1. Прострелочно-взрывные работы

Прострелочно-взрывные работы в скважинах являются неотъемлемой частью высоких технологий строительства скважин: проходки и особенно глубоких на нефтегазовых месторождениях. Особенность прострелочно-взрывных работ заключается в применении взрывчатых веществ (ВВ), взрывчатых материалов (ВМ), средств инициирования (СИ) и порохов на больших глубинах в условия высоких динамических, гидростатических давлений и температур в скважинах разной конструкции. К прострелочно-взрывным работам в скважинах относят операции, выполняемые специальными аппаратами с применением взрывчатых веществ, порохов и средств инициирования, к ним относятся: боковые стреляющие грунтоносы, перфораторы; торпеды, взрывные пакеры, пороховые генераторы и аккумуляторы давления, имплозийные ловители, опробователи пластов на кабеле (ОПК).

От качества выполнения прострелочно-взрывных работ, выбора технологических приемов, точности наводки, количества и места проведения зависит успех поисково-разведочных работ и объем добычи нефти и газа.

1.1. Задачи и условия проведения прострелочно-взрывных работ на разных этапах строительства скважин

Прострелочно-взрывные работы (ПВР) применяются для:

- вторичного вскрытия нефтяных и газовых пластов, путем перфорации обсадных труб кумулятивными и пулевыми перфораторами;

- повышения притоков флюидов, путем воздействия на прискважинную зону генераторами и аккумуляторами давления;

- отбора образцов пород (кернов) (КО) в скважинах с помощью боковых стреляющих грунтоносов;

- отбор проб флюидов (нефти, газа, конденсата, воды) из продуктивных пластов опробователями пластов на кабеле;

- разобщения пластов установкой взрывных пакеров;

- ликвидации аварий, резки и разрушения труб методом торпедирования;

- очистки забоев скважин от посторонних предметов с помощью имплозийных ловителей.

Все эти работы являются частью сложных технологий проходки, строительства скважин и эксплуатации месторождения. Проведение ПВР должно быть согласовано с общими целями и задачами проходки и обустройства скважин.

Скважины различаются по виду полезного ископаемого, (нефтяные, газовые, угольные, рудные, гидрогеологические и другие), назначению (эксплуатационная, нагнетательная, наблюдательная, структурная, опробовательская, взрывная и др.), стадии поисково-разведочного процесса (опорная, параметрическая, поисковая, оценочная, разведочная, эксплуатационная), направлению (вертикальные, наклонные, горизонтальные, восстающие), способу бурения (колонковое, роторное, сплошным забоем и др.). Каждый из перечисленных видов скважин имеет свои особенности, необходимый перечень исследований и работ. Существенное влияние на условия выполнения прострелочно-взрывных работ оказывает конструкция скважины: глубина, диаметр, наличие обсадных колонн, уровень и свойства промывочной жидкости. Важным ограничением работоспособности прострелочно-взрывной аппаратуры является давление и температура, а для прохождения по стволу – диаметр скважины и взрывного аппарата.

Все виды ПВР производятся в нефтяных и газовых скважинах (рис.1.2, 1.4 и 1.5.) В угольных скважинах широко применяется грунтоносное опробование угольных пластов, опробование флюидов на кабеле. В связи с исследованием газоносных залежей на угольных месторождениях как сопутствующего полезного ископаемого, конструкции угольных скважин и система опробования приближается к конструкции и опробованию газовых скважин. Все виды работ при проходке и строительстве разведочных и эксплуатационных скважин, в том числе и прострелочно-взрывных работ, предусматриваются проектом.

Конструкции скважин определяются назначением, задачами, геологическими и техническими условиями бурения и характеризуются: глубиной забоя, длиной скважины, конечным диаметром, количеством ступеней изменения диаметра, интервалами обсадки, диаметром и толщиной обсадных труб, цементированием и обустройством устья.

Рис. 1.1 Типовая конструкция скважин на угольных месторождениях

При поисках и разведке угольных месторождений проходятся скважины колонковые (с подъемом керна), реже бескерновые, при этом применяются простые конструкции скважины: открытый ствол, обсаженный только в верхней части кондуктором (и направлением). Редко применяется направленное и наклонное бурение, однако скважины часто искривляются в процессе проходки (рис.1.1.).

Обсадка глубоких горизонтов используется только отдельных интервалов в случае неустойчивых пород, трещиноватых, тектонических нарушенных зон и при пересечении горных выработок. Скважины заполняются промывочной жидкостью плотностью 1.0 -1.2 г/см³ и вязкостью не более 30 с. Глубина скважин колеблется в широких пределах от 50 до 2000 м, основные диаметры 76 -59 мм. Давление в скважинах не превышает 25 МПа, а температура 60º С.

Уменьшение диаметров скважин с 89 (92) мм до 76 и 59 мм позволило повысить производительность проходки, но потребовало специальное конструирование малогабаритной геофизической аппаратуры, с диаметром скважинных приборов не более 40 мм. В связи с этим были разработаны малогабаритные грунтоносы ГМК-50 и ГМС-40, а для опробования газоносных горизонтов - специальные малогабаритные опробователи пластов на кабеле ОПУ (рис.1.2).

Р ис. 1.2 Прострелочно-взрывные работы в скважинах на угольных месторождениях

а – Опробование угольных пластов с помощью боковых стреляющих грунтоносов; б – ствол бокового грунтоноса; в- Взятие пробы флюида с помощью малогабаритного опробователя пластов на кабеле:

1 – кабель; 2 – пиропатрон; 3 – огневой канал; 4 – заряженный ствол; 5 – выстреливший ствол; 6 – боек в угольном пласте; 7 – стальной тросик (канатик); 8 – угольный пласт; 9 – вмещающая порода; 10 – стенка скважины; 11 – тело грунтоноса; 12 – тело грунтоноса; 13 – огневой канал; 14 – связующий тросик; 15 – пороховой заряд; 16 – камора; 17 – герметизирующие прокладки; 18 – боек; 19 – кабель; 20 – кабельная головка; 21 – вспомогательные пороховые заряды 22 – прижимное устройство; 23 – кумулятивный заряд; 24 – канал, пробитый кумулятивной струей; 25 – емкость для приема пробы; 26 – опробуемый пласт; 27 – вмещающая порода; 28 – стенки скважины; 29 – хвостовик прибора; 30 – промывочная жидкость

Конструкции скважин на нефтегазовых месторождениях значительно сложней: длина скважин может достигать нескольких километров. По направлению могут быть вертикальными, наклонными, горизонтальными (рис.1.3).

Рис.1.3 Схема конструкции глубокой горизонтальной нефтяной скважины

1- геофизический подъемник; 2- пульт управления лебедкой; 3 – лебедка; 4 – геофизический кабель; 5 – нижний мерный ролик; 6 – противофонтанная арматура; 7 - лубрикатор; 8 – верхний ролик; 9 – превентор; 10 – кондуктор Ǿ 426 мм, длина 450 м; 11 – первая техническая колонна Ǿ 324 мм, длина 1350 м; 12 – геофизический скважинный прибор; 13 – начало искривления скважины с 2025 м; 14 – вторая техническая колонна Ǿ 245 мм, длина по вертикали 3500 м, по стволу 3750 м; 15- эксплуатационная колонна Ǿ 168 мм, длина по вертикали 3680 м, по стволу скважины - 4270 м; 16 – насосно -компрессорные трубы (НКТ) Ǿ 89 мм, длина по стволу 3980 м; 17 – фильтр, длина 3380 м; 18 – продуктивный горизонт; 19 – флюидоупор. Горизонтальная проекция скважины – 1180 м.

Устьевое оборудование, содержащее противовыбросовое устройство устанавливается на устье бурящейся скважины, из которой возможны выбросы. Оно состоит из превентора (плашечного, универсального или вращающегося) с ручным или гидравлическим управлением и обвязки системы трубопроводов с задвижками и кранами высокого давления.

Рис. 1.4 Прострелочно-взрывные работы в нефтегазовых скважинах

А – Перфорация обсадных колонн корпусным кумулятивным перфоратором; Б – Воздействие на пласт, расчистка перфорационных каналов с помощью пороховых генераторов давления. В – Комплексный прибор для одновременного вскрытия и интенсификации притоков:

1 – кабель; 2 – кабельный наконечник; 3 – кабельная головка; 4 – детонатор; 5 – выстреливший кумулятивный заряд; 6 – корпус перфоратора; 7 – детонирующий шнур; 8 – пробитый канал; 9 – хвостовик перфоратора; 10 – порода продуктивного пласта; 11 – цементное колцо; 12 – обсадная труба; 13 – промывочная жидкость; 14 – кабельный наконечник; 15 – защитная пластина; 16 – пороховые заряды; 17 – засоренные перфорационные каналы; 18 – электровоспламенитель; 19 – кабельный наконечник; 20 – разнонапрвленные кумулятивные заряды.

Лубрикатор – специальное устройство, устанавливаемое на устье скважины, обеспечивающее проведение прострелочно-взрывных работ в скважинах под большим давлением. Представляет собою шлюз в виде трубы, в который вставляется скважинный прибор, герметизируется перед тем, как будет открыт превентор для спуска в скважину с большим давлением.

Рис.1.5. Выполнение прострелочно-взрывных работ в нефтегазовых скважинах.

А – торпедирование с целью интенсификации притока; Б – установка взрывного пакера; В – очистка забоя скважины с помощью имплозийного ловителя:

1- промывочная жидкость; 2 – обсадные трубы; 3 – цементное кольцо; 4 – геофизический кабель; 5 – кабельный наконечник; 6 - электроввод; 7 – взрывной патрон; 8 – корпус торпеды; 9 - заряд взрывчатого вещества; 10 – перфорационный канал; 11 – корпус взрывного пакера; 12 – электрозапал; 13 – пороховой заряд; 14 – порода-коллектор, заполнененная нефтью; 15 – перфорационный канал; 16 – флюид; 17 – разобщающий мост; 18 – пакер; 19 – водоносный горизонт; 20 – герметичная камера; 21 - головка; 22 – электропровод; 23 – взрывпатрон; 24 – диафрагма; 25 – приемная камера; 26 - лопасти захвата; 27 – мусор; 28- забой скважины.

Направление – первая труба или колонна труб, которая служит для предотвращения размыва рыхлых пород, залегающих вблизи дневной поверхности. На верхнюю часть направления навинчивается устьевой оголовок, связывающий устье с очистной системой и долив при спускоподъемных операциях (рис.1.3.). При бурении скважин на малые глубины роль направления и кондуктора совмещается

Кондуктор - колонна труб, которая спускается в скважину после направления и служит для укрепления стенок в неустойчивых породах и перекрытия осложненных зон и изоляции водоносных горизонтов вблизи поверхности.

Обсадные трубы – первая, вторая, третья технические колонны. Самая нижняя колонна наименьшего диаметра – эксплуатационная колонна. Обсадные трубы предназначены для крепления стенок скважины. Промежуток между стенками скважины и обсадными трубами цементируется с целью предотвращения перетоков флюидов между горизонтами и возможных прорывов на поверхность. Для обсадки газонефтяных скважин используются трубы стандартных типоразмеров (внешний и внутренний диаметры и толщина стенок). Между собой трубы соединяются муфтами Нижний конец (башмак) обсадных труб оборудуется устройством, облегчающим проходимость обратным клапаном и «стоп-кольцом» для цементирования. Верхние концы обсадных колонн обвязывают колонной головкой. На фланец головки устанавливается перфорационная задвижка с выводом штурвала за пределы буровой.

Промывочная жидкость (ПЖ) в процессе бурения, циркулируя по стволу скважины, выносит на поверхность частицы разрушенной породы, охлаждает режущий инструмент и укрепляет стенки скважины. Давление промывочной жидкости и глинистая корка на стенках скважины предотвращает проникновение пластовой воды, нефти и газа в ствол скважины. Для создания определенного давления плотность ПЖ путем добавки утяжелителей приготавливают в пределах 1000-2300 кг/м³. Существенное значение для прохождения ПВА имеет вязкость ПЖ. Давление на забое скважины может достигать несколько десятков МПа

Промывочные жидкости разнообразны по химическому составу, а значит и разного химического воздействия на окружающие предметы, в частности на прострелочно-взрывные аппараты и взрывчатые вещества. В промывочные жидкости могут добавлять глины, битумы, нефть, соли, щелочи, кислоты, поверхностно-активные и органические вещества.

На глубинах превышающих 2000 м температура может превышать 100º С. Все взрывчатые вещества в разной мере чувствительны к высоким температурам и длительным выдержкам при данной температуре. Поэтому высокие температуры в скважинах являются одним из важных ограничивающих факторов применения ПВР.

На проведение прострелочно-взрывных работ оказывают существенное влияние условия проведения: давление, температура, конструкция скважины (угол наклона, глубина, диаметр), промывочная жидкость (плотность, вязкость, химическая агрессивность).