Выбор оптимального типа перфоратора

Экспериментальное изучение пробивной способности перфораторов, проводимое при стендовых испытаниях, дает возможность оценить геометрию перфорационных каналов по результатам прострела обсадных колонн, цементного кольца и горной породы, находящейся за ними. Говоря о пробивной способности необходимо не забывать о том, что она зависит от ряда факторов. Длина создаваемой кумулятивной струи зависит от скорости и мощности детонации взрывчатого вещества заряда, размеров ее активной части, массы и толщины облицовки кумулятивной выемки, массы наружной оболочки, симметрии кумулятивной выемки, расстояния между вершиной кумулятивной выемки и детонатором. Также глубина пробиваемого канала будет зависеть от плотности и механических свойств горной породы, таких как: прочности, сжимаемости и пластичности. Большое значение имеет диаметр пробиваемого канала. Средний диаметр кумулятивной струи зависит от значения угла при вершине угла конической выемки заряда и толщины ее облицовки, однако чрезмерное увеличение диаметра струи сопряжено с уменьшением ее длины и глубины канала.

Существует большое количество различной модификации перфорационных систем и зарядов по своему устройству и характеристикам геометрии создаваемых перфорационных каналов.

Ниже, в таблице 5.3.1 приведены основные технические характеристики пробивной способности перфорационных зарядов (к которым мы отнесли – диаметр входного отверстия пробиваемого перфорационного канала и его длину), применяемых на промыслах на сегодняшний день. Как видно из данных, применяемые перфорационные заряды характеризуются длиной канала от 200 до 1320 мм, диаметром входного отверстия от 6.6 до 23 мм.

Как понятно, показатели геометрии создаваемых перфорационных каналов, в первую очередь, характеризуют площадь фильтрации, через которую флюид истекает из пористой среды в перфорационный канал через околоканальную зону и далее – в скважину. Эти динамические процессы в значительной степени влияют на характеристику работы скважины, но в достаточной степени не изучены по причине сложности своей природы, дистанционности процессов и других факторов.

 

Таблица 5.3.1. Основные технические характеристики кумулятивных зарядов

Тип заряда	Диаметр входного отверстия, мм	Глубина канала, мм
ПК-105ДН	11,5	510,0
ПК-105ДН-01	9,0	650,0
ПК-95ДН	10,0	450,0
ПК-105-7	9,0	320,0
ПК-105-У	9,0	320,0
ПКО-89ДН	20,0	200,0
ПКО-89ДН-01	10,0	750,0
ПКО-102ДН	12,5	750,0
ПКО-102ДН-01	10,0	950,0
ПК-105С	10,4	550,0
ПКО-89С	11,5	655,0
ПКО-89СМ	9,5	600,0
ПК-105АТ-01	16,0	700,0
ПК-105АТ-02	12,0	750,0
ПКО-89АТ-01	17,2	650,0
ПКО-89АТ-02	12,5	750,0
ПКО-89АТ-04	11,5	950,0
ПКО-89АТ-09	19,0	320,0
ПКО-89АТ-10	23,0	350,0

 

 

Методика оценки потери давления на трение флюида при движении через околоканальную зону пласта при различных вариантах вторичного вскрытия пласта кумулятивными зарядами.

Коэффициент гидравлического трения флюида предложено определять по формуле:

Оценка коэффициента инерционного трения флюида:

где В – объемный коэффициент флюида,

r - плотность флюида,

m - динамическая вязкость флюида,

K_пр.ок – проницаемость около канальной зоны перфорационного канала,

K_пр. – проницаемость удаленной части пласта,

b - фактор турбулентности перфорационного канала,

r_о – радиус перфорационного канала,

r – радиус сжатой зоны,

L – длина перфорационного канала.

По физике процесса вторичного вскрытия пласта кумулятивной перфорацией стоит предполагать, что это приведет к ряду нежелательных последствий. Основными процессами, сопровождающими кумулятивную перфорацию, являются: загрязнение околоканальной зоны жидкостью вскрытия, закупорка пестом оконечной части перфорационного канала, разрушение части порового пространства и ее сжатие околоканальной зоны пласта, оплавление поверхности перфорационного канала.

Кроме этого, за счет того, что каждый перфоратор имеет свою определенную фазировку зарядов, вторичное вскрытие может быть не совершенным по характеру вскрытия продуктивного пласта. За счет неполного вскрытия продуктивной толщи пласта возможно проявление несовершенства вскрытия пласта перфорацией по степени. Эти степени несовершенства вскрытия пласта перфорацией имеют приоритетное значение при планировании перфорационных работ на конкретной скважине с учетом ее оценки и влияния на продуктивность скважины и на последующую эксплуатацию. В основном это зависит от условий залегания пласта, его физико-химических свойств, насыщением флюидов, а также их свойствами.

Для того чтобы воспользоваться непосредственными результатами экспериментов для оценки результирующего воздействия на призабойную зону пласта перфорационных систем примем, что фильтрация флюида подчиняется закону Дарси (закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде. Получен экспериментально. Выражает зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора):

где: — скорость фильтрации, K — коэффициент фильтрации, — градиент напора

Это нам необходимо для того чтобы в дальнейшем воспользоваться его уравнением чтобы оценить реальный дебит скважины с соответствующей потерей давления на трение флюида.

Таким образом, будет считать, что пласт однороден, изотропен. Флюид, фильтрующийся в пласте, - жидкость (нефть) не сжимающаяся.

Использование данной методики позволяет оценить возможные результаты вторичного вскрытия пласта кумулятивной зарядами при равнозначных условиях модели расчета, чего добиться в реальных условиях месторождения не представляется возможным. Это связано с тем, что в большинстве случаев достаточно точно определенных параметров по каждой скважине немного; большинство параметров, касающихся свойств пласта и свойств флюидов приняты средними. Каждая скважина в принципе индивидуальна и поэтому вес данных расчетов для практических оценок будет носить скорее оценочный (взвешенный) характер.

Для расчета принималось, что пласт взрывается полностью с плотностью перфорации 10 отверстий на погонный метр пласта. По проведенным расчетам, результаты которых представлены в таблице 5.3.2, можно предположить, что при равнозначных условиях принятой гипотетической скважины величины потери давления на трение могут быть различны: от 0.335 до 3.829 атм., что соответствует скин-фактору от 0,30 до 1, 62.

Скин-фактор - гидродинамический параметр, характеризующий дополнительное фильтрационное сопротивление течению флюидов в околоскважинной зоне пласта, приводящее к снижению добычи (дебита) по сравнению с совершенной (идеальной) скважиной. Причинами скин-фактора являются гидродинамическое несовершенство вскрытия пласта, загрязнение околоскважинной зоны, прочие нелинейные эффекты.

 

 

Таблица 5.3.2. Результаты расчета величины потери давления на трение

Тип заряда	d, мм	L, мм	Р, атм
ПК-105-7	9,0	320,0	3,829
ПК-105-У	9,0	320,0	3,829
ПК-95ДН	10,0	450,0	2,447
ПКО-89СМ	9,5	600,0	1,936
ПК-105С	10,4	550,0	1,918
ПКО-89С	11,5	655,0	1,429
ПК-105АТ-02	12,0	750,0	1,181
ПКО-89АТ-02	12,5	750,0	1,117
ПКО-89АТ-09	19,0	320,0	1,072
ПКО-89АТ-04	11,5	950,0	0,985
ПКО-89АТ-01	17,2	650,0	0,708
ПКО-89АТ-10	23,0	350,0	0,335

 

 

На рисунке 5.3.1 представлена характеристика перфорационных зарядов по величине потери давления на трение флюида при движении сквозь околоканальную зону пласта.

Видимый результат можно получить после оценки построенных рисунков 5.3.2 и 5.3.3 – зависимостей потери давления от длины и диаметра перфорационного канала. Как видно на рисунке 5.3.2, при увеличении диаметра входного отверстия более 12 мм, величина оцененных потерь давления на трение через околоканальную зону пласта значительным образом снижается. Аналогичный вывод можно сделать по рисунку 5.3.3 – что снижение потери давления на трение наблюдается при длине пробиваемого канала более 800 мм. Это, прежде всего, обусловлено увеличением эффективной площади фильтрации.

В конечном результате можно прогнозировать, что заряды ПК-105-АТ-01(16 мм, 700 мм), ПКО-89-АТ-01 (17,2 мм, 650 мм) и ПКО-89-10 (23 мм, 350 мм) будут характеризоваться наилучшей пробивной способностью при вторичном вскрытии пласта. Величина потери давления для этих зарядов оценивается в среднем от 0,7 до 0,8 атм, что в 5 раз меньше наихудшего из полученных результатов расчета (ПК-105-7 и ПК-105-У). Другими словами, проведение вторичного вскрытия пласта перфорацией этими зарядами позволяет снизить до минимальных значений скин-фактора, который мы получаем за счет изменения свойств околоканальной зоны перфорационного канала.

По результатам проведенных расчетов возможно проведение оценки скин-фактора, который возможно получить за счет вторичного вскрытия пласта перфорацией. Данная величина скина будет характеризовать не степень загрязнения призабойной зоны пласта, а именно величину потери давления на трение флюида при движении сквозь околоканальную зону пласта по причине ее сжатия в процессе перфорации.

, где ∆P_s – потеря давление на трение.

Рис. 5.3.1.характеристика перфорационных зарядов по величине потери давления на трение флюида при движении сквозь околоканальную зону пласта

Рис. 5.3.2. Зависимость потери давления от диаметра перфорационного канала

 

Рис. 5.3.3. Зависимость потери давления от длины перфорационного канала

 

Таблица 5.3.3. Результаты расчета величины скин-фактора

Тип заряда	d, мм	L, мм	S
ПК-105-7	9,0	320,0	1,62
ПК-105-У	9,0	320,0	1,62
ПК-95ДН	10,0	450,0	1,04
ПКО-89СМ	9,5	600,0	0,82
ПК-105С	10,4	550,0	0,81
ПКО-89ДН-01	10,0	750,0	0,60
ПКО-89С	11,5	655,0	0,60
ПК-105АТ-02	12,0	750,0	0,50
ПКО-89АТ-02	12,5	750,0	0,47
ПКО-89АТ-09	19,0	320,0	0,45
ПКО-89АТ-04	11,5	950,0	0,42
ПКО-89АТ-01	17,2	650,0	0,30

 

 

Как видно из рисунка 5.3.4, проведение вторичного вскрытия пласта перфорацией рассмотренными типами зарядов может обеспечить вскрытие пласта в показателем качества гидродинамической связи пласта со скважиной – скина от 0,3 до 1,62 ед (см.таблицу 5.3.3).Проведение перфорации зарядами ПК-105-АТ-01 (16 мм, 700 мм), ПКО-89-АТ-01 (17,2 мм, 650 мм), будут характеризоваться наименьшими значениями скин-фактора (менее 0,37), что в 4,8 раза меньше наихудшего из полученных результатов расчета (ПК-105-7 и ПК-105-У). Это подтверждает высокую эффективность их практического применения и рекомендуется для проведения прострелочно-взрывных работ с целью вторичного вскрытияпласта.

С учетом полученных результатов - скин-фактора целесообразно произвести расчет потери дебитов скважины для соответствующих перфорационных зарядов.

Оценка дебита скважины по жидкости при различных вариантах вторичного вскрытия пласта кумулятивными зарядами

Наибольшее практическое значение имеет величина дебита скважины, как характеристики проводимых геолого-технических мероприятий по скважинам. Величина дебита скважины может быть оценена по уравнению Дарси для фильтрации ньютоновской жидкости в пористой среде. Для описания радиального притока несжимающегося флюида основной концепцией была явная зависимость потока флюида от дифференциала давления в пористой среде, площади дренирования жидкости, вязкости флюида и проницаемости пласта. Выведенное уравнение справедливо для однородного ламинарного потока не сжимающейся жидкости в однородном пласте:

 

Где Q – объемный дебит жидкости,

Кпр – проницаемость горной породы,

H – нефтенасыщенная мощность пласта,

М_н – динамическая вязкость нефти,

В – объемный коэффициент нефти,

R_к – радиус контура питания скважины,

r_с – радиус скважины,

S – скин-фактор.

Сравнительный анализ проведения вторичного вскрытия пласта перфорацией произведен для различных вариантов кумулятивной перфорации. Результаты расчетов приведены в таблице 5.3.4.

Рис. 5.3.4. Значение скин-фактора от типа перфоратора

Таблица 5.3.4. Результаты расчета дебита скважины по жидкости

Тип заряда	d, мм	L, мм	S	Кпр=10мД	Кпр=50мД	Кпр=100мД
ПК-105-7	9,00	320,00	1,62	106,56	532,79	1065,58
ПК-105-У	9,00	320,00	1,62	106,56	532,79	1065,58
ПК-95ДН	10,00	450,00	1,04	114,25	571,24	1142,49
ПК-105С	10,40	550,00	0,81	117,49	587,46	1174,93
ПК-105ДН-01	9,00	650,00	0,80	117,70	588,48	1176,97
ПК-105ДН	11,50	510,00	0,78	118,02	590,08	1180,15
ПКО-89ДН-01	10,00	750,00	0,62	120,40	601,99	1203,98
ПКО-89С	11,50	655,00	0,60	120,66	603,29	1206,58
ПК-105АТ-02	12,00	750,00	0,50	122,33	611,65	1223,30
ПКО-102ДН-01	10,00	950,00	0,49	122,48	612,40	1224,80
ПКО-89АТ-01	17,20	650,00	0,30	125,65	628,24	1256,47

 

 

Данные представленные в таблице 5.3.4 свидетельствую о том, что проведение перфорации может обеспечить дебит жидкости от 106 до 126 м3/сут для различных зарядов при проницаемости пласта 10 мД.

Проведение вскрытия пластов наиболее эффективными высокопроникающими зарядами: ПК-105-АТ-01 (16 мм, 700 мм), ПКО-89-АТ-01 (17,2 мм, 650 мм), ПКО-89-АТ-04 (11,5 мм, 950 мм) может обеспечить дебит скважины по жидкости 123-128 м3/сут, т.е. на 18 % выше наихудшего показателя.

При проницаемости пласта 100 мД характеристика «дебит-скин» имеет значительный наклон. И применение зарядов со средне пробивной способностью обеспечивает дебит 1150-1200 м3/сут, в то время как проведение высоко проникающей перфорации может обеспечить значительно больший дебит: ПК-105-АТ-01 (16 мм, 700 мм), ПКО-89-АТ-01 (17,2 мм, 650 мм), ПКО-89-АТ-04 (11,5 мм, 950 мм) может обеспечить дебит скважины по жидкости 1256-1236 м3/сут (см.рисунок 5.3.5).

В результате проведенных расчетов показателен следующий график зависимости скин-фактора вторичного вскрытия пласта перфорацией от площади фильтрации околоканальной зоны пласта рисунок 5.3.6, по которому выявлена зависимость достигнутого скин-фактора от площади околоканальной зоны пласта. Это можно объяснить тем, что с увеличением удельной поверхности перфорационного канала происходит снижение скорости перетока сквозь околоканальную зону пласта и, соответственно, снижаются потери давления на трение флюида в околоканальной зоне пласта.

Таким образом, не длина, а площадь пробиваемого перфорационного канала обуславливает качество гидродинамической связи пласта со скважиной.

При взрыве цилиндрического заряда взрывчатого вещества происходит почти мгновенное превращение его в газообразные продукты, разлетающиеся во все стороны но направлениям, перпендикулярным к поверхно­сти заряда.

Сущность эффекта кумуляции заключается в том, что при наличии выемки в заряде газообразные продукты дето­нации части заряда, называемой активной частью, двигаясь к оси заряда, концентрируются в мощный поток, называемый кумулятивной струей. Если выемка в заряде облицована тонким слоем металла, то при детонации заряда вдоль его оси образует­ся кумулятивная струя, состоящая не только из газообразных продуктов, но и из размягченного металла, выдавливаемого из металлической облицовки.

Обладая очень высокой скоростью в головной части (6-8 км/с) при соударении с твердой преградой струя развивает такое давление, по сравнению с которой предел прочности даже особо прочных материалов пренебрежимо мал. Действительно, для большинства зарядов давление кумулятив­ной струи на преграду составляет 20-30 ГПа, в то время как значение предела прочности горных пород в среднем составля­ет приблизительно 50 МПа, т.е. в 400-600 раз меньше. Поэто­му, исходя из гидродинамической теории кумуляции, разрабо­танной М.А. Лаврентьевым и Г.И. Покровским, глубина проби­тия канала в преграде не зависит от механической прочности материала преграды, а определяется лишь соотношением плотностей материала струи и преграды:

где - длина кумулятивной струи, для большинства зарядов численно равная длине образующей кумулятивной выемки.

Формирование перфорационных каналов в пласте, получен­ных с помощью кумулятивных зарядов, имеет следующие осо­бенности. При схлопывании металлической облицовки от дето­нации заряда в кумулятивную струю переходит только при­мерно 10 % ее массы. Остальная часть (90 % массы) формиру­ется в стержне сигарообразной формы, называемом пестом и движущемся со скоростью приблизительно 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. Эксперименты показали, что около 15 % всех перфорационных каналов оказываются полностью закупорен­ными застрявшим в обсадной колонне пестом.

При проникании струи в преграду расширение канала про­исходит за счет бокового давления и инерционного движения среды от оси канала. Поэтому диаметр канала обычно превыша­ет диаметр струи. Однако за счет этих процессов происходит изменение структуры норового пространства породы в зоне во­круг перфорационного канала. При этом в зависимости от свойств породы и условий в скважине в момент перфорации мо­жет иметь место как уплотнение породы вокруг канала, так и разрыхление ее. Это объясняется тем, что после прохождения волны сжатия в породе происходит схлопывание газового пу­зыря в образовавшемся перфорационном канале. В результате обратная волна - волна растяжения - может создать зону обру­шения породы, значительно превышающую первоначальный размер канала, если прочность породы на растяжение мала. В тех случаях, когда порода имеет высо­кий предел прочности на растяжение, происходит уплотнение породы вокруг каналов стой или иной степенью снижения про­ницаемости.

Следует также обратить внимание на то, что хотя кумуля­тивная струя имеет высокую температуру (900-1000 С), плав­ления горной породы не происходит ввиду кратковременности процесса образования канала (менее 100 мкс).

Для образования кумулятивной струи при взрыве заряда не­обходимым условием является отсутствие в кумулятивной по­лости заряда какой-либо жидкости. В противном случае от взрыва заряда вместо кумулятивного эффекта будет иметь мес­то фугасное действие. Поэтому кумулятивные заряды перфора­торов изолируют от скважинной жидкости путем помещения их в индивидуальные герметичные оболочки (бескорпусные пер­фораторы) либо в общие герметичные корпуса (корпусные пер­фораторы).

Корпусные кумулятивные перфораторы, с помощью кото­рых выполняется большой объем работ по вскрытию продук­тивных пластов в России, оказывают наименьшее нежелатель­ное взрывное воздействие на обсадную колонну и заколонное цементное кольцо, поскольку основную часть энергии взрыва зарядов воспринимает на себя корпус перфоратора.

 

 

 

 

Рис. 5.3.5. Дебит скважины по жидкости при различных скин-факторах

 

 

 

Рис.5.3.6.Зависимость скин-фактора от площади фильтрации