книги из ГПНТБ / Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения

1134 м от забоя. Перфорацию колонны производили в интервале 646—656 м корпусным кумулятивным перфоратором ПК-103, бескорпусным кумулятивным перфоратором ПКР-55 и гидропес­ коструйным перфоратором.

В интервале перфорации толщина стенки трубы была 10 мм, цементный камень за колонной отсутствовал. Исследование пер­ форированных участков колонны, впоследствии извлеченной из скважины, показало, что в результате перфорации бескорпусным перфоратором ПКР-55 образовалась прерывистая щель общей длиной 1200 мм и шириной 1,5—2 мм; щель имела вид ломаной линии в соответствии с расположением отверстий. Края отвер­ стий на наружной поверхности трубы вспучены на 1—2 мм.

Наиболее характерными для оценки результатов перфориро­ вания являются данные, приведенные в работе [27]. В этой работе приводятся результаты перфорации эксплуатационных колонн в двух скважинах. Эксплуатационная колонна водяной скв. 17 а, составленная из труб диаметром 168 мм, изготовлен­ ных из стали группы прочности Д с толщиной стенки 8 мм, была спущена в Волгоградской области на глубину 190 м. Цементный камень за колонной отсутствовал, и скважина была заполнена промывочной жидкостью. Колонну прострелили кумулятивным перфоратором типа ПК-ЮЗ на глубинах 80—90 м и 45—50 м. Как было установлено при последующем извлечении, перфори­ рованная часть труб оказалась нарушенной трещинами длиной от 250 до 1300 мм.

Вторая скв. 329 Коробковского нефтяного месторождения, с эксплуатационной колонной диаметром 168 мм, составленной из труб группы прочности Д, была спущена на глубину 1414 м и зацементирована до устья. Здесь перфорирование колонны про­ изводилось в интервале 1404—1384 м кумулятивным перфора­ тором из расчета 20 отверстий на один метр в условиях наличия в колонне глинистого раствора. Вследствие недостаточности при­ тока и появления пластовых вод, решили изолировать этот ин­ тервал и перейти несколько выше.

Однако установленный в интервале 1406—1388 м цементный мост, перекрывая фильтровый участок снизу на 2 м и сверху на 6 м, не обеспечил герметичности колонны, так как она оказалась нарушенной еще выше. Лишь цементный мост, повторно установ­ ленный выше в интервале 1370—1368 м, позволил изолировать нарушенный участок и обеспечил герметичность колонны. Авто­ ры работы предполагают, что нарушение колонны в зоне фильтра явилось результатом прострела перфоратором ПКС-105.

В работе [2] также приведены результаты экспериментов по перфорированию колонны, подлежащей извлечению из скв. 7357 третьего промысла НГДУ Орджоникидзенефть.

Обсадная колонна из труб диаметром 219 мм, находящаяся внутри предыдущей колонны диаметром 273 мм и имеющая длину 571,7 м, до извлечения из скважины была подвергнута

10

прострелу в интервале 530—504 м различными перфораторами. Цементный камень за колонной отсутствовал, скважина была заполнена водой. Прострел производили поочередно пулевыми перфораторами АПХ-84, АПХ-98, ППМ-60, ППМ-68 и корпусным кумулятивным перфоратором ПК-ЮЗ по три залпа. Ленточным кумулятивным перфоратором ПКС-105 сделали один залп пятью зарядами, снарядными перфораторами ТПК-22 и ТПМ-86 — по три выстрела.

В процессе осмотра труб, извлеченных после перфорации, об­ наружили: при простреле перфораторами АПХ-98 труба разру­ шалась, имея трещину по образующей 470 мм, при этом одна пуля рикошетировала и не пробила колонну; все три прострела снарядным перфоратором ТПК-22 дали. трещины в разные сто­ роны от отверстий длиной 70—120 мм и шириной до 2 мм; при простреле перфоратором ППМ-60 три пули попали в муфту и не пробили ее; результаты остальных перфораторов оказались удовлетворительными.

В работах [78, 79] приведены результаты стендовых испыта­ ний по прострелу натурных образцов обсадных труб пулевыми залповыми перфораторами и некоторые наблюдения из опыта осзоения и испытания скважины в объединении Укргаз. Автором исследованы возможные нарушения обсадных труб в случае пулевой залповой перфорации, а также влияние среды и условий забоя на результаты перфорации скважины.

На основе опытов, проведенных на специальном стенде, автор утверждает, что не все пули пробивают колонну, цементное коль­ цо и внедряются в породу. Часть из них застревает в трубе или в цементном кольце. Поэтому количество сквозных отверстий в колонне и цементном кольце не равно количеству выстрелов перфоратора. Кроме того, автор приходит к заключению, что эффективность перфорации под давлением и в жидкой среде оказывается значительно ниже, чем при отсутствии жидкости и высокого давления в колонне. По мнению автора, это объяс­ няется чрезмерным повышением сопротивления среды движению' пули, которая в результате несовершенства способа герметиза­ ции ствола до стенки колонны перемещается вместе со стальной прокладкой. Причем трещины и нарушения возникают лишь в тех случаях, когда пуля не пробивает трубу или застревает в ней.

Далее автор заключает, что перфорация, проводимая в гли­ нистом растворе, вследствие более низкой пробивной способно­ сти пули менее эффективна и вызывает большее количество трещин в колонне и цементном кольце, чем перфорация, прово­ димая в газовой среде.

Значительные исследования по выявлению влияния перфора­ ции на повреждение обсадных колонн в лабораторных условиях проведены в работе [851. Здесь рассмотрена пробивная способ­ ность пулевых, корпусных и бескорпусных перфораторов и уста-

П

новлено, что основными факторами, влияющими на результаты перфорирования, являются тип и конструкция перфораторов и условия скважины, т. е. конструкция колонны, качество крепле­ ния, материал труб, гидростатическое давление и температура в скважине. Авторами установлено, что корпусные кумулятив­ ные перфораторы не повреждают обсадную колонну. Это объяс­ няется, по мнению авторов, амортизацией значительной части взрывной волны заряда высокопрочным толстостенным сталь­ ным корпусом перфоратора, который, предохраняя от повреж­ дения колонну, с течением времени сам срабатывается и выхо­ дит из строя.

В работе [86] подробно рассматриваются проблемы перфо­ рированных нефтяных и газовых скважин и приводится сравни­ тельная характеристика различных типов кумулятивных и пуле­ вых перфораторов. Отдавая предпочтение корпусным кумулятив­ ным перфораторам, автор считает, что повреждение колонны может происходить при простреле бескорпусными разрушаю­ щимися кумулятивными перфораторами вследствие неправиль­ ной ориентации зарядов, низкой прочности труб, плохого сцеп­ ления колонны с цементом и породой, малой толщины цемент­ ного кольца и больших взрывных нагрузок.

Автор рекомендует число зарядов свести к минимуму, пер­ форацию осуществлять в газовой среде с перепадом давления. По мнению автора, посредством выбора соответствующего пер­ форационного оборудования и заряда можно предотвратить повреждения колонны.

Автор [87] по результатам лабораторных испытаний дает сравнительную оценку работы двух типов перфораторов: пулевых и кумулятивных. Им установлено, что при перфорации труб пу­ левыми перфораторами в одинаковых условиях испытаний воз­ никает большее число трещин и нарушений, чем при перфорации кумулятивными перфораторами. Автор считает, что в тех слу­ чаях, когда водяные и газовые пласты расположены близко к вскрываемому объекту, необходимо отказаться от применения пулевых перфораторов, поскольку образовавшиеся в процессе пулевой перфорации трещины создают возможность прорыва водяных и газовых пластов. По мнению автора, там, где сопро­ тивляемость пласта проникновению и температура высокие, бо­ лее эффективным является кумулятивный способ перфорации, а в пластах со средней или низкой проницаемостью желаемую эффективность дает комбинированный прострел обоими типами перфораторов.

Большие экспериментальные работы по изучению влияния пулевой залповой и кумулятивной перфорации на целостность труб для эксплуатационных колонн проведены М. А. Гусей­

новым.

Для проведения экспериментов в лабораторных условиях ав­ тором была разработана и построена специальная установка,

12

позволяющая испытывать обсадные трубы с цементным кольцом при давлениях до 400 кгс/см2 и температуре 120° С.

Установка позволила автору путем прострела натурных об­ разцов обсадных труб и цементного кольца в условиях, близких

кусловиям забоя скважины, выявить влияние различных видов

иконструкций перфораторов на их прочность и целостность.

Испытанию подвергли 100 патрубков, отрезанных от 15 обсадных труб диаметрами 146 и 168 мм, групп прочности С, Д и К, раз­ личных толщин стенок. Патрубки перфорировали пулевым зал­ повым перфоратором типа АПХ-98 при шести различных усло­ виях.

Первую группу патрубков без заглушения их нижних концов перфорировали в атмосферных условиях, т. е. на открытом воз­ духе в вертикальном положении.

Несколько патрубков из этой группы в процессе прострела погружали с наружной стороны почти до верхнего края в воду, для чего предварительно заглушали их нижние концы.

Вторую группу патрубков подвергали перфорации в воде. Некоторые патрубки заполняли водой только внутри, а в неко­ торых случаях патрубки без заглушения нижних концов перфо­ рировали целиком погруженными в воду.

Третью группу составляли патрубки, перфорированные при внутренних гидростатических давлениях 150—200 кгс/см2. Часть патрубков погружали в воду, а часть испытывали без погру­ жения.

Четвертую группу патрубков перфорировали с внешними гид­ ростатическими давлениями 150—200 кгс/см2 и при наличии внутри них жидкости без избыточного давления.

Патрубки пятой группы перфорировали также при внешних гидростатических давлениях 100—200 кгс/см2, но внутри них отсутствовала вода.

Наконец, патрубки шестой группы перфорировали при нали­ чии цементной оболочки снаружи и глинистого раствора внутри, а также с одновременным воздействием внутренних и внешних гидростатических давлений.

Врезультате испытаний установили:

1.Из 23 патрубков первой группы, перфорированных в атмо­ сферных условиях, сломались три, или 13%. На результаты пер­ форации в атмосферных условиях погружение испытуемых патрубков с наружной стороны в воду никаких влияний не ока­ зывало.

2.Из простреленных в воде 26 патрубкой второй группы сломались или дали сквозные трещины 24. Один патрубок дал удовлетворительный результат, а в другой патрубок в результате неправильной установки перфоратора попали всего пять пуль, возможно, поэтому этот патрубок не сломался. При простреле патрубков без заглушения нижних концов, погруженных в воду, влияние жидкости с погружной стороны обнаружено не было.

13

В тех случаях, когда патрубки с донышками на нижнем конце перфорировали с водой лишь во внутренней полости, донышки или сильно деформировались, или ломались. Таким образом, нарушения целостности патрубков при перфорации их в воде без избыточного давления составили около 96%.

3.19 патрубков третьей группы,* перфорированных при вну­ тренних гидростатических давлениях, поломались или дали сквозные трещины длиной до 950 м. В девяти случаях донышки патрубков выпучивались, приняв сферическую форму.

4.Несмотря на поддерживающее действие внешнего давле­ ния, из 24 простреленных патрубков четвертой группы с

жидкостью внутри поломались 17, а семь, имеющих максималь­ ные толщины стенок (шесть патрубков с толщиной стенки 14 мм, один— 12 мм) дали положительные результаты.

5.Перфорация пяти патрубков пятой группы при внешних гидростатических давлениях и отсутствии воды внутри них дала удовлетворительные результаты, все отверстия были пробиты без трещин.

6.Три патрубка шестой группы были перфорированы при одновременном воздействии внутреннего гидростатического дав­ ления (100 кгс/см2), созданного глинистым раствором, и внеш­

него гидростатического давления (150 кгс/см2), созданного во­ дой. Из трех патрубков два в процессе перфорации дали боль­ шие сквозные трещины. Третий патрубок с максимальной толщиной стенки 14 мм не нарушился, но сильно деформиро­ валось его донышко.

Сопоставление результатов испытаний патрубков одинаковых труб с цементной оболочкой и без нее показывает, что при рас­ сматриваемых условиях наличие цементной оболочки не способ­ ствовало повышению сопротивляемости труб разрушающему действию залповой перфорации. По мнению автора, такой исход объясняется тем, что при экспериментировании за це­ ментной оболочкой отсутствовал твердый подпор, тогда как в условиях скважины это имеет место со стороны окружающей породы.

Анализируя результаты перфорирования патрубков, автор приходит к выводу, заключающемуся в том, что при наличиижидкости в патрубке с избыточным давлением и без него боль­ шинство простреленных патрубков разрушается, независимо от наличия поддерживающей способности внешнего гидростатиче­ ского давления образуются сквозные трещины (рис. 1). Наобо­ рот, при отсутствии внутри патрубка жидкости результаты пер­ форирования во всех случаях получаются удовлетворительными

(рис. 2).

Причину разрушения патрубков с жидкостью от пулевой зал­ повой перфорации автор объясняет возникновением внутри патрубков большого давления от расширяющихся газов, кото­ рое создает мощные гидравлические удары. По мнению автора,.

14

На этой же установке в лабораторных условиях автором исследовалось влияние кумулятивной перфорации на прочность трубы. С этой целью были использованы две обсадные трубы групп прочности Д и К, диаметром 168 мм с толщинами стенок 12 и 14 мм. Поскольку в процессе пулевой залповой перфора­ ции разрушались в основном патрубки, заполненные водой, то для выявления действия кумулятивной перфорации на разрушаемость трубы указанные обсадные трубы при таких же усло­ виях подвергли кумулятивной перфорации.

Патрубки длиной 1,6 м, отрезанные от этих труб, предвари­ тельно погружали в воду на глубину до 2 м. Затем при наличии внутри воды под давлением 100 кгс/см2 перфорировали корпус­ ным кумулятивным перфоратором ПК-103. Прострелы патрубков в указанных условиях дали хорошие результаты и в них не было обнаружено трещин, деформаций и других нарушений.

Чтобы окончательно убедиться в отсутствии разрушаемости труб при простреле их корпусным кумулятивным перфоратором ПК-103 в отличие от пулевого залпового перфоратора АПХ-98, автором был проведен прострел четырех труб в скважине. По

заглушен ввинченной пробкой. Во время опытов колонна и коль­ цевое пространство до устья были заполнены водой. Каждую трубу прострелили поочередно корпусным кумулятивным перфо­ ратором ПК-103 и пулевым залповым перфоратором АПХ-98.

После первого залпа при обоих видах перфорации вылетели пробки, привинченные к нижнему концу колонны, что свидетель­ ствовало о значительных гидравлических ударах в колонне во время выстрела (более 500 кгс/см2), так как эти пробки пред­ варительно были опрессованы на 500 кгс/см2. Последующие прострелы производили при открытом днище колонны.

Перфоратор ПК-103 имел 10 зарядов по винтовой линии на длине 765 мм по оси, а перфоратор АПХ-98 —десять пуль по винтовой линии на длине 560 мм по оси.

В результате проведенного опыта установили, что в семи залпах пулевым перфоратором из восьми трубы дали сквозные трещины. Трубу группы прочности К, с толщиной стенки 14 мм, после 20 выстрелов пробило в 16 случаях, т. е. 80% от общего числа выстрелов.

Из 60 выстрелов, произведенных кумулятивным перфорато­ ром, 59 пробили трубу без трещин. Следов от одного выстрела на трубе не обнаружили. По-видимому, этот заряд вообще не сработал.

Анализируя результаты опытов, проведенных в лабораторных условиях и в скважине, автор заключает, что при перфорации колонн как пулевым залповым перфоратором типа АПХ-98, так

16

и корпусным кумулятивным перфоратором типа ПК-ЮЗ внутри низа колонны возникают большие давления, создающие мощные гидравлические удары. Причем мгновенное действие этих ударов приводит к разрушению труб только в первом случае. Кроме того, пробивная способность перфоратора ПК-103 выше, чем у перфоратора АПХ-98.

Отсутствие разрушающего действия кумулятивной перфора­ ции в случае использования перфоратора типа ПК-ЮЗ объяс­ няется тем, что заряды помещены внутри герметически закры­ того корпуса, изготовленного из легированной стали высокой прочности. Этот корпус при залповом взрыве кумулятивных за­ рядов воспринимает на себя первое ударное действие взрывной волны и тем самым предохраняет обсадную колонну от повреж­ дения.

Большой практический интерес представляют результаты опытов по изучению влияния перфорации на целостность колонн,, проведенных трестом Азнефтегеофизика совместно с институтом АзНИПИнефть в скв. 20 площади Зыря.

перфораторами АПХ-98, ПБ2-100, ПК-ЮЗ и ПКС-105. В этом случае скважина при перфорации была заполнена водой до устья. От каждой трубы по одному патрубку перфорировали в одинаковых условиях каждым из указанных выше четырех типов перфораторов, что позволило дать сравнительную оценку их влияния на целостность испытываемых труб.

Результаты опытов показали, что наименьшее нарушение труб было в процессе прострела корпусным кумулятивным пер­ форатором ПК-ЮЗ и составило 15%, средняя нарушаемость у

простреле бескорпусным кумулятивным перфоратором ПКС-105: нарушились все патрубки без исключения.

Теоретические исследования некоторых вопросов перфорации скважин

Решение теоретических вопросов перфорации скважин свя­ зано с общей теорией взрыва. В настоящее время теория взры­ ва достаточно разработана и успешно применяется при решении многих практических задач. Однако теоретические обоснования ряда вопросов, связанных с прострелом колонн в скважине, остаются пока неполностью решенными.

В этом направлении, как более значительные, можно указать работы Н. С. Санасаряна [71] и Н. Г.ПРригоряна [17, 18], про­ веденные в Раменском отделении ВНИ^Геофизики.

17

Трудность создания теории прострела колонны заключается в том, что взрывные процессы, происходящие в скважине при перфорации, отличаются от процессов в случае сферического (точечного) и цилиндрического взрывов в пространстве.

Если в первом случае взрыв происходит в ограниченном замкнутом объеме (в камере ствола, корпусе перфоратора или в колонне), то во втором случае взрыв происходит в неограни­ ченном пространстве (например, взрыв бомбы в море, подземные взрывы и др.).

Трудность усугубляется еще тем, что в зависимости от вида перфоратора процесс взрыва в скважине происходит по-разному.

Так, например, у пулевых перфораторов взрыв заряда проис­ ходит в камере канала ствола, у корпусных кумулятивных пер­ фораторов — в корпусе, а у бескорпусных кумулятивных перфо­ раторов— в колонне.

Установлено, что у пулевых перфораторов при взрыве заряда в камере ствола возникает весьма сложная картина взаимодей­ ствия ряда импульсов прямых волн сжатия, отраженных про­ дольных и поперечных волн, а также упругих волн разгрузки Рахматуллина, причем во всех случаях фронты волн имеют слож­ ные очертания.

С течением времени в результате расширения поверхности фронта волны и потери энергии волн на преодоление внутрен­ него трения, давление во фронтах, а также удельный импульс волн уменьшаются по мере их продвижения в стволе корпуса перфоратора.

Следует отметить, что процессы, протекающие при выстреле в камерах и стволах перфоратора, законы изменения давления газов, скорость перемещения пули в канале ствола и в колонне

вжидкой среде изучены достаточно полно.

Вработе [43] установлено, что в пулевых перфораторах за­

ряженный порох успевает сгореть полностью в камере еще до начала движения пули и давление продуктов взрыва в этот момент достигает максимального значения, доходящего до

20 000 кгс/см2.

После полного сгорания пороха в камере газы начинают рас­ ширяться за счет объема канала ствола и .сообщают пуле уско­ рение. При расширении газа давление у выхода ствола падает и имеет значение 3500—4500 кгс/см2. После вылета пули из ство­ ла газы некоторое время продолжают действовать на дно пули, создавая приращение ее скорости и расширяясь еще интен­

сивнее.

Аналогичный процесс затухания волн газов происходит и вну­ три корпуса корпусного кумулятивного перфоратора. Поэтому в случае прострела скважин этими перфораторами стенки колон­ ны испытывают удары расширяющихся волн с меньшими импульсами. При перфорации скважин пулевыми перфоратора­ ми, в отличие от корпусных кумулятивных, стенки колонны,

18