Оборудование забоя скважин и перфорация

Конструкцию забоев нефтяных и газовых скважин выби­рают с учетом литологических и физических свойств продук­тивных пластов и местоположения скважины на залежи. Так, на антиклинальной складке (рис. 2.18) скв. 2 не должна вскрыть пласт до подошвы, так как при этом ее забой будет находить­ся в обводненной части залежи. При бурении нагнетательной скв. 1, предназначенной для закачки воды в законтурную часть залежи, пласт следует вскрывать на всю его мощность, чтобы добиться высокой поглотительной способности.

Рис. 2.18. Расположение скважин

Если в подошве пласта не содержится вода, целесообразно вскрывать пласт в нефтяной части залежи на всю его мощ­ность. При этом скважину заканчивают несколько ниже про­дуктивного пласта (скв. 3) и устраивают колодец (зумпф), в котором скапливаются породы, обваливающиеся со стенок сква­жин, песок, поступающий из пласта. Если скважина вскрыла газовую шапку (скв. 4), забой ее следует оборудовать так, что­бы притекающая нефть не увлекала газ из газовой шапки [9].

Рис. 2.19. Забой скважины, совершенной по характеру вскрытия: 1 — обсадные трубы; 2 — це­ментный раствор

Оптимальные условия притока жидкости и газа в скважи­ну получают при вскрытии пласта на всю мощность без закрепления трубами (рис. 2.19). При этом последнюю обсад­ную колонну цементируют выше кровли продуктивного пла­ста. Такая конструкция допустима, если продуктивный пласт сложен плотными породами и в продуктивной зоне нет газо­носных и обводненных пропластков.

Если скважина вскрыла открытым стволом пласт, сложен­ный рыхлыми породами, то для борьбы с проникновением в нее песка забой приходится перекрывать фильтром или зак­реплять породы (пластмассами и другими средствами). Фильтры, служащие для ограничения поступления песка в сква­жину, спускают отдельно в виде хвостовика с сальниковым закреплением в обсадной трубе, зацементированной в кровле пласта (рис. 2.20, а), или фильтр может быть продолжением обсадной трубы (рис. 2.20, б). При эксплуатации скважины крупнозернистые фракции песка образуют за фильтровой трубой своего рода второй (песчаный) фильтр, препятствую­щий поступлению в скважину мелких фракций. Прорези (щели) фильтра имеют трапецеидальную форму для уменьшения за­сорения их песком; располагают их вдоль или поперек тру­бы. Щели в зависимости от фракционного состава песка выполняют шириной от 0,75 до 3 мм. Опытным путем уста­новлено, что устойчивый песчаный свод с наружной стороны щели образуется при ширине ее не больше двойного диамет­ра песчинок. Для неотсортированного естественного песка сводообразующими будут зерна такого диаметра, при котором сумма всех более крупных фракций составит около 10 % от всей массы песка. По этому размеру и следует подбирать размеры фильтра.

Рис. 2.20. Забои с фильтром, предотвра­щающим поступление песка в скважину: 1 — обсадные трубы; 2 — цементный раствор; 3 — сальник; 4 — фильтр-хвостовик; 5 — фильтр — продолжение обсадной трубы

Щелевидные фильтры дороги и не всегда надежны, поэто­му применяют и другие способы оборудования забоя для пре­дупреждения поступления песка в скважину. Например, забой скважины оборудуют иногда металлокерамическими, песчано-пластмассовыми или гравийными фильтрами. Последние со­здают путем заполнения гравием кольцевого пространства между трубным фильтром и стенками скважины. Считают, что для образования надежного песчаного «моста» достаточен слой гравия толщиной в 5 - 6 диаметров его зерен. Размеры зерен и гравия также определяют по диаметру зерен 10%-ной фрак­ции кривой механического состава пластового песка d₁₀. По опытным данным, наилучшее соотношение между диаметром гравия и диаметром песка 10%-ной фракции d _гp:d₁₀ ≤ 12; для создания некоторого запаса принимают d _гp :d₁₀ = 6÷8. На прак­тике щелевые фильтры широко не применяют [30]. Несмотря на то что открытый забой наиболее совершенный, его не всегда можно рекомендовать. Так, в слабо сцементированных продуктивных пластах, где нефтеносные пески переслаивают­ся глинами, а иногда и водоносными или газоносными песка­ми, всю вскрытую мощность перекрывают обсадными и це­ментируют. Продуктивная зона некоторых месторождений со­стоит из нескольких пластов, разделенных глинистыми пропластками. Свойства газов, нефтей, пластовое давление и коллекторские свойства пород этих пластов могут быть различны­ми. Поэтому соединять открытым забоем все продуктивные пласты тоже нецелесообразно из-за возможного перетока не­фти из одного пласта в другой. Такие продуктивные горизон­ты тоже полностью перекрывают обсадными трубами и це­ментируют их для разобщения пластов, которые можно эксп­луатировать поочередно или раздельно скважинами. Для со­единения пласта со стволом скважины обсадную колонну и затрубное цементное кольцо перфорируют. Подобная конст­рукция низа скважины в России и за рубежом наиболее ши­роко распространена (рис 2.21, а) вследствие того, что данным способом можно быстро и надежно разобщить водоносные, нефтеносные и газоносные горизонты. Вместе с тем эта кон­струкция имеет и существенные недостатки. При цементиро­вании скважины цементируется и пласт, что неизбежно при­водит к ухудшению фильтрационных свойств призабойной зоны. При указанной конструкции забоя путем прострела отверстий удается вскрыть лишь небольшую часть площади дренирования. Скважина получается несовершенной как по степени, так и по характеру вскрытия. Иногда на забое устанавливают дополнительные фильтры (рис. 2.21, б).

Рис. 2.21. Забои скважин с обсаженным стволом: / — продуктивный пласт; 2 — газоносный пласт; 3 — водоносный пласт; 4 — обсадная колонна; 5 — фильтр-хвостовик; 6 — пакер (сальник); 7 — перфо­рационные отверстия

В некоторых районах России в случае неоднородности кол­лекторов в последнее время стали разрабатывать залежи мно­гозабойными скважинами, имеющими четыре-шесть стволов (рис. 2.22). Этот метод вскрытия продуктивных пластов по­зволяет соединить изолированные участки и расширить зону дренирования. Разрабатываются методы бурения нескольких горизонтальных скважин по пласту от центрального ствола. При использовании конструкции призабойной части скважи­ны с зацементированной эксплуатационной колонной сооб­щение эксплуатационной колонны с пластом осуществляют после прострела отверстий в колонне, окружающем ее це­ментном кольце и в породе пласта при помощи специальных аппаратов — перфораторов.

После освоения скважины нефть и газ поступают из пла­ста в эксплуатационную колонну через эти отверстия. Диаметр и число отверстий на 1 м (плотность перфорации) рас­считывается таким образом, чтобы приток нефти или газа из пласта был максимальным. Существует несколько типов пер­фораторов: кумулятивные, торпедные, пулевые. Наиболее рас­пространены кумулятивные перфораторы. В этом случае для пробивки отверстий в обсадных колоннах и цементном коль­це применяют беспулевую перфорацию. В основу работы беспулевых перфораторов положен принцип осевой кумуля­ции. Кумулятивная струя образуется вследствие всесторонне­го сжатия медной облицовки заряда ударными волнами при взрыве заряда. Под действием ударных волн внутренняя по­верхность медной облицовки плавится и формируется в тон­кую металлическую струю высокой плотности, выбрасывае­мую вместе с газообразными продуктами взрыва от центра облицовки радиально к обсадной колонне со скоростью 8000 — 10000 м/с. Струя жидкого металла, двигающаяся с такой скоростью, оказывает на стенку обсадной колонны давление около 30 ГПа и пробивает в ней отверстия. При этом образу­ется канал в породе глубиной до 300 мм.

Кумулятивный перфоратор состоит из толстостенной сталь­ной герметически закрытой трубы, в которой по спирали просверлены отверстия для прохождения кумулятивных струй. Кумулятивные заряды устанавливаются в корпусе перфорато­ра против отверстий. Заряды срабатывают через детонирую­щий шнур от взрывного патрона, соединенного с электрока­белем, на котором перфоратор спускается в скважину.

Для прострела обсадных труб, цементного кольца и пла­ста, сложенного устойчивыми породами, в нагнетательных скважинах применяют торпедные перфораторы, выстрел из которых производится разрывными снарядами диаметром 22 — 32 мм. После выстрела снаряд проходит в породу на глубину 200 — 250 мм и там разрывается. В результате взрыва в породе образуется каверна диаметром до 300 мм.

Пулевая перфорация пришла на смену механическим сред­ствам перфорации (сверлению). Она применялась в широких масштабах до изобретения кумулятивных перфораторов. Ос­новной недостаток пулевой перфорации заключается в том, что во время простреливания цементный камень в затрубном пространстве может растрескиваться.

В последнее время начали широко применять новый ме­тод — гидропескоструйную перфорацию. При этом методе в насосно-компрессорные трубы, спущенные в эксплуатацион­ную колонну, под большим давлением нагнетается жидкость с песком. На концах труб устанавливается струйный аппарат, из сопла которого с большой скоростью выбрасываются жид­кость с песком. Эта смесь вызывает быстрое абразивное разрушение обсадной колонны, цементного кольца и породы. При гидропескоструйной перфорации обсадная колонна и цементное кольцо не трескается. Кроме того, указанный ме­тод позволяет регулировать глубину и диаметр отверстий.