§ 3. Вскрытие пласта

Для обеспечения нормального движения жидкости (газа) из пласта в скважину необходимо создать канал (трещину), про­ходящий через стенку колонны, цементное кольцо (для оценки его толщины следует привлекать данные кавернометрирования) и слой загрязненной при бурении породы, иначе — перфориро­вать скважину. Канал по возможности должен быть широким, глубоким и не засоренным. Засоряется канал оставленными в нем остатками заряда, затянутыми в него частицами из глинистого раствора, а также шламом, способными образовать пробку, если давление в стволе больше пластового. Желательно создать тре­щины вокруг каналов, особенно в глинизированных пластах, ха­рактеризующихся мелкослоистой структурой.

Перфорация осуществляется с помощью кумулятивных, пулевых и снарядных перфораторов.

В геологоразведочных работах наиболее широко применяют кумулятивные перфораторы, состоящие из кумулятивных зарядов.

Образование кумулятивной струи происходит путем воздействия продуктов взрыва на стенки выемки, при этом происходит сжатие облицовки от вершины к основанию. В результате образуется струя с Давлением в сотни мегапаскалей, движущаяся со ско­ростью 8—10 км/с.

Взрывание кумулятивного заряда создает в трубе с толщиной стенки 12 мм и в горной породе крепостью f = 2,5 (по М. М. Протодьяконову) канал длиной 55-230 мм и диаметром 5—22 мм.

Перфораторы бывают многократного использования, не раз­рушающиеся при взрыве, и однократного.

В геологических экспедициях часто применяют перфораторы многократного использования ПК-103Д и ПКС различных типоразмеров, с помощью которых при простреливании создается сетка отверстий. В перфораторе типа ИКС используют групповые заряды — по четыре в одной плоскости под углом 90°, угол смещения грунта составляет 45°. Расстояние между группами - 75 - 85 мм, масса одного заряда - 6 - 8,5 г, количество за­рядов — 40.

Для разрушения негабаритных включений при бурении гео­логоразведочных скважин применяются перфораторы ПВКТ-70, ПВН-90 и другие перфораторы с криволинейными стволами.

Перфорация должна гарантировать сохранность колонны и цементного кольца, быть безопасной для выполняющего ее персонала, дешевой и производительной. В трещиноватых коллекто­рах, где при расчете движения жидкости из пласта в ствол необ­ходимо учитывать, что часть ее идет по трещинам с существенно меньшим сопротивлением, чем в породе, соединение перфора­ционного канала, с трещиной, равно как и преодоление им за­грязненной зоны пласта (для всех случаев), может сильно уве­личить дебит. Чем глубже каналы и больше их диаметр, тем выше качество вскрытия пласта. В нормальных условиях глубина ка­налов — не менее 70—100 мм при плотности перфорации 10—15 отверстий на 1 м, в плотных, малопроницаемых коллекторах — примерно 150—200 мм при плотности перфорации 15—20 отвер­стий на 1 м.

В настоящее время при вскрытии пласта применяют кумуля­тивную, пулевую, снарядную, реже пескоструйную перфорацию и очень редко (преимущественно в осложненных условиях) исполь­зуют фугасное торпедирование. Перфорация является основным видом взрывных работ в скважинах. При пулевой перфорации от­верстие пробивается пулей, выстреливаемой из стреляющих устройств — пулевых перфораторов разного типа, при снаряд­ной перфорации — своеобразным «бронебойным» снарядом, взры­вающимся после проникновения в породу, при кумулятивной перфорации — кумулятивной струей, возникающей при срабаты­вании заряда перфораторов. При пескоструйной перфорации от­верстия (точнее полости) в породе образуются вследствие абра­зивного действия струи, содержащей песок, взвешенный в жид­кости, которая истекает из сопел под давлением в направлении стенки скважины. Она дороже, сложна, но в некоторых условиях именно с ней при вскрытии пласта были получены наиболее хо­рошие результаты. На глубине более 4 км ее применение затруд­нено из-за трудности транспортирования взвеси песка с дневной поверхности.

Следует отметить, что гидропескоструйная перфорация по­зволяет вскрывать пласт при герметизированном устье и в очень плотных (более 2,0 г/см³) растворах, когда не обеспечивается проходимость обычных перфораторов.

Пулевые перфораторы (рис. 103) применяются преимущественно в малопрочных породах (пески и слабосцементированные пес­чаники); в этом случае глубина перфорации имеет второстепен­ное * значение, поскольку пласт обладает хорошей проница­емостью. Делятся они на залповые — с одновременным и селек­тивные с — поочередным выстреливанием пуль. Стволы располо­жены перпендикулярно стенкам скважины. Различаются перфора­торы по размерам корпуса, соответственно применяются в колоннах разных диаметров. Схема перфоратора приведена на рис. 103.

¹ Диаметр заряда торпеды типа ТШТ (dg) для условий, когда взрыв вызывает лишь образование трещин в трубе (е?_тр), цементном кольце и по­роде, определяют из отношения d_a/d_Tp = 0,32 ~ 0,4 (для твердых пород).

Пробивное действие пули определяется ско­ростью, которую она приобретает под действием пороховых газов. При выстреле газы совер­шают работу А = Jp(/)S_ndZ, где р — давление, S_u — площадь сечения пули, I — длина канала ствола. Отсюда следует, что давление в зарядной камере должно быть возможно боль­шим в течение всего времени движения пули, поскольку в перфораторах этого типа нельзя увеличить длину ствола. Последнее достигается применением камор большого объема и прессо­ванных до высокой плотности порохов. Раз­гар стволов перфораторов, наблюдаемый , при эксплуатации, снижает пробивную способ­ность пуль. При движении в жидкости в ко­лоннах большого диаметра пули отклоняются от оси полета (нет вращения) и при ударе о стенку могут рикошетировать. Пулевая перфорация — наиболее дешевый вид перфора­ции, но применяется ограниченно из-за невы­сокой пробивной способности пуль.

В последние годы успешно применяется специфический пулевой вертикально направлен­ный перфоратор ПВН (рис. 104). Он также имеет каморы 1, где размещается пороховой заряд 2, стволы 3 с пулями 4, но в отличие от обычных пулевых перфораторов стволы у него направлены по оси скважины и в конце искрив­ляются, позволяя пуле диаметром 20 мм, мас­сой 80 г входить в пласт. Благодаря тому что пуля имеет возможность разгоняться на боль­шом участке пути (ствол у ПВН в несколько раз длиннее, чем у обычных пулевых перфора­торов), д моменту ее выхода из ствола она приобретает значительную скорость и способна глубоко проникать в породу, особенно если последняя не очень прочная.

Вокруг отверстий, созданных пулями в пласте, всегда возникают трещины, особенно интенсивно вокруг канала, образованного пулями ПВН.

Перфоратор ПВН наиболее эффективен в сравнительно ма­лопрочных глинизированных породах с невысокой проница­емостью. Были случаи, когда в этих условиях он оказался самым эффективным из всех применяемых перфораторов, что следует иметь в виду, выбирая метод вскрытия пласта. Как и у всех пулевых перфораторов, эффективность его заметно снижается с по­вышением гидростатического давления. Целесообразность приме­нения ПВН на очень больших глубинах проблематична.

Рис. 103. Схема пулевого перфо­ратора: 1 — камера; 2 — по­роховой заряд; 3 — пуля; 4 — ствол

Торпедный перфоратор Колодяжного (ТПК) еще применяется в небольшом объеме в нашей стране. Отличается от пулевых тем, чго вместо пули выстреливается своеобразный бронебойный сна­ряд калибра 22 мм. Его взрыватель срабатывает в породе в момент остановки снаряда за обсадной трубой, и взрыв позволяет получить небольшую каверну и трещины в породе. Какими-либо особыми преимуществами этот перфоратор не обладает. Кумулятивные перфораторы — основной тип перфораторов для вскрытия пласта. Они основаны на направленном действии взрыва (см. главу I). — Г Используемые в них заряды отличаются не только массой, но и конструкцией, а также границами применения. Перфораторы можно разбить на две основные группы — бескорпусные и корпусные.

В бескорпусных перфораторах каждый заряд размещается в индивидуальной оболочке, выдерживающей внешнее давление (стеклянной, пластмассовой, из сплавов алюминия и др.) Разрушающейся при взрыве, что позволяет применять большие заряды, но снижает границы использования изде- Давлению и температуре. Перфораторы различаются по материалу корпусов, габаритами, системе крепления зарядов (на ленты или в гирлянды) и пределами применения по давлению и температуре.

Рис. 104. Схема вертикаль.

1 - камера; 2 - пороховой заряд; з — ствол; 4 — пуля -

Они относительно дешевы, производительны: в отдельных случаях В СКВажИНу Опускают ПО несколько сотен зарядов одновре­менно.

Поскольку заряды большие и число одновременно взры­ваемых зарядов значительно, а свободного объема, куда могли бы расширяться продукты взрыва (как, например, у корпусных перфораторов), практически нет, фугасное действие взрыва у бес­корпусных перфораторов больше, чем у корпусных. При прове­дении работ в незацементированных колоннах, или на малых глубинах их применение может привести к повреждению труб.

234

Бескорпусные перфораторы также делятся на две подгруппы — с разрушающимся и неразрушающимся (лента, проволока) кар­касом, на которой крепятся заряды. Примером бескорпусного перфоратора с неразрушающимся (вернее, с извлекаемым на дневную поверхность) каркасом может служить перфоратор ку­мулятивный со стеклянными или ситалловыми оболочками ПКС (рис. 105).

Рис. 105. Схема перфоратора Рис. 106. Схема

кумулятивного со стеклянными корпусного пер-

оболочками ПКС (а) и разрез форатора ПК-

заряда с оболонкой (б). — корпус; 2 —

1 - лента, -, - заряа

шнур; ±4 — от­верстия

Корпусные кумулятивные перфораторы можно разбить на две подгруппы — многократного и однократного применения.

К первой подгруппе относятся перфораторы, которые исполь­зуются многократно — после подъема из скважины и переза­рядки. Схема типичного корпусного перфоратора ПК дана на рис. 106. В прочном полом корпусе из качественной стали раз­мещаются заряды, подрываемые детонирующим шнуром. Ось за­ряда должна совпадать с осью отверстий в корпусе, перекрыва­емых специальными дисками. Плотность заряжения перфоратора 1/40. Живучесть в зависимости от типа 10—40 залпов, однако на малыхг глубинах они разрушаются быстрее. Износ проявляется в постепенном раздутии и разрушении корпуса, что в конечном итоге приводит к образованию в нем трещин. Применяются пер­фораторы с 10 и 20 зарядами.

Корпусные кумулятивные перфораторы однократного исполь­зования ПКО и ПКОТ отличаются от ПК тем, что у них в ка­честве корпуса применяется труба, рассчитанная только на то_? чтобы выдержать давление в зоне работы. Благодаря этому она при равном с ПК внешнем диаметре и большем, чем у ПК, внутреннем диаметре позволяет разместить большие по величине заряды. В перфораторах ПКОТ, рассчитанных для условий больших глубин, трубу дополнительно упрочняют, вставляя с небольшим зазором опорную трубу, которая используется также для крепления зарядов. Перфораторы ПКО и ПКОТ, несмотря на некоторые недостатки, наиболее целесообразно при­менять в скважинах со сложными условиями вскрытия пластов и на больших глубинах. На малых глубинах (при давлениях 50—150 кгс/см²) чрезмерно сильная деформация трубы корпуса перфоратора ПКО может привести к аварии.

Как уже отмечалось, в случае перепада давления, вызыва­ющего движение жидкости из скважины в пласт, канал, созданный при перфорации, может быть засорен частицами, находящи­мися в растворе. К прострелу в тяжелых растворах, всегда чре­ватому засорением отверстий, прибегают при высоком пластовом давлении и наличии опасности неуправляемого фонтанирования скважины. Естественно, что с точки зрения повышения качества вскрытия желательно проводить его в условиях, когда сразу после образования отверстия начнется движение жидкости (газа) в скважину, причем в среде (нефть, вода), исключающей засоре­ние пласта. Последнее возможно, если устье скважины гермети­зировано и она подготовлена к эксплуатации.

Для осуществления подобной перфорации может быть успешно > использован одноразовый кумулятивный перфоратор ПНК-89, спускаемый на насосно-компрессорных трубах, хотя в принципе можно применить и другие перфораторы^*. Перфоратор типа ПНК удобен и для работ в скважинах, имеющих большой наклон. Ини­циирование в нем осуществляется при помощи шарика, сбрасы­ваемого в трубы, в ток прокачиваемой жидкости. В момент про­хождения шариком взрывного устройствд (рис. 107) давление, действующее на шар 1, срезает предохранительный шплинт 2 и в конечном итоге вызывает движение ударника 3 и накол им капсюля детонатора накольного действия 4, взрыв которого возбуждает взрыв детонирующего шнура 5 и от него — взрыв зарядов ПНК. Инициирующее устройство применяется и в перфораторах ПКО. Поскольку устье герметизировано, то без каких-либо дополнительных операций скважина может быть введена в эксплуатацию, так как нет необходимости извлекать перфоратор.

При герметизированном устье перфорацию можно также осуществить, спуская перфоратор на кабеле в скважину через лубрикатор. Выполнение операции лимитируется наличием лубрикатора и его техническими характеристиками.

Кроме перфораторов для вскрытия пласта существует кумулятивный перфоратор для цементирования колонны ПК 103-10x4. При выстреле на небольшом участке он пробивает 40 отверстий (по четыре сдвинутых на 90° относительно друг друга в каждой из 10 горизонтальных плоскостей), обеспечивающих равномерное схватывание цементом трубы при выполнении изоляционных работ.

^* Существуют раскрывающиеся перфораторы ПКР, спускаемые через насосно-компрессорные трубы, однако они не нашли широкого применения из-за сложности работы с ними.

Пробивное действие кумулятивной струи зависит в первую очередь от размеров, конструкции и качества изготовления заряда. Поскольку форма заряда выбирается обычно на основании результатов серьезных исследований, то заряды перфораторов чаще всего имеют форму, близкую к оптимальной. Однако при их изготовлении возможны дефекты: неравномерная пропрессовка заряда, некачест­венное изготовление кумулятивной облицовки и другие, что может снизить их пробивное действие.

На пробивное действие влияют условия скважины, например, температура, изменяющая плотность ВВ заряда, а при длительном нахождении способствующая его ча­стичному разложению, и гидростатическое давление, уменьша­ющее диаметр пробиваемых отверстий.

Пробивную способность перфораторов определяют отстрелом зарядов на комбинированных мишенях, включающих преграды,

которые встречает струя в скважине (стальной диск, имитиру­ющий стенку обсадной трубы, диск из цемента, искусственный или естественный керн). В табл. 23 приведены размеры каналов, об­разованных при выстреле из разных перфораторов на мишени,, включающей 10-миллиметровый стальной диск, 25-миллиметро­вый цементный слой и керны горной породы прочностью 450 и 250 кгс/см². Длина каналов измерялась от наружной поверх­ности стального диска, диаметр дается и в стали и в породе. Если известны длина /_ст и плотность р_ст кумулятивной струи, то пробитие в преграде А из материала плотности р_п можно оце­нить по формуле А = Z_CT т/'рст/рп* Формула в сочетании с эксперимен­тальными данными о пробивном действии того или иного заряда по преградам дает материал для качественной оценки ожида­емых результатов прострела. Предложен ряд формул для расчета пробивного действия струи, но они имеют приближенный ха­рактер.

В табл. 23 для примера приведены некоторые сведения об отдельных перфораторах, применяемых в стране.