Доставка перфораторов и технология работ

Қысқаша негізгісі

Перфоратор доставляют на кабеле — малогабаритный через НКТ в готовую скважину или крупный в обсадную колонну до спуска НКТ, — на трубах, на гибких трубах или на проволоке с автономным блоком. Крупный перфоратор даёт лучшие каналы, перфоратор на трубах — длинный интервал за спуск и большую депрессию, но работа на трубах дольше и дороже.
Депрессию создают до выстрела: давление против пласта — это давление на устье плюс столб жидкости над пластом. Его уменьшают лёгкой жидкостью, понижением уровня в НКТ или азотом.
Нижнюю границу депрессии для нефтенасыщенных песчаников даёт промысловый критерий $\Delta p_{\min} \approx 3100/k^{0{,}37}$ psi — около 6 МПа при 30 мД; лабораторные критерии требуют в 2–4 раза больше. Сверху депрессию ограничивают прочность породы, колонна, пакер и риск подбросить перфоратор на кабеле.
Глубину перфоратора привязывают к опорной диаграмме гамма-каротажа, по которой выбирали интервал; муфты колонны, короткая труба-репер и радиоактивные метки дают точки отсчёта. Достижимая точность — порядка 0,3 м.
Под гидроразрыв перфорируют короткими кластерами; когда закачку делят между кластерами, отверстий делают мало, и потери давления в них выравнивают расход — это ограниченный вход. Проппант размывает отверстия, и эффект слабеет.
Перфорация — взрывные работы на скважине под давлением: её выполняют специализированные подразделения по утверждённому плану; несработавший перфоратор считают снаряжённым.

Негізгі қатынастар

\Delta p_{\text{деп}} = \bar p_R - p_{\text{скв}},\quad p_{\text{скв}} = p_{wh} + 0{,}00981\,\rho h

депрессия при перфорации (МПа, г/см³, м)

\Delta p_{\min} \approx 3100/k^{0{,}37}

приближённый промысловый критерий для нефтенасыщенных песчаников: psi, $k$ в мД (данные — от единиц до сотен мД)

\Delta p_{\text{перф}} = \dfrac{\rho\,q^2}{2\,C_d^2\,n^2 A^2}

потери давления в $n$ отверстиях площадью $A$ каждое (СИ)

Жиі қателіктер

Считать депрессию по критерию гарантией чистых каналов: критерий даёт лишь нижнюю границу и только для песчаников.
Перфорировать на кабеле с большой депрессией без якоря: импульс притока может подбросить перфоратор и запутать кабель.
Ставить перфоратор по длине кабеля без привязки к гамма-каротажу и муфтам.
Делать на кластер под ГРП десятки отверстий: выравнивания расхода не будет.
Путать перфорацию на НКТ (перфоратор спущен на трубах) с перфорацией самих НКТ (отверстие в трубах для циркуляции).

Сабақтан кейін сіз

сравнить доставку перфораторов на кабеле через НКТ и в обсадную колонну, на трубах, на гибких трубах и на проволоке и выбрать способ для заданной скважины;
объяснить, зачем перфорируют на депрессии, оценить её нижнюю границу по промысловому критерию и проверить верхние пределы — по прочности породы и оборудованию;
рассчитать уровень жидкости в НКТ и объём долива, которые создают заданную депрессию, и перепад на пакере до выстрела;
привязать перфоратор по глубине по гамма-каротажу, локатору муфт и меткам;
объяснить, когда применяют ориентированную перфорацию, перфорацию на сверхрепрессии и пороховые генераторы давления;
рассчитать потери давления в перфорационных отверстиях и объяснить, как ограниченный вход распределяет закачку между кластерами при гидроразрыве пласта (ГРП).

Как доставляют перфоратор к пласту

План перфорации — это несколько связанных решений. Вскрывать пласт до спуска лифтовой колонны или в уже оборудованную скважину? На чём спустить перфоратор? Стрелять при давлении в скважине ниже пластового (на депрессии) или выше (на репрессии, overbalance)? Что делать с перфоратором после выстрела? Ответ на первый вопрос во многом предопределяет остальные: в оборудованную скважину можно спустить только то, что пройдёт через НКТ или спущено вместе с ними, а депрессию проще всего создать, когда лифтовая колонна с пакером уже на месте.

На кабеле через НКТ (through-tubing): малогабаритный перфоратор спускают на геофизическом кабеле через уже спущенную и опрессованную лифтовую колонну и стреляют в обсадную колонну ниже воронки НКТ. Скважина при этом закрыта лубрикатором и превентором и может быть под давлением, поэтому перфорировать можно на депрессии и сразу пускать скважину. Плата — малые заряды, короткие каналы и большой зазор до дальней стенки (перфораторы для спуска через НКТ).
На кабеле в обсадную колонну (casing gun): крупный корпусный перфоратор спускают в обсадную колонну ещё до спуска лифтовой: самые большие заряды, высокая плотность, любая фазировка. Но после перфорации в скважину ещё нужно спустить НКТ, поэтому стреляют обычно на репрессии или затем глушат скважину — и каналы оказываются под жидкостью скважины (почему это плохо).
На трубах (tubing-conveyed perforating, TCP): перфоратор свинчивают на нижнем конце НКТ, бурильных труб или колонны испытателя пластов на трубах и спускают вместе с ними. Часто его включают прямо в лифтовую колонну: под пакером висит перфоратор, колонну подвешивают на устье, сажают пакер и стреляют на депрессии. Сотни метров интервала за один спуск, крупные заряды, все каналы вскрываются одновременно. В отечественной практике — перфорация на НКТ; перфораторы для неё обозначают ПНКТ.
На гибких трубах (coiled tubing): непрерывная труба с барабана проходит в наклонные и горизонтальные стволы, куда кабель сам не дойдёт, позволяет работать в скважине под давлением, прокачивать жидкость и собирать перфоратор из нескольких секций.
На проволоке (slickline): перфоратор с автономным блоком — батареей, памятью и электронной схемой инициирования — спускают на тонкой проволоке без жилы. Установка дешевле и проще кабельной, но связи с прибором нет: глубину определяют по записанному локатору муфт и мере труб, а команду на выстрел подают, например, серией импульсов давления с устья (Канатные работы в скважине).

Способы доставки перфоратора

Способ: Кабель через НКТ
Когда: после спуска НКТ
Перфоратор: 35–54 мм
Депрессия: да
Главное ограничение: малые заряды

Способ: Кабель в колонну
Когда: до спуска НКТ
Перфоратор: 86–127 мм
Депрессия: обычно нет
Главное ограничение: каналы под жидкостью глушения

Способ: НКТ или бурильные трубы
Когда: с НКТ или при испытании
Перфоратор: любой
Депрессия: большая
Главное ограничение: отказ — подъём труб

Способ: Гибкие трубы
Когда: наклонные стволы, под давлением
Перфоратор: секциями
Депрессия: да
Главное ограничение: длина секций, стоимость

Способ: Проволока
Когда: несложные работы
Перфоратор: малогабаритный
Депрессия: да
Главное ограничение: нет связи с прибором

Способ	Когда	Перфоратор	Депрессия	Главное ограничение
Кабель через НКТ	после спуска НКТ	35–54 мм	да	малые заряды
Кабель в колонну	до спуска НКТ	86–127 мм	обычно нет	каналы под жидкостью глушения
НКТ или бурильные трубы	с НКТ или при испытании	любой	большая	отказ — подъём труб
Гибкие трубы	наклонные стволы, под давлением	секциями	да	длина секций, стоимость
Проволока	несложные работы	малогабаритный	да	нет связи с прибором

Размеры — ориентировочные для колонны 177,8 мм и НКТ 73 мм; конкретные определяют проход лифтовой колонны и диаметр обсадной.

Длина за один спуск. Перфоратор на кабеле после выстрела поднимают в лубрикатор — трубу над устьем, которая держит давление скважины, пока перфоратор извлекают (лубрикатор и превентор). Поэтому длину перфоратора ограничивают длина лубрикатора и прочность кабеля: обычно это несколько метров, редко больше десятка. Длинный интервал перфорируют за несколько спусков снизу вверх — чтобы следующий перфоратор не проходил через обломки и свежие каналы и не застрял в них. Если интервал длинный, а лубрикатор короткий, перфоратор собирают в скважине: сначала сажают якорь, на него по одной ставят секции, сверху — головку инициирования, отстреливают всё сразу, а затем поднимают секции по одной или сбрасывают вниз.

Несколько коротких интервалов за один спуск простреливают перфоратором с адресными переключателями (selective firing): секции подрывают по одной, по отдельной команде, передвигая перфоратор между выстрелами. Так же устроена перфорация в горизонтальных скважинах при многостадийном ГРП (раздел о гидроразрыве).

На трубах перфоратор стреляет по сигналу головки инициирования. Сигнал подают сбрасываемой в трубы штангой (механически), давлением в трубах или в затрубье (гидравлически) или по кабелю, который опускают в трубы и стыкуют с головкой в скважине. Гидравлическим и механическим головкам не нужны ограничения на радиопередачи, которые действуют при электрическом инициировании (раздел о безопасности). Что выбрать — кабель или трубы, — решают по интервалу, нужной депрессии и цене ошибки:

На кабеле или на трубах: как сравнивают

Критерий: Интервал за спуск
На кабеле: метры; длинный — за несколько спусков
На трубах: сотни метров сразу

Критерий: Депрессия
На кабеле: умеренная; полная — только в первом спуске
На трубах: большая, на весь интервал

Критерий: Заряды в горячей скважине
На кабеле: часы
На трубах: сутки и больше

Критерий: Если выстрела не было
На кабеле: поднимают на кабеле
На трубах: поднимают трубы

Критерий: После работы
На кабеле: ствол ниже НКТ свободен
На трубах: перфоратор сбрасывают в зумпф или поднимают

Критерий: Стоимость
На кабеле: выгоднее для коротких интервалов
На трубах: выгоднее для длинных

Критерий	На кабеле	На трубах
Интервал за спуск	метры; длинный — за несколько спусков	сотни метров сразу
Депрессия	умеренная; полная — только в первом спуске	большая, на весь интервал
Заряды в горячей скважине	часы	сутки и больше
Если выстрела не было	поднимают на кабеле	поднимают трубы
После работы	ствол ниже НКТ свободен	перфоратор сбрасывают в зумпф или поднимают
Стоимость	выгоднее для коротких интервалов	выгоднее для длинных

Зумпф — заранее пробуренная ниже интервала часть ствола. Оставленный против пласта перфоратор мешает спускать приборы для исследований ниже конца НКТ.

Депрессия при перфорации: сколько и как её создать

Почему депрессия очищает каналы, разобрано в уроке уплотнённая зона и очистка каналов: в первые доли секунды после выстрела пласт отдаёт в свежий канал импульс притока, который выносит обломки и разрушает часть уплотнённой зоны. Чего стоит неочищенный канал в дебите, посчитано в уроке скин уплотнённой зоны. Для технологии отсюда два вывода. Депрессия должна существовать в момент выстрела, а не появиться потом при добыче. И она одна для всего интервала: если пласт неоднороден, слабые и плотные пропластки получают одну и ту же депрессию.

Перфорация на кабеле через НКТ даёт полную депрессию только при первом спуске. После него в скважину приходит пластовый флюид, и давление против уже вскрытого интервала выравнивается с пластовым. Следующие интервалы перфорируют почти без депрессии — если только скважину не пускают в работу между спусками, а это требует осторожности: поток подхватывает перфоратор. Перфоратор на трубах вскрывает весь интервал сразу, и вся депрессия достаётся каждому каналу.

Давление против пласта перед выстрелом и депрессия

p_{\text{скв}} = p_{wh} + \rho\,g\,h, \qquad \Delta p_{\text{деп}} = \bar p_R - p_{\text{скв}}

мұндағы:

$p_{\text{скв}}$ давление в скважине против интервала перфорации в момент выстрела (избыточное), Па
$p_{wh}$ давление на устье в трубах, по которым передаётся давление к интервалу (над жидкостью), Па
$\rho,\ h$ плотность жидкости и высота её столба над серединой интервала по вертикали, кг/м³, м
$\bar p_R$ пластовое давление на глубине интервала (избыточное), Па
$\Delta p_{\text{деп}}$ депрессия; отрицательное значение — репрессия, Па

Бірліктер: СИ

Мына жағдайда орындалады

жидкость в покое, плотность по высоте постоянна; если в стволе несколько жидкостей, столбы складывают;
газ над уровнем жидкости легче её в сотни раз, его вес не учитывают (при высоком давлении газа — учитывают);
пластовое давление — текущее: в истощённом пласте оно ниже начального, и тот же столб жидкости, что раньше давал депрессию, может дать репрессию.

Депрессию регулируют тремя ручками: давлением на устье, плотностью жидкости и высотой её столба. Повысить её можно лёгкой жидкостью, понижением уровня в трубах или вытеснением жидкости азотом.

Басқа бірліктер жүйелерінде (2)

Метрические единицы

p_{\text{скв}}\,[\text{МПа}] = p_{wh} + 0{,}00981\,\rho\,[\text{г/см}^3]\;h\,[\text{м}]

давления — МПа, плотность — г/см³, высота — м.

0,00981 МПа — давление столба жидкости плотностью 1 г/см³ высотой 1 м.

Промысловые единицы (oilfield)

p_{\text{скв}}\,[\text{psi}] = p_{wh} + 0{,}052\,\rho\,[\text{ppg}]\;h\,[\text{ft}]

давления — psi, плотность — ppg, высота — футы.

0,052 psi/ft на ppg — из промысловой формулы гидростатического давления.

Сколько нужно. Количественные критерии появились, когда начали перфорировать на трубах с разной депрессией и сравнивать результаты. В промысловом исследовании середины 1980-х годов скважины после перфорации на депрессии обрабатывали кислотой: если обработка не увеличивала продуктивность, каналы считали уже чистыми. Позже эти данные обобщили степенной зависимостью — для нефтенасыщенных песчаников она даёт нижнюю границу депрессии:

Минимальная депрессия для нефтенасыщенного песчаника (промысловый критерий)

\Delta p_{\min} \approx \frac{3100}{k^{0{,}37}}

мұндағы:

$\Delta p_{\min}$ наименьшая статическая депрессия, при которой каналы очищались, psi
$k$ проницаемость пласта, мД

Бірліктер: эмпирическая: $\Delta p_{\min}$ в psi, $k$ в мД

Мына жағдайда орындалады

нефтенасыщенные песчаники, перфорация на трубах со статической депрессией; для газа получали другую зависимость, для карбонатов связь с проницаемостью не работает;
приближённый подбор по разбросанным данным скважин с проницаемостью в основном от единиц до нескольких сотен миллидарси: разные обработки тех же данных дают коэффициент примерно от 2900 до 3500 psi при показателе 0,36–0,37, а за пределами этого диапазона формула — экстраполяция;
это нижняя граница по косвенному признаку (реакции на кислоту), а не гарантия чистых каналов;
более поздние лабораторные критерии требуют депрессии в 2–4 раза больше.

Чем плотнее пласт, тем больше нужна депрессия: при 10 мД — около 1300 psi (9 МПа), при 100 мД — около 560 psi (3,9 МПа). Плотный пласт отдаёт в канал слишком слабый поток, чтобы при малой депрессии разрушить уплотнённую зону.

Басқа бірліктер жүйелерінде (1)

Метрические единицы

\Delta p_{\min}\,[\text{МПа}] \approx \frac{21{,}4}{k^{0{,}37}}

$\Delta p_{\min}$ — МПа, $k$ — мД.

$21{,}4 \approx 3100/145{,}04$ (145,04 psi в 1 МПа).

Лабораторные опыты 1990-х годов — выстрел в обжатый образец породы с последующей прокачкой — показали, что для действительно чистых каналов нужно больше, а позже выяснилось, почему. Уплотнённая зона разрушается, когда напряжения от перепада давления превышают её прочность, поэтому нужная депрессия определяется прочностью породы, а проницаемость служит лишь её косвенным признаком: у песчаников прочность и проницаемость связаны, у карбонатов — нет. К тому же в первые миллисекунды давление в стволе колеблется, и статическая депрессия, созданная до выстрела, может на короткое время смениться репрессией. Отсюда идея управлять самим импульсом — динамическая депрессия (дополнительный раздел).

Почему больше — не всегда лучше. Сверху депрессию ограничивают:

прочность породы. В слабых песчаниках избыточная депрессия разрушает стенки каналов, и в скважину идёт песок, а мелкие частицы мигрируют в порах и снижают проницаемость (Пескопроявление: виды, прогноз и цена проблемы);
колонна и оборудование. Перепад давления действует на эксплуатационную колонну ниже пакера, на сам пакер и на НКТ. Если он больше расчётного, колонну может смять, пакер — сдвинуть или повредить (Расчёт обсадных колонн, пакеры);
перфоратор на кабеле. Импульс притока может подбросить лёгкий перфоратор, перепутать и порвать кабель; на кабеле депрессию берут меньше или ставят якорь;
сам пласт. Депрессия не может быть больше пластового давления: в истощённых пластах её просто не из чего создать.

Как создают депрессию. Скважину заполняют жидкостью легче той, что уравновешивает пласт, — нефтью, дизельным топливом, раствором меньшей плотности; понижают уровень в НКТ, отбирая жидкость свабом или вытесняя её азотом; в газовой скважине стравливают давление на устье; спускают НКТ пустыми и после посадки пакера доливают в них расчётный объём жидкости. Долив особенно удобен при перфорации на НКТ: объём жидкости задаёт уровень, а уровень — давление против пласта.

Есептеу мысалыПерфорация на НКТ под пакером: сколько долить в трубы

Бастапқы деректер (шартты)

Скважина: пласт на 2000 м по вертикали, пластовое давление 21,6 МПа, проницаемость 30 мД, нефтенасыщенный песчаник
Компоновка: перфоратор на НКТ 73 мм (внутри 62 мм) под пакером на 1950 м в колонне 177,8 мм; НКТ сообщаются с подпакерным пространством через перфорированный патрубок над перфоратором; под пакером и в затрубье — рассол 1,05 г/см³
Решение: НКТ спускают пустыми (отверстия патрубка на время спуска закрыты), после посадки пакера сообщают с подпакерным пространством и доливают рассолом; давление на устье в НКТ — атмосферное
Пределы: по устойчивости породы депрессия не больше 12 МПа; выбрана депрессия 8,0 МПа

Шешім

Нижняя граница по промысловому критерию: $30^{0{,}37} = 3{,}52$ , $\Delta p_{\min} = 3100/3{,}52 = 881$ psi, или $881/145{,}04 = 6{,}07$ МПа. Выбранные 8,0 МПа больше этой границы и меньше предела по породе — 12 МПа.
Давление против пласта перед выстрелом: $21{,}6 - 8{,}0 = 13{,}6$ МПа. Его должен создать столб рассола высотой $h = 13{,}6/(0{,}00981\cdot1{,}05) = 1320$ м, то есть уровень в НКТ — на глубине $2000 - 1320 = 680$ м.
Вместимость НКТ 3,02 л/м. Под пакером колонна уже заполнена, поэтому доливают только НКТ от пакера до уровня: $(1950 - 680)\cdot 3{,}02 = 3835$ л, около 3,84 м³.
Для сравнения: с НКТ, полностью заполненными рассолом, депрессия была бы лишь $21{,}6 - 0{,}00981\cdot1{,}05\cdot2000 = 1{,}00$ МПа, а с пустыми до пакера — 21,1 МПа, больше предела по породе.
Перепад на пакере до выстрела: в затрубье на 1950 м $0{,}00981\cdot1{,}05\cdot1950 = 20{,}09$ МПа, под пакером $0{,}00981\cdot1{,}05\cdot(1950 - 680) = 13{,}08$ МПа; пакер держит около 7,0 МПа сверху.

Жауап: В пустые НКТ доливают около 3,84 м³ рассола — до уровня на 680 м; депрессия в момент выстрела 8,0 МПа при нижней границе по критерию 6,07 МПа.

Бұл нені білдіреді. Запас над критерием небольшой — и это нормально: критерий даёт нижнюю границу по старым промысловым данным, а более поздние лабораторные критерии потребовали бы 12–24 МПа — на пределе устойчивости породы и выше пластового давления. Поэтому депрессию выбирают как компромисс между очисткой каналов и устойчивостью породы, а результат проверяют исследованием скважины после пуска. Расчёт статический: колебания давления в первые миллисекунды и динамическая депрессия от заполнения корпуса перфоратора в нём не учтены. После выстрела приток поднимает уровень в НКТ, и скважину выводят на режим через штуцер. Перепад на пакере (7,0 МПа сверху) и на колонне ниже пакера сверяют с их паспортами. Данные примера условные.

ЕсептеуДавление по глубине перед выстрелом в примере: в НКТ над уровнем 680 м — атмосферное, ниже — столб рассола 1,05 г/см³; в затрубье над пакером рассол до устья. Против пласта на 2000 м давление в скважине на 8 МПа ниже пластового; на пакере затрубье давит сверху на 7 МПа сильнее.

Перфорация на репрессии остаётся обычной для крупных перфораторов на кабеле, спущенных в колонну до спуска НКТ, а также перед ГРП и кислотной обработкой, которые всё равно пройдут через каналы под давлением. Вред от неё уменьшают: перфорируют в чистой отфильтрованной жидкости без твёрдой фазы, ограничивают уход жидкости в пласт загущёнными или кольматирующими пачками, которые потом удаляются, и как можно раньше пускают скважину (Повреждение пласта и скин повреждения).

Критерий — нижняя граница, а не рецепт

Скважина, перфорированная с депрессией по критерию, может всё равно дать положительный скин: неоднородный интервал, колебания давления в стволе, мелкие частицы в порах. Поэтому после пуска скважину исследуют и по скину решают, нужна ли обработка (Скин-фактор). Если же нужная депрессия недостижима — пласт истощён или порода слабая, — каналы очищают другим способом: динамической депрессией, сверхрепрессией или сразу гидроразрывом.

Привязка перфоратора по глубине

Интервал перфорации выбирают по диаграммам каротажа в открытом стволе — по ним видны нефтенасыщенная часть пласта, глинистые перемычки, контакты. Значит, и перфоратор надо поставить по глубине этих диаграмм, а не по длине кабеля или труб. Расхождение в метр в пласте толщиной в несколько метров может вскрыть воду под нефтью или газ над ней.

Длина спущенного кабеля даёт глубину лишь приблизительно: в скважине кабель нагревается и удлиняется, трение в наклонном стволе и затяжки меняют его растяжение, мерный ролик проскальзывает (почему ошибается счётчик глубины). Длина колонны труб тоже меняется от веса и температуры. Поэтому глубину уточняют на месте по признакам, которые видны и через обсадную колонну.

Гамма-каротаж (ГК): естественная радиоактивность пород видна и через колонну, хотя и ослабленной (Гамма-каротаж и спектрометрия естественной радиоактивности). Над перфоратором ставят датчик ГК и записывают короткий участок; его пики сравнивают с опорной диаграммой ГК открытого ствола и находят поправку к глубине по кабелю.
Локатор муфт (ЛМ; casing collar locator, CCL): магнит и катушка: напротив муфты колонны металла больше, магнитный поток меняется, и при движении прибора в катушке возникает импульс. Муфты повторяются через длину трубы — около 10–13 м, — и по их рисунку и мере труб, записанной при спуске колонны, находят положение прибора.
Короткая труба-репер (marker joint): заранее поставленная в колонну над продуктивным пластом укороченная труба: две близкие муфты на диаграмме ЛМ нельзя спутать ни с какими другими.
Радиоактивная метка: маленький источник в муфте обсадной колонны или в трубах над перфоратором на НКТ. Её глубину находят прибором ГК, а перфоратор на трубах — по известному расстоянию от метки до верхнего заряда.

Как ставят перфоратор на кабеле

1
Расчёт
по опорной диаграмме и интервалу находят глубины верхнего и нижнего зарядов, по сборке — расстояния от датчиков ГК и ЛМ до верхнего заряда.
2
Контрольная запись
сборку опускают ниже интервала и, поднимая, записывают ГК и ЛМ через интервал и над ним.
3
Поправка
сравнивают пики ГК и муфты с опорными и вычисляют, на сколько глубина по кабелю отличается от глубины опорной диаграммы.
4
Установка
перфоратор подтягивают к расчётной глубине с учётом поправки и, если есть время, повторяют короткую запись, проверяя муфту напротив датчика.
5
Выстрел и проверка
после выстрела фиксируют фактическую глубину и признаки срабатывания; фактический интервал записывают в дело скважины.

Перфоратор на трубах тоже привязывают по ГК: прибор на кабеле опускают внутрь НКТ, находят радиоактивную метку над перфоратором, и колонну подгоняют — добавляют или убирают короткие патрубки — до посадки пакера. На проволоке, где связи с прибором нет, ЛМ пишет в память, а прижимное устройство на каждой муфте на мгновение увеличивает натяжение проволоки — это видно на поверхности; глубину считают по мере труб. При всех способах достижимая точность — порядка 0,3 м.

Ориентированная перфорация, сверхрепрессия и пороховые генераторы

Ориентированная перфорация. Обычно направление выстрелов задаёт фазировка, а сам перфоратор может повернуться как угодно. Иногда направление важно, и перфоратор поворачивают в скважине грузом со смещённым центром тяжести, магнитным устройством или по гироскопу:

малогабаритный перфоратор в широкой колонне прижимают к стенке и стреляют в ближнюю стенку (фазировка 0°);
под гидроразрыв каналы направляют по будущей трещине — вдоль наибольшего горизонтального напряжения, чтобы у трещины не было извилистого участка у ствола (ориентация трещины);
в скважине с двумя колоннами НКТ верхний пласт перфорируют, отвернув заряды от соседней колонны: её находят по магнитному полю;
в горизонтальных скважинах в слабых песчаниках каналы направляют вверх и вниз — вдоль наибольшего, обычно вертикального, напряжения: вокруг такого канала действуют два меньших напряжения, и его стенки устойчивее (Пескопроявление: виды, прогноз и цена проблемы).

Перфорация на сверхрепрессии (extreme overbalance) решает ту же задачу с обратной стороны: обломки не вытягивают из каналов притоком, а заталкивают глубоко в пласт. Для этого давление в трубах над интервалом поднимают выше давления разрыва пласта — сжатым азотом над небольшим столбом жидкости. После выстрела расширяющийся газ гонит жидкость в каналы, порода у их концов раскалывается, и обломки уходят в короткие трещины. Когда давление падает ниже давления закрытия, трещины смыкаются, мусор остаётся вдали от ствола, а каналы сообщены с пластом. К методу прибегают, когда депрессию создать нельзя или она не помогает, и как к подготовке перед ГРП. Плата — высокое давление на устье и большой объём сжатого газа на поверхности.

Пороховые генераторы давления (ПГД; propellant) дают похожий эффект без сжатого газа на поверхности: источник давления спускают в скважину. Это твёрдое топливо, которое не детонирует за микросекунды, как взрывчатое вещество, а сгорает за миллисекунды. Вместо ударной волны получается импульс газа высокого давления, и он раскрывает в призабойной зоне короткие трещины — в отечественной практике это называют газодинамическим разрывом пласта. Топливо размещают на перфораторе — тогда трещины начинаются прямо от свежих каналов — или спускают отдельным устройством.

Перфорация под гидроразрыв: кластеры и ограниченный вход

Перфорация под ГРП решает другие задачи, чем перфорация под естественный приток. Канал может быть коротким — трещина всё равно уйдёт за зону повреждения, — зато отверстие должно пропускать проппант (заряды большого диаметра), каналы — смотреть по будущей трещине, а интервал быть коротким, чтобы трещина начиналась в заданном месте, а не в нескольких сразу. Потери давления в отверстиях входят в давление закачки (давление при закачке).

В горизонтальных скважинах ГРП делают стадиями: на каждой стадии перфорируют несколько коротких кластеров — участков в доли метра с несколькими отверстиями — и закачивают жидкость сразу во все. В обсаженном стволе для этого на кабеле спускают сборку из пробки и перфоратора с адресными секциями; в горизонтальный участок её доставляют потоком закачиваемой жидкости. Пробка отсекает уже обработанную стадию, секции стреляют по одной на местах кластеров, сборку поднимают и проводят ГРП. Другой путь — муфты в хвостовике, которые открывают сбрасываемыми шарами, без перфорации (Горизонтальные скважины). Расстояние между кластерами выбирают так, чтобы трещины не мешали друг другу напряжениями — каждая раскрытая трещина сжимает породу вокруг себя («тень напряжений», stress shadow), — но и не оставляли между собой необработанную породу.

Кластеры одной стадии работают параллельно, а давление закрытия у них разное. Если отверстий много, жидкость пойдёт в основном туда, где порода раскрывается легче, а кластеры с большим давлением закрытия получат мало или ничего. Ограниченный вход (limited entry) выравнивает расход: отверстий делают мало, и потери давления в них при расчётном расходе становятся больше, чем разница давлений закрытия. Тогда расход кластера определяет в основном число его отверстий, а не порода за ними.

Потери давления в перфорационных отверстиях

\Delta p_{\text{перф}} = \frac{\rho\,q^2}{2\,C_d^2\,n^2 A^2}, \qquad A = \frac{\pi d^2}{4}

мұндағы:

$\Delta p_{\text{перф}}$ потери давления при входе жидкости из колонны в пласт через отверстия, Па
$q$ расход жидкости через эти отверстия, м³/с
$\rho$ плотность жидкости (с проппантом — смеси), кг/м³
$n,\ d$ число открытых отверстий и их диаметр, —, м
$C_d$ коэффициент расхода: около 0,6 у новых отверстий с острыми краями, растёт примерно до 0,9, когда проппант скругляет края, —

Бірліктер: СИ

Мына жағдайда орындалады

течение как через короткое сопло: давление переходит в скорость струи, трение по длине канала не учитывается;
расход делится между отверстиями поровну;
размыв отверстий проппантом увеличивает и $C_d$ , и $d$ , и потери падают в разы.

Потери растут как квадрат расхода и обратно пропорциональны квадрату числа отверстий и четвёртой степени их диаметра: вдвое меньше отверстий — вчетверо больше потерь. Та же формула описывает перепад на насадках долота (Потери давления при циркуляции).

Басқа бірліктер жүйелерінде (2)

Метрические единицы

\Delta p_{\text{перф}}\,[\text{МПа}] = 2{,}25\cdot10^{5}\,\frac{\rho\,[\text{г/см}^3]\;q^2\,[\text{м}^3/\text{мин}]}{C_d^2\,n^2\,d^4\,[\text{мм}]}

плотность — г/см³, расход — м³/мин, диаметр — мм.

$2{,}25\cdot10^{5} \approx 8\cdot10^{9}/(3600\,\pi^2)$ : формула СИ $8\rho q^2/(\pi^2 C_d^2 n^2 d^4)$ с переводом г/см³ → кг/м³, м³/мин → м³/с, мм → м и Па → МПа.

Промысловые единицы (oilfield)

\Delta p_{\text{перф}}\,[\text{psi}] = 0{,}2376\,\frac{\rho\,[\text{ppg}]\;q^2\,[\text{bbl/min}]}{C_d^2\,n^2\,d^4\,[\text{in}]}

плотность — ppg, расход — баррели в минуту, диаметр — дюймы.

0,2376 — тот же пересчёт единиц (ppg → кг/м³, bbl/min → м³/с, дюймы → м, Па → psi); в справочниках встречаются значения, отличающиеся в третьем знаке из-за округлений.

Есептеу мысалыОграниченный вход: 20 отверстий на кластер или 5

Бастапқы деректер (шартты)

Стадия: четыре кластера, давление закрытия 40,0; 40,5; 41,0 и 42,0 МПа
Закачка: 9 м³/мин жидкости 1050 кг/м³
Отверстия: диаметр 10 мм, $C_d$ = 0,6; после размыва — 11 мм и 0,85
Упрощения: трение в колонне между кластерами, чистое давление и извилистость у ствола не учитываются

Шешім

20 отверстий на кластер (80 на стадию). При равном делении через отверстие идёт $9/60/80 = 0{,}001875$ м³/с, скорость $0{,}001875/(7{,}854\cdot10^{-5}) = 23{,}87$ м/с, потери $1050\cdot23{,}87^2/(2\cdot0{,}6^2)$ Па $= 0{,}83$ МПа — меньше разницы давлений закрытия в 2 МПа.
Поэтому самый напряжённый кластер почти не раскрывается: доли расхода 39 / 34 / 27 / 0,2 %, забойное давление 42,0 МПа.
5 отверстий на кластер (20 на стадию): скорость вчетверо больше, потери в 16 раз больше — 13,3 МПа при равном делении. Доли 26 / 25 / 25 / 24 %, забойное давление 54,2 МПа — на 12,2 МПа выше.
После размыва отверстий потери при равном делении умножаются на $(0{,}6/0{,}85)^2(10/11)^4 = 0{,}34$ и падают до 4,5 МПа, а доли расходятся: 27 / 26 / 25 / 22 %.

Жауап: С пятью отверстиями на кластер все четыре кластера получают по 24–26 % расхода; с двадцатью кластер с наибольшим давлением закрытия получает 0,2 %.

Бұл нені білдіреді. Ограниченный вход покупает равномерность давлением: забойное давление выросло на 12,2 МПа, а с ним давление на устье и мощность насосов, и всё это должно оставаться в пределах прочности колонны и оборудования. Эффект временный: проппант скругляет и расширяет отверстия, и к концу стадии выравнивание слабеет. Неучтённое трение в колонне добавляет расхода кластерам, ближним к пятке, а извилистость у ствола различается от кластера к кластеру — на деле распределение хуже расчётного, и его проверяют по скважинным датчикам и записям. Данные примера условные.

ЕсептеуРасчётная доля расхода каждого из четырёх кластеров примера в зависимости от числа отверстий в кластере (по 10 мм,

C_d

= 0,6, 9 м³/мин на стадию). При 4–6 отверстиях кластеры получают почти поровну; при 20 и больше кластер с давлением закрытия 42 МПа практически не раскрывается.

Безопасность: на чём строятся правила

Перфорация соединяет две опасности: взрывчатые вещества и скважину под давлением. Конкретные требования задают нормы промышленной безопасности для взрывных работ, проект работ и инструкции изготовителей; в международной практике их сводит рекомендуемая практика API RP 67. Ниже — принципы, на которых они построены.

Специалисты и проект. Хранение, перевозку, снаряжение перфораторов, спуск и отстрел выполняет служба прострелочно-взрывных работ (ПВР) с допуском к взрывным работам, по утверждённому плану. На время работ вокруг устья и места снаряжения вводят опасную зону, из которой выводят всех, кто не участвует в работе.
Посторонний ток. Электрическое средство инициирования может сработать от блуждающих токов, наведённого напряжения или радиоизлучения. Поэтому, пока такой перфоратор подключён и находится у поверхности, ограничивают работу радиопередатчиков, сварку и другие источники тока и проверяют, нет ли опасного напряжения между оборудованием, колонной и кабелем. Механическое и гидравлическое инициирование этих ограничений не требует, но у него свои меры защиты от срабатывания не на той глубине.
Скважина под давлением. После первого выстрела пласт сообщается со скважиной. Перфоратор на кабеле извлекают через лубрикатор с превентором (оборудование устья), лифтовую колонну для перфорации на трубах опрессовывают до выстрела, а план работ предусматривает, как закрыть и заглушить скважину (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления).
Отказ — это снаряжённый перфоратор. Если выстрела не было или сработали не все заряды, перфоратор считают заряженным, поднимают и разряжают по особому порядку; в его корпусе может оставаться давление.
Перфоратор не должно подбросить. Депрессию при перфорации на кабеле ограничивают, при необходимости ставят якорь; сильный поток может бросить перфоратор вверх, запутать и порвать кабель.
Газ и сероводород. На газовых и сероводородсодержащих скважинах — газоанализаторы и средства защиты; на поверхность может прийти флюид пласта.

Терминдер мен белгілер

Перфорация на кабеле, на НКТ (перфораторы ПНКТ), на гибких трубах, на проволоке: способы доставки перфоратора; на кабеле — через НКТ или в колонну до спуска НКТ.
Перфорация на депрессии и на репрессии: перфорация при давлении в скважине ниже или выше пластового в момент выстрела.
Головка инициирования: устройство, которое подрывает перфоратор на трубах: от сбрасываемой штанги, давления или по кабелю.
Локатор муфт: магнитный прибор, отмечающий муфты обсадной колонны; вместе с ГК служит для привязки по глубине.
Ориентированная перфорация: перфорация с заданным направлением каналов: к стенке, по трещине ГРП, от соседней колонны, вверх-вниз.
Сверхрепрессия и пороховой генератор давления: способы разорвать породу у каналов газом под давлением — сжатым азотом или продуктами горения топлива.
Ограниченный вход: малое число отверстий, потери давления в которых выравнивают закачку между кластерами.

Жиі қателіктер

Қате

«Чем больше депрессия, тем чище каналы — берём максимальную».

Шын мәнінде

Сверху депрессию ограничивают прочность породы (песок, мелкие частицы), колонна и пакер, а на кабеле — риск подбросить перфоратор. Её выбирают между нижней границей по критерию и этими пределами.

Қате

«Длина кабеля и есть глубина перфоратора».

Шын мәнінде

В скважине кабель нагревается, его растяжение меняется с трением и затяжками, ролик проскальзывает. Глубину привязывают к опорной диаграмме ГК по пикам ГК, муфтам и меткам.

Қате

«Под ГРП делаем побольше отверстий — меньше потерь давления».

Шын мәнінде

Когда закачку делят между кластерами, малые потери оставляют всё распределение породе: жидкость уйдёт в кластеры с меньшим давлением закрытия. Ограниченный вход сознательно делает потери больше разницы давлений закрытия.

Қате

«Перфорация на трубах всегда лучше, чем на кабеле».

Шын мәнінде

Для длинных интервалов и большой депрессии — да. Но короткий интервал в уже освоенной скважине быстрее и дешевле прострелить на кабеле через НКТ; на трубах заряды дольше греются, а отказ стоит подъёма колонны.

Қате

«Перфоратор не выстрелил — значит, он безопасен».

Шын мәнінде

Несработавший или частично сработавший перфоратор считают заряженным: его поднимают и разряжают по особому порядку; в корпусе может оставаться давление.

Толық: тереңдетілген

Первая секунда после выстрела: статическая и динамическая депрессия

Записи быстрых манометров показали, что давление в стволе в первые десятки миллисекунд после выстрела совсем не постоянно. Сначала газы взрыва и раздувание корпуса поднимают его, затем жидкость скважины устремляется в пустой корпус перфоратора, где до выстрела было атмосферное давление, и давление у каналов резко падает. Пока оно колеблется, жидкость скважины может на мгновение войти в каналы даже при статической депрессии — и, наоборот, кратковременное падение давления может очистить каналы при статическом равновесии.

На этом построена динамическая депрессия: объём пустот в перфораторе и камерах подбирают так, чтобы в нужный момент — сразу после того, как каналы пробиты, — давление у них упало на расчётную величину. За миллисекунды каждый канал успевает отдать лишь свой небольшой объём флюида, и соседние каналы друг у друга поток не отнимают; общий объём притока мал, поэтому меньше риск выноса песка и прихвата перфоратора. Когда же устанавливается общий приток, флюид выбирает самые проводящие каналы, а забитые так и остаются почти без потока.

Отсюда же современная трактовка критериев: очистку определяет не столько статическая депрессия, сколько наибольший перепад давления в первые миллисекунды и прочность уплотнённой зоны. Промысловый критерий урока остаётся полезной нижней границей для песчаников, но расчёт конкретной перфорации делают по программам, моделирующим динамику ствола для выбранного перфоратора и скважины.

Откуда формула потерь в отверстиях

Жидкость в колонне движется медленно, а в отверстии разгоняется до скорости $v$ . По уравнению Бернулли на разгон уходит $\rho v^2/2$ , а реальные потери на входе и сжатие струи учитывает коэффициент расхода: $\Delta p = \rho v^2/(2C_d^2)$ . Через $n$ отверстий площадью $A$ идёт расход $q = n A v$ , откуда $\Delta p_{\text{перф}} = \rho q^2/(2C_d^2 n^2 A^2)$ . С $A = \pi d^2/4$ получается $8\rho q^2/(\pi^2 C_d^2 n^2 d^4)$ — отсюда четвёртая степень диаметра.

Почему потери падают при размыве: проппант сначала скругляет острые кромки — $C_d$ растёт от 0,6 примерно до 0,9, и одно это уменьшает потери больше чем вдвое, — а затем расширяет отверстие, и потери падают ещё как четвёртая степень диаметра. Поэтому при ограниченном входе расчёт на новых отверстиях даёт верхнюю границу потерь, а к концу стадии они в разы меньше. Изменение давления при ступенчатом снижении расхода в конце закачки позволяет оценить, сколько отверстий реально работает: потери в отверстиях пропорциональны квадрату расхода.

Басқа тақырыптармен байланыс

Кумулятивная перфорация — заряды, перфораторы, фазировка, уплотнённая зона и почему депрессия очищает каналы.
Влияние заканчивания на приток — скин перфорации и уплотнённой зоны — что даёт чистый канал в дебите.
Канатные работы в скважине — кабель и проволока, лубрикатор, превентор, грузы и расчёты натяжения при спуске перфоратора.
Оборудование лифтовой колонны — пакер, ниппели и циркуляционные клапаны компоновки для перфорации на НКТ.
Пескопроявление: виды, прогноз и цена проблемы — прочность породы и критическая депрессия — верхний предел депрессии при перфорации.
Гамма-каротаж и спектрометрия естественной радиоактивности — гамма-каротаж, по которому привязывают перфоратор.
Механика горных пород для гидроразрыва — напряжения, ориентация трещины и давление при закачке.
Гидроразрыв пласта: назначение и выбор скважин — зачем нужен ГРП и как выбирают скважины.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — барьеры и контроль скважины — после первого выстрела она под давлением.

Өзіңізді тексеріңіз

1
Скважина освоена: лифтовая колонна 73 мм с пакером опрессована, устье смонтировано. Нужно добавить интервал 3 м выше уже работающего пласта, быстро и недорого. Какой способ доставки подходит лучше?
1. А.Перфоратор на бурильных трубах
2. Б.Малогабаритный перфоратор на кабеле через НКТ, с лубрикатором
3. В.Корпусный перфоратор 114 мм на кабеле
4. Г.Перфоратор на НКТ с подъёмом лифтовой колонны
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: Б. Малогабаритный перфоратор на кабеле через НКТ, с лубрикатором
Крупный перфоратор не пройдёт через НКТ, а работа на трубах потребует подъёма лифтовой колонны и глушения. Малогабаритный перфоратор на кабеле проходит через НКТ, скважина остаётся под контролем лубрикатора и превентора, и можно стрелять на депрессии. Плата — более короткие каналы.
2
Нефтенасыщенный песчаник проницаемостью 50 мД на 2500 м, пластовое давление 25,0 МПа. НКТ до устья заполнены нефтью 0,85 г/см³, давление на устье атмосферное. Достаточна ли депрессия по промысловому критерию? Если нет, на сколько метров нужно понизить уровень?
Жауабын көрсету
Давление против пласта $0{,}00981\cdot0{,}85\cdot2500 = 20{,}85$ МПа, депрессия $25{,}0 - 20{,}85 = 4{,}15$ МПа. Критерий: $50^{0{,}37} = 4{,}25$ , $3100/4{,}25 \approx 729$ psi $\approx 5{,}03$ МПа. Не хватает около 0,88 МПа: давление против пласта должно быть не больше $25{,}0 - 5{,}03 = 19{,}97$ МПа — это столб нефти $19{,}97/(0{,}00981\cdot0{,}85) \approx 2395$ м, то есть уровень нужно понизить примерно на 105 м. Так получим лишь нижнюю границу — с запасом уровень понижают сильнее, проверяя предел по прочности породы и оборудованию.
3
Длинный интервал перфорируют на кабеле за три спуска. С какого начинают?
1. А.С верхнего: он ближе к устью
2. Б.Порядок не важен
3. В.С середины
4. Г.С нижнего
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: Г. С нижнего
С нижнего: иначе следующий перфоратор пойдёт мимо свежих каналов и обломков и может застрять. Учитывают и депрессию: после первого выстрела скважина живая, и полную депрессию получает только первый спуск.
4
На опорной диаграмме ГК пик глин — на 1987,4 м, при контрольной записи тот же пик виден на 1988,1 м по кабелю. Верхний заряд — на 3,6 м ниже датчика ГК, интервал по опорной диаграмме начинается с 1995,0 м. На какую глубину по кабелю поставить датчик ГК?
Жауабын көрсету
Кабель показывает на 0,7 м больше опорной глубины. Датчик должен стоять на $1995{,}0 - 3{,}6 = 1991{,}4$ м по опорной диаграмме, то есть на $1991{,}4 + 0{,}7 = 1992{,}1$ м по кабелю. Проверка: верхний заряд тогда на 1995,7 м по кабелю — это 1995,0 м по опорной диаграмме.
5
Стадию ГРП из четырёх кластеров перфорировали по 30 отверстий на кластер. Давления закрытия кластеров различаются на 2 МПа. Что, скорее всего, произойдёт?
1. А.Расход разделится поровну: отверстий хватает
2. Б.Жидкость пойдёт в кластер с наибольшим давлением закрытия
3. В.Давление закачки вырастет в 16 раз
4. Г.Жидкость пойдёт в основном в кластеры с меньшим давлением закрытия, а самый напряжённый может не раскрыться
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: Г. Жидкость пойдёт в основном в кластеры с меньшим давлением закрытия, а самый напряжённый может не раскрыться
При 30 отверстиях потери в них — доли мегапаскаля, меньше разницы давлений закрытия. Распределение задаёт порода: в расчёте урока уже при 20 отверстиях кластер с давлением закрытия 42 МПа получает около 0,2 % расхода. Ограниченный вход требует меньше отверстий, чтобы потери превышали эту разницу.
6
Перфоратор на кабеле подняли, и по признакам сработали не все заряды. Как с ним обращаться?
1. А.Отключить кабель и оставить на мостках
2. Б.Как с отстрелянным: раз выстрел был, он безопасен
3. В.Как со снаряжённым: несработавшие заряды и средства инициирования опасны, в корпусе может быть давление; его разряжает служба ПВР по особому порядку
4. Г.Снова спустить и выстрелить на той же глубине
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: В. Как со снаряжённым: несработавшие заряды и средства инициирования опасны, в корпусе может быть давление; его разряжает служба ПВР по особому порядку
Частично сработавший перфоратор остаётся заряженным, а в его корпусе может оставаться давление. Обращаются с ним только специалисты по порядку, который задают правила для взрывных работ; до этого вокруг сохраняют опасную зону.

Жаңартылған: 16 октября 2026 г.