Инновации в перфорации: совершенствование программ моделирования
advertisement
Инновации в перфорации: совершенствование программ моделирования Карлос Бауманн Альфредо Фаярд Бренден Гров Джереми Харви Вэньбо Ян Рошерон, штат Техас, США Эмит Говил Танангер, Норвегия Энди Мартин Кембридж, Англия Роберто Франко Мендес Гарсия Артуро Рамирес Родригес Petróleos Mexicanos (PEMEX) Агуа-Дульсе, штат Веракрус, Мексика Джок Манро Абердин, Шотландия Кумулятивные заряды пробивают отверстия в обсадных колоннах нефтяных и газовых скважин и создают каналы, соединяющие стволы скважин с породой за обсадной колонной. Чтобы определить характеристики проникновения кумулятивной струи в известных условиях, проводят испытания на поверхности, в ходе которых кумулятивные заряды простреливают мишени из ненапряжённого бетона. Было установлено, что программы моделирования не всегда могут точно прогнозировать характеристики перфорационных зарядов в скважине. Поэтому исследователи компании Schlumberger разработали программное обеспечение для точного расчёта глубины проникновения кумулятивной струи, эффективности прострелочно-взрывных работ и динамических реакций системы. На основании полученных данных были разработаны специальные заряды для перфорации в условиях напряжённых пород. Перфорация при помощи кумулятивных зарядов является основным методом создания каналов сообщения между нефтегазоносными пластами и обсаженным стволом скважины. Нефтегазодобывающие предприятия исполь- зуют технологию перфорации для заканчивания нефтяных и газовых скважин уже более 60 лет. Почти столько же продолжаются попытки создания моделей проникновения кумулятивной струи, способных по результа- Сезар Велес Террасас Вильяэрмоса, штат Табаско, Мексика Лан Чжань Shell Oil Company Хьюстон, штат Техас, США Нефтегазовое обозрение, Сборник III: избранные статьи из журнала «Oilfield Review», том 26, № 1 (весна 2014 г.); том 26, № 3 (осень 2014 г.). Copyright © 2015 Schlumberger. Данная статья является русским переводом статьи “Perforating Innovations—Shooting Holes in Performance Models,” Oilfield Review, Autumn 2014: 26, no. 3. Copyright © 2014 Schlumberger. ASFS, CIRP, HSD, PowerJet Nova, PowerJet Omega, PURE, S.A.F.E., SafeJet, Secure, Secure2, SPAN, SPAN Rock и TuffTRAC Mono являются товарными знаками компании Schlumberger. 1. Behrmann L, Grove B, Walton I, Zhan L, Graham C, Atwood D and Harvey J: “A Survey of Industry Models for Perforator Performance: Suggestions for Improvements,” paper SPE 125020, presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, October 4–7, 2009. 2. American Petroleum Institute: RP 19B, Recommended Practices for Evaluation of Well Perforators, 2nd ed. Washington, DC: American Petroleum Institute, 2006. 48 Рис. 1. Бетонные мишени. — Специалист по перфорации осматривает бетонную мишень для изучения геометрии перфорационных каналов после применения глубокопроникающих зарядов (вертикальные линии). После испытаний перфорационные каналы в бетонных мишенях проходят в горизонтальном направлении: мишени разрезаны и поставлены на бок для большей устойчивости во время осмотра. Инструкции по созданию бетонных мишеней представлены в разделе 1 методических указаний № 19В Американского нефтяного института. Нефтегазовое обозрение там испытания зарядов в контролируемых условиях прогнозировать качество перфорации в условиях скважины. Однако проверить качество перфорации в условиях скважины трудно, так как отсутствует прямой доступ к интервалу перфорации после завершения работ. В последнее время сервисные компании стали широко применять перфорационные заряды с увеличенной глубиной проникновения, способные создавать в бетонных мишенях более крупные перфорационные каналы. Как показывают исследования, соответствие между результатами испытаний зарядов по бетонным мишеням и по породе в скважинных условиях не является таким простым, как это предполагается во многих моделях.1 Моделирование даёт слишком оптимистичные прогнозы глубины проникновения, геометрии перфорационных каналов и характеристики притока в скважинных условиях. Прогнозирование характеристик зарядов и глубины проникновения традиционно основывается на данных, полученных на поверхности и приведённых к скважинным условиям. Весна 2014 — осень 2014 В Методических рекомендациях № 19В Американского нефтяного института (American Petroleum Institute (API) Recommended Practice (RP) 19B) представлены инструкции по определению характеристик зарядов.2 В Методические рекомендации № 19В также включены описания различных методов и процедур испытаний зарядов по мишеням, моделирующим скважинные условия, однако при сравнении зарядов поставщики наиболее часто ссылаются на испытания, описанные в разделе 1 (отстрел зарядов по ненапряжённому бетону) (Рис.1). Результаты испытаний по методике раздела 1 также служат основой для программ моделирования, прогнозирующих характеристики зарядов на основании параметров породы и пласта, характеристик цемента и обсадной колонны, влияния раствора для вскрытия пласта, и данных о температуре и давлении. В 2004 году компания Schlumberger открыла самую передовую в нефтегазодобывающей отрасли исследовательскую лабораторию для изучения проблем перфорации. Она стала расширенным продолжением первой в отрасли лаборатории по вопросам перфорации, основанной компанией Schlumberger ещё в 1953 году. В научном центре компании Schlumberger в Рошероне (Schlumberger Rosharon Campus — SRC), штат Техас, США, исследователи проводят испытания кумулятивных зарядов и сравнивают результаты лабораторных испытаний с результатами прогнозирования на основе модели. Испытания могут проводиться по породам-мишеням, в которых создаются напряжения, имитирующие скважинные условия для получения результатов, более точно отражающих реальную обстановку по сравнению с наземными испытаниями зарядов по ненапряжённым бетонным мишеням. В ходе исследований в лаборатории SRC получены новые данные о характеристиках кумулятивных зарядов и перфорационных систем. Результаты лабораторных испытаний были включены в программу анализа результатов перфорации SPAN компании Schlumberger (Schlumberger perforating analysis software). Программа предназначена для прогнозирования результатов прострелоч- 49 Результаты моделирования ия проникновения Испытательный брикет Вода 28-дневный бетон Стальная труба Прогноз по проникновению, дюймы Обсадная колонна Перфоратор 40 35 30 25 Модель 1 Модель 2 Модель 3 Модель 4 Модель SPAN, бетон Испытание по напряжённой породе 20 15 10 5 0 Модель проникновения Рис. 2. Модели прогноза глубины проникновения, используемые в нефтегазодобывающей отрасли. — Результаты испытаний зарядов по бетонным мишеням (слева на рис.), сооружённым в соответствии с техническими условиями раздела 1 Методических указаний № 19B, применяются в моделях для прогнозирования качества ПВР в скважинных условиях. Перед испытаниями бетон выдерживается 28 дней. Испытательный брикет из бетона того же замеса служит для проверки механических характеристик мишени. Исследователи компании Schlumberger сравнили несколько моделей (справа на рис.), использующихся для прогнозирования глубины проникновения. При испытаниях применялись заряды одного типа в идентичных условиях. Традиционная модель SPAN на основе бетонных мишеней (голубой цвет) дала прогноз с наименьшей глубиной проникновения. Для дальнейшей проверки проведено испытание по напряжённому образцу породы, характеристики образца вводились в различные модели. Все модельные прогнозы оказались завышены по сравнению с фактической глубиной проникновения в напряжённый образец породы. (Harvey et al, сноска 14.) но-взрывных работ (ПВР). По сравнению actuated firing equipment) стала первой в нефтес более ранними системами моделирования газодобывающей промышленности констона отличается более точным соответствием руктивно безопасной перфорационной системодельных данных результатам ПВР в напря- мой. В ней вместо традиционных капсюлей-дежённых породах. Модернизированная про- тонаторов с инициирующими взрывчатыми грамма, предназначенная для анализа ПВР в веществами применяется инициатор со взрыванапряжённых породах, получила название ющейся фольгой EFI (exploding foil initiator). Review SPAN Rock (stressed-rock perforatingOilfield analysis); в Недавно был разработан более совершенный SUMMER состав модернизированной программы входит14 перфоратор SafeJet. Он оснащен рядом защитPerforatioin Fig. 2 ных устройств, в частности, электронными инитакже приложение PURE для моделирования ORSUMM 14 PERFOTN 2 ПВР с чистыми перфорационными отверстиями циаторами, обеспечивающими селективный и ПВР в условиях динамической депрессии отстрел нескольких отдельных зарядов или (DUB). Программа может прогнозировать воз- групп зарядов. Технология SafeJet повышает никающие в ходе ПВР динамические нагрузки и эффективность селективного отстрела, широко давать более реалистичный прогноз применяющегося при выполнении гидроразрыва пласта (ГРП) для интенсификации продуктивности.3 Специалисты, изучающие результаты ПВР, притока. В статье представлено описание продолжаюразработали заряды, оптимизированные для применения в реальных условиях. Один из щихся в настоящее время исследований в облапримеров конструирования зарядов на основа- сти кумулятивных зарядов и последних нии результатов исследования являются куму- разработок программного обеспечения для раслятивные заряды со сверхбольшой глубиной чёта глубины проникновения и моделирования проникновения PowerJet Nova. Это первая ПВР. Компании-операторы, работающие в отрасли полная линейка специализированных в Мексике и в Северном море, использовали кумулятивных зарядов для напряжённых пород. последние достижения в области разработки В дополнение к улучшению характеристик кумулятивных зарядов и создания моделей ПВР зарядов конструкторы разрабатывают новые в целях повышения продуктивности скважин. технологии для повышения безопасности ПВР. Дополнительный пример из производственной Ударно-взрывная система S.A.F.E. (slapper- 50 практики в Северном море демонстрирует преимущества и эффективность технологии SafeJet. Устанавливая новые стандарты Эксперименты с кумулятивными зарядами ведутся с 1950-х годов. Большинство из них проводили с целью определения глубины проникновения кумулятивной струи зарядов, так как продуктивность скважин при заканчивании с естественным притоком (не требующим интенсификации) зависит от того, насколько длина перфорационных каналов превышает диаметр зоны повреждения пласта в призабойной зоне.4 Недавно исследователи сравнили глубину проникновения, измеренную для современных кумулятивных зарядов в смоделированных скважинных условиях, с прогнозной глубиной проникновения, рассчитанной при помощи широко распространенных моделей, большая часть которых была разработана до начала 1990-х годов. Как показали результаты испытаний, точность прогнозирования качества ПВР не поспевала за изменениями конструкции зарядов.5 Кроме того, между моделями, использовавшимися для прогнозирования качества ПВР, наблюдались расхождения даже при оценке одинаковых систем в одинаковых условиях моделирования (рис. 2). Основой для прогнозирования качества ПВР служат наземные испытания зарядов. Стандарты испытаний перфорационных зарядов разработаны Американским нефтяным институтом и описаны в Методических указаниях № 43, раздел 1 (API RP 43). Стандарты были впервые опубликованы в 1962 году. Постепенно в стандарты были включены четыре испытательных процедуры: • Раздел 1: Испытания перфорационных систем по бетонным мишеням при температуре и давлении окружающей среды. • Раздел 2: Однозарядные испытания по напряжённому песчанику Береа (Berea) (3000 фунт/дюйм2 (20,7 МПа)) при температуре окружающей среды. • Раздел 3: Испытания перфорационных 3. Подробнее о перфорации в условиях динамической депрессии см.: Baxter D, Behrmann L, Grove B, Williams H, Heiland J, Hong LJ, Khong CK, Martin A, Mishra VK, Munro J, Pizzolante I, Safiin N and Suppiah RR: “Perforating—When Failure Is the Objective,” Oilfield Review 21, no. 3 (Autumn 2009): 4–17. 4. McDowell JM and Muskat M: “The Effect on Well Productivity of Formation Penetration Beyond Perforated Casing,” Transactions of the AIME 189 (1950): 309-312. 5. Behrman et al, сноска 1. Нефтегазовое обозрение Основная отраслевая модель: испытания по бетонным мишеням согласно разделу 1 Испытания по песчанику Береа с прочностью 7000 фунт/дюйм2 Вход жидкости Дренажный клапан Обсадная колонна Прочие типы пород Перфоратор Испытательный брикет Испытания по бетонным мишеням согласно разделу 1 Вода 28-дневный бетон Керн диаметром 4 или 7 дюймов 24 22 Резиновая гильза Песчаник Известняк 20 Плита-мишень Кумулятивный заряд Затрубная жидкость Проникновение в породу, дюймы Стальная труба 18 16 14 12 10 8 6 Солевой раствор Цемент Зона повреждения Пласт Фазировка, ° 0 60 120 180 240 300 Среднее Общее Зазор, проникновение, Проникновение дюймы в пласт, дюймы дюймы 3,38 14,89 13,73 2,17 17,64 16,49 0,48 19,99 18,83 0,00 19,22 18,07 0,48 19,99 18,83 2,17 17,64 16,49 1,45 18,23 17,07 Диаметр пласта, дюймы 0,43 0,52 0,93 0,78 0,93 0,52 0,71 Проходное сечение, дюйм2/фут Диаметр входного отверстия, дюймы 0,20 0,25 0,43 0,36 0,43 0,25 0,32 0,48547 при 6 отверстиях на фут Скважинные условия Доля от проникновения на поверхности 4 Система 1 Система 2 Система 3 Система 4 1.0 0.9 2,000 6,000 10,000 14,000 18,000 22,000 Измеренная осевая прочность, фунт/дюйм2 0.8 0.7 Эффективное напряжение 0.6 0.5 0 2,000 4,000 6,000 8,000 Приложенное эффективное напряжение, фунт/дюйм2 Рис. 3. Последовательное моделирование. — Большинство отраслевых программ для моделирования проникновения кумулятивной струи в пласт используют последовательный алгоритм. В данные испытаний по бетонным мишеням согласно разделу 1 Методических указаний № 19B (слева вверху на рис.) вносятся поправки за песчаник Береа с неограниченной прочностью на сжатие 7000 фунт/дюйм2 (48,3 МПа) (в центре вверху на рис.), за тип породы (справа на рис.) и эффективное напряжение (справа внизу на рис.), затем вносятся поправки за скважинные условия, включая тип и диаметр обсадной колонны, характеристики раствора и геометрию перфоратора. Результаты часто представляют в виде двухмерной модели глубины проникновения (слева внизу на рис.). В конечных результатах последовательной модели взаимное влияние различных параметров почти не учитывается. (Martin et al, сноска 13.) систем по стальным мишеням при повышенной температуре. • Раздел 4: Однозарядные испытания для определения характеристик притока в напряжённом песчанике Береа (3000 фунт/дюйм2 (3000 МПа)) при температуре окружающей среды. Для прогнозирования глубины проникновения в ранних моделях к данным о глубине проникновения из раздела 1 Методических указаний № 43 применяли ряд поправок (рис. 3). Процесс последовательного преобразования результатов испытаний согласно разделу 1 в данные о глубине проникновения в прогностической модели обычно состоит из пяти этапов: •Выполнение испытаний по бетонным мишеням по стандартам раздела 1 Методических указаний № 43. •Нормировка результатов испытаний по пес- Весна 2014 — осень 2014 чаникам Береа с неограниченной прочностью на сжатие 7000 фунт/дюйм2 (48,3 МПа). • Нормировка скорректированных данных по песчаникам Береа к другим типам ненапряжённых пород. •Внесение поправок за эффективное напряжение в данные о глубине проникновения в ненапряжённых породах. •Учёт влияния цемента, обсадной колонны и раствора для расчёта конечного Oilfield Review 6 результата. SUMMER 14 В 2001Perforatioin году Методические указания № Fig. 4 19B «Методические по оценке скваORSUMMуказания 14 PERFOTN 4 жинных перфораторов» заменили собой Методические указания № 43; в 2006 году вышла новая редакция Методических указаний.7 Наиболее важное изменение, внесенное новым стандартом — это более строгие технические условия на бетонные мишени, применяющиеся для измерения глубины проникновения при проведении испытаний согласно разделу 1.8 В новых Методических указаниях были усилены требования к допускам мишеней для обеспечения более высокой точности сравнения кумулятивных зарядов различных поставщиков на основании результатов испытаний по идентичным мишеням. Однако наземные испытания по Методическим указаниям № 19B могут и не коррелировать напрямую с прогнозом результатов ПВР 6. Harvey J, Grove B, Zhan L and Behrmann L: “New Predictive Model of Penetration Depth for OilwellPerforating Shaped Charges,” paper SPE 127920, presented at the SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, Louisiana, USA, February 10–12, 2010. 7. American Petroleum Institute, сноска 2. 8. Подробнее о влиянии заполнителя бетона на результаты испытаний: Brooks JE, Yang W and Behrmann LA: “Effect of Sand-Grain Size on Perforator Performance,” paper SPE 39457, presented at the SPE International Symposium on Formation Damage Control, Lafayette, Louisiana, February 18–19, 1998. 51 Проникновение в песчаник Береа по разделу 2 RP 43, дюймы 40 30 Область неопредёленности 20 Характеристики современных зарядов 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Проникновение в песчаник Береа по разделу 1 RP 43, дюймы Рис. 4. Исторические данные по проникновению кумулятивных струй из перфорационных зарядов, используемые в моделях. — Исторические данные из Методических указаний № 43 (голубая область) использовались при разработке целого ряда ныне применяемых моделей проникновения кумулятивных струй из перфорационных зарядов. Значения глубины проникновения (черные точки), на основании которых создавались эти модели, не превышают 30 дюймов (76 см); современные глубокопроникающие заряды, которых ещё не было во время создания моделей, имеют глубину проникновения более 60 дюймов (152 см). По наблюдениям исследователей компании Schlumberger, предположение о линейной зависимости (черная линия) между глубиной проникновения по результатам испытания зарядов по бетонным мишеням и по песчанику Береа является некорректным для глубины проникновения, характерной для глубокопроникающих зарядов. Такая зависимость может быть асимптотической (красная линия). Из-за разницы между историческими и современными данными о глубине проникновения небольшие погрешности модели могут привнести большую неопределённость в прогнозирование глубины проникновения в образцы пород (розовая область). (Martin et al, сноска 13.) жения в пласте программами в скважинных условиях, так как большинство моделирования.9 моделей проникновения были разработаны по устаревшим данным об этой характериНовые кумулятивные заряды проcтрелистике, полученным по Методическим указа- вают мишени на бóльшую глубину, чем заряды ниям № 43. предыдущего поколения, поэтому простая эксВ ходе обширных лабораторных испыта- траполяция результатов испытаний часто оканий специалисты SRC установили, что в зывается некорректной. По сравнению с более результате применения обычного метода старыми перфорационными системами, глуOilfield Reviewбина проникновения для современных кумупоследовательного внесения поправок в данSUMMER 14 лятивных зарядов в аналогичных условиях ные о глубине проникновения, полученные Perforatioin 3 быть больше на 100% и даже более. Это согласно разделу 1 Методических указаний № Fig.может ORSUMM 14 PERFOTN 3 19B, получаются завышенные расчётные зна- значительно повышает неопредёленность чения, не соответствующие результатам испы- модели (рис. 4). Испытания по ненапряжёнтаний по напряжённым породам. Расхождения ным бетонным мишеням могут вносить сущемежду расчётной глубиной проникновения и ственную неопредёленность в прогнозирование результатами лабораторных испытаний объяс- фактической глубины проникновения, даже няются следующими факторами: если испытания проводятся на мишенях, • необоснованное применение результатов построенных в соответствии с более строгими испытаний согласно разделу 1 Методических стандартами раздела 1 Методических указауказаний № 19B по ненапряжённым ний № 19B. породам Применяя отраслевые модели на практике, •недостаточный объем испытаний с совре- инженеры обнаружили сильную изменчивость менными зарядами результатов прогнозирования глубины про•нереалистичная обработка эффектов напря- никновения. В таких моделях в результаты испытаний по бетонным мишеням, проведён- 52 ным согласно разделу 1 Методических указаний № 19B, последовательно вносятся поправки за тип породы, напряжение породы и скважинные условия. Глубина проникновения для современных зарядов намного превосходит глубину проникновения для зарядов прошлых поколений. Тем не менее, было установлено, что на глубину проникновения для новых зарядов напряжение в пласте оказывает большее влияние, чем на глубину проникновения для зарядов прошлых поколений. Исследователи в центре SRC пришли к заключению о том, что чрезмерно упрощенный метод последовательных поправок приводит к некорректным результатам моделирования современных зарядов. Кроме того, было отмечено, что эффективное напряжение оказывает большее влияние на глубину проникновения и геометрию перфорационных каналов, чем это считалось ранее, и что данный эффект не полностью учтён в программах моделирования. Прогнозная глубина проникновения, рассчитанная при помощи традиционных моделей, может быть завышена относительно реальной глубины проникновения на 240%.10 Корреляция глубины проникновения в напряжённые породы В большинстве программ моделирования при прогнозировании глубины проникновения учитывается прочность пород на основании данных, полученных в начале 60-х годов прошлого века.11 В таких моделях прочность пород и напряжённое состояние пород не связаны друг с другом, их взаимное влияние не учитывается. В то время для расчёта глубины проникновения по ожидаемой неограниченной прочности пород в скважинных условиях была разработана простая логарифмическая формула.12 Формула была основана на следующих допущениях: •Глубина проникновения в несколько мишеней может быть охарактеризована измерением глубины проникновения в одну 9. Harvey et al, ссылка 6. 10.Harvey et al, сноска 6. 11.Thompson GD: “Effects of Formation Compressive Strength on Perforator Performance,” paper API-62-191, presented at the Drilling and Production Practice Conference, New York City, January 1, 1962. 12.Неограниченная прочность на сжатие — это показатель прочности горных пород, равный максимальному одноосному напряжению при сжатии, которое может выдержать материал при отсутствии всестороннего напряжения. 13.Martin A, Grove B, Harvey J, Zhan L and Atwood D: “A New Direction for Predicting Perforating Gun Performance,” paper MENAPS-11-12, presented at the Middle East and North Africa Perforating Symposium, Abu Dhabi, UAE, November 28–30, 2011. Нефтегазовое обозрение In DoP DoPref ( DoP — глубина проникновения в продуктивный пласт. ( = αo F BI ref – F BI . DoPref — глубина проникновения в контрольный пласт при FBI ref = 10 000 фунт/дюйм2. αo — экспоненциальный коэффициент заряда. FBI = UCS + b × Peff . FBI — баллистическая индикаторная функция продуктивного пласта, фунт/дюйм2. Peff = Pc – a × Pp . () a φ = 0,0967 × φ 0,428. b= 0,7336 – 1,813 × 10 –5 × UCS, UCS < 30 000 фунт/дюйм2 3,33 × e –9,55 × 10 –5 × UCS, UCS >– 30 000 фунт/дюйм2 FBI ref — баллистическая индикаторная функция контрольного пласта при 10 000 фунт/дюйм2. UCS — неограниченная плотность на сжатие продуктивного пласта, фунт/дюйм2. Peff — баллистическое эффективное напряжение, фунт/дюйм2. Pc — напряжение, создаваемое горным давлением, фунт/дюйм2. Pp — поровое давление, фунт/дюйм2. a — баллистический коэффициент порового давления. b — коэффициент влияния напряжения. φ — пористость, %. 35 αo = 8 × 10 –5 αo = 7 × 10 –5 αo = 6 × 10 –5 αo = 5 × 10 –5 αo = 4 × 10 –5 30 DoP, дюймы 25 20 15 10 5 0 0 5000 10 000 15 000 20 000 FBI , фунт/дюйм2 Рис. 5. Прогнозирование глубины проникновения по баллистической индикаторной функции. — После проведения нескольких сотен пробных отстрелов специалисты компании Schlumberger разработали реалистичную модель для прогнозирования глубины проникновения (вверху на рис.). В новую модель включены данные по современным глубокопроникающим зарядам. Модель построена на основе баллистической индикаторной функции FBI, которая рассчитывается по неограниченной прочности на сжатие UCS (unconfined compressive strength) и баллистическому эффективному напряжению Peff. Peff определяется по напряжению Pc, создаваемому горным давлением, поровому давлению Pp и баллистическому коэффициенту порового давления a. Баллистический коэффициент порового давления рассчитывается по пористости. Коэффициент влияния напряжения b зависит от UCS. Безразмерный экспоненциальный коэффициент заряда αo должен определяться эмпирическим путем для каждого кумулятивного заряда. Для этого коэффициента можно использовать постоянное значение 8 ∙ 10–5 (внизу на рис., синяя линия), но точный выбор данного параметра даёт более репрезентативные прогнозы, особенно в более мягких породах. Затем в уравнение вводятся различные параметры, в том числе две контрольные величины, FBI ref и DoPref, определяемые по результатам Oilfield Review испытаний на породах с неограниченной плотностью на сжатие 69 МПа (10 000 фунт/дюйм2). Со времени SUMMER 14 появления данной модели проверены результатыFig. нескольких тысяч испытаний. (Harvey et al, сноска 6.) Perforatioin 5 ORSUMM 14 PERFOTN 5 мишень. • Заряды не могут быть оптимизированы для заданной прочности мишени. • Поправка за неограниченную прочность породы остается неизменной вне зависимости от типа породы. • Глубина проникновения в мишени без напряжения, согласно результатам испытаний по разделу 1 Методических указаний № Весна 2014 — осень 2014 19B (или 43B), будет равна глубине проникновения в напряжённые мишени. Испытания современных перфорационных систем показали, что некоторые из указанных выше допущений могут привести к расхождениям между результатами моделирования и фактическими характеристиками зарядов.13 Для устранения расхождений инженеры компании Schlumberger ввели новый пара- метр—баллистическую индикаторную функцию FBI. Эта функция даёт совместное описание собственных свойств пласта (неограниченная прочность сжатия и пористость) 14.Harvey J, Grove B and Zhan L: “Stressed Rock Penetration Depth Correlation,” paper SPE 151846, presented at the SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, Louisiana, February 15–17, 2012. 53 25 A 20 DoP, дюймы B 40 15 35 C D 5 0 Песчаник Карбонатная порода 30 DoP, дюймы 10 25 20 15 0 5000 10 000 15 000 20 000 25 000 FBI, фунт/дюйм2 10 FBI , UCS, Pc, Pp, 5 DoP, дюймы фунт/дюйм2 фунт/дюйм2 фунт/дюйм2 фунт/дюйм2 Модель Пласт A Каслгейт 20,8 4500 1600 4000 0 B Береа 16,5 10 400 8000 4000 0 C Наггет 9,0 17 800 16 000 4000 0 D Береа 8,5 19 800 8000 20 000 0 0 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 FBI, фунт/дюйм2 Рис. 6. Логарифмическое представление результатов испытаний и поправки за конкретные типы пород. — Испытания на глубину проникновения, проведённые в кернах песчаника при различных величинах приложенного напряжения и неограниченной прочности на сжатие (слева внизу на рис.), демонстрируют, что зависимость между FBI и глубиной проникновения является логарифмической (слева вверху на рис.). Кроме того, график зависимости глубины проникновения от FBI (справа на рис.) показывает, что глубина проникновения также зависит от типа породы. Заряды того же типа были испытаны в образцах керна песчаниковых (синие ромбы) и карбонатных пород (красные квадраты); кривые, соединяющие точки (синяя кривая для песчаника, красная кривая для карбонатов), показывают, что глубина проникновения в песчаник больше глубины проникновения в карбонатные породы. Разница в глубине проникновения наиболее выражена в менее прочных породах. В программе SPAN Rock вводятся поправки за прочность и тип пород. Результаты испытаний стали ещё одним подтверждением модели на основе баллистической индикаторной функции. и привнесенных свойств (геостатическое давление и поровое давление) для более точного прогнозирования качества ПВР в определенных скважинных условиях (рис. 5). Этот параметр был определен после проведения более 200 экспериментов с зарядами четырех типов и мишенями с неограниченной прочностью сжатия от 11 до 110 МПа (от 1600 до 16 000 фунт/дюйм2).14 По результатам экспериментов разработана и внедрена новая модель для расчёта глубины проникновения. В прежних моделях для расчёта глубины проникновения часто используется простое уравнение. В результаты испытаний, проведённых по бетонным мишеням согласно разделу 1, были внесены поправки с учётом разницы между неограниченной прочностью сжатия мишени и расчётной неограниченной прочностью сжатия пород. Для новой модели нужны шесть пара- 54 метров: два параметра кумулятивных зарядов и четыре параметра пласта (неограниченная прочность сжатия, пористость, всесторонее давление и поровое давление). Величина FBI была выбрана с учётом базовой линии 69 МПа (10 000 фунт/дюйм2), соответствующей центральной области набора данных. Замена одного параметра кумулятивных зарядов на два параметра открывает возможность для оптимизации конструкции перфорационOilfield Review ных систем для конкретных мишеней, наприSUMMER 14 мер, для перфорации твердых или мягких Perforatioin Fig. 6 пород. После внедрения модели ORSUMM 14 PERFOTN 6с шестью параметрами для проверки метода были проведены сотни дополнительных испытаний (рис. 6). Глубина проникновения кумулятивной струи перфорационных зарядов — лишь один аспект, характеризующий качество ПВР, поэтому была изучена гидропроводность перфорационных каналов.15 Качество перфорационных каналов В результате перфорации в стальных обсадных трубах простреливаются отверстия, и далее в пласте пробиваются перфорационные каналы. Обычно перфорационные каналы оказываются заполненными обломками, а на стенках каналов появляется слой повреждённой ударной волной породы (рис. 7).16 Повреждённая порода и обломки ограничивают приток из пласта. Степень повреждения определяет скин-фактор, описывающий повреждения в результате бурения, заканчивания и перфорации.17 Хотя глубина проникновения часто считается наиболее важной Нефтегазовое обозрение Предполагаемые условия после традиционной обработки Нереалистичная модель Традиционная перфорация Обломки после перфорации Равномерное повреждение Неэффективный поток Вероятное условие после обработки 1 дюйм Обломки после перфорации Неравномерное повреждение Рис. 7. Очистка перфорационных каналов после перфорации по традиционной технологии. — Каналы, образованные в результате перфорации традиционным методом, могут закупориваться обломками, ограничивающими приток (слева на рис.). Стенки каналов покрыты повреждённой породой, что также может послужить причиной ограничения притока (в центре вверху на рис.). При прогнозировании притока в скважину делается допущение о равномерном течении пластового флюида по перфорационным каналам (справа вверху на рис.). Из-за неравномерного повреждения пласта на стенках перфорационных каналов и различной степени закупорки их просвета (в центре внизу на рис.) равномерный приток маловероятен. В реальности приток из пласта по перфорационным каналам, созданным традиционными методами перфорации, ограничен препятствиями (справа внизу на рис.). (Grove et al, сноска 15.) составляющей продуктивности скважины, проницаемости по всей длине перфорационна практике состояние и геометрия перфора- ного канала. Ещё одно допущение, сделанное ционных каналов имеют равноценное влияние при разработке метода расчёта CFE, заключается в том, что проницаемость обломочной на качество ПВР.18 Одним из традиционных показателей каче- зоны можно повысить при отработке. Но это ства ПВР является гидравлическая эффектив- может произойти не во всех перфорационных ность в керне (core flow efficiency — CFE), т.е. каналах. Последнее важнейшее допущение отношение измеренной продуктивности пер- состоит в том, что CFE — это отношение профорированного в лаборатории керна к его тео- дуктивности повреждённых перфорационных ретической продуктивности. CFE идеального каналов к теоретической продуктивности неповреждённого канала перфорации равна неповреждённых каналов. Однако продуктив1,0; CFE менее 1,0 означает наличие повреж- ность неповреждёных каналов с трудом поддадений в результате перфорации. CFE выше 1,0 ётся количественной оценке. Во многих скважинах для удаления означает интенсификацию притока. CFE, рассчитанная по отношению измерен- повреждённой породы и обломков после перной и теоретической продуктивности, вызы- форации проводится отработка. Одним вает множество вопросов, связанных из широко распространенных методов вызова с допущениями, принятыми в данном Oilfield Review SUMMER 14 методе.19 При традиционном расчёте CFE делаPerforatioin Fig. 7 ется допущение о наличии в перфорационных ORSUMM 14 PERFOTN 7 каналах одномерного радиального течения при постоянном диаметре перфорационных 15.Grove B, Harvey J and Zhan L: “Perforation Cleanup by Means of Dynamic Underbalance: New Understanding,” каналов, чего обычно не наблюдается в реальSPE Drilling & Completion 28, no. 1 (March 2013): 11–20. ных условиях. В модели для прогнозирования 16.Подробнее о перфорации, зонах повреждения и обломках в перфорационных каналах: Baxter et al, CFE сделано допущение о том, что обломочная сноска 3. зона, т.е. повреждённая порода на стенках пер- 17.Скин-фактор — термин, который используется в теории разработки месторождений для описания форационного канала является единственным ограничений притока флюида в геологическую ограничителем притока. При этом наличие формацию или в скважину. Положительные значения скин-фактора свидетельствуют о наличии таких обломков внутри перфорационных каналах ограничений, а отрицательные — о наличии игнорируется.20 Кроме того, в модели принято благоприятных условий для притока, создаваемых, как правило, в результате мероприятий по допущение о постоянной толщине обломочной интенсификации притока, например, кислотной зоны со сниженной проницаемостью, несмообработки и гидравлического разрыва пласта. тря на доказанную изменчивость толщины и 18.Grove et al, сноска 15. Весна 2014 — осень 2014 притока сразу же после перфорации является перфорация на статической депрессии, при которой давление в скважине перед перфорацией обсадной колонной снижается ниже пластового порового давления. Качество очистки перфорационных отверстий при перфорации на статической депрессии зависит от гидравлической эффективности каждого перфорационного отверстия и эффективности притока из пласта в интервал перфорации. Сложность данного метода заключается в том, что перфорационные отверстия с наилучшими характеристиками дают бóльшую часть притока, а отверстия, которые могут получить преимущества после очистки, будут оставаться закупоренными обломками и повреждённой породой. 19.Harvey J, Grove B, Walton I and Atwood D: “Flow Measurements in the Perforation Laboratory: Re-Thinking Core Flow Efficiency (CFE),” paper IPS-10-015, presented at the International Perforating Symposium, The Woodlands, Texas, USA, May 5–7, 2010. Grove B, Harvey J, Zhan L and Atwood D: “An Improved Technique for Interpreting Perforating-Flow-Laboratory Results: Honoring Observed Cleanup Mechanisms,” SPE Drilling & Completion 27, no. 2 (June 2012): 233–240. 20.Обломочной зоной называется повреждённая порода на стенках перфорационного канала после перфорации. 55 Расчётные коэффициенты относительной продуктивности Технология PURE DUB, эффективный приток Коэффициент относительной продуктивности 1,2 1,0 0,8 0,6 Традиционная технология, неэффективный приток 0,4 0,2 0 Вариант «A»: Традиционная технология ПВР, новая модель Вариант «B»: Вариант «C»: Традиционная технология ПВР, Технология PURE DUB, традиционная модель новая модель Рис. 8. Повышение коэффициента относительной продуктивности при ПВР ной модели повреждения пласта в результате перфорации. В данной модели на динамической депрессии. — Из-за повреждения породы на стенках перфора- сделано допущение о том, что приток ограничен равномерной зоной повреждения ционных каналов и закупорки их просвета обломками в результате перфорации с низкой проницаемостью, которая простирается на всю длину каждого перфоратрадиционными методами коэффициент относительной продуктивности может ционного канала. Вариант «C» даёт коэффициент относительной продуктивности, значительно снизиться даже в условиях депрессии (слева на рис.). Иногда обломки рассчитанный для скважины после перфорации по технологии PURE DUB. можно удалить в ходе отработки скважины, хотя бóльшая часть притока будет Из-за чистоты перфорационных каналов и отсутствия ограничений для притока поступать из перфорационных каналов с наилучшими гидродинамическими харак- указанная технология обеспечивает максимальный приток. Это было доказано теристиками, а закупоренные перфорационные каналы могут не дать притока сравнением траектории течения флуоресцентного красителя в перфорационном совсем. Общие характеристики притока для трех вариантов перфорации иллю- канале керна после перфорации по технологии PURE DUB (справа вверху на рис.) стрируют влияние повреждений, вызванных перфорацией, и результаты примене- с траекторией течения в перфорационном канале после перфорации керна по трания новой модели притока. Вариант «A» даёт коэффициент относительной диционной технологии (справа внизу на рис.). Флуоресцентный краситель (голубой продуктивности, рассчитанный в результате реалистичной интерпретации анализа цвет) входит в перфорационный канал после перфорации PURE DUB по всей длине скважины, в которой была выполнена перфорация по традиционной технологии, канала. Однако краситель входит лишь в небольшую часть перфорационного с использованием новой модели. В модели учитывается, что в отсутствии перфо- канала после перфорации по традиционной технологии, так как бóльшая часть рации по технологии PURE DUB приток будет ограничен лишь небольшой частью канала закупорена обломками и повреждённой породой. Преимущество перфораOilfieldкоэфReviewционной технологии PURE DUB наиболее заметно при сравнении варианта «C» каждого перфорационного канала. Вариант «B» даёт слишком завышенный SUMMER 14 фициент относительной продуктивности, рассчитанный при помощи традицион- и варианта «A», вместо варианта «B». Perforatioin Fig. 8B ORSUMM 14 PERFOTN 8B Альтернативой перфорации на статической депрессии является технология PURE DUB. Это проверенная на практике технология повышения эффективности перфорационных каналов, измеряемая коэффициентом относительной продуктивности скважины (рис. 8).21 Технология заключается в удалении повреждённой породы со стенок перфорационных каналов и изъятии ограничивающих приток обломков из самих каналов.22 В дополнение к повышению продуктивности скважин, технология PURE DUB обладает дополнительными преимуществами с точки зрения технологии выполнения работ и безопасности. Например, перфорация по технологии PURE DUB может выполняться даже при невозмож- 56 ности поддержания статической депрессия до начала ПВР. Это обычно происходит при наличии в скважине открытых перфорационных отверстий, или когда необходимо создать репрессию для предотвращения нефтегазоводопроявлений. Концепция технологии DUB была разработана в ходе исследований, проводившихся в лаборатории SRC. На процесс очистки перфорационных отверстий в основном влияют свойства пласта и изменения давления в результате срабатывания перфораторов (рис. 9). С точки зрения очистки скважины, технология PURE DUB более эффективна по сравнению с отработкой или перфорацией на депрессии. В результате недавних исследо- ваний установлено существенное улучшение эффективности притока в скважинах после перфорации по технологии PURE DUB. Одной из отличительных особенностей программы SPAN Rock является внедрение уточнённой модели притока, в которой преодолены ограничения традиционного метода расчёта CFE. Уточнённая модель притока позволяет более точно прогнозировать результаты ПВР по технологии DUB. Разработанная в лаборатории SRC модель основана на результатах многочисленных экспериментов, в неё включена реалистичная модель притока, она хорошо согласовывается с реальными механизмами очистки перфорационных каналов.23 Процессы, протекающие при ПРВ по тех- Нефтегазовое обозрение Давление, фунт/дюйм2 Динамическая депрессия Результаты перфорации на депрессии по технологии PURE Равномерный приток Чистый канал 6000 4000 2000 0 0 2 Время, с 4 1 дюйм Рис. 9. Модель перфорации на динамической депрессии (DUB) по технологии PURE. — При перфорации на динамической депрессии в перфорационных каналах создаются изменяющиеся перепады давления (первая слева схема на рис.). Благодаря им удаляются обломки после перфорации из просвета перфорационных каналов и повреждённая порода со стенок каналов (вторая слева схема на рис). Полностью очищенные перфорационные каналы обеспечивают высокую эффективность притока по всей длине каналов (вторая справа схема на рис.). Флюид из пласта входит в каждый перфорационный канал и поступает в ствол скважины (первая справа схема на рис.), в результате чего, по сравнению с традиционной технологией перфорации, повышается коэффициент продуктивности скважины. нологии DUB, достаточно сложны. Однако было разработано программное обеспечение для прогнозирования эффективности перфорационных систем, которое учитывает изменения давления в стволе скважины, свойства пласта и мероприятия по интенсификации притока.24 Рабочий процесс и создание модели являются неотъемлемыми элементами программы SPAN Rock. Программа SPAN Rock Программа для анализа ПРВ SPAN была разработана компанией Schlumberger в 1980-е годы. При помощи этой программы производились расчёты глубины проникновения кумулятивных струй по результатам испытания зарядов по бетонным мишеням, прогнозировалась геометрия перфорационных каналов для всех перфорационных систем и типов зарядов производства компании Schlumberger для обсадных колонн любых типоразмеров, в том числе для нескольких обсадных колонн. Программа содержала модуль расчёта продуктивности для оценки качества и эффективности ПВР. Графический интерфейс программы позволял проводить визуальное сравнение различных перфораторов. С момента внедрения в программу SPAN внесено множество уточнений. В новейшей версии программы оригинальная модель, основанная на результатах испытаний зарядов по бетонным мишеням, заменена недавно разработанной моделью проникновения кумулятивной струи в напряжённые породы.25 После замены модели изменилось и название программы — она стала называться SPAN Rock. Модель проникновения кумулятивной струи — не единственное дополнение к программе; в программу были внесены несколько функциональных Весна 2014 — осень 2014 усовершенствований. В программе SPAN Rock имеется первая в отрасли модель очистки перфорационных каналов по технологии DUB.26 Модель предназначена для расчётов, связанных с очисткой перфорационных каналов при различной динамике давления в скважине и различных характеристиках пласта. Созданная на основе опубликованных и рецензируемых исследований, новая модель позволяет прогнозировать качество очистки как в традиционной модели с «обломочной зоной» (kc/k), так и с учётом недавно опубликованной модели «эффективной длины потока» (Lc/L).27 Сочетание более точных моделей для расчёта глубины проникновения и качества очистки повышает точность прогнозирования технологических показателей скважины. Наряду с описанной в SPAN Rock моделью обломочной зоны, для оценки влияния прочности пород на качество ПВР были разработаны новые алгоритмы. Они предназначены Oilfield Review для расчёта продуктивности как нефтяных, SUMMER 14 Если имеются кернотак и газовых скважин. Perforatioin Fig. 8A граммы, ORSUMM на основании которых 14 PERFOTN 8A создаётся механическая модель геологической среды, то их данные могут напрямую импортироваться в программу для подготовки реалистического прогноза глубины проникновения и расчёта продуктивности в зависимости от глубины. В анализе продуктивности может учитываться влияние гравийных фильтров, границ залежи и частичного заканчивания (рис. 10). Усовершенствование планов применения перфорационных систем Одно из преимуществ программы SPAN Rock заключается в возможности оптимизации плана ПВР по результатам анализа чувствительности. Анализ проводится для моделиро- вания результатов ПВР, выполненных с различными перфораторами и зарядами. В одной из опытных скважин с достаточно глубокой зоной повреждения пласта была проведена перфорация по технологии PURE DUB (перфоратор № 1). Перфоратор диаметром 4½ дюйма был заряжен глубокопроникающими кумулятивными зарядами, срабатывающими с плотностью 5 отверстий на фут (отв./ фут). В целях анализа 1 из 10 зарядов был 21.Коэффициент относительной продуктивности определяется как измеренный коэффициент продуктивности скважины с учётом влияния характеристик заканчивания и приствольной зоны, разделённый на теоретический идеальный коэффициент продуктивности необсаженной скважины. Подробнее о коэффициенте продуктивности см.: Behrmann L, Brooks JE, Farrant S, Fayard A, Venkitaraman A, Brown A, Michel C, Noordermeer A, Smith P and Underdown D: “Perforating Practices That Optimize Productivity,” Oilfield Review 12, no. 1 (Spring 2000): 52–74. 22.Подробнее о перфорации в условиях динамической депрессии см.: Baxter et al, сноска 3. 23.Grove et al, сноска 15. 24.Подробнее о реализации моделирования в программе SPAN Rock: Zhan L, Doornbosch F, Martin A, Harvey J and Grove B: “Perforated Completion Optimization Using a New, Enhanced and Integrated Perforating Job Design Tool,” paper SPE 151800, presented at the SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, Louisiana, February 15–17, 2012. 25.Модель глубины проникновения по результатам испытаний зарядов по бетонным мишеням доступна в качестве опции этой программы. 26.Harvey J, Grove B and Zhan L: “A Laboratory Correlation for Dynamic Underbalance Core Flow Efficiency,“ paper IPS-12-26, presented at the International Perforating Symposium, The Woodlands, Texas, April 26–28, 2012. 27.Отношение проницаемости повреждённого слоя породы kd к проницаемости неповреждённой породы k является показателем ограничения притока. Так как при перфорации на динамической депрессии происходит очистка повреждённой породы из части перфорационного канала, разработана новая модель для расчёта отношения длины очищенного перфорационного канала Lc к общей глубине проникновения L. 57 Характеристики пласта • Механических свойства породы • Напряжения • Тип породы • Проницаемость пласта • Пористость пласта • Анизотропия пласта • Разнородность пласта • Свойства пластового флюида (вязкость, пластовое давление, температура и пр.) Состояние скважины • Геометрия ствола скважины • Характеристики НКТ и цемента • Характеристики скважинного флюида • Ориентация и угол отклонения ствола • Давление скважинного флюида относительно давления пластового флюида • Гравийный фильтр • Характеристики фильтра Породы в приствольной зоне и условия притока • Фильтрация бурового раствора и миграция твердых частиц (радиус и интенсивность повреждения пласта в приствольной зоне) • Условия притока в приствольной зоне (ламинарный или турбулентный поток) Заряды, перфоратор и компоновка • Тип и размер зарядов • Тип и размер перфоратора • Фазировка и плотность зарядов • Прочие элементы колонны • Конфигурация компоновки (центрованная или с отклонением от центра, подробная геометрия) Сбор данных Новая модель расчёта глубины проникновения Модель для прогнозирования изменений давления в скважине Точная модель расчёта перфорационного скин-фактора Улучшенная модель скин-фактора скважины Оценка глубины перфорации, диаметра входного отверстия и перфорационного канала Значения глубины перфорации, диаметров входного отверстия, и перфорационного канала Оценка состояния перфорационного канала Параметры динамической депрессии, повреждения в обломочной зоне, закупорка каналов, длина очищенных каналов, уточнённый диаметр каналов Расчёт коэффициента продуктивности скважины и оценка характеристик перфоратора Коэффициент относительной продуктивности, коэффициент продуктивности, дебит, общий скин-фактор и все компоненты скин-фактора, результаты анализа чувствительности Изменить входные данные или параметры перфоратора? Да Нет Выбор оптимального перфоратора Рис. 10. Новая процедура выбора перфоратора и зарядов. — На основании данных, собранных из нескольких источников, программа SPAN Rock даёт реалистичный прогноз глубины проникновения кумулятивных струй перфорационных зарядов. По умолчанию применяется новая модель расчёта глубины проникновения на основании результатов испытаний зарядов по горным породам, при этом имеется возможность применения традиционной модели прогнозирования глубины проникновения на основании результатов испытаний зарядов по бетонным мишеням. Программа позволяет создавать модели перфораторов, работающих по технологии PURE DUB. Производится расчёт продуктивности скважин с учётом состояния перфорационных каналов и скин-фактора. Процедура может использоваться в итерационном режиме для обеспечения максимального качества ПВР; результаты отражают характеристики срабатывания зарядов по напряжённым породам. заменен пробойным зарядом для перфорации на динамической депрессии, при этом эффективная плотность зарядов стала равна 4,5 отв./ фут (рис. 11). Пробойные заряды позволяют 58 скважинным и пластовым флюидам быстро войти в корпус перфоратора, за счет чего создаётся динамическая депрессия. Проницаемость пласта была высокой, поэтому высокий скин-фактор после применения перфоратора, создающего низкую плотностью отверстий, возможно, был связан с турбулентностью потока, не подчиняющегося закону Дарси.28 Диаметр перфоратора Нефтегазовое обозрение Параметр Перфоратор № 2 Перфоратор № 1 Тип перфоратора Перфоратор, создающий высокую плотность отверстий, диаметром 4 1/2 дюйма на динамической депрессии с зарядами № 1 Тип зарядов Перфоратор № 3 Перфоратор, создающий высокую плотность отверстий, диаметром 4 1/2 дюйма без динамической депрессии с зарядами № 2 Перфоратор, создающий высокую плотность отверстий, диаметром 4 1/2 дюйма на динамической депрессии с зарядами № 2 Заряды PowerJet Omega, HMX DP, HMX DP, HMX Стандартные заряды (отв./фут) 4,5 12 8 Пробойный заряд для перфорации на динамической депрессии (отв./фут) Положение перфоратора 0,5 0 0,5 Нецентрованное Нецентрованное 38,8 22 22 Проникновение в породу, дюйм 59,2 34 34 1,2 Коэффициент относительной продуктивности Коэффициент относительной продуктивности Нецентрованное Вес взрывчатого вещества, г 1,1 1,0 0,9 Перфоратор № 1 Перфоратор № 3 0,8 0,7 0 4 8 12 16 Зона повреждения при бурении, дюймы 20 1,20 1,18 1,16 1,14 Перфоратор № 1 Перфоратор № 3 1,12 1,10 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Снижение проницаемости зоны повреждения kd /k Рис. 11. План проведения ПВР. Проведено моделирование трех перфораторов (вверху на рис.) в скважине, где предполагалось сильное повреждение пласта в процессе бурения. Может показаться, что в результате перфорации скважин с большей плотностью отверстий их продуктивность будет выше по сравнению со скважинами, где перфорация была проведена с меньшей плотностью отверстий, т.к. первые скважины имеют бóльшую площадь открытых для притока перфорационных отверстий. Однако результаты моделирования с помощью программы SPAN Rock говорят о том, что глубокопроникающие заряды высокотемпературных взрывчатых веществ (HMX), установленные в перфоратор № 1, работающий по технологии PURE DUB с плотностью 4,5 отв./фут (голубая кривая слева внизу на рис.), способствуют повышению коэффициента относительной продуктивности по сравнению с перфоратором № 2, работающим без динамической депрессии с плотностью 12 отв./фут (данные на рисунке не показаны) и перфоратором № 2, работающим на динамической депрессии с плотностью 8 отв./фут (красная линия), так как скин-эффект повреждённой зоны оказывает большее влияние на продуктивность после применения перфоратора № 3 по сравнению с перфоратором № 1. Кроме того, при перфорации на динамической депрессии с применением перфоратора № 1 кумулятивная струя не только проникает за границу зоны повреждения, но и создаёт перфорационные каналы с меньшей толщиной зоны повреждения по сравнению с перфоратором № 3, что подтверждается отношением проницаемости зоны повреждения в перфорационном канале kd к проницаемости k неповреждённой породы. Таким образом, на основании сравнительных данных о снижении проницаемости перфорационных каналов, перфоратор № 1 (голубая кривая справа внизу на рис.) обеспечивает более высокий коэффициент относительной продуктивности по сравнению с перфоратором № 3 (красная линия). № 2 — 4½ дюйма, создаваемая им плотность отверстий — 12 отв./фут. Данный перфоратор мог преодолеть скин-фактор, связанный с турбулентностью потока, не подчиняющегося закону Дарси, так как по сравнению с перфоратором, обеспечивающим плотность отверстий 4,5 отв./фут, он характеризовался повышенным проходным сечением потока. Однако применение перфоратора, простреливающего 12 отв./ фут, имело свои недостатки: глубина проникновения кумулятивной струи была меньше из-за меньшего размера зарядов, эффект от применения технологии перфорации на динамической Весна 2014 — осень 2014 депрессии отсутствовал, так как специальные пробойные заряды не применялись. В результате моделирования различных вариантов в программе SPAN Rock количественно установлено, что перфоратор № 1 обеспечивал значительно более высокую продуктивность скважины, нежели перфоратор Oilfield Review SUMMER 14действия перфоратора № 3 № 2. Моделирование Perforatioin Fig.же10зарядами, как и для проводилось с такими ORSUMM перфоратора и № 2,14 но PERFOTN плотность 10 отверстий, пробиваемых перфоратором № 3, была равна 8 отв./ фут. Перфоратор № 3 моделировали с пробойными зарядами для перфорации на динамиче- ской депрессии. Данный перфоратор создавал более высокую плотность отверстий по сравнению с перфоратором № 1 для снижения скин-эффекта, связанного с турбулентностью потока, не 28.Закон Дарси предполагает ламинарное течение. Скин-эффект, не связанный с законом Дарси, возникает из-за ограничения потока, которое обычно наблюдается в высокодебитных газовых скважинах, когда поступающий в скважину приток флюида набирает высокую скорость и становится турбулентным. Турбулентный поток по большей части наблюдается в продуктивных интервалах вблизи ствола скважины, поэтому из-за потока, не подчиняющегося закону Дарси, возникает зависимый от дебита скин-эффект. 59 Е A Заряжен Пакер Не заряжен Длина перфоратора — 6 м Перфоратор № 8 Перфоратор № 6 Перфоратор № 4 Перфоратор № 2 НКТ Стреляющая головка Перфоратор № 9 Перфоратор № 7 Перфоратор № 5 Перфоратор № 3 Автоматическое разъединительное устройство Защитная шайба Перфоратор № 1 Перфораторы, создающие высокую плотность отверстий Заглушка В Давление в скважине 13 600 −2,2 14 000 14 100 14 200 14 300 −1,8 Усилие, тыс. фунтов силы Перемещение, дюймы 13 900 0 −50 −2,0 13 800 −1,6 −1,4 −1,2 −1,0 −0,8 −0,6 20 −40 −30 −20 −10 −0,2 14 500 0 0,2 2000 3000 4000 5000 6000 Давление, фунт/дюйм 2 40 60 80 100 120 −0,4 14 400 Кольцевое пространство пакера и НКТ Д Осевая нагрузка на НКТ −60 −2,4 13 700 Измеренная глубина, футы Г Перемещение перфоратора Усилие, тыс. фунтов силы Б 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 10 140 0 Время, с 0,02 0,04 0,06 Время, с 0,08 0,10 160 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Время, с Рис. 12. Начальный план перфорации. — При помощи программы PURE можно прогнозировать динамические эффекты, в том числе силы, воздействующие на подземное оборудование. Компания-оператор планировала произвести перфорацию одиночного интервала (Б, пунктирные линии) девятью перфораторами; перфоратор № 9 применялся в качестве предохранительного буфера без зарядов, часть перфоратора № 8 длиной примерно 1,5 м также была оставлена незаряженной (А). Результаты моделирования показывают, что использование данной компоновки приведёт к возникновению серии ударных волн в первые 0,10 с после детонации (Б). Цветовая кодировка данных соответствует времени с момента детонации: точки кривых темно-синего цвета получены в нулевой момент времени, красного цвета — через 0,10 с, промежуточных цветов — в промежуточные моменты времени. Как показывают данные, колонна перфоратора сдвинулась бы вверх на 2,4 дюйма (6,1 см) (В), колонна НКТ подверглась бы воздействию осевой нагрузки величиной 58 000 фунтов силы (258 кН) (Г), пакер и кольцевое пространство подверглись бы воздействию максимальной нагрузки величиной почти 160 000 фунтов силы (712 кН) (Д). Этого было бы достаточно для повреждения автоматического разъединительного Oilfield Review устройства для перфоратора и, вероятно, для срыва пакера (Е). SUMMER 14 Perforatioin Fig. 11 ORSUMM 14 PERFOTN 11 подчиняющегося закону Дарси. При срабатывании пробойных зарядов возникал эффект динамической депрессии. Так как кумулятивная струя глубокопроникающих зарядов PowerJet Omega перфоратора № 1 проникает за пределы зоны повреждения, перфоратор № 1 все ещё превосходил перфоратор № 3 по качеству ПВР. 60 Последствия ударной волны При испытании и снятии характеристик кумулятивных зарядов в основном рассматриваются отдельные заряды, а общей динамике системы уделяется меньше внимания. Динамические взаимодействия в системе, которые происходят во время и после детонации, трудно воспроизвести в наземных испы- тательных системах. Тем не менее, в результате более глубокого изучения физических процессов перфорации и увеличения вычислительных мощностей стало возможным использовать программы моделирования для расчёта ударных нагрузок на перфоратор. Эти динамические нагрузки зависят от геометрии обсадной и лифтовой колонн, типа перфора- Нефтегазовое обозрение A Заряжен Не заряжен Длина перфоратора — 6 м Б Перфоратор № 6 Перфоратор № 4 Перфоратор № 2 Перфоратор № 7 Перфоратор № 5 Перфоратор № 3 Перфоратор № 1 В Давление в скважине 0 13 700 0,5 Г 14 000 14 100 14 200 14 300 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 3000 4000 5000 6000 Давление, фунт/дюйм 2 5,5 20 2 3 4 5 30 40 50 60 70 80 90 5,0 14 500 0 1 1,5 4,5 14 400 Кольцевое пространство пакера и НКТ Д 10 Усилие, тыс. фунтов силы Перемещение, дюймы 13 900 Осевая нагрузка на НКТ 0 1,0 13 800 Измеренная глубина, фут Перемещение перфоратора 13 600 Усилие, тыс. фунтов силы Перфоратор № 9 Перфоратор № 8 6 0 0,02 0,04 0,06 Время, с 0,08 0,10 100 0 0,02 0,04 0,06 Время, с 0,08 0,10 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Время, с Рис. 13. Модифицированный план перфорации. — Согласно первоначальному плану зарядки перфораторов, верхняя часть перфоратора № 8 длиной 1,5 м и перфоратор № 9 заряжены не были. При использовании такой схемы зарядки возникает большое усилие на пакер и разъединительное устройство. Небольшое изменение плана зарядки дало совсем другой результат. По новому плану (А) нижние 1,5 м перфоратора № 1 не заряжались, перфоратор № 8 был заряжен полностью, а перфоратор № 9 останется полностью незаряженным. На основании модели был получен прогноз о возникновении в первые 0,10 с ударных волн (Б), данные на каждом графике обозначены цветами, которые соответствуют времени с момента детонации как на рис. 12. В данном варианте компоновка перфораторов опускается на забой сразу же после детонации (В), осевая нагрузка на НКТ будет значительно снижена (Г), а максимальная нагрузка на пакер составит 100 000 фунтов силы (Д), что снизит вероятность повреждения разъединительного устройства или пакера. тора, характеристик кумулятивных зарядов, плотности отверстий, создаваемых перфоратором, а также свойств флюида. Контролируя воздействие ударной волны, можно повысить качество перфорации и предотвратить повреждения дорогостоящего скважинного оборудования. При выходе кумулятивной струи из корпуса перфоратора во время перфорации обсадной колонны в скважине и перфораторе протекают сложные процессы. На гидродина- Весна 2014 — осень 2014 мический режим в стволе скважины влияют Oilfield Review давление детонации в основном три условия: SUMMER 14 газа в корпусе перфоратора, давление скваPerforatioin Fig. 12 жинного флюида и поровое давление пласта.29 ORSUMM 14 PERFOTN 12 Жидкий скважинный флюид обычно имеет более высокую плотность и более низкую сжимаемость по сравнению воздухом, находящимся внутри перфоратора, и газами, выходящими при срабатывании зарядов во время перфорации. Из-за разницы между давлением внутри перфоратора и гидростати- ческим давлением в скважинной жидкости во время детонации образуются ударные волны, которые распространяются в радиальном и осевом направлении вверх и вниз по стволу. Скорость ударных волн в стволе скважины равна скорости звука в жидкой среде, т.е. приблизительно 1500 м/с (4900 фут/с). Для прогнозирования гидродинамических эффектов, вызванных ударной волной и структурными нагрузками из-за действия этой 61 волны на перфоратор, трубные колонны, подземное оборудование, кабели (если применяется перфоратор, спускаемый на кабеле) и другие элементы оснастки скважины, необходимо знать динамические характеристики перфоратора, скважины и порового давления пласта. Программа PURE, предназначенная для планирования ПВР, позволяет осуществлять прогнозирование и оптимизацию ПВР на динамической депрессии, производить расчёты ударных нагрузок и динамические характеристики конструкций оборудования для заканчивания скважин. Ценность этих возможностей моделирования не так давно была продемонстрирована при выполнении ПВР со спускаемыми на НКТ перфораторами диаметром 7 дюймов, создающими высокую плотность отверстий. Перфораторы были спущены в продуктивный интервал длиной 50 м (164 фута) и заряжены глубокопроникающими зарядами, простреливающими 39 отв./м. Ожидаемое начальное давление в скважине — 37,9 МПа (5500 фунт/ дюйм2), плотность солевого раствора заканчивания — 1102 кг/м3 (9,2 фунта на галлон США). Ожидаемое поровое давление — 44,8 МПа (6500 фунт/дюйм2), т.е. на 6,9 МПа (1000 фунт/дюйм2) выше давления в стволе скважины, что позволяло выполнить перфорацию на статической депрессии. Расстояние между верхней частью перфоратора и пакером — 35 м (115 футов), расстояние до забоя — 182 м (597 футов) (рис. 12). Для сбрасывания перфораторов на забой по окончании работ в колонне было установлено автоматическое разъединительное устройство. Разъединительное устройство открывает доступ к перфорационным отверстиям под пакером для опробования, отработки или добыче через открытый конец НКТ. Обычно компоновка перфораторов извлекается из скважины после подъёма колонны НКТ. Однако некоторые нефтегазодобывающие предприятия используют этот вариант конструкции с целью немедленного ввода скважины в эксплуатацию, при этом отработанные перфораторы остаются на забое. Первоначально планировалось использовать девять 6-метровых (20-футовых) перфораторов; часть перфоратора № 8 длиной 1,5 м (4,9 футов) и весь перфоратор № 9 не имели зарядов и выполняли роль защитного буфера. Остальные семь перфораторов были полностью заряжены. Ударные волны в корпусе перфораторов распространяются со скоростью 6100 м/с (20 000 фут/с). В стволе скважины возникаю- 62 щие после детонации ударные волны в жидкости распространяются со скоростью 1500 м/с (4900 фут/с). Из-за разницы скоростей возникает перепад давления между нижней и верхней частью компоновки перфораторов. Из-за перепада давления возникает направленное вверх усилие большой величины, а также колебания, вызванные волнами напряжения, которые отражаются во всех местах, где меняется площадь поперечного сечения компоновки перфораторов. Моделирование показало, что после детонации данная компоновка перфораторов совершила бы резкий бросок вверх. Это могло бы привести к возможным повреждениям оборудования и свело бы на нет все преимущества от применения разъединительного устройства. Затем было проведено моделирование компоновки перфораторов с небольшими изменениями конфигурации. Перфоратор № 1 был заряжен частично, его нижняя секция длиной 1,5 м была оставлена без зарядов, перфоратор № 8 был заряжен полностью, а перфоратор № 9 — полностью оставлен без зарядов (рис. 13). Величина нагрузки, которая воздействовала бы на разъединительный механизм при исходной конфигурации компоновки, составляла бы около 258 кН (58 000 фунтов силы). Существовала большая вероятность повреждения оборудования, которая могла бы привести к несрабатыванию разъединительного устройства. При втором варианте конфигурации на разъединительное устройство воздействовала бы нагрузка величиной только 4,4 кН (1000 фунтов силы), что полностью устраняло вероятность повреждения оборудования. В исходном варианте пакер находится под воздействием направленного вверх усилия величиной 712 кН (160 000 фунтов силы). В новом варианте компоновки пакер находится под воздействием направленного вниз усилия величиной 445 кН (100 000 фунтов силы), что снижает вероятность срыва пакера. Итеративный процесс моделирования динамических сил показал, что даже небольшие изменения конфигурации могут повлиять на динамические характеристики перфорационной системы. Перфорация была успешно выполнена с использованием второго варианта компоновки. Стратегия ПВР Определение характеристик зарядов в испытаниях по бетонным мишеням согласно разделу 1 Методических указаний № 19В было попыткой упростить процесс принятия решений при подготовке планов ПВР. Но данный подход может привести к ложным выводам. Вопреки общепринятым представлениям, разработка оптимальной стратегии ПВР часто является непростой задачей. Во многих случаях изменение методики выполнения ПВР может привести к значительному увеличению дебитов. В компании Petróleos Mexicanos (PEMEX) перфорацию скважин на двух месторождениях в южной части Мексики традиционно проводили открытыми зарядами на бескорпусных перфораторах. В бескорпусных перфораторах часто используются более крупные и глубоко проникающие заряды по сравнению с корпусными перфораторами для обсадных колонн. Однако после применения таких перфораторов в скважине остаются обломки. Кроме того, открытые заряды уязвимы для повреждений во время спуска, ограничены и методы спуска перфораторов. Бескорпусные перфораторы обычно спускаются на кабеле, они редко применяются для ПВР в горизонтальных скважинах. В отличие от жестких корпусных перфораторов, доставка спускаемых на кабеле перфораторов затруднена из-за гибкости подвески. Преимущества бóльшей глубины проникновения и повышения продуктивности благодаря применению более крупных открытых зарядов необходимо оценить в сопоставлении с недостатками перфораторов данного типа: обломками, уязвимостью и ограничениями по методам спуска. Заряды PowerJet Nova рассчитаны на максимальную глубину проникновения в напряжённые породы (см. «Оптимизация зарядов для напряжённых пород,» стр. 64). В результате моделирования зарядов в ожидаемых условиях глубина проникновения оказалась на 30% выше по сравнению с глубиной проникновения, обеспечиваемой кумулятивными зарядами прошлого поколения. Заряды PowerJet Nova стали первыми зарядами для корпусных перфораторов, для которых удалось 29.Baumann C, Dutertre A, Khaira K, Williams H and Mohamed HNH: “Risk Minimization when Perforating with Automatic Gun Release Systems,” paper SPE 156967, presented at the SPE Trinidad and Tobago Energy Conference and Exhibition, Port of Spain, Trinidad and Tobago, June 11–13, 2012. 30.Garcia RFM and Fayard AJ: “Nuevos desarrollos en tecnología de disparos incrementan la seguridad y producción—aplicaciones en la región sur,” presented at the meeting of the Asociación de Ingenieros Petroleros de México and Colegio de Ingenieros Petroleros de México, Coatzacoalcos, Mexico, October 25, 2013. 31.Procyk AD, Burton RC, Atwood DC and Grove BM: “Optimized Cased and Perforated Completion Designs Through the Use of API RP-19B Laboratory Testing to Maximize Well Productivity,” paper SPE 159920, presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, October 8–10, 2012. 32.Procyk et al, сноска 31. Нефтегазовое обозрение Месторождение А Месторождение В 160 120 110 Дебит, барр./сутки Дебит, барр./сутки 150 140 130 120 100 90 80 110 100 70 Среднее для PowerJet Nova Среднее по месторождению Рис. 14. Прирост добычи благодаря применению зарядов PowerJet Nova. — Для проникновения кумулятивной струи за пределы зоны повреждённой при бурении породы, в компании PEMEX перфорационные работы традиционно выполнялись при помощи перфораторов с открытыми кумулятивными зарядами. Такое решение позволяло применять заряды максимального размера. Заряды PowerJet Nova, установленные в закрытых корпусных перфораторах для обсадных труб, обеспечивали более высокий дебит скважин по сравнению с традиционными методами перфорации, несмотря на меньший размер. Средний дебит в пяти скважинах месторождения A увеличился на 13% (слева на рис.), а в четырех скважинах месторождения B — на 23% (справа на рис.) по сравнению с дебитом после ПВР с использованием предыдущих перфорационных систем. достичь увеличенной глубины проникновения ния с высоким пластовым давлением и темпена Северном море перед несмотря на меньшие размеры по сравнению с ратурой зарядами, использовавшимися в бескорпус- компанией-оператором встала задача поиска ных перфораторах. В компании PEMEX были решения по повышению продуктивности сквапроведены испытания новых зарядов для жин. Исходя из полученного опыта, были сравнения технологических показателей всех понятны вопросы обеспечения надежности и качества ПВР, связанные с применением пробуренных скважин на месторождениях. Средний дебит на пяти скважинах место- высокотемпературных кумулятивных зарядов. рождения A после перфорации новыми заря- Цель проведения ПВР заключалась в максидами составил 157 барр./сутки (24,9 м3/сутки), мальной степени вскрытия пласта в его непочто на 13% выше среднего дебита по местороOilfield Reviewвреждённой части, т.е. за пределами зоны 3 ждению (139 барр./сутки (22,1 мSUMMER /сутки)).3014 повреждения пород в результате бурения. Perforatioin 13 изучены альтернативные варианты, Были Средний дебит на четырех скважинах место- Fig. ORSUMM проведено13количественное сравнение коэффирождения B составил 119 барр./сутки (18,9 м3/14 PERFOTN сутки), что на 23% выше среднего дебита циентов продуктивности после применения (97 барр./сутки (15,4 м3/сутки)) на скважинах, новых и старых методов перфорации.31 перфорация которых проводилась открытыми Из-за ожидаемого высокого пластового зарядами на бескорпусных перфораторах давления были приняты жесткие требования (рис. 14). Продуктивность скважин была уве- к безопасности работ, возникли дополнительличена благодаря способности кумулятивной ные трудности из-за большой длины интерструи зарядов PowerJet Nova проникать за пре- вала перфорации и перфорационной колонны. делы зоны повреждения пласта. Применение Группа планирования ПВР работала в тесном корпусных перфораторов позволило повысить сотрудничестве с инженерами Schlumberger качество ПВР, сделало возможным примене- для разработки индивидуального решения, ние альтернативных методов спуска и снизило нацеленного на достижение плановой добычи уровень риска, связанный с открытыми и обеспечивавшего безопасность при выполнезарядами. нии работ. Есть и другой пример применения зарядов. План ПВР предусматривал применение В ходе разработки конденсатного месторожде- зарядов, пригодных для высокотемператур- Весна 2014 — осень 2014 ных условий и обеспечивавших максимальную вероятность проникновения кумулятивной струи за пределы зоны повреждения. Для оценки качества очистки и определения степени повреждения пласта из-за фильтрации скважинного флюида заказчик проводил испытания согласно разделу 4 Методических указаний № 19B, а для проверки расчётной глубины проникновения — испытания зарядов по напряжённым породам согласно разделу 2. Испытания согласно разделу 4 Методических указаний № 19B проводились по образцам керна меловых песчаников свиты Карбон-Тан (Carbon Tan), характеристики которых соответствовали характеристикам пород, залегающих в более глубоких участках пласта-коллектора. Испытания, проводившиеся по напряжённым породам, подтвердили расчётную глубину проникновения кумулятивной струи зарядов при перфорации на динамической депрессии по технологии PURE. Расчёты глубины проникновения были выполнены программой SPAN Rock с уточнёнными моделями для прогнозирования качества перфорации на динамической депрессии и качества очистки перфорационных каналов. Испытания по разделу 4 продемонстрировали способность технологии PURE произвести удаление значительной части повреждённой породы из обломочной зоны и обеспечить высокий коэффициент продуктивности даже в ходе испытаний в скважине, заполненной буровым раствором. Испытания на статической депрессии показали значительно меньшую эффективность очистки обломочной зоны, а испытания в скважине, заполненной буровым раствором, показали низкую продуктивность после перфорации.32 После проведения испытаний согласно разделу 4, подтвердивших эффективность перфорации на динамической депрессии по технологии PURE в части очистки перфораций в наиболее сложных участках коллектора, была проведена серия испытаний согласно разделу 2 для определения глубины проникновения. Испытания (продолжение на стр. 32) 63 Оптимизация зарядов для перфорации напряжённых пород Этапы детонации заряда и проникновения струи в породу Глубина проникновения струй кумулятивных зарядов обратно пропорциональна прочности породы, т.е. проникновение в слабые породы глубже, чем в прочные. Недавние исследования показали, что заряды, разработанные для слабых пород с умеренным напряжением, не могут одинаково успешно применяться в более прочных породах с сильным напряжением. Может показаться, что повышение характеристик зарядов при перфорации одних пород будет означать повышение качества перфорации всех типов пород, но это не всегда так. Объяснение этому можно найти в физических принципах, лежащих в основе действия кумулятивных зарядов. Перфорационный кумулятивный заряд состоит из трех основных деталей: небольшого инициирующего заряда, конической гильзы и основного заряда взрывчатого вещества (рис. А). Гильза, отвечающая за образование кумулятивной струи, обычно состоит из прессованной смеси порошков металлов. Наружная оболочка удерживает заряд. В заряженном перфораторе область инициирующего заряда соприкасается с детонационным шнуром. Процесс детонации зарядов и образования кумулятивных струй длится несколько микросекунд. Инициирование детонационного шнура обычно производится при помощи различных капсюльных детонаторов, создающих фронт детонации, который проходит через все заряды перфоратора. Инициирующий заряд, соприкасающийся с детонационным шнуром, находится позади каждого основного заряда взрывчатого вещества. Детонация инициирующего заряда вызывает детонацию основного кумулятивного заряда. Под давлением, создаваемым реакцией детонации, происходит смятие гильзы внутрь к продольной оси заряда. Образуется кумулятивная струя, распространяющаяся с чрезвычайно высокой скоростью — свыше 7000 м/с (23 000 фут/с). Движущаяся вперёд струя из газов и обломков гильзы проходит через перфоратор, скважинный флюид, обсадную колонну, цементный камень и породу пласта (рис. Б). По мере развития детонации продолжается смятие гильзы и образование струи, но скорость 64 Перфоратор Детонационный шнур Гильза Инициирующий заряд 1 мкс Взрывчатое вещество Фронт детонации 10 мкс Передний конец струи (7000 м/с) Хвост струи (1000 м/с) 30 мкс Давление переднего конца струи (30 ГПа) 50 мкс Частицы в хвосте струи 100 мкс Рис. Б. Процесс срабатывания перфоратора. — Для перфорации скважины инженер подаёт в неё ток, который приводит в действие баллистический детонатор. Срабатывание детонатора запускает цепь быстропротекающих событий. Детонатор взрывается и передаёт свою энергию прилегающему детонационному шнуру, который передаёт взрывную энергию каждому кумулятивному заряду перфоратора. Инициирующий заряд, расположенный позади основного кумулятивного заряда (справа вверху на рис.), соприкасается с детонационным шнуром. Инициирующий заряд детонирует и инициирует взрыв основного кумулятивного заряда. Под действием силы взрыва происходит смятие конической гильзы. При этом формируется кумулятивная струя, скорость движения переднего конца которой достигает 7000 м/с (23 000 фут/с). Сверхскоростная струя становится длиннее, пока продолжается смятие гильзы. Давление в переднем конце струи может превышать 30 ГПа (4,4 млн фунт/дюйм2). Скорость хвоста струи — от 1000 до 2000 м/с (от 3300 до 6600 фут/с) или менее. Градиент скорости так велик, что в то время, пока хвост струи ещё формируется, энергия переднего конца Oilfield Review струи уже будет израсходована на проникновение SUMMER 14(слева на рис.). Perforatioin Fig. Sidebar 2 ORSUMM 14 PERFOTN Sidebar 2 струи постепенно снижается. Фронт струи может двигаться со скоростью 7000 м/с, но хвостовая часть струи обычно перемещается со скоростью от 1000 до 2000 м/с (от 3300 до 6600 фут/с). Градиент скорости вдоль струи влияет на её длину: большой разброс между скоростями фронта и хвоста струи увеличивает её длину. Реакции в процессе взрыва заряда протекают так быстро, а разница скоростей так велика, что пока хвостовая часть струи ещё только формируется, энергия передней части струи уже расходуется на прохождение через материалы, лежащие на её пути во время образования перфорационного канала. Огромное Нефтегазовое обозрение Порошок гильзы Хвостовик Детонационный шнур Основное взрывчатое вещество Оболочка Основной заряд взрывчатого вещества Инициирующий заряд Коническая гильза Оболочка Инициирующее взрывчатое вещество Оболочка Корпус перфоратора Снаряжённый заряд Порошок гильзы Обсадная колонна Различные типы гильз Рис. А. Компоненты кумулятивного заряда. — Перфорационный кумулятивный заряд (слева на рис.) состоит из небольшого инициирующего заряда, конической гильзы и основного заряда взрывчатого вещества, которые заключены в защитную оболочку. Детонационный шнур проложен по всей длине перфоратора и соприкасается с каждым зарядом. Детали кумулятивных зарядов (справа вверху на рис.) изготовлены из порошкового сырья. Гильзы (справа внизу на рис.) обычно формуются из спрессованного металлического порошка. давление, создаваемое сверхскоростной струей, и является причиной образования перфорационного канала. Ударное давление кумулятивной струи прямо пропорционально плотности мишени, плотности струи и квадрату скорости струи. Ударное давление может превышать 30 ГПа, при этом находящийся перед кумулятивной струей материал становится текучим, как жид- кость, хотя плавление материала под давлением происходит не всегда. Так как ударное давление прямо пропорционально квадрату скорости, на поздних этапах проникновения, когда скорость кумулятивной струи быстро падает, ударное давление существенно снижается. Длина струи — основной фактор, определяющий глубину проникновения в конкрет- Oilfield Review SUMMER 14 Perforatioin Fig. Sidebar 1 ORSUMM 14 PERFOTN Sidebar 1 Модификация заряда для передачи энергии туда, где она будет полезной Скорость струи Энергия струи, израсходованная на прохождение прочной мишени Пороговая область для прочных пород Пороговая область для слабых пород Положение струи Рис. В. Конструирование перфораторов для прочных пород. — В слабых породах скорости фронта и хвостовой части кумулятивной струи могут оказаться достаточными для образования глубокого перфорационного канала после преодоления пороговой прочности породы. В прочных породах начальный порог проникновения достаточно высок, и энергии хвостовой части заряда может не хватить для преодоления прочности породы, т.е. энергия хвостовой части будет расходоваться напрасно. Разработчики зарядов установили, что перенос энергии к передней части заряда увеличивает глубину проникновения. Эта концепция была положена в основу разработки зарядов PowerJet Nova. Весна 2014 — осень 2014 ную мишень. Эффективная длина кумулятивной струи — это длина части струи, которая движется со скоростью, достаточной для создания ударного давления, необходимого для прострела достаточно глубокого перфорационного канала. Для перфорации непрочной мишени подойдут заряды с длинной струей и относительно малой скоростью хвостовой части струи. Такая струя будет менее эффективна для перфорации прочных мишеней, так как ударного давления хвостовой части струи будет недостаточно для более глубокого проникновения, т.е. энергия хвостовой части будет потеряна. Поэтому в прочных мишенях энергия хвостовой части некоторых струй может теряться. Тем не менее, можно сконструировать заряды таким образом, что бóльшая часть энергии будет сдвинута к передней части струи. Такие заряды будут более эффективны при перфорации прочных мишеней (рис. В). Из-за энергетических ограничений заряды новой конструкции формируют более короткую кумулятивную струю по сравнению с зарядами более ранней конструкции; на ранних этапах образования струи расходуется больше материала, из которого сделаны гильзы. Из-за этого сокращается количество материала, доступного для формирования струи на более поздних этапах детонации. Знание и применение физических принципов ПВР помогли ученым и инженерам компании Schlumberger при разработке зарядов для перфорации конкретных пород. Конструкцию зарядов с короткой кумулятивной струей можно оптимизировать для перфорации прочных пород, а конструкцию зарядов с длинной струей — для перфорации слабых пород. Для глубокого проникновения в напряжённую породу заряду потребуется высокоскоростная и высокоплотная струя максимальной длины, при этом энергия хвостовой части струи не должна расходоваться впустую. Данная методология использовалась инженерами при разработке зарядов PowerJet Nova, оптимизированных для применения в широком диапазоне пластовых условий, включая твердые породы. 65 13 500 13 000 Давление в скважине, фут/дюйм2 12 500 Скважинные данные 12 073, фут/дюйм2 12 000 11 500 11 000 10 500 Перфоратор № 72 Перфоратор № 59 Перфоратор № 46 Перфоратор № 33 10 000 9500 9000 0 0,5 1,0 1,5 Перфоратор № 20 Перфоратор № 1 Верхний манометр Нижний манометр 2,0 2,5 Время, с Рис. 15. Сравнение прогнозных и фактических скважинных показателей после перфорации на динамической депрессии по технологии PURE. — При подготовке плана ПВР для расчёта давления динамической депрессии для нескольких перфораторов PURE использовалась программа-планировщик PURE. Расчётное падение давления — около 2000 фунт/дюйм2 (13,8 МПа) ниже прогнозного пластового давления. Измеренное после перфорации пластовое давление было равно 12 073 фунт/ дюйм2 (83,24 МПа). Так как установить манометры в точке детонации перфораторов не представлялось возможным, в программе PURE моделировались манометры, помещённые над колонной перфоратора (верхний манометр, серая кривая) и под колонной (нижний манометр, оранжевая кривая). Показания высокоскоростного глубинного манометра, установленного над колонной перфоратора (черная кривая), продемонстрировали наличие депрессии величиной около 2000 фунт/дюйм2 после срабатывания перфоратора, что подтвердило сделанные при помощи программы-планировщика PURE расчёты давления депрессии. в соседних скважинах. В рамках программы согласно разделу 2 проводились на песчанике заканчивания скважин были проведены персвиты Береа-Бафф (Berea Buff) раннемиссифорационные работы на шести скважинах, сипского периода, аналогичного породам суммарная длина интервалов перфорации в верхней части разреза пласта-коллектора на составила 2450 м (8038 футов). Как показыучастках с породами меньшей прочности вает анализ данных добычи, применение заряи более высокой пористости. дов PowerJet Nova для перфорации На основании результатов испытаний были Oilfield Reviewна динамической депрессии по технологии выбраны заряды PowerJet Nova для высокого SUMMER 14 PURE DUB обеспечивает высокое качество давления и высокой температуры. Глубина Perforatioin Fig. 13A очистки перфорационных каналов и является проникновения кумулятивной струиORSUMM таких 14 PERFOTN 13A оптимальным решением для заканчивания зарядов на 25% выше по сравнению с заряскважин с низким скин-фактором. дами предыдущего поколения, что обеспечило В дополнение к специальным программам увеличение площади контакта с пластом на ПВР и заканчивания скважин, технический 50%. Для подтверждения условий динамичерегламент был дополнен ещё одним решением. ской депрессии на перфорационную колонну При извлечении спускаемых в НКТ перфорабыли установлены манометры (рис. 15). торов большой длины (самый длинный перфоЧтобы свести к минимуму повреждения ратор имел длину 514 м (1686 футов)) обычно пласта твердой фазой бурового раствора, ПВР возникает необходимость глушения сквапроизводили в скважинах, заполненных углежины. В этом случае жидкости и твердые водородной основой бурового раствора, коточастицы растворов глушения могут войти в рая была аналогична буровому раствору без пласт через перфорационные каналы, что притвердой фазы и утяжелителей. Данное решеведёт к увеличению скин-фактора и снижению ние опиралось на результаты обширных лабокоэффициента продуктивности. Согласно расраторных испытаний и результатов ПВР 66 чётам, устьевое давление после перфорации скважины должно было составить 41,3 МПа (6000 фунт/дюйм2). Вместо глушения в скважину была спущена система CIRP диаметром 5⅛ дюйма, предназначенная для подъёма перфораторов без глушения скважины. На фонтанной арматуре была установлена клиновая задвижка с рабочим давлением 103,4 МПа (15 000 фунт/дюйм2) с дистанционным управлением. Бригаде удалось безопасно поднять перфораторы из скважины, при этом в качестве основного устройства контроля скважины использовался глубинный лубрикаторный клапан. Для контроля устьевого давления применялась система CIRP, позволившая поднять перфораторы без глушения скважины. Работы были выполнены без каких-либо инцидентов, глушение скважины не потребовалось, необоснованные риски снижения продуктивности скважины отсутствовали. Безопасность при обращении с взрывчатыми веществами — высший приоритет для нефтегазодобывающих и сервисных предприятий. Инновации, в том числе система CIRP, способствуют повышению качества и обеспечивают безопасное выполнение работ. В последнее время разработано и внедрено множество инноваций, нацеленных на обеспечение безопасности при выполнении ПВР. Конструктивная безопасность оборудования ПВР В ряде отраслей промышленности для инициирования взрывчатых веществ используются капсюльные детонаторы. К работам с взрывчатыми веществами, включая капсюльные детонаторы, допускается только подготовленный персонал. Для безопасного выполнения работ разработаны специальные инструкции. В капсюльных детонаторах небольшие заряды взрывчатых веществ большой чувствительности применяются для инициирования более крупных зарядов менее чувствительных взрывчатых веществ. Использование традиционных капсюльных детонаторов не допускается при наличии сильных электромагнитных полей, создаваемых радиочастотными передающими устройствами, блуждающими токами катодной защиты и сварки, наведёнными токами высоковольтных ЛЭП и разрядами молний. Сегодня на многих предприятиях применяются системы радиосвязи между промыслами и офисом, особенно при работе на морских месторождениях. Прерывание передачи данных, даже на короткое время при зарядке перфораторов на поверхности, будет Нефтегазовое обозрение Перфоратор № 4 Переключатель Переключатель Переключатель 1-го типа Перфоратор № 3 2-го типа Перфоратор №2 1-го типа Перфоратор № 1 Диод Детонатор Детонатор Детонатор Детонатор Переключатель Рис. 16. Диодные переключатели. — При помощи традиционных диодных переключателей (вверху на рис.) можно обеспечить срабатывание нескольких перфораторов. Инженер инициирует перфоратор № 1, подавая на него постоянный ток положительной полярности ; переключатель 1-го типа соединяет цепь с диодом обратной полярности, пропускающим только постоянный ток отрицательной полярности. Затем инженер инициирует перфоратор № 2 постоянным током отрицательной полярности; переключатель замыкает цепь переключателя 2-го типа, после чего перфоратор № 3 может сработать от постоянного тока положительной полярности. Процесс повторяется до срабатывания всех перфораторов. Если один из перфораторов или переключатель не сработает, дальнейшее взрывное возбуждение перфораторов прекратится. Применение переключателя данного типа осложняется большим количеством проводных соединений (внизу на рис., пять пар проводов), которые должны выполняться только на скважине. Проверка соединений переключателей перед ПВР невозможна, т.к. подключение заряженного перфоратора к источнику тока на поверхности запрещено. нежелательным. Это, наряду с другими соображениями, послужило причиной разработки конструктивно безопасного детонатора, построенного на принципе инициатора с взрывающейся фольгой (exploding foil initiator — EFI), который стал основой ударно-взрывной системы S.A.F.E, разработанной в 1991 году.33 Устройство отличается устойчивостью к радиоизлучению, оборудовано защитой от блуждающих и индуцированных токов. Внедрено несколько модификаций системы S.A.F.E.; на смену системам первого и второго поколений пришли электронные детонаторы Secure и Secure2. Это небольшие сбрасываемые устройства, которые применяются вместо традиционных капсюльных детонаторов. Последняя разработка — перфорационная система SafeJet — сочетает в себе конструктивную безопасность устройств EFI с гибкостью и масштабируемостью традиционных систем селективной перфорации. Для селективной перфорации может применяться запальная система с адресуемым переключателем ASFS, которая является частью системы SafeJet. При перфорации многих традиционных залежей основное внимание уделяется увеличению плотности отверстий, глубины проник- Весна 2014 — осень 2014 новения и охвата интервала. При эксплуатации пластов, в которых целесообразно ограничивать интервал перфорации, в том числе для эксплуатации нетрадиционных залежей после ГРП, такой подход применять нельзя. Селективная перфорация таких пластов заключается в создании нескольких групп (кластеров) перфорационных отверстий или Oilfield Review одиночных отверстий, распределенных по SUMMER 14 большим Perforatioin интервалам.Fig. Перфорация с созда14 ORSUMM 14 PERFOTN 14 отверстий нием кластеров перфорационных используется при выполнении многоинтервальных ГРП. Кластеры могут быть разнесены в пространстве или сосредоточены возле интервалов с оптимальным качеством пласта и заканчивания.34 В каждом кластере достаточно нескольких отверстий, на каждом интервале ГРП обычно создаётся несколько кластеров перфорационных отверстий. При проведении селективной перфорации по традиционной технологии используются несколько перфораторов с кумулятивными зарядами и индивидуальными детонаторами для каждого перфоратора. Для инициирования детонаторов и подрыва перфоратора с наземного оборудования подаётся постоянный ток. Перфораторы срабатывают последова- тельно по схеме гирляндной цепи, для этого на диодные переключатели, которые могут пропускать ток определенной полярности, подаётся постоянный ток положительной или отрицательной полярности (рис. 16). Диодный переключатель срабатывает от давления, создаваемого в корпусе перфоратора при детонации. Несмотря на то, что срабатывающие от давления диодные переключатели достаточно надежны, отказ одного переключателя делает невозможным срабатывание следующего перфоратора. Из-за этого несработавшие перфораторы приходится поднимать из скважины. Несрабатывание диодного переключателя вполне возможно при селективной перфорации из-за ограниченного числа зарядов в группе, вплоть до одиночного заряда, энергии которого может не хватить для активации диодного переключателя. Технология SafeJet, объединившая конструктивно безопасные решения систем 33.Huber KB and Pease JM: “Safe Perforating Unaffected by Radio and Electric Power,” paper SPE 20635, presented at the 65th SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, September 23–26, 1990. 67 Корпус заряда Загрузочная труба Кумулятивный заряд Aдресуемый переключатель и детонатор ур Детонационный шнур Однопроводное соединение Рис. 17. Командуя перфораторами. — Система SafeJet включает конструктивно безопасные детонаторы с адресуемыми переключателями (справа вверху на рис.), соединённые одинарным проводом (справа внизу на рис.). Инженер инициирует перфораторы один за другим, отправляя команды на адресуемый переключатель. При несрабатывании какого-либо перфоратора его можно пропустить и продолжить работы со следующим перфоратором в колонне. Детонаторы системы SafeJet устойчивы к действию блуждающих токов и не могут быть инициированы радиоизлучением. Перед ПВР техники загружают кумулятивные заряды и детонационный шнур в загрузочные трубы (в центре рис.) и вставляют последние в корпус заряда (слева вверху на рис.). За один раз можно инициировать до 33-х этих перфораторов. На рис. изображен только один заряд, снаряжаемый в корпус длиной приблизительно 0,3 м (1 фут), хотя существуют и более длинные корпуса, вмещающие большее количество зарядов. Поскольку в системе SafeJet, в отличие от традиционных капсюлей-детонаторов, отсутствуют инициирующие взрывчатые вещества, перфораторы могут быть полностью подготовлены на производственной базе, доставлены прямо на буровую и соединены непосредственно на промысле. S.A.F.E. и Secure, подразумевает использова- подтверждения напряжение с поверхности ние миниатюрного адресуемого переключа- поступает на детонатор, имеющий конкреттеля, управляемого микропроцессором ASFS ный адрес. При несрабатывании какого-либо и установленного на печатной плате для каж- перфоратора или детонатора их можно пропудого детонатора (рис. 17). Каждый Oilfield переключаReview стить и продолжить работы со следующим пертель имеет уникальный адрес и прямой доступ SUMMER 14 форатором в колонне. Традиционные диодные Perforatioin переключатели не обладают такой гибкостью. с поверхности. Переключатели соединены оди-Fig. 15 ORSUMM 14 PERFOTN 15 нарным проводом, что значительно упрощает Кроме того, перфораторы поступают на место сборку перфоратора. Одинарный провод при- проведения работ в заряженном состоянии и меняется вместо пяти соединительных прово- готовыми к спуску в скважину. Это устраняет дов, соединяющие переключатели необходимость тратить время на длительный по традиционной технологии. Для снаряже- процесс подготовки перфоратора. Недавно система SafeJet применялась для ния традиционной компоновки из 10 перфораторов необходимо сделать 50 проводных перфорации горизонтального участка ствола соединений. Для соблюдения требований без- длиной 4100 футов (1250 м) на одной из скваопасности соединения должны выполняться жин в Северном море. План ПВР предусматрина месте проведения работ. Однопроводные вал проведение перфорации в два этапа, по 90 соединения системы SafeJet значительно сни- отверстий на каждом этапе, всего 180 одиночжают вероятность ошибок персонала ных отверстий. Расстояние между одиночными отверстиями на горизонтальном участке при сборке перфоратора. Для инициирования детонации инженер ствола по плану составляло 23 фута (7 м). отправляет команду на адресуемый переклю- Перфоратор был спущен в горизонтальный чатель. Для подтверждения команды исполь- участок ствола на скважинном тракторе зуется двусторонняя линия связи между TuffTRAC Mono. поверхностью и микропроцессором. После 68 На первом этапе, на котором предстояло прострелить 90 отверстий, из-за ограничений, налагаемых траекторией скважины и скважинными условиями, одновременно в скважину можно было спустить лишь 20 перфораторов, ввиду чего для выполнения ПВР потребовалось пять спусков перфораторов. На втором этапе оказалось возможным ограничиться лишь тремя спусками благодаря тому, что скважинные условия позволили доставлять в скважину по 33 перфоратора за спуск. Никаких электромонтажных работ на промысле не потребовалось, что существенно повысило эффективность ПВР. Качество работ повысилось, поскольку в загрузочной системе в единое целое были объединены электронные компоненты, не нуждающиеся в согласовании переключатели и полярности, двухпроводные соединения, промысловая поверка и встроенная избыточность. Каждому перфоратору был присвоен свой собственный адрес, и его срабатывание контролировалось с поверхности. Из 181 попыток инициации перфоратора 180 были удачными. Гибкость и избыточность системы позволили включить в колонну резервные перфораторы; таким образом, ПВР были проведены на всех 180 отметках глубин, запланированных исходной программой работ. Необходимость в обновлении методологии испытаний Исследования ясно показывают, что испытания глубокопроникающих зарядов согласно традиционной процедуре изучения характеристик кумулятивных зарядов дают нереалистичные результаты. Квалификационные испытания по образцам напряжённых пород точнее оценивают качество перфорации в скважинных условиях. К сожалению, проведение испытаний на репрезентативных образцах керна с использованием значительного числа существующих типов зарядов может оказаться чрезмерно дорогим для большинства компаний операторов. Однако учёными компании Schlumberger были разработаны программы прогнозного моделирования на основе баллистической индикаторной функции FBI. Было показано, что результаты прогнозирования глубины проникновения кумулятивной струи и качества ПВР указанным методом для образцов пород в напряжённом состоянии ближе соответствовали их характеристикам в скважинных условиях. Нефтегазовое обозрение До тех пор пока все поставщики кумулятивных зарядов не обновят своих программ прогнозного моделирования глубины проникновения, результаты наземных испытаний могут продолжать отличаться от реальных характеристик пород в условиях скважины. Окончательную оценку качеству перфорации даёт добыча. Бурение и заканчивание на глубоководных месторождениях весьма дороги. Эффективная перфорация нетрадиционных пород-коллекторов для обеспечения успешного ГРП существенно важна. Ввиду этих и иных факторов, ясное понимание того, что на самом деле происходит в скважине во время перфорации, теперь становится более важным, чем когда-либо прежде. Хотя в нефтегазовой отрасли перфорацию скважин производят уже более 60 лет, добывающие и сервисные компании продолжают совершенствовать методы и приёмы перфорации. При сколь угодно высоких рабочих характеристиках зарядов и высокой точности программ прогнозного моделирования, на первом месте остаётся безопасность. Новые технологии, такие как система SafeJet, обеспечивают не только рост эффективности работ, но и повышение уровня их безопасности. Конечной целью является установление гидравлической сообщаемости между пластом-коллектором и стволом скважины и добыча углеводородов с максимально возможной эффективностью и безопасностью. Именно этому и способствуют недавние успехи в развитии научных основ перфорации. — Т. С. Весна 2014 — осень 2014 69
