Определение темпа закачки в процессе перфорации

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГИДРОПЕСКОСТРУЙНОЙ ПЕРФОРАЦИИ (ГПП) СКВАЖИН

Гидропескоструйная перфорация основана на использовании гидромониторного эффекта, создаваемого струёй абразивной песчано-жидкостной смеси, вытекающей с большой скоростью из насадки. Метод гидропескоструйной перфорации скважин (ГПП) основан на использовании кинетической энергии и абразивных свойств струи жидкости с песком, истекающей с большой скоростью из насадок перфоратора и направленной на стенку скважины. За короткое время струя жидкости с песком образует отверстие или прорезь в обсадной колонне и канал или щель в цементном кольце и породе пласта.

При гидропескоструйной перфорации разрушение преграды происходит в результате использования абразивного и гидромониторного эффектов высокоскоростных песчано-жидкостных струй, вылетающих из насадок специального аппарата - пескоструйного перфоратора, прикрепленного к нижнему концу насосно-компрессорных труб. Песчано-жидкостная смесь закачивается в НКТ насосными агрегатами высокого давления, смонтированными на шасси тяжелых автомашин, поднимается из скважины на поверхность по кольцевому пространству. Это сравнительно новый метод вскрытия пласта.

Гидропескоструйную перфорацию скважин применяют для вскрытия пластов в процессе опробования разведочных скважин, вскрытия пластов в скважинах, оборудуемых для раздельной эксплуатации двух и более пластов одной скважиной, вскрытия пластов с трещиноватыми коллекторами. При таком способе вскрытия пласта не получают должного эффекта в интервалах, ранее обработанных соляной кислотой или после гидроразрыва, а также после повторного вскрытия высокопроницаемых пластов с низким пластовым давлением.

При гидропескоструйной перфорации создание отверстий в колонне, цементном камне и канала в породе достигается приданием песчано-жидкостной струе очень большой скорости, достигающей нескольких сотен метров в секунду. Перепад давления при этом составляет 15 - 30 МПа. В породе вымывается каверна грушеобразной формы, обращенной узким конусом к перфорационному отверстию в колонне. Размеры каверны зависят от прочности горных пород, продолжительности воздействия и мощности песчано-жидкостной струи. При стендовых испытаниях были получены каналы до 0,5 м. Размеры канала увеличиваются сначала быстро и затем стабилизируются в результате уменьшения скорости струи в канале и поглощения энергии встречным потоком жидкости, выходящей из канала через перфорационное отверстие.

Имеет место щелевая гидропескоструйная перфорация (ЩГПП) эксплуатационных колонн нефтедобывающих скважин при вторичном вскрытии продуктивных пластов.

Метод заключается в создании в эксплуатационной колонне и в продуктивном пласте каналов фильтрации с использованиемкинетической энергии и абразивного воздействия струи жидкости, имеющей в своем составе кварцевый песок. Такая струя жидкости, истекающая под высоким давлением в направлении стенки скважины, интенсивно разрушает в заданном интервале металл обсадной колонны, далее цементное кольцо и породу, создавая канал по которому происходит сообщение скважины с пластом.

Технология позволяет выполнять операции по вскрытию пластов без резких ударных нагрузок на цементный камень и призабойную зону пласта, которые могут привести к образованию вертикальных техногенных трещин как это происходит при других методах перфорации и, как следствие, к быстрому обводнению скважин в водонефтяных зонах.

Также технология позволяет селективно вскрывать только продуктивные пропластки, не нарушая перемычки между ними.

Является единственным методом, позволяющим снять напряженное состояние пород в прискважинной зоне, что способствует повышению фильтрационно-емкостных свойств и, как следствие, продуктивности скважины (на 40-50 % и более).

В результате, имеет место восстановление потенциальных дебитов нефтедобывающих и значительное повышение результативности основных методов воздействия на пласт нагнетательных скважин.

Является, также, единственным методом, позволяющим производить вторичное вскрытие продуктивных пластов при критическом состоянии цементного камня за счет щадящих режимов ее выполнения.

Разработанный метод ЩГПП позволяет формировать протяженные и глубокие щели (длинной 0,25 м, глубиной 0,4 м и шириной 0,04 м), в результате достигнуто увеличение площади фильтрации, составляющей 68,9-81,4 % от площади открытого ствола скважины.

ЩГПП выгодно отличается от других методов перфорации, таких как сверление и гидромеханическая перфорация.

Многократное по сравнению с другими методами перфорации увеличение площади вскрытия пласта. Удельная площадь вскрытия продуктивного пласта на 80-90% больше, а радиус проникновения в 2 раза выше, чем при кумулятивной перфорации.

ЩГПП предполагает сверление перфорационных отверстий большого диаметра с их оптимальным пространственным расположением, прорезание в обсадной колонне продольных щелей с последующим размывом цементного камня и породы-коллектора высоконапорной струей скважинной жидкости -перспективная альтернатива стреляющим перфораторам, вызывающим катастрофическое разрушение крепи скважин не только в интервале перфорации, но и на несколько метров за его пределами.

Кроме перфорации скважин, гидропескоструйная перфорация применяется для создания каналов, соединяющих ствол скважины с пластом, при кислотной обработке скважин и других методах воздействия на призабойную зону.Зависимость расхода водопесчаной смеси q_ж и глубины образующихся каналов l_к от перепада давления ΔР в насадке для трех ее диаметров 3, 4,5 и 6 мм представлена на рисунке3.1

Рисунок 3.1 - Зависимость расхода водопесчаной смеси qж и глубины образующихся каналов lк от перепада давления ΔР в насадке для трех ее диаметров 3, 4,5 и 6 мм: 1 - qж = f (ΔР) для d = 6 мм; 2 - qж = f (ΔР) для d = 4,5 мм; 3 - qж = f (ΔР) для d= 3 мм; 4 - lк = f (ΔР) для d = 6 мм; 5 - lк = f (ΔР) для d = 4,5 мм; 6 - lк = f (ΔР) для d = 3 мм.

Вместе с тем, для увеличения производительности добывающих скважин, гидропескоструйную перфорацию применяют для:

· выполнения глубоких кольцевых и вертикальных щелей, способствующих образованию трещин при гидроразрыве пласта;

· срезания обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб;

· разрушения металла на забое, а также твёрдых пробок в скважине;

· расширения диаметра в необсаженой части скважины;

Стендовые испытания ГПП, проведенные ВНИИ, позволили установить соотношения между параметрами процесса, необходимые для его проектирования. Результаты получены при разрушении цементных блоков, утопленной под уровень жидкости струей водопесчаной смеси.

Установлено, что концентрация песка в жидкости обычно составляет 80-100 кг/м, диаметр частиц кварцевого песка 03-0,8 мм и твердосплавные и керамические насадки должны быть диаметрами отверстий 3-6 мм.

Только после получения устойчивых положительных результатов, выверки приемов работы на стенде, следует приступать к опытным работам на скважинах.

Пример конструкции гидропескоструйного перфоратора представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Гидропескоструйный перфоратор: 1 - корпус; 2 - держатель;

3 - струйная насадка; 4 - шаровой клапан; 5 - направляющая насадка.

Головка перфорационная состоит из толстостенного корпуса, в который ввинчивается до десяти насадок из абразивно-стойкого материала (керамики, твердых сплавов). Нагнетаемая жидкость с песком выходит только через насадки.

Насадки перфоратора диаметром 4,5 мм и длиной 20 мм, изготовляемые из абразивостойких сплавов, установлены под углом 2 - 3° к горизонтальной плоскости. Это повышает абразивное действие струи в результате изменения направления и снижения отрицательного действия отраженной струи, а также исключает разрушение корпуса насадок.

В зависимости от вида перфорации насадки в перфораторе устанавливают различно. Для вскрытия пласта путем создания горизонтальной круглой щели четыре насадки размещаются в одной горизонтальной плоскости, в остальные гнезда ввинчиваются заглушки. При создании диаметрально противоположных вертикальных щелей насадки размещаются в вертикальной плоскости по две или три с каждой стороны перфоратора. Число и размещение насадок при создании каналов в породе определяется геолого-промысловыми условиями.

Насадки диаметром 3 мм применяются для вырезки прихваченных труб в обсаженной скважине, когда глубина резания должна быть минимальной. Насадки диаметром 4,5 мм используются для перфорации обсадных колонн, а также при других работах, когда возможный расход жидкости ограничен. Насадки диаметром 6 мм применяют для получения максимальной глубины каналов и при ограничении процесса по давлению.

Медленно вращая пескоструйный аппарат, или вертикально перемещая его, можно получить горизонтальные или вертикальные надрезы и каналы.

Аппарат для пескоструйной перфорации представлен на рисунке 3.3

Рисунок 3.3 - Аппарат для пескоструйной перфорации: 1 – корпус; 2 - шар опрессовочного клапана; 3 - узел насадки; 4 - заглушка; 5 - шар клапана; 6 - хвостовик; 7 - центратор.

Однако практически проделывать операции вращения и контролировать положение аппарата не представляется возможным, когда глубина достигает 2500 метров и больше.

Опасность операции связана с большой энергией струи и возникающими при достижении высоких уровней перепадов давлений вибрациями. Поэтому нами разработана головка перфоратора с самофиксацией в стволе скважины. Фиксация срабатывает при достижении рабочего перепада давления, при этом перемещение головки, вызванное удлинением НКТ, практически завершается.

Только после фиксации возможен плавный поворот головки, ее сопловой части, на расчетный угол. Проработан вариант поворота за счет реактивной энергии вытекающей жидкости. При этом сопла на головке располагают тангенциально, при истечении струй возникает реактивный поворотный момент, и корпус аппарата стремится повернуться вокруг оси. Для совершения поворота на необходимый угол в конструкцию головки, в ее сопловой части вводится упругое звено определённой жёсткости. При определенном давлении жидкости и соответствующей давлению скорости истечения жидкости из сопел, аппарат поворачивается на расчетный угол, прорезая щель. Упругое звено представляется как торсионная пружина кручения.

Для осуществления начала операции резания в пескоструйном аппарате предусмотрены два шаровых клапана, сбрасываемых с поверхности. Диаметр нижнего клапана меньше, чем седло верхнего клапана, поэтому нижний шар свободно проходит через седло верхнего клапана.

Перфорация производится пескоструйным аппаратом, спускаемым на насосно-компрессорных трубах, в которые ввинчиваются шесть насадок для одновременного создания шести перфорационных каналов. При малой подаче насосных агрегатов часть отверстий может быть заглушена пробками.

Насадки в стальной оправе изготавливаются из твердых сплавов, устойчивых против износа водопесчаной смесью, трех стандартных диаметров 3, 4, 5 и 6 мм. Для устойчивой работы гидроперфоратора, без вибраций, перфорационную головку оснащают гидравлическими опорами. Опоры приводятся в действие при достижении рабочего давления реза, они распирают головку в стволе скважины.

В качестве рабочей используют различные жидкости, исходя из условия ее относительной дешевизны, предотвращения ухудшения коллекторских свойств пласта и открытого фонтанирования. Состав жидкости устанавливают в лабораториях. Для целей ГПП используют воду, 5 - 6%-ный раствор ингибированной соляной кислоты, дегазированную нефть, пластовую сточную или соленую воду с ПАВами, промывочный раствор. В случае если плотность рабочей жидкости не обеспечивает глушение скважины, добавляют утяжелители: мел, бентонит и др.

Гидропескоструйный перфоратор спускают в скважину на насосно-компрессорных трубах. Перед проведением перфорации скважины с поверхности в НКТ бросают шар, который перекрывает сквозное отверстие перфоратора. После этого с помощью насосных агрегатов через НКТ в скважину закачивают жидкость с песком.

При гидропескоструйной перфорации применяется то же оборудование, как и при гидроразрыве пласта. Устье скважины оборудуется стандартной арматурой типа 1АУ-700, рассчитанной на рабочее давление 70,0 МПа. Для прокачки песчано-жидкостной смеси используются насосные агрегаты, смонтированные на платформе тяжелых грузовых автомобилей 2АН-500 или 4АН-700, развивающие максимальные давления соответственно 50 и 70 МПа. При меньших давлениях используют цементировочные агрегаты, предназначенные для цементировочных работ при бурении. Число агрегатов (n) определяется как частное от деления общей необходимой гидравлической мощности на гидравлическую мощность одного агрегата, причем для запаса берется еще один насосный агрегат.

Агрегат 4АН-700 снабжен дизелем мощностью 588 кВт при 2000 об/мин., трехплунжерным насосом 4Р-700 с диаметрами плунжеров 100 или 120 мм. Ход плунжера - 200 мм. Коробка передач имеет четыре скорости.

Песчано-жидкостная смесь готовится в пескосмесительном агрегате (2ПА; ЗПА и др.), который представляет собой бункер для песка емкостью 10 куб.м с коническим дном. В нижней части бункера вдоль продольной оси установлен шнек. Скорость вращения шнека ступенчато изменяется от 13,5 до 267 об/мин. В соответствии с этим подача песка изменяется от 3,4 до 676 кг/мин. Кроме того, агрегат снабжен насосом 4НП (насос песковый) низкого давления для перекачки песчано-жидкостной смеси. Бункер со всем оборудованием смонтирован на шасси тяжелого автомобиля.Схема обвязки поверхностного оборудования, при работе по замкнутому циклу, представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Обвязка оборудования при работе по замкнутому циклу:

1 - АН-700; 2 - ЦА-320; 3 - шламоуловитель; 4 - пескосмеситель; 5 - емкость;

6 - скважина; 7 - обратный клапан; 8 - открытые краны; 9 - закрытые краны.

Специальные рабочие жидкости завозят на скважину автоцистернами или приготавливают в небольших (10 - 15 куб.м) емкостях, установленных на салазках. В обвязку поверхностного оборудования монтируют фильтры высокого давления - шламоуловители, предупреждающие закупорку насадок крупными частицами породы.

Обвязка поверхностного оборудования при работе по замкнутому циклу представлена на Рисунке

Песчано-жидкостная смесь готовится тремя способами:

· с повторным использованием песка и жидкости (закольцованная схема);

· со сбросом отработанного песка с повторным использованием жидкости;

· со сбросом жидкости и песка.

Наиболее экономична закольцованная схема, так как при этом расходы жидкости и песка минимальные. Кроме того, при использовании специальных жидкостей (нефть, раствор кислоты, глинистый раствор и др.) не загрязняется территория. Для сравнения можно привести фактические данные, полученные на Узеньском месторождении. При работе по кольцевой схеме было израсходовано 20 куб.м воды и 4,1 т песка, а при работе со сбросом воды и песка потребовалось 275 куб.м воды и 14 т песка.

Обязательным элементом схемы обвязки является установка обратных клапанов на выкидных линиях агрегатов и лубрикатора или байпаса для ввода шаров-клапанов пескоструйного аппарата.

Объем рабочей жидкости принимается равным - 1,3 - 1,5 объема скважины при работе по замкнутому циклу.

Процесс ГПП связан с работой насосных агрегатов, развивающих высокие давления, и в некоторых случаях с применением горячих жидкостей. Поэтому проведение этих работ регламентируется особыми правилами по охране труда и пожарной безопасности, несоблюдение которых может привести к очень тяжелым последствиям. Перед началом работ обязательна опрессовка всех коммуникаций на давление, в 1,5 раза превышающее рабочее. ГПП осуществляют, начиная с нижних интервалов.

Потери давления в трубах и межтрубном пространстве при прокачке водопесчаной смеси на каждые 100 м длины, представлены на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 Потери давления в трубах и межтрубном пространстве при прокачке водопесчаной смеси на каждые 100 м длины:

1 - для 140-мм колонны и 73-мм НКТ; 2 - для 140-мм колонны и 89-мм НКТ;

3 - для 168-мм колонны и 73-мм НКТ; 4 - для 168-мм колонны и 89-мм НКТ

Во ВНИИ были определены суммарные потери на трение в реальных скважинах при прокачке водопесчаных смесей. Суммарный расход жидкости равен произведению числа действующих насадок n на расход жидкости через одну насадку.

Например, при шести насадках и расходе через одну насадку 4 л/с, общий расход составит 24 л/с, а потери на трение в скважине глубиной 1700 м при 168-мм колонне и 73-мм НКТ составит около 8,2 МПа. При расходе через 4,5-мм насадку, равном 4 л/с, перепад давления в насадках составит около 40,0 Мпа.

При выборе перепада давления в насадках следует иметь в виду, что нижний предел допустимых перепадов должен обеспечить эффективное разрушение колонны, цементного камня и породы, а поэтому не должен быть меньше 12,0 - 14,0 МПа для 6-мм насадок и 18,0 - 20,0 МПа для насадок 4,5 и 3 мм. При очень большой прочности горных пород, нижние пределы, как показывает опыт, целесообразно увеличить до 18,0 - 20,0 Мпа, для 6-мм насадки и 25,0 - 30,0 Мпа, для 4,5-и 3-мм насадки

Определение темпа закачки в процессе перфорации

Перед проведением ГПП определяется темп закачки (расход) в процессе перфорации

Q=100*n*ф* (3.1)