§ 4. Взрывные методы воздействия на призабойную зону работы в скважинах на воду

Подземные воды — распространен­ное и одно из важнейших полезных ископаемых, разведка и добыча которого в массовых масштабах ведутся повсеместно. Скважины на воду имеют глубину от нескольких десятков до нескольких сотен метров, однако чаще всего 40—250 м. К сожалению, как бурение, так и особенно эксплуатация скважин выполняются не всегда квалифицированно, в силу чего нередки случаи, когда они долго осваиваются и вступают в строй с заниженными дебитами, в предельных случаях оказываясь безводными. Снижение дебита может иметь место и в ходе эксплуатации, в первую очередь вслед­ствие засорения фильтра осадками, выпадающими из жидкости, что, в частности, может быть связано с неправильными режимами отбора воды из пласта. Обеспечение нормальных дебитов скважин — большая народнохозяйственная задача и может быть прямо свя­зано с производственной деятельностью геофизической партии. Заметим, что геофизики имеют большие возможности оперативно увеличить дебит скважины, не прибегая к сложным и дорого­стоящим ремонтам их.

Несколько слов о конструкции скважин на воду. Когда водо­носными являются пески, продуктивный пласт обычно пере­крывается фильтром с проволочной или сетчатой поверхностью. Благодаря этому песчинки, выносимые водой из пласта, задержи­ваются в районе фильтра, обеспечивая нормальную эксплуа­тацию скважины. Но существует возможность засорения фильт­рующей поверхности частицами глины, сбитыми с поверхности ствола скважины в процессе спуска фильтра или вынесенными из пласта при откачках, а также (в ходе эксплуатации) осадком, выпадающим из воды [СаС0₃, MgC0₃, Fe(OH)₃ и другие] в резуль­тате нарушения термодинамического равновесия в жидкости. Осадок по структуре напоминает накипь, отлагающуюся в виде корок на стенках кипятильников и других устройств, которые ис­пользуются для нагрева воды, довольно трудно удаляемую со сте­нок. Он прочен, но хрупок и хорошо дробится при ударе. Что же касается засорения фильтра глинистыми частицами, то эта корка при хороших изолирующих свойствах обладает малой проч­ностью, хотя способна упрочняться со временем. Поскольку за­сорение может затрагивать и породу, примыкающую к фильтру, то разглинизация скважин часто усложняется. Чтобы не спутать естественный низкий дебит эксплуатируемой скважины с низким дебитом, определяемым засорением фильтра, нужно знать пове­дение скважины в ходе эксплуатации, гидрохимический состав вод, изменение статического уровня; желательно также распо­лагать данными о поведении соседних скважин. Если снижение дебита шло параллельно с уменьшением статического уровня в скважине, то, естественно, правильней искать причину умень­шения дебита в истощении водоноса.

Для очистки фильтров скважин на воду хорошо использо­вать торпеду из детонирующего шнура, удаляя осадок, забив­ший Поверхность фильтра и частично пласт и мешающий нормаль­ному продвижению жидкости в скважину. Особенность работы заключается в том, что, разрушая и удаляя осадок, нужно во из­бежание аварии гарантировать сохранность всех элементов кон­струкции скважины. Наиболее слабым звеном фильтров обычно является сетка или проволока, прочность которых и определяет заряд торпеды (число ниток детонирующего шнура). При прово­лочном фильтре величина заряда зависит от диаметра проволоки, при сетчатом—от параметров сетки. Как правило, сетчатые фильтры менее прочны, и заряд ограничивают одним шнуром. Обычно он обеспечивает хорошее качество очистки фильтра и не требует усиления. Лишь в проволочных фильтрах с проволокой диаметром до 3 мм можно использовать заряд в 2—3 шнура. Сле­дует иметь в виду, что повторное применение взрыва в одном и том же фильтре может легко привести к его разрушению: эф­фект действия двух взрывов близок к действию одного суммар­ного заряда.

При выполнении операции заряд устанавливают по центру i фильтра, используя простейшие центраторы, а узел инициирования поднимают на 0,5—1,0 м выше фильтра. Это делается для сохранения фильтра от повреждений. Вынос капсюля связан с тем, что на участке его расположения, хотя и небольшого по протя­женности, заряд оказывается эквивалентным нескольким шнурам.

При взрыве в окружающей среде распространяется ударная волна с давлением во фронте в момент подхода к фильтру порядка 1000 кгс/см². Ее резкий удар разбивает осадок. В начальный мо­мент (рис. 108, точка А) продукты взрыва имеют очень высокое давление и стремятся расшириться¹. По мере расширения дав­ления в них падает. На участке АВ, где давление выше гидро­статического (пунктирная линия р_с), расширение пузыря бу­дет ускоряться и в точке В скорость достигнет максимума. По инерции расширение продолжится до тех пор, пока жидкость не израсходует весь полученный запас кинетической энергии. В момент остановки движения давление в пузыре будет харак­теризоваться точкой С и окажется ниже гидростатического. В те­чение всего этого времени (участок А С) жидкость, вытесняемая из ствола, интенсивно удаляется ^ _му_ч через фильтр, помогая уносу ча­стиц с его поверхности. На участке ⁸⁰ * . CD происходит «схлопывание»

Рис. 108. Схема действия Рис. 109. Фотография филь-

«зрыва при очистке фильтра тра до и после взрыва

И водяной скважины зависимость дебита от времени для одной из сква­жин, торпедированных тор­педой ТДШ продуктов взрыва, в конце которого давление в пузыре снова оказывается выше давления в скважине. В этом интервале будет наблюдаться движение жидкости из затрубного пространства в ствол. Фазы расширения и сжатия с затухающей амплитудой дав­лений повторяются несколько раз. Изменяющееся в ходе пуль­сации направление движения жидкости (оно показано стрелками на верхней части рисунка) расшатывает осадок на фильтре, спо­собствуя его сбрасыванию в скважину и в затрубное пространство. На рис. 109 приведена фотография заросшего осадком филь­тра одной из скважин в Горьковской области. Скважина пол-оюстью восстановила дебит. Поскольку в скважинах фильтры были Ьрочные (проволочные), а зарастание их осадками протекало Ибыстро (за 2—3 года), в некоторых взрыв повторялся многократно.

¹ Подробно пульсация продуктов взрыва в воде рассмотрена в главе 111.

419

В верхней части рис. 109 приведен график изменения дебита од- ной из скважин во времени. Увеличение дебита при взрывной очистке фильтров водозаборных скважин в среднем в 3—4 раза подтверждено на тысячах скважин. Вводились в эксплуатацию скважины, считавшиеся безводными. Довольно редкие неудачи были связаны с неправильным выбором объекта, неверной оцен­кой состояния фильтра (его механических характеристик) и не­правильной технологией взрывных работ в скважинах.

Несколько слов об очистке поверхности породы в нефтяных скважинах. Метод применяется сравнительно редко, в первую очередь в низкодебитных скважинах. Среднее увеличение де­бита там, где эти работы эффективны, 25—40%.

Использование больших зарядов. Большие заряды исполь­зуются главным образом для того, чтобы повлиять на проница­емость призабойной зоны путем создания трещин в породе вокруг ствола. Естественно, что чем больше удельный заряд торпеды (на 1 м длины ствола), тем на большую протяженность трещин (при прочих равных условиях) можно рассчитывать. Торпеди­рование можно разбить на следующие виды: 1) относительно небольшими зарядами, не требующими принятия специальных мер защиты скважины от действия ударных волн (к ним можно отнести торпедирование с целью вскрытия пласта); 2) большими фугасными зарядами (торпедами ТШБ); 3) внутрипластовые и 4) ядерные взрывы.

Остановимся на влиянии изменения проницаемости призабой­ной зоны при взрыве на дебит скважины. В идеальном пласте € достаточно большим радиусом контура питания удвоение дебита скважины диаметром 200 мм грубо потребует увеличения её диа­метра до 15 м, утроение — до 50—80¹. Конечно бурение таких скважин — бессмыслица. В трещиноватых породах зависимость носит иной характер, и увеличение дебита достигается легче. Однако всё вышесказанное относится к идеальному пласту. В про­цессе бурения порода вокруг ствола часто засоряется настолько, что проницаемость участка, прилегающего к стволу, сводится к минимуму и лимитирует движение нефти или газа. Хотя про­тяженность этого барьера измеряется обычно сантиметрами или десятками сантиметров, перерезание его каналом — отверстием, трещиной или просто удаление путем разрушения может изменить дебит скважины на порядки. Таким образом, перед взрывными методами воздействия на призабойную зону ставятся разные за­дачи, зависящие от условий, действующих в скважине.

Радиусы трещин г_т и каверн г_к при торпедировании зависят от величины взрываемого заряда, приходящегося на единицу длины ствола скважины, и энергии ВВ (радиусы трещины и каверны пропорциональны диаметру заряда), свойств породы и гидростатического давления. Торпедируют только в твёрдых породах, в рыхлых, с хорошей проницаемостью делать это прак­тически бессмысленно.

¹ Отношение дебитов скважины Qn/Qn радиусов г_г и г₂ может быть оце­нено по формуле контура питания.

Очень часто с торпедированием связывают большие надежды,, основываясь, в частности, на опыте взрывных работ на дневной поверхности. Но, как показали исследования, на характер дей­ствия взрыва и в первую очередь на радиус зоны трещинообразования сильно влияет (в сторону ослабления) давление. Вот по­чему торпедирование водозаборных скважин (обычно неглубоких, с малым давлением), проводимое для увеличения дебита в том случае, когда водовмещающие породы твердые, почти всегда дает высокий эффект, поскольку образующиеся трещины имеют до­статочную протяженность даже при взрывных относительно не­больших зарядов. На глубинах в несколько километров нуж­ный эффект часто не достигается. Чем глубже скважина, тем сложнее получить высокий технологический эффект от торпеди­рования с целью изменения проницаемости призабойной зоны.

Поскольку при взрыве а трубах в заполняющей их жидкости распространяется сильная ударная волна¹ с малым коэффициен­том затухания (труба — хороший волновод), заряд массой более 5 кг при торпедированиях, если используются мощные ВВ типа гексогена, следует применять с осторожностью. При использо­вании больших зарядов бывают случаи повреждения труб вдали от точки взрыва, если в ходе распространения волна встречает ослабленное место (например, корродированный или незацемен­тированный участок трубы). В необсаженной скважине волна по стволу распространяется с большим затуханием, поскольку неровные стенки скважины создают своеобразный «глушитель», поэтому минимальный заряд в этом случае может быть взят большим.

Самостоятельное значение имеет применение торпед ТШБ (тор­педа из шашек больших) в необсаженных, предпочтительна незаконченных бурением скважин, с целью увеличения прони­цаемости призабойной зоны пласта, представленного твердыми породами. Разрушение обсадной колонны делает при взрыве та­ких торпед практически невозможным последующую проработку интервала торпедирования, поэтому они и не применяются в об­саженных скважинах. Наличие" бурового оборудования облегчает освоение скважин после взрыва.

Для торпедирования используют цилиндрические шашки И8 сплава тротил—гексоген 50/50 диаметром 126, 166, 206, 236 мм (оболочка 6 мм), длиной 250 и 500 мм с центральным отверстием, предназначенным для сборки заряда на кабель (трос).

¹ Точнее, волна сжатия, так как повышение давления в волне не имеет меткого характера скачка, а длительность фазы сжатия очень большая.

Часть шашек имеет второе отверстие большего диаметра для взрывателя замедленного действия, размещаемого в нём и снабженного часовым механизмом. Обычно в торпеде замедление устанавливаются на 3—4 сут, необходимое для спуска торпеды в скважину и установки над ней моста. Конструкция взрывателя обеспечивает двойное предохранение. Взрыватель способен сработать (ставится в боевое положение) только при давлении, превышающем 20 кгс/см², и выводится из него при снижении давления. Длина торпеды ТШБ определяется мощностью пласта. Естественно, что для получения максимально большого радиуса трещин целесообразноприменять заряды максимального диаметра. Чтобы избежать повреждений ствола вне зоны взрыва, над торпедой ставят цементный мост, минимальная высота h которого в зависимости от массы заряможет быть рассчитана по формуле /г = 14>^С?. Но, опасаясь дефектов в изготовлении, мост делают обычно но не менее 25—30 м. Взрыв регистрируется сейсмоприемниками. После взрыва мост разбуривают, интервал прорабатывают, и после спуска и цементирования колонны пласт эксплуатируют открытым забоем. На рис. 110 дан общий вид торпеды, спущенной в скважину. Некоторые элементы работы с торпедой ТШБ (например, система подрыва) являются общими и для других метоРие. НО. Схема установки дов взрывных работ (например, при «торпеды ТШБ в скважине, внутрипластовом взрыве). Л — заряд; 2 — взрыватель; Торпедирование большими зарядами широко применялось в ои-х го­дах, сейчас используются ограни­ченно, оно вытеснено гидроразрывом. Однако в условиях, когда выполнение гидроразрыва по тем или иным причи­нам затруднено, такое торпедирование на умеренных глу­бинах оправданно, поскольку позволяет правильнее оце­нить продуктивность пласта. Так как работа эта доста­точно сложная, для ее выполнения, по крайней мере в первый раз, следует приглашать специалистов, имеющих практиче­ский опыт.

244

3 — цементный мост .г ^ .г кп

В настоящее время активно изучается применение внутри-пластовых взрывов и использование для их проведения пасто­образных взрывчатых систем. Применение жидких и пастообраз­ных ВВ, задавливаемых в поры и трещины пласта и там взрывае­мых, позволяет увеличить радиус действия взрыва; кроме того, поскольку большая часть ВВ взрывается в пласте, упрощает за­щиту скважины от ударных волн взрыва. Однако эти методы пока еще не настолько отработаны, чтобы говорить о их широких пер­спективах. Применение пастообразных взрывчатых систем поз­воляет улучшить технологию торпедирования скважин большими зарядами благодаря более успешному решению многих вопросов, из которых одним из первых следует назвать экономику процесса, так как взрывчатые системы, предлагаемые к использованию, ба­зируются на дешевых веществах. По существу, в случае исполь­зования жидких и пастообразных ВВ основу их должны составлять массово выпускаемые дешевые окислители.

С точки зрения эффективности особый интерес будет представ­лять задавливание ВВ в трещины с целью образования в породе вокруг них после взрыва дополнительных трещин.

Дальнейшее увеличение масштабов процесса приводит к ядер­ным взрывам. При рассмотрении результатов их применения¹ следует учитывать не только то, что на определенных расстояниях порода вокруг будет разбита и улучшится проницаемость, но и то, что на значительном протяжении порода прогреется, обеспе­чив частичную возгонку находящихся в ней продуктов и изме­нение вязкости жидкостей. Это является новым качеством в ис­пользовании взрыва. Раньше при рассмотрении его действия на окружающую среду тепловое воздействие не учитывалось. Го­воря о ядерном взрыве, нужно помнить, что при неудачном сте­чении обстоятельств он может сопровождаться радиоактивным за­грязнением содержащихся в пласте нефти, газа и воды.

Разрыв пласта пороховыми газами. Внедрение гидравлического разрыва пласта сильно сократило объем торпедирования скважин большими зарядами. Но обычная технология гидроразрыва громоздка, требует, в частности, при­менения значительного числа цементировочных агрегатов для создания давления в скважинах. В разведочных скважинах, уда­ленных от районов массового бурения, выполнение гидровзрыва становится проблемой. В этой связи интерес представляет при­менение разрыва пласта давлением пороховых газов, создавае­мым в специальных устройствах — пороховых генераторах путем сжигания порохов.

¹ Если известно, что в конкретных условиях скважины заряд тротила массой G_T образует в породе трещины радиусом г_т, то из законов подобия радиус зоны трещиноватости г_я при взрыве ядерного заряда с тротиловым эквивалентом £_я определится как г_я = г_т |/~£_я/£_т.

245

Операция выполняется следующим образом.

В скважину спускают аппарат скважинного гидроразрыва (АСГ) (рис. 111) (корпусной или бескорпусной вариант, последний эффективней) и устанавливают в заданном интервале против продуктивного пласта. После поджигания порохового за­ряда начинается активное выделение газов, создающее зону повышенного (по сравнению с гидроста­тическим) давления в скважине и обеспечивающее условия для разрыва пласта. При этом не требуется ограничивать участок ствола пакерами, как при обычном гидроразрыве, поскольку кратковременность процесса и инерция столба жидкости обеспечивают условия для роста давления в зоне работы к

Несколько слов о самом процессе и особенностях применения аппарата. Если при обычном гидроразрыве образовавшуюся трещину необходимо заполнять песком, чтобы она не сомкнулась, то при разрыве пласта пороховыми газами высокое давление, обеспечивающее образование трещины, одновременно вызывает пластическую деформацию породы, в результате чего после снятия давления трещина полностью не закроется. Естественно, что последнее может иметь место только в прочных породах, а в сильно глинизированных с высокой пластичностью трещина сомкнется. Поэтому, как впрочем и при применении других методов воздействия на пласт, большое значение для повышения эффективности разрыва пласта имеет выбор объекта.

Рассмотрим в схематизированном виде работу порохового генератора давления АСГ в скважине. Пороховой заряд массой G при сгорании за время Ат образует V нормальных (при давлении 1 кгс/см²) литров газа, занимающих в скважине объем, равный

Рис. Схема аппарата АСГ: 1 — корпус; 2 — заряд -

—, _д , где р₂ —гидростатическое

- давление, Ар — подъем давления в жидкости за счет работы генератора.

^ш

Объем, который занимают газы в стволе, к концу горения порохового заряда возникает за счет сжатия жидкости вол­ной сжатия, образованной истечением пороховых газов (S — сечение скважины, с — скорость звука в воде и т — модуль сжа­тия воды). Часть объема образуется благодаря тому, что некото­рое количество жидкости отфильтруется в пласт 7_ф, а также за­полнит трещину Vj. Кроме того, газы заполняют объем, занима­емый ранее пороховым зарядом (F₃).

246

Таким образом, качественно зависимость объема жидкости, пошедшей на образование трещины, от других факторов, сопро­вождающих сгорание порохового заряда в скважине, будет вы­глядеть следующим образом:

Для образования трещины в зависимости от свойств породы т параметров скважины должно выполняться и второе условие — р_г + Ар (0,8 -М,2) р_гн, где р_гн — горное давление в зоне раз­рыва. Из них следует, что эффективности разрыва пласта спо­собствуют значительный пороховой заряд, относительно неболь­шая глубина и малый диаметр скважины, низкая проницаемость породы, сравнительно небольшое время горения заряда. Опыт показал, что разрыв пласта успешно осуществляется в твер­дых породах до глубин 2000—3000 м, причем прирост давления в зоне работы аппарата достигает 300—500 кгс/см².