СПОСОБ КУМУЛЯТИВНОЙ ПЕРФОРАЦИИ СКВАЖИН
METHOD FOR JET PERFORATION OF WELLS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для повышения продуктивности добывающих и приемистости нагнетательных скважин за счет улучшения гидродинамической связи скважин с породой-коллектором при их эксплуатации.
Перфорация скважин является одной из основных технологических операций при их строительстве, целью которой служит восстановление гидродинамической связи продуктивного пласта со стволом скважины после его обсаживания стальными трубами. Наиболее распространенной в настоящее время является кумулятивная перфорация, при которой перфорационные каналы в горной породе образуются при воздействии на нее кумулятивных струй, формирующихся при инициировании детонационных процессов в зарядах кумулятивного действия, установленных на перфораторах, спускаемых в скважину в интервал продуктивного пласта (Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти, М., Недра, 1985, с. 455).
При разработке перфорационных систем с целью обеспечения качественного вскрытия продуктивных пластов основное внимание уделяется возможностям формирования оптимальной сети перфорационных каналов в призабойных зонах скважин, то есть, повышению пробивной способности кумулятивных зарядов, увеличению диаметров формируемых перфорационных каналов, оптимальной плотности перфорации и фазировке зарядов (углам поворота зарядов по оси перфоратора) (Гайворонский И.Н., Меркулов А.А., Ликутов А.Р. Современные технологии вскрытия продуктивных пластов // Бурение и нефть, 2016, №1, стр. 41-44).
Вместе с тем, гидродинамическая связь продуктивного пласта со стволом скважины обеспечивается не только сетью самих перфорационных каналов, но и сетью трещин в горной породе, которая образуется в процессе прострела породы кумулятивными зарядами и которая может иметь существенное и даже определяющее значение для фильтрационной проводимости породы в призабойных зонах скважин. При этом важную роль играют особенности напряженно-деформированного состояния горной породы, которые могут, как ограничивать, так и увеличивать глубину развития трещин в пласте, то есть, учет закономерностей распределения напряжений в призабойных зонах скважин принципиально важен при разработке наиболее рационального способа их перфорации.
Наиболее близким к заявляемому является способ (патент РФ №2493357, Бюл. №26 от 20.09.2013, патентобладатель ОАО "ВНИПИвзрывгеофизика"), в соответствии с которым в перфораторе устанавливаются парные кумулятивные заряды с нулевой фазировкой, то есть, сближенные заряды, попарно установленные один над другим вдоль оси перфоратора. При этом оси парных зарядов должны быть установлены параллельно друг другу, что обеспечивает формирование в призабойной зоне скважины двух параллельно идущих перфорационных каналов. Предварительно, в стендовых условиях определяются массы зарядов и оптимальное расстояние между ними, обеспечивающие необходимую глубину перфорационных каналов, а также формирование трещины в породе, соединяющей эти каналы. Таким образом, при применении данного способа кумулятивной перфорации кроме самой системы перфорационных каналов в призабойной зоне скважины формируется сеть трещин, повышающая фильтрационную проводимость этой зоны.
Недостатком данного способа является то, что при его реализации в вертикальных или близких к вертикали скважинах формируются практически вертикальные трещины. После процесса образования таких трещин при перфорации породы, в дальнейшем, под воздействием сжимающего бокового горного давления, происходит их полное или частичное смыкание, что существенно снижает фильтрационную проводимость сети трещин. Кроме того, в процессе разработки месторождения, сопровождающейся снижением пластового давления и соответствующим повышением напряжений сжатия в породе, эффективная глубина распространения такой трещинной системы в горной породе и ее фильтрационная проводимость будут убывать.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является увеличение фильтрационной проводимости призабойной зоны скважины за счет формирования сети трещин, образующихся при кумулятивной перфорации, с глубиной проникновения в пласт, увеличивающейся в процессе разработки месторождения.
Техническая задача решается способом, согласно которому парные кумулятивные заряды в перфораторе устанавливаются в плоскости, ортогональной оси перфоратора, при этом оси зарядов должны быть установлены параллельно друг другу и направлены под углом к горизонтальной плоскости, близким по величине к 45°.
Новым является то, что в предлагаемом способе учитываются особенности напряженно-деформированного состояния продуктивного пласта, обусловленные разностью вертикального и бокового горного давления. Различие величин этих давлений является причиной появления сдвиговых напряжений в трещинах, расположенных под углом к горизонтальной плоскости. При этом существенно, что уменьшение величины пластового давления, происходящее при разработке месторождения, приводит к интенсификации развития сдвиговых напряжений в трещинной системе и, соответственно, к увеличению глубины проникновения трещин вглубь продуктивного пласта, то есть, к повышению фильтрационной проводимости призабойных зон скважин.
Сущность и обоснование предлагаемого способа заключаются в следующем.
в
б
max
в
г
_
Напряженно-деформированное состояние продуктивных пластов характеризуется значительной разницей величин вертикального σ и бокового σ горных давлений, при этом, как правило, вертикальное давление превышает боковое на несколько мегапаскалей (десятков атмосфер) и более. При уменьшении пластового давления в процессе разработки месторождения, то есть, при возрастании вертикальной нагрузки на пласт, эта разница возрастает, поскольку при деформировании упругих тел рост величины бокового напряжения в упругом теле, при условии ограниченного или отсутствующего бокового смещения породы, характерного для деформационных процессов в разрабатываемых пластах, будет значительно меньшим роста величины вертикального напряжения. Различие нормальных (вертикальных и боковых) напряжений в твердом теле приводит к появлению сдвиговых напряжений т в плоскостях, расположенных под углом к горизонтальной плоскости, причем, максимума величина т достигает в плоскостях, расположенных под углом 45° к горизонтальной плоскости - τ=(σ σ)/2 (Седов Л.И. Механика сплошной среды, т 2.-М., Наука, 1970. - 568 с.).
Если в процессе кумулятивной перфорации горной породы между перфорационными каналами, лежащими в плоскостях, расположенных под углом к горизонтальной плоскости, образуются соединяющие их трещины, то действие сдвиговых напряжений вдоль этих трещин приведет к экстремальной концентрации напряжений на границах этих трещин. Действительно, при нагружении упругих тел с внутренними трещинами величины упругих напряжений на границах трещин теоретически достигают бесконечных значений (Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. - 708 с; Седов Л.И. Механика сплошной среды, т 2. - М., Наука, 1970. - 568 с.). При этом для процесса формирования и развития системы трещин в продуктивных пластах, находящихся в сжатом состоянии под воздействием горного давления, особое значение имеют именно напряжения сдвига, действующие вдоль трещин, поскольку напряжения сжатия, приводящие к смыканию трещин, не приводят к их росту, а, наоборот, препятствуют ему.
0.5
В рамках теории упругого деформирования твердых тел распределение напряжений сдвига τ в концевой точке трещины для ряда модельных плоских задач, допускающих аналитическое решение, описывается соотношением вида τ ~ 1/r, где радиус r отсчитывается от концевой точки. Это значит, что концевые точки трещин в упругой среде, находящейся под воздействием сдвиговых напряжений, являются точками сингулярности, то есть, точками с бесконечно большими значениями напряжений сдвига. Отсюда следует, что с теоретических позиций трещина в идеальной упругой среде, находящейся под воздействием сдвиговых напряжений с их экстремальной концентрацией в концевых точках трещины, будет расти, то есть, распространяться внутри упругого тела. Рост трещины может быть остановлен при пересечении растущей трещиной другой, пересекающей ее встречной трещины, или при выходе растущей трещины на границу раздела упругой среды с другой сплошной средой, обладающей резко отличающимися реологическими свойствами, в частности, свойствами пластичности. Отметим, что концевым точкам трещин с экстремальной концентрацией напряжений в описываемых плоских задачах теории упругости в пространственном случае соответствуют граничные линии пространственных трещин.
В реальности, в концевых точках трещин, где напряжения в идеальных упругих телах должны достигать бесконечно больших величин, начинают проявляться пластические свойства реальных физических тел, ограничивающие бесконечный рост напряжений в них. Тем не менее, фактор существования, хотя и не бесконечных по величине, но экстремально высоких напряжений сдвига в концевых точках (граничных линиях) трещин в горных породах, находящихся под действием сдвиговых напряжений, действующих вдоль этих трещин, является фактором, обусловливающим рост трещин, по крайней мере, на глубинах, на которых упругие свойства горных пород являются их доминирующими реологическими свойствами. Очевидно, что действие этого фактора целесообразно использовать для активизации процесса формирования сети трещин в призабойных зонах скважин при их кумулятивной перфорации, а также для увеличения эффективной глубины проникновения трещин в продуктивные пласты в процессе их разработки.
Из вышеизложенного следует, что если трещины, образующиеся в горной породе при кумулятивной перфорации скважин, лежат в плоскостях, расположенных под углом к горизонтальной плоскости, то вдоль этих трещин будут действовать напряжения сдвига, обусловленные разницей вертикального и бокового напряжений в пласте (Фиг. 1). На этой фигуре схематично изображена плоская картина расположения вертикальной скважины 1 в пласте, ограниченном сверху кровлей 2. Цифрой 3 на этой фигуре отмечена трещина, распространяющаяся от ствола скважины и расположенная в плоскости, находящейся под углом α ≈ 45° к горизонтали. Стрелками, направленными вдоль этой трещины, обозначено действие напряжений сдвига, обусловленных разностью вертикальных (4) и боковых давлений (5) в горной породе. Цифрой 6 обозначена окрестность концевой точки трещины, в которой сдвиговые напряжения теоретически, в рамках упругого деформирования горной породы, достигают бесконечной величины и приводят к росту трещины вглубь пласта. Как указывалось выше, ограничить рост трещины может либо кровля пласта 2, либо встречная, уже существующая в породе трещина.
При этом необходимо подчеркнуть, что в случае, когда система трещин уже сформирована и ее распространение вглубь породы остановлено в результате действия факторов, снижающих уровень концентрации напряжений в окрестности граничных линий трещин, то увеличение сжимающих напряжений в породе, обусловленное понижением пластового давления при разработке залежи, приведет к росту концентрации напряжений в окрестности границ трещин и, соответственно, к дальнейшему росту эффективных размеров системы трещины в породе.
Таким образом, из вышеизложенного можно сделать вывод, что для формирования в призабойной зоне скважины глубоко проникающей в пласт сети трещин, при кумулятивной перфорации необходимо обеспечить формирование с использованием, по меньшей мере, части кумулятивных зарядов для образования пар параллельных перфорационных каналов, расположенных в плоскостях, находящихся под углом а, близким к 45°, к горизонтальной плоскости. При этом парные кумулятивные заряды должны быть установлены в одной плоскости, ортогональной оси перфоратора, а массы этих парных кумулятивных зарядов и расстояния между ними должны обеспечивать формирование трещины, соединяющей параллельные перфорационные каналы (Фиг. 2). На этой фигуре цифрой 7 отмечены два параллельных перфорационных канала, лежащих в плоскости, расположенной под углом а к горизонтальной плоскости, цифрой 8 -трещина, соединяющая эти каналы, выделенная темным цветом. Приблизительное положение граничных линий этой трещины показано пунктирной линией. Как отмечалось выше, внешние контуры трещины 8 могут ограничиваться кровлей пласта или встречными трещинами в горной породе.
Отметим, что перфорационные каналы могут быть ориентированы и в направлении подошвы пласта, поскольку и в этом случае в плоскости трещины будут существовать напряжения сдвига. В случае наклонно-направленных или горизонтальных скважин, оси которых уже расположены под некоторым углом, отличным от прямого, к горизонтальной плоскости, оси парных кумулятивных зарядов в перфораторе должны быть ориентированы с учетом этого обстоятельства, то есть, таким образом, чтобы формируемые ими перфорационные каналы в породе были направлены под углом, близким к 45°, к горизонтальной плоскости пласта.
max
в
г
Необходимо отметить, что, несмотря на то, что максимальные сдвиговые напряжения τ=(σ - σ)/2 развиваются в плоскости, направленной под углом 45° к горизонтальной плоскости, из-за существования таких факторов, как угол внутреннего трения горной породы и некоторый наклон реальных продуктивных пластов к горизонтали, величина которого может достигать нескольких градусов, направление плоскости, оптимальной для образования трещины, может несколько отличаться, в ту или иную сторону, от указанного угла наклона, равного 45°, к горизонтальной плоскости. Точная ориентация этой оптимальной плоскости может быть установлена экспериментальным путем на образцах конкретной горной породы, но для подавляющего большинства пород-коллекторов нефти и газа отклонение от указанной величины 45° будет находиться в пределах ~ 5°. По этой причине в заявляемом способе угол направления осей парных зарядов а определен диапазоном значений 40°<α<50°. Масса парных зарядов и расстояние между ними, обеспечивающие формирование трещины, соединяющей пары параллельных перфорационных каналов, определяются в стендовых условиях, например, методом, представленным в описании указанного выше патента РФ №2493357.
На основании вышеизложенного предлагаемый способ описывается следующим образом.
Для формирования в призабойной зоне скважины сети трещин, глубоко проникающей в породу и повышающей ее фильтрационную проводимость, в перфораторе, в плоскостях, ортогональных его оси, устанавливаются парные кумулятивные заряды, причем их оси должны быть параллельными друг другу и ориентированы таким образом, чтобы формируемые ими параллельные перфорационные каналы находились в плоскости, расположенной под углом α к горизонтальной плоскости. При этом величина угла а должна удовлетворять соотношению 40°<α<50°.
Пример применения предлагаемого способа.
Применение предлагаемого способа в технологическом отношении не отличается от применения технологии кумулятивной перфорации скважин с использованием парных зарядов, обеспечивающих формирование в породе трещины, соединяющей парные параллельные перфорационные каналы (патент РФ №2493357). Единственным отличием являются описанные выше условия установки зарядов на кумулятивном перфораторе.
При реализации предлагаемого способа в перфораторе для кумулятивной перфорации вертикальной скважины устанавливают парные заряды. Масса зарядов и расстояние между ними предварительно определяются в стендовых условиях на образце горной породы, исходя из условия формирования перфорационных каналов необходимой длины и условия образования трещины, соединяющей эти каналы. Парные заряды устанавливаются в плоскости, ортогональной оси перфоратора, с параллельными осями зарядов, направленных под углом 45° к этой плоскости, которая в случае вертикальной скважины будет параллельна и горизонтальной плоскости. Далее производят перфорацию призабойной зоны скважины кумулятивными зарядами.
Применение предлагаемого способа позволит повысить продуктивность добывающих и приемистость нагнетательных скважин за счет создания глубоко проникающей в продуктивный пласт сети трещин в призабойных зонах скважин с увеличивающейся глубиной проникновения этой трещинной сети в пласт при разработке месторождения.