Снижение проницаемости при перфорации скважин

Технологии перфорации скважин

   Появление канала сопровождается попаданием в породу пласта продуктов взрыва и продуктов разрушения преграды (обсадная колонна, цементное кольцо, порода пласта), а также уплотнением или разрыхлением породы пласта вокруг канала. Уплотнение породы снижает ее проницаемость. Разрыхление породы может привести к ее обрушению и закупорке перфорационного канала.
Образование канала происходит за очень короткий промежуток времени - менее 100 микросекунд. При перфорации на репрессии в момент появления перфорационных каналов происходит интенсивная фильтрация скважинного содержимого в продуктивную толщу через полученные каналы. Причиной интенсивной фильтрации скважинного раствора в продуктивную толщу являются внезапно возникающие очень большие (десятки МПа/м) градиенты давления, которые обусловлены действием статического давления от столба раствора и динамических взрывных нагрузок. В результате вокруг перфорационного канала возникают зона кольматации и зона проникновения. Примерное изображение полученного на репрессии кумулятивного перфорационного канала в пористой среде показано на рис. 2.3. Технология перфорации на репрессии может приводить к многократному снижению гидродинамической эффективности получаемых перфорационных каналов.
Рис. 2.3. Схематичное изображение состояния пористой среды пласта вокруг скважины и вокруг перфорационного канала (рабочие растворы на водной основе с твердой фазой, перфорация - кумулятивная в условиях репрессии):
1 - обсадная колонна; 2 - цементное кольцо; 3 - зона кольматации (бурение, цементирование); 4 - зона кольматации (перфорация); 5 - пест; 6 - зона проникновения фильтрата рабочих растворов; 7 - зона с естественной проницаемостью пласта.
   В России на рубеже столетий налажено производство сертифицированных систем ПКО-102 и ПКТ-89 с торговой маркой Dynajet. Эти перфорационные системы по своим основным параметрам аналогичны западным системам.
Перфоратор ПКО-102 корпусный одноразовый с поперечным габаритом 102 мм предназначен для проведения глубокопроникающей перфорации в нефтяных и газовых скважинах с внутренним диаметром обсадной колонны не менее 116 мм при давлении в интервале перфорации до 60 МПа и температуре до 150°С. Плотность перфорации 12,5 отверстий на погонный метр. По результатам теста API PR-43 получено:
- глубина пробития 1009 мм, диаметр отверстия 13 мм при использовании зарядов Dynawell 32 g DP;
- глубина пробития 752 мм, диаметр отверстия 12,8 мм при использовании зарядов ЗПКО-102DN.
Спуск перфоратора в скважину может осуществляться как на бронированном кабеле, так и на колонне насосно-компрессорных труб.
Перфоратор корпусный одноразовый с поперечным габаритом 89 мм (ПКТ-89Д), спускаемый на насосно-компрессорных трубах, предназначен для проведения глубокопроникающей перфорации в нефтяных и газовых скважинах с внутренним диаметром обсадной колонны не менее 116 мм при давлении в интервале перфорации до 80 МПа и температуре до 150°С.
По результатам теста API PR-43 получено:
- глубина пробития 870 мм, диаметр отверстия 10 мм при использовании зарядов Dynawell 24 g DP;
- глубина пробития 552 мм, диаметр отверстия 10 мм при использовании зарядов ЗПКО-89DN.
Плотность перфорации 20 отверстий на погонный метр.
   На эффективность освоения скважин большое влияние оказывает технология перфорации скважин. Более 90 % эксплуатационных скважин имеют перфорированный забой. Для вторичного сообщения пласта со стволом скважины после спуска и цементирования обсадной эксплуатационной колонны применялись или применяются следующие виды перфорации: пулевая, торпедная, кумулятивная, гидропескоструйная, сверлящая. Первые три вида часто называют стреляющей перфорацией.
В сороковых и пятидесятых годах прошлого столетия для перфорации скважин применялись, в основном, пулевые перфораторы, причем с горизонтально расположенными стволами. По мере распространения кумулятивных перфораторов (конец пятидесятых - начало шестидесятых годов) пулевые перфораторы с горизонтальным расположением стволов, не выдерживая конкуренции, практически перестали применяться. В последние два десятилетия из пулевых в ограниченном объеме применяются перфораторы с вертикально-криволинейными стволами. Эти перфораторы имеют сравнительно высокую пробивную способность, но за один спуск позволяют получать небольшую плотность перфорации.
   Торпедные перфораторы, в которых вместо пуль используются снаряды замедленного действия, в настоящее время для вскрытия пластов не применяются из-за низкой пробивной способности и низкой производительности работы с ними.
Гидропескоструйная и сверлящая перфорации не оказывают взрывного воздействия на обсадную колонну, цементное кольцо и породу пласта. Однако, промысловый опыт показал, что с точки зрения пробивной способности гидропескоструйная перфорация в скважинных условиях не дает существенных преимуществ по отношению к кумулятивной перфорации. Более того, ее осуществление требует много единиц мощной техники (насосные и пескосмесительные агрегаты, автоцистерны и т.п.), персонала, а также больших затрат рабочих агентов и времени. По этим причинам широкого распространения этот вид перфорации не нашел. Сверлящая перфорация также имеет очень ограниченное применение из-за сложности собственно процесса сверления, низкой производительности, низкой надежности.
   В последние десятилетия основной объем перфорации выполняется кумулятивными перфораторами. Традиционной технологией кумулятивной перфорации является перфорация на репрессии, когда бескорпусные или корпусные кумулятивные перфораторы спускаются в заполненную каким-либо раствором скважину на кабеле. В качестве задавочного применяют либо тот же буровой раствор, на котором продуктивный пласт разбуривался, либо раствор, специально приготовленный для перфорации.
Если кумулятивный перфоратор спускается в скважину на НКТ или внутри них, то процесс перфорации можно осуществлять на депрессии. Это более рациональная технология перфорации, но она занимает в общем объеме применения кумулятивной перфорации, примерно, только десятую часть. При кумулятивной перфорации, проводимой на репрессии, на стенках перфорационных каналов и в породе продуктивного пласта могут происходить различные явления, снижающие как пропускную способность перфорационных каналов, так и проницаемость породы пласта. Рассмотрим механизм некоторых явлений.
   Сущность эффекта кумуляции состоит в том, что при наличии выемки в заряде газообразные продукты детонации активной части взрывчатого вещества основного заряда двигаются к оси заряда и концентрируются в высокоскоростной поток, называемый кумулятивной струей. Скорость движения головной части кумулятивной струи может превышать 8000 м/с. Если выемка в заряде облицована тонким слоем металла, то вдоль его оси образуется кумулятивная струя, которая будет состоять не только из газообразных продуктов, но и из размягченного металла. В кумулятивную струю переходит примерно 10 % массы облицовки, а остальная ее часть формируется в виде стержня сигарообразной формы, называемый пестом. Скорость движения песта составляет примерно 1000 м/с. Обладая меньшей кинетической энергией и большим диаметром, чем головная часть струи, пест может застревать в уже образовавшемся перфорационном канале и частично или полностью закупоривать его. В среднем закупоривание пестом случается в каждом седьмом перфорационном канале. Такой канал уже не является гидродинамически эффективным.
   Максимально достижимая плотность перфорации за один спуск кумулятивного перфоратора обычно изменяется от 6 до 12 отв./м. Величина перфорируемого интервала за один спуск также ограничена. В то же время фактически применяемая плотность перфорации часто превышает величину 12 отв./м, а интервал перфорации составляет десятки и, даже, сотни метров. Поэтому при перфорации одной скважины производится, как правило, многократный спуск перфораторов. Каждая повторная перфорация сопровождается задавкой в пласт через ранее образованные каналы все новых и новых порций раствора, заполняющего скважину во время перфорационных работ.
Многократная кумулятивная перфорация часто приводит к отслаиванию цементного камня от породы пласта и от обсадной трубы. Возможно также растрескивание цементного камня на значительных расстояниях от интервала перфорации. Может происходить раздутие и разрушение обсадной трубы. Это приводит к преждевременному прорыву посторонних флюидов в скважину, что может существенно снизить продуктивность скважины по нефти или газу.
   При воздействии взрывных нагрузок на породу в пласте также могут происходить более сложные физико-химические явления (испускание электронов, свечение, протекание на поверхности зерен породы химических реакций, излучение звука, пьезоэлектрический эффект и другие), природа и последствия которых еще недостаточно изучены. Например, пьезоэлектрический эффект, получающийся при деформации зерен породы и выражающийся в возникновении дополнительных электрических полей, может существенно изменить взаимодействие породы с полярной жидкостью, проникшей в пласт, а в некоторых случаях - полностью блокировать проводящие пути (поровые каналы) для жидкости и газа.
Изложенное о кумулятивной перфорации в основном касается кумулятивных перфораторов ПКС80, ПК105, ПР42 и др., разработанных десятки лет назад, которые все еще широко применяются в отечественной нефтегазовой отрасли промышленности, но которые уже не отвечают современным требованиям по пробивной способности и качеству вторичного вскрытия пластов. В сложных горно-геологических условиях, в пластах с трудноизвлекаемыми запасами эти перфораторы следует считать устаревшими и они не должны применяться.
   Основные направления совершенствования кумулятивной перфорации с позиции сохранения и повышения продуктивности скважин следующие:
- увеличение пробивной способности (глубина пробития, диаметр каналов) зарядов;
- увеличение плотности (количество отверстий на один погонный метр обсадной колонны) перфорации;
- максимальное соответствие гидродинамической характеристики каналов их геометрическим размерам.

Новое поколение кумулятивных перфорационных систем, основанное на прогрессивных порошковых технологиях с повышенной пробивной способностью, во многом удовлетворяет этим требованиям.
В настоящее время кумулятивные заряды по прогрессивным технологиям выпускают отечественные предприятия Арзамас-16, ВНИПИвзрывгеофизика, Перфотех. К сожалению, оптимальными технико-техническими данными в настоящее время обладают перфорационные системы, выпускаемые западными компаниями. Наилучшие глубокопроникающие перфорационные системы Dynawell, снаряженные кумулятивными зарядами типа RDX-Hexogen, выпускаются немецкой компанией DYNAenergetics. Вес взрывчатого вещества (ВВ) изменяется в этих зарядах от 10 до 32 грамм, а плотность перфорации - от 12 до 20 зарядов на погонный метр. Эти заряды обладают наибольшей глубиной пробития (1,009 м) и наибольшей чистотой каналов перфорации. Заряды выдерживают температуру до 250°С и давление до 140 МПа. Заряды минимально кольматируют породу пласта и незначительно воздействуют на конструкцию забоя скважины. Кумулятивная струя не приводит к оплавлению горных пород на стенках пробитых каналов.
                             Содержание
01. Освоение нефтяных скважин после бурения.
02. Основные схемы эксплуатационного забоя скважин.
03. Снижение проницаемости нфтяного пласта после бурения.
04. Снижение  проницаемости нфтяного пласта при перфорации.
05. Техника перфорации скважин. Виды скважинных перфораторов.
06. Гидропескоструйная перфорация. Схема обвязки оборудования.
07. Гидроразрыв пласта. Схема обвязки оборудования.
08. Вызов притока. Методы и условия вызова притока.
09. Способ вызова притока поршневанием.
10. Компрессорный способ вызова притока.
11. Восстановление проницаемости призабойной зоны пласта.
12. Расчет формулы вызова притока.
13. Исследования при освоение скважин.