1349

глинистый буровой раствор. Однако, как показали наши и последующие исследования, достичь прорезания перфорационных каналов не представлялось возможным.

Автор работы [233] основными требованиями к рабочей жидкости ЩГПП считал обеспечение стабильности, исключение оседания песка и тем самым предупреждение прихватов. Как показано выше, с этой целью испытаны глинистые и безглинистые буровые растворы. Полученные результаты указывают, что применение последних неперспективно. Правомерно предположить, что рекомендуемое некоторыми авторами загущение водных растворов полимерами также неперспективно.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что требования к рабочей жидкости для ЩГПП существенно отличаются от требований, предъявляемых к технологическим жидкостям для ремонта скважин и буровым растворам для бурения скважин.

В.С. Калининым предложена рабочая жидкость состава (в кг на 1 м3):

–хлористый кальций – 330;

–бишофит – 500;

–модифицированный крахмал – 58;

–КМЦ – 21;

–дисолван – 8,3.

Данная жидкость имеет высокую плотность (>1250 кг/м3) и применима только в условиях АВПД. Кроме того, ее приготовление требует больших затрат времени, вызванных необходимостью переработки значительного объема солей в пределах 60–100 т в расчете на одну скважину глубиной более 2000 м. Приготовление водных растворов полисахаридов, в частности КМЦ

имодифицированного крахмала, также требует больших затрат времени. Определенные трудности при ЩГПП может вызывать наличие в рабочей жидкостиПАВ, каквданномслучаедисолвана, попричинееевспенивания.

В[233] предлагается применение пластовой воды в качестве рабочей жидкости ЩГПП в карбонатных коллекторах. По нашему мнению, в качестве рабочей жидкости при вскрытии терригенных отложений также может использоваться пластовая вода, но после соответствующей обработки.

Исходя из обзора теоретических, экспериментальных исследований

иобобщения практики широкого промышленного применения ЩГПП в Пермском Прикамье, определены следующие задачи исследований:

– выбор и обоснование объектов для щелевой гидропескоструйной перфорации;

331

–разработка рабочей жидкости (жидкости перфорации) для выполнения ЩГПП, обеспечивающей максимальное сохранение фильтрационноемкостных свойств продуктивного пласта и большую глубину резов в нем;

–разработка технологии формирования четырех диаметрально противоположных протяженных и одновременно большой площади щелей без использованияспециальныхпротягивающихколоннуприспособленийилиустройств;

–разработка технологии, позволяющей совместить во времени подъем НКТ после проведения ЩГПП, спуск лифта или погружного насоса

сочисткой ПЗП (интенсификацией притока);

–разработка конструкции управляемого с поверхности перфоратора и технологии проведения с его применением ЩГПП, вымыва песка из щелей интервала перфорации и ниже него до забоя после выполнения последнего реза;

–разработка и совершенствование технических средств, позволяющих исключить аварийные ситуации при проведении ЩГПП;

–разработка схемы расчета основных параметров ЩГПП;

–обоснование метода контроля местоположения и глубины щелей, образуемых в результате проведения ЩГПП;

–оценка напряженного состояния в призабойной зоне продуктивных пластов в результате проведения ЩГПП;

–проведение испытаний и обобщение результатов применения ЩГПП для вторичного вскрытия продуктивных пластов;

–разработка рекомендаций по рациональной организации работ при проведении ЩГПП.

3.2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВТОРИЧНОГО ВСКРЫТИЯ

ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ ЩЕЛЕВОЙ ГИДРОПЕСКОСТРУЙНОЙ

ПЕРФОРАЦИЕЙ С ОДНОВРЕМЕННОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИЕЙ ПРИТОКА

3.2.1. Состояние проблемы

Щелевая гидропескоструйная перфорация разработана Всесоюзным научно-исследовательским институтом горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом минеральных ресурсов Мирового океана (ВНИИокеангеология) и использовалась в основном как метод создания канала в системе «скважина – пласт» и метод разгрузки призабойной зоны пласта.

332

Однако, несмотря на длительное применение данной технологии, не были решены следующие вопросы:

1)надежное получение протяженных щелей большой площади;

2)освобождение от осевшего песка щелей из интервала перфорации

иниже него до искусственного забоя;

3)определение размеров щелей, образованных в процессе гидропескоструйной перфорации;

4)расчет основных параметров ЩГПП;

5)интенсификация притока в период после завершения ЩГПП до спуска лифта для добычи нефти.

Проблеме создания щелей при гидропескоструйной перфорации посвящены многие работы [53–59]. Так, для реализации проблемы созда-

ния протяженных щелей разрабатывались специальные забойные движители (двигатели) перфораторов (ДП-3, ДП-4, ДПМ) и их усовершенствованная конструкция [233]. Здесь и ниже авторами используется термин «движители», так как они считают его применение более правильным по сравнению с термином «двигатели», так как последние обеспечивают передвижение перфораторов на расстояние не более 1,7 м. Эти устройства работали от давления, создаваемого в рабочей колонне. Перезарядка усовершенствованной конструкции движителя перфоратора производилась за счет создания давления в скважине при обратной циркуляции.

Однако, как показал опыт проведения ЩГПП, практически повсеместно не достигалась синхронизация процессов прорезания щелей должной глубины со скоростью перемещения перфоратора.

Последнее обусловливалось тем, что отклонения в режимах ЩГПП оказывали неадекватное влияние на эти два процесса. Так, например, вспенивание рабочей жидкости в результате насыщения ее газом или попадания реагентов-пенообразователей способствует ускорению прорезания щелей, тогда как перемещение перфоратора замедляется вплоть до остановки.

Отклонения в режимах выполнения ЩГПП также происходили и по другим причинам, таким как:

–применение некачественного режущего материала, в частности мелкого песка с низким содержанием кварца или неокатанного (с острыми кромками);

–неисправность или неподготовленность насосного оборудования – агрегатов высокого давления (АН-700 или СИН-31) или центробежного насоса УСП.

333

Однако влияние этих факторов на рассматриваемые параметры не изучалось.

Кроме того, в процессе проведения ЩГПП с использованием движителей зачастую отмечались отказы или их неустойчивая работа. Так, забойные движители, как и другие механизмы такого типа, имеют низкую надежность, не превышающую 60 %. Наряду с указанным, при работе с движителями перфораторов не представляется возможным в конце перфорации производить удаление осевшего песка.

Следует также отметить, что одним из больших недостатков движителей является небольшая длина рабочего хода от 450 до 1700 мм.

При использовании усовершенствованной конструкции движителя перфоратора авторы [52] предлагают производить его перезарядку, которая достигается при обратной промывке. Но для того, чтобы выйти на обратную промывку, необходимо провести очистку рабочей жидкости от песка, а затем произвести его повторную загрузку. В целом затраты времени на эти операции при отсутствии осложнений составят не менее 4 ч. Кроме того, следует отметить, что при первоначальной и повторной загрузке песка значительная часть рабочего хода движителя перфоратора будет израсходована. Также будет израсходован ресурс насадок и насосных агрегатов.

Таким образом, из приведенного следует, что использование обычных и усовершенствованных движителей перфоратора не решает проблему создания протяженных щелей.

Наряду с вышерассмотренными работами по вскрытию продуктивного пласта щелями в последнее время выполнялись исследования по проведению точечной гидропескоструйной перфорации. Так, Н.А. Петровым разработан ряд конструкций перфораторов [241–251] с устройствами, предотвращающими их продольные и поперечные перемещения и колебания за счет применения механических и гидравлических центраторов.

Необходимость разработки и применения точечной гидроперфорации была обусловлена тем, что в качестве рабочей жидкости было предложено использовать буровой раствор. В то же время известно, что последний обладает низкой режущей способностью, а это требует длительной работы насосных агрегатов (1–1,5 ч) при проведении одного реза. В связи с переходом к точечной перфорации потребовалось провести большую работу по разработке перфораторов с центрирующими устройствами. Это привело к значительному усложнению их конструкций. Кроме того, использование в качестве рабочей жидкости структурированных буровых растворов в сочетании

334

с новыми конструкциями перфораторов привело к необходимости решать задачу по созданию специального канала для заполнения НКТ в процессе их спуска.

В целом переход от щелевой к точечной гидроперфорации обусловил потерю основного эффекта, достигаемого при этом способе вскрытия, снятия напряженного состояния в ПЗП.

Важной, не решенной до последнего времени проблемой оставалась оценка параметров образуемых щелей. Определение размеров щелей в основном производилась расчетным способом по эмпирическим формулам, которыевнеполноймереотражалифактическоесостояние.

3.2.2. Разработка метода щелевой разгрузки призабойной зоны продуктивного пласта

На лифт насосно-компрессорных труб во время гидроперфорации действуют напряжения удлинения – сжатия [252, 253] в результате:

–силы собственного веса колонны труб, направленной вниз по оси скважины;

–силы Архимеда, действующей на трубы снизу вверх;

–сил, возникающих внутри труб при работе перфоратора из-за высоких избыточных давлений и направленных вниз по оси перфоратора;

–колебаний давления из-за неравномерной работы плунжерных насосов агрегатов, которые вызывают продольную возвратно-поступатель- ную вибрацию;

–трения насосно-компрессорных труб об обсадную колонну.

По данным различных источников, продольная вибрация перфоратора при длине НКТ 2000–2500 м и диаметре лифта 73 или 89 мм, при пульсации давлений в 1,5–8 МПа может колебаться в пределах 0,04–0,15 м.

Ввиду того что диаметр перфоратора меньше внутреннего диаметра обсадной колонны, имеются реальные предпосылки для возникновения поперечных вибраций, влияние которых скажется на расширении щелевого канала, в результате чего будет формироваться овальное входное отверстие.

Последнее подтверждается формированием щелей шириной 40 мм и более при использовании насадок диаметром 6 мм. В то же время расширение щелевого канала в результате образования эллиптического входного отверстия положительно сказывается на процесс углубления перфорацион-

335

ного канала ввиду малых сопротивлений возвратных из каналов потоков перфорационной жидкости основному разрушающему напорному потоку.

Формирование протяженных щелей предложено производить, используя особенности динамики поведения перфоратора в сочетании с лифтом на- сосно-компрессорных труб, а также созданием соответствующего режима проведениящелевойгидропескоструйнойперфорации.

Сущность метода щелевой гидропескоструйной перфорации заключается в следующем:

–высокоскоростная затопленная струя жидкости с песком, исходящая из сопел аппарата (в дальнейшем – гидроперфоратор) в направлении стенки скважины под давлением 15–30 МПа интенсивно разрушает в заданном интервале ПЗП металл обсадной колонны, цементное кольцо

ипороду, создавая канал, по которому происходит сообщение скважины с пластом;

–щелевая гидропескоструйная перфорация производится без применения движителей перфоратора и центрирующих устройств;

–щелевая гидропескоструйная перфорация производится перфоратором с управляемым с поверхности клапанным механизмом [254], для чего последний спускается в скважину на расчетную глубину. В компоновку включаются переводник с седлом под шар для опрессовки и реперный патрубок. Производят по РК привязку перфоратора к первому (самому нижнему) резу и приподнимают над ним на величину вытяжки НКТ при ЩГПП.

Проводят повторный контроль геофизическим методом (по РК) местоположения перфоратора относительно первого реза. Щелевую гидропескоструйную перфорацию осуществляют в двух режимах при рабочих давлениях 20 и 30 МПа.

Продолжительность работы в первом режиме – 0,42 ч и во вто-

ром – 0,33 ч.

Вкачестве рабочей жидкости используется пластовая вода с 1,5 % хлористого калия с концентрацией кварцевого песка 60–100 кг/м3.

Впроцессе выполнения первого режима происходит прорезание металла обсадной колонны, цемента и на некоторую глубину породы пласта.

После создания второго режима происходит удлинение НКТ и смещение перфоратора.

Удлинение колонны НКТ под действием рабочего давления на устье рассчитывали по формуле

336

где F – площадь проходного сечения труб, м2; Рпн – потери давления в НКТ и затрубном пространстве, МПа; Р – перепад давления в насадках, МПа; Рп – потери давления в перфорационной полости (канале), МПа; Н – глубина местоположения первого реза, м; fт – площадь поперечного сечения тела трубы, м2; Е – модуль упругости материала труб, МПа (Е = 2,1 · 105 МПа); ε – коэффициент, учитывающий трение труб об обсадную колонну (ε = 1,5–3), принимаем равным 2.

Потери давления в НКТ и затрубном пространстве рассчитывали по формулам

где РНКТ и РЗП – потери давления в НКТ и затрубном пространстве соответственно, МПа.

где λт – коэффициент трения при движении воды в трубах, λт = 0,035; ρсм – плотность рабочей жидкости (жидкость песконоситель + песок), г/см3; Q – расход жидкости, дм3/с; dв – внутренний диаметр НКТ, см;

где λk – коэффициент трения при движении воды в кольцевом пространстве, λk = 0,04; Q – расход жидкости, cм3/с; Dв – внутренний диаметр эксплуатационной колонны, см; dн – наружный диаметр НКТ, см; g – ускорение свободного падения, м2/с.

Ниже приведен пример расчета удлинения колонны НКТ под действием рабочего давления.

Исходные данные:

Н = 2200 м; НКТ = 89×6,5 мм;

337

Эксплуатационная колонна – 168×7 мм; Насосный агрегат – 4АН-700;

Число и диаметр насадок – 4 насадки диаметром 6 мм;

F = 0,004534 м2; Е = 2,1 · 105 МПа;

fт = 0,00168 м2; λт = 0,035;

λk = 0,04;

ρсм = 1,18 г/см3;

Q = 4,8 л/с (1-й режим); Q = 6 л/с (2-й режим);

РПН = 2 МПа (1-й режим); РПН = 3 МПа (2-й режим); Р = 15 МПа (1-й режим); Р = 20 МПа (2-й режим);

Рп = 2,25 МПа (1-й режим); Рп = 3,5 МПа (2-й режим).

338

Удлинение, имеющее место при первом режиме, учитывается при определении места установки перфоратора на первом резе. Перфоратор устанавливается на 0,17 м выше интервала первого реза.

Во втором режиме также происходит удлинение НКТ на 0,17 м, которое будет способствовать формированию продольной и одновременно глубокой щели. Это происходит потому, что на первом режиме при меньшем расходе и давлении произошло формирование канала для жидкости. Во втором режиме происходит формирование щели ниже щели, образованной при первом режиме, и одновременно углубление щелевого канала, созданного при первом режиме. При этом во втором режиме интенсивность прорезания щелей значительно возрастает ввиду более высокой скорости истечения рабочей жидкости с песком и малых сопротивлений возвратных из каналов потоков перфорационной жидкости основному разрушающему напорному потоку, так как возвратные потоки направляются по щели созданной при первом режиме. Наряду с рассчитанным удлинением формируемые щели удлиняются и расширяются за счет продольных и поперечных колебаний. В результате этих процессов при каждом резе, используя перфоратор с 4 насадками, образуются четыре щели, расположенные под углом 90° следующих размеров (мм): длиной 200–300, глубиной 400–450, шириной 30–40. В результате происходит значительное увеличение площади фильтрации (табл. 3.7). После окончания первого реза производится снижение давления путем снижения числа оборотов насосных агрегатов до 10 МПа и выполняется осевое перемещение перфоратора с установкой его на глубине вышележащего второго интервала реза. Его местоположение определяется по метке, установленной заранее на стальной рулетке, прикрепленной к первой муфте НКТ.

Производится прорезание щелевых каналов второго реза в первом

ивтором режимах.

Вдальнейшем операции повторяются до выполнения проектного числа резов, после чего без остановки процесса производится переключение на вымыв осевшего песка из интервала перфорации и ниже него до искусственного забоя и из щелевых каналов. После вымыва песка в интервале перфорации и на 50–100 м выше него в зависимости от приемистости

коллектора размещается жидкость интенсификации притока на период подъема перфоратора и спуска погружного насоса или вызова фонтанного притока нефти.

339

Таблица 3 . 7

Соотношение площадей фильтрации щелей и открытого ствола в продуктивном пласте от толщины пласта и числа резов

Успешная реализация данной технологии потребовала решения следующих задач:

–обоснование выбора объектов для вскрытия щелевой гидропескоструйной перфорацией;

–разработка рабочей жидкости для проведения ЩГПП;

–определение требований к твердому режущему материалу;

–определение рациональной продолжительности первого и второго режимов ЩГПП;

–разработка жидкости интенсификации, позволяющей совместить по времени интенсификацию притока с подъемом НКТ и внедрением насоса для добычи нефти или лифта для фонтанной добычи;

–разработка и совершенствование оборудования, инструмента, тех-

нологической обвязки, организации технологии производства работ, по-

340