Кумулятивная перфорация

Кратко о главном

Кумулятивный заряд — корпус, взрывчатое вещество и металлическая облицовка конической выемки. Детонация обжимает облицовку к оси: меньшая часть металла уходит в быструю струю, большая образует медленный пест.
Струя пробивает преграду давлением удара: у её головы оно в десятки гигапаскалей, в десятки и сотни раз больше прочности стали и породы. Металл и порода не плавятся, а растекаются и уплотняются.
По закону плотностей непрерывная струя длиной $L$ пробивает $L\sqrt{\rho_j/\rho_t}$ : миллиметр стали колонны «стоит» почти двух миллиметров канала в песчанике, цемент и вода — меньше. Прочность и напряжения в породе этот закон не учитывает — а именно они делают каналы в пласте короче паспортных.
Заряды глубокого проникания дают узкий длинный канал, который проходит зону повреждения; заряды большого диаметра — широкое короткое отверстие для гравия и проппанта, не меньше примерно шести диаметров самого крупного зерна.
Корпусный перфоратор держит давление скважины и уносит обломки; бескорпусный вмещает более крупные заряды, но оставляет мусор; малогабаритный перфоратор для спуска через НКТ лучше всего стреляет в ближнюю стенку.
Вокруг канала остаётся уплотнённая зона и обломки. При перфорации на депрессии мгновенный приток из пласта выносит их, на репрессии в каналы задавливается жидкость скважины.

Ключевые соотношения

u = \dfrac{v}{1 + \sqrt{\rho_t/\rho_j}},\qquad p = \tfrac12\,\rho_t\,u^2

скорость углубления канала и давление на фронте струи (идеальная гидродинамическая модель)

P = L\sqrt{\rho_j/\rho_t}

закон плотностей: глубина, которую пробивает непрерывная струя длиной $L$

t\,\sqrt{\rho/\rho_r}

длина канала в породе, которую «съедает» слой толщиной $t$ и плотностью $\rho$

l_p = L_{\text{пл}} - t_{\text{к}} - t_{\text{ц}}

канал в породе за стенкой ствола по прогнозу общей длины канала в пласте

d_{\text{отв}} \gtrsim 6\,d_{\text{з}}

отверстие, через которое проходят гравий и проппант

Где чаще всего ошибаются

Брать паспортную длину канала в бетонной мишени за длину канала в пласте.
Выбирать заряды глубокого проникания для гравийной набивки или ГРП с гравием: отверстие мало, и зёрна застрянут.
Стрелять малогабаритным перфоратором в широкой колонне, не прижав его к стенке и не направив заряды в ближнюю стенку.
Перфорировать на репрессии в растворе с твёрдой фазой и надеяться, что каналы очистятся при добыче.

После урока вы сможете

объяснить, как взрыв превращает облицовку заряда в струю и пест и почему струя пробивает сталь и породу давлением, а не нагревом;
оценить давление на фронте струи и по закону плотностей — какую часть струи расходуют колонна, цемент и вода в зазоре;
сравнить заряды глубокого проникания и большого диаметра и выбрать заряд для обычного заканчивания, гравийной набивки и гидроразрыва;
сравнить корпусные и бескорпусные перфораторы и перфораторы для спуска через НКТ и объяснить роль зазора, фазировки и плотности перфорации;
объяснить, чем стандартные испытания зарядов отличаются от условий в пласте, и перейти от паспорта к длине канала в породе;
объяснить, откуда берётся уплотнённая зона и почему депрессия в момент перфорации очищает каналы.

Зачем перфорируют и чем

В зацементированной колонне (конструкции забоя) пласт отделён от скважины сталью и цементом. Сообщение создают перфорацией — каналами сквозь трубу и цементное кольцо в породу. Через них идёт весь приток, через них закачивают кислоту, жидкость гидроразрыва, гравий. Перфорация позволяет выбрать интервалы: вскрыть нефтенасыщенную часть пласта и не трогать водонасыщенную или слабую, склонную к выносу песка, а позже — дострелять новые.

Способов несколько. Пулевая перфорация — стальные пули, которые выстреливают пороховые заряды, — была первой и в прочных породах даёт неглубокие каналы. Гидропескоструйная перфорация размывает отверстия струёй жидкости с песком через насадки, сверлящие перфораторы высверливают их без ударной нагрузки на колонну и цемент. Но подавляющее большинство скважин вскрывают кумулятивными зарядами (shaped charges): это быстро, сравнительно дёшево и даёт глубокие каналы. В отечественной практике перфорацию вместе с другими работами со взрывчатыми веществами в скважине называют прострелочно-взрывными работами (ПВР).

Откуда кумулятивный заряд

Кумулятивный эффект — усиление действия взрыва выемкой в заряде — заметили ещё в конце XIX века, а заряды с металлической облицовкой как бронебойное оружие появились во время Второй мировой войны. После войны их приспособили для перфорации скважин, и со временем они почти вытеснили пули. Теорию кумулятивной струи как течения идеальной жидкости в 1940-е годы построили в СССР М. А. Лаврентьев (Государственная премия 1949 года) и независимо в США Г. Биркгоф с соавторами.

Взрывные работы — только по правилам

Перфораторы содержат взрывчатые вещества и средства взрывания. Их хранение, сборку, спуск и отстрел выполняют только специализированные подразделения с допуском к взрывным работам, по утверждённому проекту и правилам безопасности; на время работ вводят ограничения на устье и вокруг него. Урок объясняет физику перфорации и выбор зарядов и не является руководством к работам; о технологии — урок Доставка перфораторов и технология работ.

Как устроен заряд и как образуется струя

Кумулятивный перфорационный заряд — это заряд взрывчатого вещества (ВВ) в корпусе с тонкой металлической облицовкой (liner) конической выемки на передней стороне. Заряды перфоратора почти одновременно подрывает детонирующий шнур, проходящий вдоль всего перфоратора.

СхемаСверху — заряд в корпусе перфоратора и струя на пути к колонне (схема, не в масштабе): голова струи быстрее хвоста, и струя растягивается; медленный пест отстаёт. Снизу — канал после выстрела: отверстие в колонне с заусенцем внутрь, канал через цемент в породу, вокруг — уплотнённая зона, в конце — обломки.

Детонация бежит по ВВ со скоростью около 8–9 км/с и обжимает облицовку к оси. Металл при этом не плавится: под давлением в десятки гигапаскалей он течёт, как жидкость. Внутренний слой облицовки выжимается вперёд тонкой кумулятивной струёй (jet), а наружный, более массивный, движется медленно и образует пест (slug). В струю уходит меньшая часть металла — обычно не больше трети. Голова струи летит со скоростью порядка 6–8 км/с, хвост — в несколько раз медленнее; из-за этой разницы струя по пути растягивается и затем рвётся на частицы. От детонации до остановки струи в породе проходят доли миллисекунды.

Облицовки бывают сплошные, обычно медные, и прессованные из металлических порошков. Сплошная облицовка оставляет массивный пест, который может закупорить канал; пест порошковой облицовки рассыпается в мелкие частицы. Струе нужно небольшое расстояние, чтобы сформироваться, — его дают воздушный зазор внутри корпуса и сама стенка корпуса. А вода между корпусом и колонной струю тормозит: чем больше зазор, тем короче канал, особенно у зарядов глубокого проникания.

Как струя пробивает колонну, цемент и породу

Давление на фронте струи намного больше прочности стали и породы, поэтому в первом приближении прочностью пренебрегают и считают струю и преграду идеальными несжимаемыми жидкостями. В системе отсчёта, связанной с дном растущего канала, металл струи набегает на него со скоростью $v - u$ , а материал преграды — со скоростью $u$ ; давления торможения с обеих сторон должны быть равны.

Скорость углубления канала и давление на фронте струи

\tfrac12\,\rho_j\,(v - u)^2 = \tfrac12\,\rho_t\,u^2 \;\Rightarrow\; u = \frac{v}{1 + \sqrt{\rho_t/\rho_j}},\qquad p = \tfrac12\,\rho_t\,u^2

где:

$v$ скорость элемента струи, м/с
$u$ скорость, с которой углубляется канал, м/с
$\rho_j$ плотность металла струи, кг/м³
$\rho_t$ плотность преграды: стали, цемента, породы, кг/м³
$p$ давление на фронте струи, Па

Единицы: СИ

Справедливо, если

струя и преграда — несжимаемые жидкости без прочности (давление намного больше прочности);
установившееся проникание: скорость элемента струи постоянна;
струя порошковой облицовки состоит из частиц, и её эффективная плотность меньше плотности металла.

Давление растёт как квадрат скорости струи: голова давит в десятки гигапаскалей, а хвост, который в несколько раз медленнее, — на один-два порядка меньше. Поэтому прочность преграды почти не важна для головы струи и становится важной для хвоста.

Расчётный примерДавление удара и прочность стали и породы

Исходные данные (условные)

Струя: медная, 8900 кг/м³; голова 6,0 км/с, хвост 1,0 км/с
Колонна: сталь 7850 кг/м³, предел текучести 552 МПа (группа прочности N-80)
Порода: песчаник 2350 кг/м³, прочность на одноосное сжатие 50 МПа

Решение

Сталь, голова струи: $u = \dfrac{6000}{1 + \sqrt{7850/8900}} = 3094{,}1$ м/с, $p = 0{,}5\cdot7850\cdot3094{,}1^2 = 37{,}58$ ГПа (около 5,45 млн psi) — в 68 раз больше предела текучести.
Песчаник, голова струи: $u = \dfrac{6000}{1 + \sqrt{2350/8900}} = 3963{,}4$ м/с, $p = 18{,}46$ ГПа — в 369 раз больше прочности.
Хвост струи, 1,0 км/с: на стали $p = 1{,}04$ ГПа (в 1,9 раза больше предела текучести), на песчанике $p = 513$ МПа (в 10 раз больше прочности).

Ответ: У головы струи давление — 37,58 ГПа на стали и 18,46 ГПа на песчанике, в 68 и 369 раз больше их прочности; у хвоста запас падает до 1,9 и 10 раз.

Что это значит. Голова струи пробивает колонну и породу, не «замечая» их прочности. Хвост работает на пределе: сопротивление породы проникновению в несколько раз больше её прочности на одноосное сжатие и растёт, когда порода сжата напряжениями в пласте, — медленным частям струи в прочной нагруженной породе этого почти хватает, чтобы остановиться. Поэтому прочность и напряжения укорачивают канал, хотя на голову струи не влияют. Модель идеальная: сжимаемость металла и породы и распад струи на частицы она не учитывает. Данные примера условные.

РасчётДавление на фронте струи в зависимости от её скорости для стали колонны и песчаника (идеальная гидродинамическая модель, медная струя 8900 кг/м³) и для сравнения — предел текучести стали N-80 и прочность песчаника из примера. Голова струи давит в десятки (сталь) и сотни (песчаник) раз сильнее прочности преграды, у хвоста запас сокращается до нескольких раз (сталь) и десятка раз (песчаник).

Сколько пробьёт струя? Каждый её элемент «расходуется» на дне канала за время, пока металл набегает со скоростью $v - u$ ; за это время дно уходит вперёд со скоростью $u$ . Отношение $u/(v - u) = \sqrt{\rho_j/\rho_t}$ следует из предыдущей формулы, и для непрерывной струи длиной $L$ получается закон плотностей (вывод — в дополнительном разделе):

Закон плотностей: глубина канала по длине струи

P = L\,\sqrt{\frac{\rho_j}{\rho_t}}

где:

$P$ глубина канала в преграде, мм
$L$ длина непрерывной струи, мм
$\rho_j,\ \rho_t$ плотности струи и преграды, кг/м³

Единицы: любые одинаковые единицы длины и плотности

Справедливо, если

непрерывная струя без прочности, все её элементы проникают в установившемся режиме;
оценка сверху: растяжение и распад струи, сопротивление преграды и вода на пути уменьшают глубину.

Глубина не зависит от скорости — только от длины струи и отношения плотностей. Слой толщиной $t$ и плотностью $\rho$ расходует $t\sqrt{\rho/\rho_j}$ длины струи, то есть «стоит» $t\sqrt{\rho/\rho_r}$ канала в породе плотностью $\rho_r$ — независимо от плотности струи.

Расчётный примерСколько канала «съедают» колонна, цемент и вода

Исходные данные (условные)

Колонна: 177,8 × 10,36 мм, внутренний диаметр 157,08 мм; цементное кольцо 25 мм
Перфоратор: корпусный, 86 мм, по центру колонны; в зазоре вода
Плотности, кг/м³: сталь 7850, цемент 1900, вода 1000, песчаник 2350, медная струя 8900

Решение

Зазор с водой: $(157{,}08 - 86)/2 = 35{,}5$ мм.
Расход длины струи: стенка колонны $10{,}36\sqrt{7850/8900} = 9{,}7$ мм, цемент $25\sqrt{1900/8900} = 11{,}6$ мм, вода $35{,}5\sqrt{1000/8900} = 11{,}9$ мм.
В пересчёте на канал в песчанике: колонна $10{,}36\sqrt{7850/2350} = 18{,}9$ мм, цемент $25\sqrt{1900/2350} = 22{,}5$ мм, вода $35{,}5\sqrt{1000/2350} = 23{,}2$ мм, всего 64,6 мм.

Ответ: По идеальной теории колонна, цементное кольцо и вода в зазоре стоят каналу около 64,6 мм: миллиметр стали — 1,83 мм канала в песчанике, миллиметр воды — 0,65 мм.

Что это значит. Сталь — самый «дорогой» слой: каждый лишний миллиметр стенки, а тем более вторая колонна, укорачивают канал почти вдвое больше своей толщины. Вода по теории дешевле породы, но на деле зазор вреднее: струя в нём вытягивается и рвётся, частицы тормозятся. Поэтому для глубоких каналов берут перфоратор наибольшего диаметра, который безопасно проходит в колонне, а малогабаритный прижимают к стенке. И ещё одно следствие: бетон стандартной мишени близок по плотности к песчанику, и по закону плотностей каналы в них были бы почти одинаковы. Разница между паспортом и пластом — от прочности и напряжений, а не от плотности. Данные примера условные.

Заряды глубокого проникания и большого диаметра

Из одинаковой массы ВВ можно получить узкий длинный канал или широкое короткое отверстие — это решают форма и материал облицовки. Поэтому заряды делят на два класса.

Два класса перфорационных зарядов

Признак: Облицовка
Глубокого проникания: обычно из прессованных порошков
Большого диаметра: обычно сплошная металлическая

Признак: Отверстие в колонне
Глубокого проникания: порядка сантиметра
Большого диаметра: до 2–2,5 см

Признак: Канал в породе
Глубокого проникания: длинный
Большого диаметра: короткий

Признак: Назначение
Глубокого проникания: приток через зону повреждения
Большого диаметра: гравий, проппант, слабые пески

Признак	Глубокого проникания	Большого диаметра
Облицовка	обычно из прессованных порошков	обычно сплошная металлическая
Отверстие в колонне	порядка сантиметра	до 2–2,5 см
Канал в породе	длинный	короткий
Назначение	приток через зону повреждения	гравий, проппант, слабые пески

По-английски — deep penetrating (DP) и big hole (BH). Конкретные размеры отверстия и канала — в паспорте заряда.

Для обычной скважины с естественным притоком важна длина канала: он должен пройти зону, повреждённую буровым раствором и цементом (каналы и зона повреждения). Для гравийной набивки и гидроразрыва важнее отверстие: через него с большой скоростью идёт жидкость с высокой концентрацией гравия или проппанта. Если отверстие меньше примерно шести диаметров самого крупного зерна, зёрна сводятся аркой и перекрывают его — закачка останавливается. Для гравия 20/40 (самые крупные зёрна — 0,84 мм) это около 5 мм, для проппанта 12/20 (до 1,68 мм) — около 10 мм, и отверстия с запасом дают заряды большого диаметра. Гравийной набивке внутри колонны нужна ещё и большая плотность перфорации: весь поток идёт по каналам с гравием (потери в каналах с гравием).

Для гидроразрыва каналы должны смотреть по направлению будущей трещины — перпендикулярно наименьшему горизонтальному напряжению (ориентация трещины). Поэтому применяют фазировку 60° и меньше, чтобы хотя бы один канал был близок к нужному направлению, или ориентированную перфорацию, а интервал для одной трещины делают коротким — несколько метров, чтобы трещина начиналась в заданном месте. Когда закачку нужно распределить между несколькими интервалами, делают, наоборот, мало отверстий: перепад давления на них выравнивает расход (ограниченный вход, limited entry).

Особые маломощные заряды пробивают только НКТ, не повреждая колонну за ними, — чтобы сообщить трубы с затрубьем, если циркуляционного клапана нет или он не открывается (циркуляционные клапаны).

Перфораторы: корпусные, бескорпусные, для спуска через НКТ

Заряды собирают в перфоратор (perforating gun) — устройство, которое держит их на нужной глубине и в нужном направлении и защищает до выстрела.

Корпусный перфоратор (hollow carrier): заряды стоят внутри герметичной стальной трубы при атмосферном давлении. Корпус принимает давление и температуру скважины, защищает заряды от жидкости и после выстрела уносит из скважины большую часть обломков. Против зарядов стенку корпуса утончают — делают лунки, чтобы струя тратила меньше энергии, а заусенцы оставались в лунке и корпус свободно извлекался. После выстрела корпус немного раздувается, и это учитывают, когда проверяют проход. Бывают многоразовые (корпус перезаряжают) и одноразовые.
Бескорпусный перфоратор (exposed, expendable): каждый заряд — в собственной герметичной оболочке, заряды закреплены на ленте, проволоке или стержне. Без корпуса при том же габарите помещается более крупный заряд, и каналы длиннее. Зато заряды и детонирующий шнур открыты давлению, температуре и жидкости, остатки оболочек и ленты остаются в скважине, а удар взрыва приходится прямо на колонну.
Перфоратор для спуска через НКТ (through-tubing): малого диаметра — примерно от 35 до 90 мм в зависимости от прохода НКТ; проходит через лифтовую колонну и стреляет в обсадную колонну ниже её конца. Позволяет вскрыть пласт, когда лифтовая колонна уже спущена и устье смонтировано, в том числе на депрессии. Платой служат малые заряды, короткие каналы и большой зазор до дальней стенки.
Перфоратор для обсадной колонны (casing gun): корпусный перфоратор наибольшего диаметра, который проходит в колонне, — обычно от 86 до 127 мм (3⅜–5″), в широких колоннах больше. Его спускают до лифтовой колонны на кабеле или на трубах (Доставка перфораторов и технология работ). Крупные заряды, любая фазировка, плотность до нескольких десятков отверстий на метр.

СхемаПерфораторы в колонне 177,8 мм (внутри 157 мм), поперечное сечение, схема: малогабаритный 43 мм прижат к стенке и стреляет с фазировкой 0° в ближнюю стенку; корпусный 86 мм по центру — 90°, зазор 35,5 мм со всех сторон; корпусный 114 мм — 60°, зазор около 21,5 мм.

Перфоратор в колонне редко стоит точно по центру. Малогабаритный перфоратор в широкой колонне оказывается у одной из стенок (в наклонном стволе — на нижней): до ближней стенки зазор почти нулевой, до дальней — больше 10 см воды. Поэтому такие перфораторы обычно стреляют с фазировкой 0° и ориентируются — магнитным или эксцентричным прижимным устройством — зарядами к стенке. Крупный перфоратор оставляет небольшой зазор со всех сторон, и для него годится любая фазировка.

Взрывчатые вещества медленно разлагаются при нагреве, поэтому допустимая температура зависит от того, сколько времени заряды проведут в скважине: при спуске на кабеле — часы, при спуске на трубах — сутки и больше. Для горячих скважин берут термостойкие ВВ, а производитель указывает для каждого заряда допустимое сочетание температуры и времени.

Плотность перфорации и фазировка

Плотность перфорации $n_s$ — число отверстий на метр, от одного-двух до нескольких десятков; в англоязычных паспортах — отверстий на фут (shots per foot, spf; 1 отв./фут ≈ 3,28 отв./м). Фазировка — угол между направлениями соседних зарядов: 0° — все в одну сторону, 180° — в две противоположные, 120°, 90°, 60°, 45° — по спирали.

Расположение каналов при плотности 12 отв./м

Фазировка: 0°
Направлений: 1
Между выстрелами, м: 0,083
Между каналами одного направления, м: 0,083

Фазировка: 180°
Направлений: 2
Между выстрелами, м: 0,083
Между каналами одного направления, м: 0,167

Фазировка: 120°
Направлений: 3
Между выстрелами, м: 0,083
Между каналами одного направления, м: 0,250

Фазировка: 90°
Направлений: 4
Между выстрелами, м: 0,083
Между каналами одного направления, м: 0,333

Фазировка: 60°
Направлений: 6
Между выстрелами, м: 0,083
Между каналами одного направления, м: 0,500

Фазировка	Направлений	Между выстрелами, м	Между каналами одного направления, м
0°	1	0,083	0,083
180°	2	0,083	0,167
120°	3	0,083	0,250
90°	4	0,083	0,333
60°	6	0,083	0,500

Расстояние между выстрелами по вертикали $h = 1/n_s$ ; каналы одного направления повторяются через $360^\circ/\theta$ выстрелов.

От плотности и фазировки зависят скин перфорации (расчёт по методу составляющих), скорость потока в каждом канале — а значит, вынос песка и инерционные потери — и прочность колонны. Густая перфорация с фазировкой 45–90° ближе всего к открытому стволу. Фазировка 0° даёт обтекание колонны и больший скин, но для перфоратора, прижатого к стенке, — самые длинные каналы. Малая вертикальная проницаемость и тонкие пропластки требуют большей плотности: пропласток между двумя выстрелами иначе почти не работает.

Каждое отверстие ослабляет колонну, а заусенцы внутри мешают спуску пакеров и инструмента. При обычных плотностях и диаметрах отверстий в хорошо зацементированной колонне прочность снижается умеренно, но очень густая перфорация крупными отверстиями, тонкостенные трубы и плохой цемент могут привести к трещинам в колонне. Допустимые сочетания задают производитель перфоратора и расчёт.

Паспорт заряда и канал в пласте

Производители сравнивают заряды по стандартной методике API RP 19B (раньше эту роль играл документ API RP 43). В неё входят:

стрельба отрезком перфоратора в обсадную трубу, залитую бетоном в бочке, при поверхностных условиях: измеряют диаметр отверстий в трубе, общую длину каналов и высоту заусенцев — это и есть «паспортная» длина канала;
одиночный выстрел в образец песчаника, обжатый давлением, как в пласте; с последующей прокачкой через канал — чтобы оценить его продуктивность;
стрельба после выдержки зарядов при высокой температуре;
измерение обломков, которые перфоратор оставляет в скважине, и раздутия корпуса.

Бетонная мишень удобна для сравнения зарядов между собой, но канал в пласте не предсказывает. Длина канала в пласте уменьшается, когда:

прочнее и толще колонна — на сталь уходит больше струи;
прочнее порода: прочность на одноосное сжатие у разных пластов различается в десятки раз (прочность пород);
больше эффективное напряжение — разность горного и порового давлений; по мере истощения пласта оно растёт;
больше зазор между перфоратором и колонной;
заряды потеряли часть мощности от долгой выдержки при высокой температуре.

Поэтому длину канала для расчёта притока берут не из каталога, а из прогноза для конкретного пласта — по испытаниям в образцах породы под напряжением и программам производителя, которые пересчитывают паспорт на прочность породы, напряжения, колонну и зазор. Длину в паспорте и в прогнозе обычно считают от внутренней стенки колонны, а в расчёте скина нужна длина канала в породе за стенкой ствола $l_p$ , поэтому из неё вычитают стенку колонны и цементное кольцо.

Расчётный примерОт паспорта заряда к каналу для расчёта притока

Исходные данные (условные)

Перфоратор: 12 отв./м, фазировка 90°; по паспорту в бетонной мишени — канал 640 мм, отверстие в трубе 11 мм
Прогноз для пласта: 335 мм от внутренней стенки колонны 177,8 × 10,36 мм; диаметр канала в породе около 10 мм
Цементное кольцо и пласт: кольцо 25 мм; $k_H/k_V$ = 4, область дренирования 300 м

Решение

Канал в породе: $l_p = 335 - 10{,}36 - 25 = 300$ мм. Общая длина в пласте — 52 % паспортной.
Расположение: между выстрелами $1/12 = 0{,}0833$ м, четыре направления, каналы одного направления — через 0,333 м.
Такие же каналы — 0,30 м, радиус 5 мм, 12 отв./м, 90° — разобраны в уроке Влияние заканчивания на приток (в стволе 216 мм их скин 0,26). Здесь ствол шире — колонна 177,8 мм с кольцом 25 мм, $r_w = 88{,}9 + 25 = 113{,}9$ мм, — и скин по методу составляющих 0,30.
Если взять паспортную длину за вычетом колонны и цемента, $l_p = 640 - 35{,}36 = 605$ мм, скин получился бы −0,78.

Ответ: В расчёт притока идёт канал около 300 мм в породе, а не 640 мм; скин перфорации 0,30, а не −0,78.

Что это значит. Ошибка — больше единицы скина: по паспортной длине продуктивность вышла бы примерно на 17 % выше, чем по прогнозу. А рядом с зоной повреждения она становится решающей: каналы, которые по паспорту проходят зону насквозь, в пласте могут в ней закончиться, и тогда скин вырастает в разы (каналы в зоне повреждения). Цифра прогноза тоже условна: её проверяют по исследованиям скважины после перфорации. Данные примера условные.

Уплотнённая зона и очистка каналов

Струя раздвигает породу, а не вынимает её: вокруг канала остаётся кольцо раздробленных и уплотнённых зёрен толщиной порядка сантиметра с проницаемостью в несколько раз ниже пластовой — уплотнённая зона. В канале остаются обломки породы, частицы облицовки и корпуса заряда, а у сплошной облицовки — пест. Насколько это снижает продуктивность, посчитано в уроке скин уплотнённой зоны: уплотнённая зона легко даёт скин больше, чем вся геометрия перфорации.

Если в момент выстрела давление в скважине выше пластового (перфорация на репрессии), жидкость скважины вместе с твёрдыми частицами раствора сразу устремляется в свежие каналы и забивает их вместе с обломками. Потом, при добыче, поток в каждом канале мал, и забитые каналы так и не очищаются: работает лишь часть из них.

При перфорации на депрессии (underbalanced perforating) давление в скважине ниже пластового. В первые доли секунды после выстрела пласт отдаёт в канал короткий сильный импульс притока: перепад давления на рыхлой раздробленной породе и сила потока срывают обломки и часть уплотнённой зоны и выносят их в скважину. Работает именно этот мгновенный импульс, а не последующая добыча. Чем ниже проницаемость пласта, тем больший перепад нужен для очистки. Похожий импульс можно получить и без постоянной депрессии — за счёт пустот в перфораторе, которые после выстрела мгновенно заполняются жидкостью и на мгновение снижают давление у каналов (динамическая депрессия).

Депрессия не может быть сколь угодно большой: в слабых породах она разрушает стенки каналов и вызывает вынос песка (Пескопроявление: виды, прогноз и цена проблемы), а слишком большой перепад опасен и для колонны. Как выбирают депрессию и как перфорируют на ней при спуске на кабеле и на трубах — тема Доставка перфораторов и технология работ.

Термины и обозначения

Кумулятивный заряд: корпус, заряд взрывчатого вещества и металлическая облицовка конической выемки; взрыв превращает облицовку в струю.
Кумулятивная струя и пест: быстрая тонкая струя из внутреннего слоя облицовки и медленная массивная часть из наружного.
Закон плотностей: $P = L\sqrt{\rho_j/\rho_t}$ : глубина, которую пробивает непрерывная струя в преграде без прочности.
Перфоратор: корпусный, бескорпусный или малогабаритный для спуска через НКТ; держит заряды на глубине и в нужном направлении.
Длина канала и диаметр отверстия: главные характеристики заряда: по паспорту — в бетонной мишени, в пласте — меньше.
Перфорация на депрессии: перфорация при давлении в скважине ниже пластового: импульс притока очищает каналы.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Струя прожигает колонну и породу».

На самом деле

Преграду разрушает давление удара в десятки гигапаскалей; металл и порода не плавятся, а растекаются и уплотняются. Поэтому вокруг канала остаётся уплотнённая зона, а не оплавленная корка.

Неверно

«Длина канала в пласте — это цифра из каталога».

На самом деле

Каталог даёт длину в бетонной мишени на поверхности. В пласте канал обычно короче: мешают прочность породы и напряжения в ней, толщина и прочность колонны, зазор. Для расчёта берут прогноз для пласта и вычитают стенку колонны и цемент.

Неверно

«Чем глубже канал, тем лучше — для любой скважины».

На самом деле

Для гравийной набивки и гидроразрыва важнее диаметр и число отверстий: зёрна застревают в отверстии меньше примерно шести своих диаметров.

Неверно

«Депрессию при перфорации надо делать как можно больше».

На самом деле

Достаточная депрессия очищает каналы, но избыточная в слабых породах разрушает их и вызывает вынос песка, а большой перепад опасен для колонны. Её выбирают по проницаемости и прочности породы.

Неверно

«Фазировка не важна, лишь бы отверстий было много».

На самом деле

При 0° поток обтекает колонну и скин больше; при 60–90° каналы окружают ствол. Малогабаритному перфоратору, лежащему на стенке, нужна 0° с зарядами к ближней стенке, крупному — 60–90°.

Подробно: для продвинутых

Откуда закон плотностей и где он перестаёт работать

Из равенства давлений торможения $\tfrac12\rho_j(v - u)^2 = \tfrac12\rho_t u^2$ следует $u/(v - u) = \sqrt{\rho_j/\rho_t}$ . Элемент струи длиной $\dd L$ расходуется на дне канала за время $\dd t = \dd L/(v - u)$ , и за это время дно уходит на $\dd P = u\,\dd t = \dd L\,\sqrt{\rho_j/\rho_t}$ . Интегрируя по всей длине струи, получаем $P = L\sqrt{\rho_j/\rho_t}$ — скорость струи сократилась.

Реальная струя отличается от идеальной в трёх отношениях. Во-первых, у неё градиент скорости: она растягивается и рвётся на частицы, а частицы проникают хуже сплошной струи — отсюда оптимальное расстояние до преграды и вред воды в зазоре. Во-вторых, у преграды есть прочность: к давлению торможения со стороны преграды добавляется её сопротивление проникновению, и медленные части струи останавливаются, не углубив канал, — чем прочнее порода и чем сильнее она сжата, тем раньше. В-третьих, металл и порода сжимаемы, и при давлениях в десятки гигапаскалей это заметно. Поэтому закон плотностей хорошо объясняет, почему сталь «дороже» породы и почему плотная облицовка пробивает глубже, но длину канала в пласте предсказывают по испытаниям, а не по нему.

Связь с другими темами

Влияние заканчивания на приток — скин перфорации, уплотнённой зоны и каналов с гравием по параметрам этого урока.
Заканчивание скважины: вскрытие пласта и лифтовая колонна — когда колонну цементируют и перфорируют, а когда оставляют открытый забой.
Доставка перфораторов и технология работ — спуск перфораторов на кабеле и на трубах, выбор депрессии и безопасность работ.
Повреждение пласта и скин повреждения — зона повреждения, которую каналы должны пройти.
Методы борьбы с пескопроявлением — перфорация под гравийную набивку и гидроразрыв с гравием.
Пескопроявление: виды, прогноз и цена проблемы — прочность пород, устойчивость каналов и вынос песка при большой депрессии.
Гидроразрыв пласта: назначение и выбор скважин — что даёт скважине трещина гидроразрыва — ради неё каналы делают на коротком интервале и с фазировкой 60° и меньше.
Оборудование лифтовой колонны — лифтовая колонна, через которую спускают малогабаритные перфораторы.

Проверьте себя

1
Скважину заканчивают гидроразрывом с гравийной набивкой, проппант 12/20 (самые крупные зёрна — 1,68 мм). Какой заряд выбрать?
1. А.Любой: проппант пройдёт через любое отверстие
2. Б.Большого диаметра с отверстием около 20 мм и большой плотностью
3. В.Глубокого проникания с отверстием 8 мм: канал длиннее
4. Г.Глубокого проникания с фазировкой 0°
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Большого диаметра с отверстием около 20 мм и большой плотностью
Отверстие должно быть не меньше примерно шести диаметров самого крупного зерна: $6\cdot1{,}68 \approx 10$ мм. Отверстие 8 мм рискует перекрыться аркой из зёрен. Длина канала здесь мало важна — трещина и гравий всё равно обходят зону повреждения, а большая плотность нужна, чтобы поток через каналы с гравием не терял лишнего давления.
2
Колонну 177,8 × 10,36 мм перфорируют там, где за ней проходит ещё одна колонна со стенкой 11,05 мм. Сколько канала в песчанике (2350 кг/м³) «съест» вторая стенка по закону плотностей?
Показать ответ
$11{,}05\sqrt{7850/2350} = 11{,}05\cdot1{,}83 \approx 20$ мм — плюс цемент между колоннами. На деле больше: к этому месту струя уже растянута и частично распалась, а такие струи пробивают хуже, чем по идеальной теории. Поэтому через две колонны перфорируют самыми мощными зарядами, а по возможности этого избегают.
3
Малогабаритный перфоратор 43 мм спускают через НКТ в колонну 177,8 мм. Как его лучше расположить и с какой фазировкой стрелять?
1. А.Прижать к стенке и стрелять с фазировкой 0° в ближнюю стенку
2. Б.По центру колонны, фазировка 60°
3. В.Расположение не важно
4. Г.Прижать к стенке и стрелять в дальнюю стенку, там больше пространства
Показать ответ
Правильный ответ: А. Прижать к стенке и стрелять с фазировкой 0° в ближнюю стенку
У малого заряда короткая струя, и вода в зазоре быстро её съедает: до дальней стенки больше 10 см воды. Перфоратор прижимают к стенке (магнитным или эксцентричным устройством) и стреляют в ближнюю стенку, где зазор почти нулевой.
4
Почему перфорация на депрессии даёт более чистые каналы, чем перфорация на репрессии с последующей добычей?
1. А.На депрессии каналы длиннее
2. Б.В момент выстрела импульс притока из пласта выносит обломки и часть уплотнённой зоны; на репрессии в каналы задавливается жидкость скважины с твёрдыми частицами
3. В.Струя на депрессии горячее
4. Г.Разницы нет, при добыче каналы очищаются одинаково
Показать ответ
Правильный ответ: Б. В момент выстрела импульс притока из пласта выносит обломки и часть уплотнённой зоны; на репрессии в каналы задавливается жидкость скважины с твёрдыми частицами
Очищает именно мгновенный сильный приток в первые доли секунды. При последующей добыче поток в каждом канале мал и забитые каналы не очищает, а на репрессии они забиваются частицами жидкости скважины сразу после выстрела.
5
В паспорте заряда — 900 мм в бетонной мишени. Можно ли считать, что в пласте канал будет 0,85 м за стенкой ствола?
Показать ответ
Нет. Паспорт получен в бетоне на поверхности, без напряжений. В пласте порода бывает прочнее бетона и сжата эффективным напряжением, колонна может быть толще и прочнее, зазор больше; хвост струи в прочной нагруженной породе почти не работает. Длину берут из прогноза для пласта и вычитают стенку колонны и цемент; потом её проверяют по исследованиям скважины.
6
Перфоратор на 16 отв./м с фазировкой 60°. Найдите расстояние между выстрелами и между каналами одного направления. Что изменится при фазировке 0°?
Показать ответ
Между выстрелами $1/16 = 0{,}0625$ м. При 60° шесть направлений, и каналы одного направления повторяются через $6\cdot0{,}0625 = 0{,}375$ м. При 0° все каналы смотрят в одну сторону через 0,0625 м: к каналам по вертикали поток идёт хорошо, но обходит колонну, и скин больше.

Обновлено: 19 октября 2026 г.