Пескоструйная перфорация

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

Это сравнительно новый метод вскрытия пласта. В настоя­щее время ежегодно обрабатываются около 1500 скважин этим методом. Область и масштабы применения гидропескоструйного метода обработки скважин постоянно расширяются, и кроме вскрытия пласта он нашел применение при капитальных ремон­тах, вырезке колонн и в сочетании с другими методами воз­действия.

При гидропескоструйной перфорации (ГПП) создание от­верстий в колонне, цементном камне и канала в породе дости­гается приданием песчано-жидкостной струе очень большой скорости, достигающей нескольких сотен метров в секунду. Перепад давления при этом составляет 15—30 МПа. В породе вымывается каверна грушеобразной формы, обращенной узким конусом к перфорационному отверстию в колонне. Размеры ка­верны зависят от прочности горных пород, продолжительности воздействия и мощности песчано-жидкостной струи. При стен­довых испытаниях были получены каналы до 0,5 м.

Размеры канала увеличиваются сначала быстро и затем ста­билизируются в результате уменьшения скорости струи в ка­нале и поглощения энергии встречным потоком жидкости, вы­ходящей из канала через перфорационное отверстие.

Стендовые испытания ГПП, проведенные ВНИИ, позволили установить соотношения между параметрами процесса (рис. IV.9), необходимые для его проектирования.

Результаты, приведенные на рис. IV.9, получены при разру­шении цементных блоков, утопленной под уровень жидкости струей водопесчаной смеси.

Время воздействия на преграду не должно превышать 15-20 мин, так как при более продолжительном воздействии ка­налы не увеличиваются.

Перфорация производится пескоструйным аппаратом, спус­каемым на насосно-компрессорных трубах. Аппарат АП-6М конструкции ВНИИ (рис. IV.10) имеет шесть боковых отверстий, в которые ввинчиваются шесть насадок для одновременного соз­дания шести перфорационных каналов. При малой подаче на­сосных агрегатов часть отверстий может быть заглушена проб­ками. Насадки в стальной оправе изготавливаются из твердых сплавов, устойчивых против износа водопесчаной смесью, трех стандартных диаметров 3; 4, 5 и 6 мм.

Рис. IV 9 Зависимость расхода водо-песчаной смеси q _жи глубины образую­щихся каналов l_к от перепада давления Δρ в насадке для трех ее диаметров 3; 4,5 и 6 мм:

1- q _ж = f(Δρ) для d = 6 мм; 2- q _ж = f(Δρ) для d = 4,5 мм; 3- q _ж = f(Δρ) для d = 3 мм;

4- l_k = f(Δρ) для d = 6 мм; 5- l_k = f(Δρ) для d = 4,5 мм;6- l_k = f(Δρ) для d = 3 мм

Рис IV10 Аппарат для пескоструйной перфорации AП-6М:

1 — корпус, 2 — шар опрессовочного клапана, 3 — узел насадки, 4 — заглушка, 5 — шар клапана, 6 —хвостовик, 7 - центратор

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

Медленно вращая пескоструйный аппарат или вертикально его перемещая, можно получить горизонтальные или вертикаль­ные надрезы и каналы. В этом случае сопротивление обратному потоку жидкости уменьшается и каналы получаются примерно в 2,5 раза глубже.

В пескоструйном аппарате предусмотрены два шаровых кла­пана, сбрасываемых с поверхности Диаметр нижнего клапана меньше, чем седло верхнего клапана, поэтому нижний шар сво­бодно проходит через седло верхнего клапана.

После спуска аппарата, обвязки устья скважины и присое­динения к нему насосных агрегатов система спрессовывается давлением, превышающим рабочее в 1,5 раза. Перед опрессовкой в НКТ сбрасывается шар диаметром 50 мм от верхнего кла­пана для герметизации системы. После опрессовки обратной промывкой, т. е. закачкой жидкости в кольцевое пространство, верхний шар выносится на поверхность и извлекается. Затем в НКТ сбрасывается малый — нижний шар, и при его посадке на седло нагнетаемая жидкость получает выход только через насадки. После этого проводится перфорация закачкой в НКТ водопесчаной смеси Концентрация песка в жидкости обычно составляет 80 — 100 кг/м³. При пескоструйной перфорации НКТ испытывают большие напряжения.

Усилия в муфтовом соединении НКТ в верхнем — наиболее опасном сечении от веса колонны НКТ и давления жидкости не должны превосходить усилия, страгивающего резьбовое соединение Муфт, Р_стр.

Из этого условия можно составить равенство

, (IV.22)

где k — запас прочности. Обычно k=1,3-1,5; F — площадь се­чения НКТ;

= 0,87 – поправка на потерю веса труб в жидкости за счет архимедовой силы; р_у — рабочее давление на устье скважины; q — вес 1 м НКТ с учетом муфтовых соедине­ний в воздухе; L — глубина спуска труб.

Решая равенство (IV.22) относительно L, получим предель­ную глубину спуска НКТ при заданном р_у

, (IV.23)

или, решая относительно р_у, получим предельно допустимое дав­ление на устье скважины

, (IV.24)

Очевидно, процесс можно осуществлять, если оба условия (IV 23) и (IV 24) выполняются. В противном случае должна быть использована либо ступенчатая колонна НКТ, для которой среднее значение q меньше, чем для одноразмерной колонны труб, либо уменьшен расход жидкости, при этом потери на тре­ние, которые существенны, уменьшатся, либо должны быть ис­пользованы насадки большего диаметра.

Страгивающие усилия для различных НКТ, изготовленных из сталей разных марок, даются в справочниках на трубы или определяются по формуле Яковлева

, (IV.25)

где δ — толщина стенки трубы по впадине первой полной нитке резьбы, находящейся в зацеплении; D — средний диаметр трубы по цервой полной нитке, находящейся в зацеплении; σ_п — предел прочности материала труб; l — длина резьбы до основ­ной плоскости (нитки с полным профилем); β — угол конус­ности, измеряемый у вершин нитки резьбы, градус; φ — угол трения, φ = 9°, s — толщина тела трубы.

Общие гидравлические потери при гидропескоструйной пер­форации складываются из следующих: р₁ — потерь давления на трение в НКТ при движении песчано-жидкостной смеси от устья до пескоструйного аппарата; ∆р — потерь давления в насадках, определяемых по графикам или расчетным путем; р₂ — потерь па трение восходящего потока жидкости в затрубном кольце­вом пространстве; р₃ — противодавления на устье скважины в затрубном пространстве при работе по замкнутой системе.

Так как гидростатические давления жидкости в НКТ и коль­цевом пространстве уравновешены, то давление нагнетания на: устье р_у будет равно сумме всех потерь:

, (IV.26)

Величина р₁ определяется по формулам трубной гидравлики

, (IV.27)

где коэффициент трения λ определяется как обычно, через число Re, но увеличивается на 15 — 20 % вследствие присутствия песка в жидкости; L — длина НКТ; d_в — внутренний диаметр НКТ; υ_т - линейная скорость потока в НКТ, ; ρ – плотность песчано-жидкостной смеси.

Величина Δρ определяется по графикам (см. рис. IV.13).

Величина р₂ также определяется по формуле трубной гид­равлики для движения жидкости по кольцевому пространству

, (IV.28)

где D_в — внутренний диаметр обсадной колонны, d_н — наруж­ный диаметр НКТ.

- линейная скорость восходящего потока жидкости в кольцевом пространстве, которая не должна быть меньше 0,5 м/с для полного выноса песка и предупреждения прихвата труб.

Во ВНИИ были определены суммарные потери на трение (р₁+р₂) в реальных скважинах при прокачке водопесчаных сме­сей (рис. IV.11). Суммарный расход жидкости равен произведе­нию числа действующих насадок п на расход жидкости через одну насадку q _ж:

Q = q_жn, (IV.29)

Например, при шести насадках и расходе через одну на­садку 4 л/с общий расход составит 24 л/с, а потери на трение в скважине глубиной 1700 м при 168-мм колонне и 73-мм НКТ составит около 8,2 МПа (см. рис. IV.11).

Рис. IV.11. Потери давления в тpy6ax и межтрубном пространст­ве при прокачке водопесчаной сме­си на каждые 100 м длины: 1- для 140 мм колонны и 73-ми НКТ;

2— для 140-ми колонны и 89-мм НКТ; 3 - для 168-мм колонны и73-ий ПКГ;

3— для 168 мм колонны и 89-мм НКТ

При расходе через 4,5-мм насадку, равном 4 л/с, перепад давления в насадках Δρ составит около 40,0 МПа (см. рис. IV.9).

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

Для точной установки перфо­ратора против нужного интер­вала применяют в колонне НКТ муфту-репер. Это короткий (0,5—0,7 м) патрубок с утол­щенными стенками (15—20 мм), который устанавливают выше перфоратора на расстоянии одной или двух труб. После спуска ко­лонны НКТ в нее опускают на кабеле малогабаритный геофизический индикатор, реагирующий на утолщение металла. По­лучая таким образом отметку муфты-репера, определяют поло­жение перфоратора по отношению к разрезу продуктивного пласта. Однако при этом необходимо учитывать дополнительное удлинение НКТ при создании в них давления. Это удлинение, пропорциональное нагрузке, определяется формулой Гука

, (IV.30)

где ру — давление на устье скважины; F — площадь сечения НКТ; L — длина НКТ; Ε — модуль Юнга, Па (обычно 20·10⁴ МПа); f — площадь сечения металла труб, м²; z— ко­эффициент, учитывающий трение труб о стенки обсадной ко­лонны (принимают 1,5 — 2).

Эти дополнительные удлинения могут быть значительными и достигать 1 м.

При гидропескоструйной перфорации применяется то же обо­рудование, как и при гидроразрыве пласта.

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

, (IV.31)

где Q — расчетный суммарный расход жидкости; р_у — давление на устье скважины; q_a — подача одного агрегата на расчетном режиме; р_а—давление, развиваемое агрегатом; η — коэффи­циент, учитывающий техническое состояние насосных агрегатов и их износ η = 0,75—1.

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

Характеристика агрегата приведена в табл. IV.1.

Песчано-жидкостная смесь готовится в пескосмесительном агрегате (2ПА; ЗПА и др.), который представляет собой бункер для песка емкостью 10 м³ с коническим дном. В нижней части бункера вдоль продольной оси установлен шнек. Скорость вра­щения шнека ступенчато изменяется от 13,5 до 267 об/мин. В со­ответствии с этим подача песка изменяется от 3,4 до 676 кг/мин. Кроме того, агрегат снабжен насосом 4НП (насос песковый) низкого давления для перекачки песчано-жидкостной смеси. Бункер со всем оборудованием смонтирован на шасси тяжелого автомобиля.

Таблица IV. I