Прострілкові та вибухові роботи у свердловинах

Всі роботи у свердловинах, що пов'язані із застосуванням вибухових речовин, відносять до прострілково-вибухових. При цих роботах геофізичною службою використовується стандартне обладнання, що і при вивченні геологічного розрізу свердловин іншими методами ГДС.

Прострілково-вибухові роботи в свердловинах передбачають:

- перфорацію обсадних колон і цементу для розкриття нафтових, газових і водоносних пластів;

- зрізання в свердловинах колон і труб з метою їх витягування;

- відбір зразків гірських порід у необсаджених свердловинах;

- відбір проб пластових флюїдів випробувачами пластів.

Вибухові роботи в свердловинах проводяться з метою вирішення наступних задач:

1) підвищення продуктивності експлуатаційних свердловин або збільшення приймальності нагнітальних свердловин; 2) роз’єднання пластів; 3) очищення фільтрів; 4) звільнення та витягування труб із свердловин при аваріях; 5) боротьби з поглинанням промивної рідини при бурінні; 6) ліквідації відкритих фонтанів і гасінні пожеж на свердловинах та інші.

Перфорація

 

Після закінчення буріння в свердловину, як правило, опускають одну або кілька обсадних колон і роблять цементування затрубного простору.

Розкриття пластів, які намічені для випробування або розробки за даними геофізичних методів дослідження свердловин, здійснюється за допомогою стріляючих апаратів – перфораторів. Процес утворення отворів в обсадних трубах, цементі і гірській породі називається перфорацією свердловин. Для перфорації свердловин використовуються кумулятивні (безкульові), кульові та торпедні перфоратори. Тип перфоратора і щільність перфораційних отворів на одиницю довжини свердловини визначаються конструкцією свердловини та літологією пласта-колектора.

Найбільше поширення одержала кумулятивна перфорація. Кумулятивні перфоратори відрізняються від кульових розмірами, конструкцією, потужністю і продуктивністю заряду. Кумулятивний заряд перфоратора складається з вибухової речовини (гексогену), детонатора, металевої виїмки, яка облицьовує кумулятивну виїмку, і захисного корпусу (Рис. 10.1). У момент вибуху детонатора у кумулятивному заряді поширюється хвиля детонації, що рухається вздовж осі заряду до основи кумулятивної виїмки, і продукти вибуху стискають металеву виїмку. У металі виникають дуже великі тиски, і рідкий металевий струмінь зі швидкістю 6-8 км/с викидається вздовж осі виїмки. Металевий струмінь робить на перешкоду тиск порядку 10¹⁰ Па, глибоко проникає в неї і створює канал значної довжини.

Глибина каналу, пробитого в перешкоді, залежить від щільності, механічних властивостей матеріалу й обсадної колони, гідростатичного, гірського та пластового тисків, навколишньої температури та інших факторів.

За способом герметизації зарядів кумулятивні перфоратори підрозділяються на дві групи – корпусні та безкорпусні.

До корпусних кумулятивних перфораторів відносяться перфоратори багаторазової та одноразової дії. У корпусних кумулятивних перфораторах заряди, детонаційний шнур і вибуховий патрон змонтовані в сталевому герметичному корпусі, який сприймає гідростатичний тиск і дію ударної хвилі під час проведення вибуху. Кумулятивні перфоратори багаторазової дії витримують від 10 до 50 залпів.

Кумулятивні корпусні перфоратори одноразової дії типу ПКО і ПКОТ розраховані на разове використання: при пострілі їхні корпуси руйнуються.

Безкорпусні кумулятивні перфоратори представляють собою гірлянду з окремих кумулятивних зарядів, кожний з яких укладений у герметичну оболонку і сприймає зовнішній гідростатичний тиск. При пострілі оболонки зарядів руйнуються.

Існують стрічкові безкорпусні кумулятивні перфоратори типу ПКС. Вони складаються з голівки, тонких металевих стрічок з розміщеними в них герметичними кумулятивними зарядами, детонаційного шнура в алюмінієвій оболонці, вибухового патрона і чавунного вантажу. Заряди запресовані в скляні або ситалові оболонки.

 

1 – корпус; 2 – вибухова речовина; 3 – металічний жолоб;

4 – детонатор

Рисунок 10.1 – Кумулятивний заряд

 

Застосовуються також безкорпусні, що повністю руйнуються при вибуху, перфоратори типу КПРУ, які складаються з кумулятивних зарядів в алюмінієвих оболонках, наконечника із стальною головкою багаторазового використання, детонаційного шнура та вибухового патрона.

Пробивна здатність безкорпусних перфораторів типівПКС, КПРУ і корпусних одноразовго використання типів ПКО і ПКОТ вища, ніж у корпусних перфораторів багаторазового використання типу ПК.

До винаходу кумулятивних перфораторів на практиці прострілкових робіт використовувалися кульові та торпедні перфоратори, які відрізняються меншою пробивною здатністю, більшою складністю заряджання і меншою продуктивністю. В останні роки з’явилися могутні кульові перфоратори з вертикально-криволінійними стовбурами з більш високою пробивною здатністю, ніж кумулятивні перфоратори такого ж діаметра.

Дія кульових і торпедних перфораторів засновано на метанні куль і снарядів за рахунок енергії розширення порохових газів відповідно до законів внутрішньої балістики стрілецької зброї й артилерійських систем, скоректованими стосовно до умов свердловини.

Кульові перфоратори представляють собою апарати з горизонтальними і вертикально-криволінійними стовбурами. У перфораторах першого типу стовбури спрямовані перпендикулярно до осі апарата і їх довжина обмежена його діаметром. У перфораторах другого типу вісь прямолінійної частини кожного стовбура спрямована паралельно осі апарата, а кінцева частина викривлена для напрямку кулі в стінку свердловини, що дозволяє одержати високі швидкості куль.

За послідовностю відстрілювання куль або снарядів перфоратори поділяються на апарати залпової дії (усі кулі вистрілюють одночасно) і селективної дії (кулі або снаряди вистрілюються по черзі в різних інтервалах).

Кульові і торпедні перфоратори мають сталевий корпус, у якому розміщені порохові комори, стовбури, що заряджаються кулями або снарядами, і запалювальні пристрої.

Усі перфоратори опускаються в свердловину на одножильному броньованому кабелі за допомогою каротажного підйомника.

Засобами запалення, призначеними для підпалювання порохових зарядів і висадження капсулів-детонаторів, служать електрозапалювачі, електрозапали та піропатрони різних типів. Для ініціювання вибуху зарядів бризантних вибухових речовин служать капсулі-детонатори, електродетонатори, вибухові патрони та детонаційні шнури.

Крім кумулятивних кульових і торпедних перфораторів існують гідропіскоструменеві перфоратори. Вони пробивають канали в перешкоді струменем рідини із зваженим у ній піском, який вилітає з великою швидкістю і під високим тиском з вузького отвору – сопла. Такий струмінь протягом декількох хвилин утворює у колоні, цементному кільці та породі канал для з’єднання пласта із свердловиною. При переміщенні гідропіскоструменевого перфоратора по стінці свердловини можна створити в ній щілинний канал або обрізати колону по діаметрі з метою витягу її на поверхню. Гідропіскоструменеві перфоратори застосовуються також для руйнування цементних мостів і предметів, які залишені на вибої.

Гідропіскоструменевий перфоратор складається з відрізка труби, у якій установлений ряд сопел. Апарат спускається в свердловину на насосно-компресорних трубах, за допомогою яких подається під високим тиском рідина з піском.

 

Торпедування

 

Виробництво вибуху в свердловині називається торпедуванням, а підготовлений для вибуху в свердловині заряд вибухової речовини – торпедою. Торпеда складається з вибухової речовини і засобів висадження – електрозапалу, капсули-детонатора і шашки високобризантної вибухової речовини, яка підсилює початковий імпульс детонації.

Торпедування свердловин проводиться з метою збільшення дебіту або приймальності пластів, ліквідації аварій, витягу обсадних колон, руйнування металу на вибої, очищення фільтрів і т.д.

Розрізняють фугасні і кумулятивні торпеди.

Фугасні торпеди типів ТШ і ТШТ мають негерметичний тонкостінний корпус з алюмінію. У корпусі містяться заряд з циліндричних шашок вибухової речовини (ВР), який контактує з промивною рідиною, і в герметичній оболонці – вибух-патрон. На торпеді встановлюється вантаж, який витягується із свердловини після вибуху. У торпедах Ф-2 і ФТ-60 заряд ВР і підривач поміщені в герметичний сталевий корпус, який приймає зовнішній гідростатичний тиск. Торпеди детонаційного шнура ТДШ складаються з голівки та вантажу, що з’єднані між собою тросом, до якого кріпиться заряд. Заряд складається з одного або декількох відрізків детонаційного шнура ДШВ і ДШУ. Вибухає детонаційний шнур електродетонатором, який знаходиться в герметичній порожнині голівки, або вибух-патроном.

Кумулятивні торпеди характеризуються спрямованим вибухом. Застосовуються кумулятивні осьові торпеди типу ТКО і кумулятивні труборізи типу ТКГ.

Основна задача торпедування при розкритті пласта – створення в ньому тріщин великої довжини. Для цієї мети застосовуються фугасні заряди. Для максимального збільшення припливу флюїду у твердих породах використовують вибухи великих зарядів.

Спосіб відгвинчування колони з використанням вибуху заснований на короткочасному ослабленні нарізних сполучень при вибуху. Якщо при цьому з’єднання розвантажене від маси розташованих вище труб і до колони прикладений зворотний обертаючий момент, то вона провертається в нарізному сполученні і може бути роз’єднана. “Струшування” бурового інструменту – ослаблення при вибуху зчеплення бурильних труб із затрубним середовищем. Звичайно для відгвинчування колони і “струшування” її застосовують торпеди зі детонаційного шнура типу ТДШ.

Обрив труб роблять за допомогою вибуху й одночасного їх натягу. Обривають інструмент у тому випадку, коли його неможливо звільнити шляхом відгвинчування і “струшування”. Обрив обсадних колон зв’язаний не з аваріями, а з операцією витягування труб із свердловини при її ліквідації. Обрив колон проводиться за допомогою фугасних торпед або торпед із детонаційного шнура. Здійснюється він також за допомогою кумулятивних труборізів типу ТКГ.

При бурінні свердловин нерідко на вибої залишають долота, пластошки та інші металеві предмети. Ці аварійні ситуації повинні бути ліквідовані. Найбільший ефект по ліквідації подібних аварій досягається за допомогою підривних робіт. Зазвичай для цих цілей застосовується торпеда типу ТКО, що містить кумулятивний заряд. Кумулятивний струмінь, що утвориться при вибуху, руйнує металевий предмет, що знаходиться на вибої. Ця операція може повторюватися кілька разів до повного руйнування металу.

Очищення фільтрів нафтових і водяних свердловин здійснюється за допомогою торпед детонаційного шнура ТДШ малої потужності. Довжину заряду вибирають так, щоб перекрити фільтр зарядом.

Інші види підривних робіт

 

Для збільшення віддачі або прийомистості пласта поряд з торпедами застосовують порохові генератори тиску ПГД. Розрив пласта за допомогою ПГД здійснюється шляхом впливу високого тиску порохових газів на газорідинну суміш, яка через перфораційні канали і тріщини задавлюється в пласт.

Розрив пласта за допомогою ПГД проводиться без герметизації зони розриву з використанням інерції вищележачого стовпа рідини. Порохові гази, вилітаючи з камери згоряння під високим тиском і з великою швидкістю, утворюють у навколишньому рідкому середовищі газорідинних міхур великої щільності, який переміщується нагору зі швидкістю близько 1500 м/с. За час горіння порохового заряду 0,1 с даний міхур переміщається від пункту горіння на відстань близько 150 м. Інша рідина за цей час не встигне почати рухатися, представляючи собою своєрідний пакер.

Після закінчення горіння порохового заряду під дією сил інерції рідина продовжує рух нагору до повної втрати кінетичної енергії. До моменту припинення руху рідини нагору тиск у газовому міхурі, що утворився при горінні заряду, знижується і стає менше тиску стовпа рідини, що викликає рух рідини вниз. У зв’язку з цим тиск у газовому міхурі знову збільшується і перевищує гідростатичне. За рахунок виниклого перепаду тисків рідина знову спрямовується нагору. Така пульсація газового міхура спостерігається протягом деякого часу, що сприяє збільшенню обсягу газорідинної суміші, яка задавлюється у пласт.

Для проведення робіт з розриву пласту за допомогою тиску порохових газів використовується пороховий генератор тиску АСГ-105ДО, що складається з камери згоряння з пороховими зарядами і пусковими запалювачами, соплових перехідників, муфт із бічними подовжніми вікнами для виходу порохових газів і спеціальної кабельної голівки з аварійним запалювачем. До нижньої частини апарата АСГ-105К приєднується кумулятивний перфоратор однократної дії типу ПКО, який спрацьовує одночасно з запалюванням порохових зарядів генератора тиску.

Застосовується також безкорпусний варіант ПГД, у якому пороховий заряд поміщений у тонкостінну еластичну герметичну оболонку. Безкорпусний ПГД дозволяє істотно збільшити масу порохового заряду і тим самим підвищити ефективність робіт з розриву пласта, виключити можливі аварії із-за прихоплення апарату та ін.

Для роз’єднання пластів можна застосовувати стріляючий тампонажний снаряд СТС, у стовбур якого під тиском задавлюється гумовий тампон діаметром більше внутрішнього діаметра обсадної колони. При пострілі під тиском порохових газів гумовий тампон вилітає зі стовбура снаряда, розширюється і перекриває колону. Тампон зверху цементується. Широкого поширення снаряд СТС не одержав з ряду причин технологічного характеру (наприклад, через необхідність застосовувати спеціальну гуму та ін.).

Найбільш ефективне і швидке роз’єднання пластів здійснюється за допомогою вибухового пакера ВП, який представляє собою товстостінну герметичну склянку з алюмінієвого сплаву, всередині якого поміщений пороховий заряд. При запаленні порохового заряду корпус склянки роздувається і щільно притискається до внутрішньої поверхні обсадної колони, утворюючи герметичний роздільний міст.

Вибухові пакери дозволяють: 1) швидко і надійно роз’єднувати пласти без цементного заливання; 2) ізолювати близько розташовані пласти малої потужності; 3) зберігати колекторські властивості пласта і не забруднювати перфораційні отвори. Застосування вибухового пакера неефективне у випадку деформованої колони (якщо перетин колони не круглий).