкой (и/или ее производными). Например, в области изменений в общей конструкции корпуса, области использования новейших материалов, а также их комбинаций для усовершенствования кумулятивных облицовок. Отдельно стоит отметить, что к модели заряда кумулятивного перфоратора применимо и использование новейших изменений в принципах конструкции кумулятивных выемок. Данный заряд возможно адаптировать под любые нужды кумулятивной перфорации: для его использования как для работ, требующих наименьшее механическое воздействие на скважину, так и для работ, где более важны диаметр и длина перфорационных каналов.
Выводы
Помимо трех известных перспективных направлений развития кумулятивной скважинной перфорации:
- увеличения площади поперечного сечения каналов за счет изменений в конструкции кумулятивных облицовок зарядов;
- увеличения длины пробития перфорационных каналов за счет использования новых конструкций и материалов кумулятивных облицовок зарядов;
- улучшения качества стенок перфорационных каналов за счет использования при изготовлении кумулятивных облицовок различных новых материалов, а также их комбинаций,
Можно выделить еще одно перспективное направление:
- использование новых форм кумулятивных облицовок, отличных от конической и ее производных.
Таким образом, перенимая существующий опыт в использовании порошковых беспестовых облицовок, конструкции выемок и корпусов зарядов и внедряя его при проектировании изделий нового типа, возможно в дальнейшем многократно повысить эффективность вторичного вскрытия продуктивных пластов и, что следует из этого, прибыльность добычи нефти и газа в целом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Перфорация скважин URL: http://www.mining-enc.ru/ (дата обращения 10.03.2018)
2. Мишнев В. И., Гуськов А. В., Милевский К. Е., Тришин Ю. А. Кумулятивное струе-образование: лабораторный практикум для 4 курса ФЛА (специальности 171400, 330500, 120400) дневной формы обучения. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - С. 7
3. Корпусные перфорационные системы. URL: http://www.slb.ru/ (дата обращения 15.03.2018)
4. Патент 145068U1 Россия, МПК B64G 99/00 (Авторы Гуськов А.В., Милевский К.Е., Иноземцева К.О., Слесарева Е.Ю.)
5. Высокоэнергетические материалы: учеб, пособие / В.В. Андреев, А.В. Гуськов, К.Е. Милевский, Е.Ю. Слесарева. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - С. 135
© Е. М. Гриф, А. В. Гуськов, К. Е. Милевский, Н. Ф. Чайка, 2018
