К уменьшению отрицательных воздействий при взрывных работах в скважинах

Продуктивность нефтегазоносных объектов. Качественное освоение и интенсификация притоков нефти с помощью термогазохимического воздействия. Снижение интенсивности гидроударов за счет принудительного торможения движения столба скважинной жидкости.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

К уменьшению отрицательных воздействий при взрывных работах в скважинах

УДК 622.276.65: 622.245.14

Неволин В.Г. ОАО ПермНИПИнефть

В настоящее время получили широкое распространение методы вторичного вскрытия и повышения продуктивности нефтегазоносных объектов, предполагающие воздействия на призабойную зону пласта и крепь скважины мощных взрывных воздействий. Основным методом вскрытия пласта при существующей технологии крепления скважины является кумулятивная перфорация. Качественное освоение и интенсификация притоков нефти (газа) осуществляются с помощью термогазохимического воздействия (ТГХВ). Однако эти технологии обладают и существенными недостатками. А именно, взрывные воздействия и следующие за взрывом гидроудары, обусловленные поднятием столба скважинной жидкости при взрыве и последующим за этим его падением, приводят к возможности как нарушения герметичности крепи скважин, что может привести к заколонной циркуляции пластовых флюидов, так и кольматации призабойной зоны скважины. Если при кумулятивной перфорации ещё существуют способы защиты скважины от взрывных воздействий. Это, например, гашение взрывных давлений, при котором защита скважины осуществляется установленными на геофизическом кабеле выше или ниже, или выше и ниже перфоратора компенсаторами взрывных давлений [1 - 2]. Правда, при этом скважина не защищена от последующих за взрывом гидроударов. Существует также способ защиты крепи скважины амортизационными или демпфирующими вставками в обсадную колонну [3 - 4], которые могут защитить крепь скважины не только во время взрыва в скважине, например, при кумулятивной перфорации, но и от следующих за этим гидроударов, если, конечно, при этом не произойдёт необратимой деформации вставки. Однако этот метод возможно применять лишь во вновь строящихся скважинах.

В данной работе приводится описание одного из возможных способов снижения интенсивности гидроударов за счёт принудительного торможения движения столба скважинной жидкости [ 5 ], а также показана возможность повышения эффективности этой технологии. Сущность метода принудительного торможения заключается в том, что на геофизическом кабеле с определённым шагом устанавливают тормозящие элементы (см. рис. 1).

Итак, взрыв зарядов в скважине, например, при перфорационных работах или горение заряда при ТГХВ, сопровождается возникновением газового пузыря, который, расширяясь, и приводит к поднятию столба скважинной жидкости. При этом энергия газового пузыря частично расходуется на поднятие столба жидкости, частично на нагрев жидкости и обсадной колонны скважины, на деформации колонны и крепи и т.п. То есть большая часть энергии взрыва расходуется не по назначению. Тогда для определения высоты поднятия столба скважинной жидкости h в результате взрыва n зарядов можем записать уравнение:

, (1)

где: m = HR2 - масса столба скважинной жидкости длиной H и плотностью ; R - внутренний радиус обсадной колонны скважины; = 3,14; g - ускорение силы тяжести; - коэффициент полезного действия взрыва ( ~ 0,3 - 0,7); о - энергия взрыва одного заряда (для заряда из гексогена массой 21,5 г. имеем о ~ 119 кДж [ 6 ]) .

Из уравнения (1) находим высоту поднятия столба жидкости:

h = (1-)on / HR2 . (2)

Поднявшись на эту высоту, столб скважинной жидкости падает. При этом его потенциальная энергия mgh переходит в кинетическую mv2/2. Тогда для скорости падения жидкости получим с учётом выражения (2) следующее:

. (3)

При падении столба скважинной жидкости возникает гидроудар. Величина давления при гидроударе РГ определяется выражением вида [7]:

, (4)

где с - скорость звука в жидкости.

Наличие трения приведёт к тому, что часть энергии взрыва будет расходоваться на трение жидкости о стенки обсадной колонны и другие местные сопротивления. Отсюда высота поднятия столба жидкости несколько уменьшится. В этом случае уравнение (1) перепишется в виде:

(1-)no = mgh + (ТР + М)Sl/2 . (5)

Поднявшись на высоту h, столб начинает падать. При этом трение жидкости приведёт к уменьшению результирующей скорости падения жидкого столба. Величину скорости падения жидкого столба найдём из условия перехода потенциальной энергии поднятого на высоту h столба скважинной жидкости в кинетическую энергию, которое при наличии трения выглядит следующим образом:

mgh = mv2/2+ (ТР + М) Sl/2 , (6)

где ТР и М - безразмерные коэффициенты потерь на трение о стенку обсадной колонны и потерь на местных сопротивлениях, S - поверхность обсадной колонны (S1), контактирующей с движущейся жидкостью (в случае, когда речь идёт о трении о стенки обсадной колонны) или полная поверхность местного сопротивления (S2), когда речь идёт о падении давления на местном сопротивлении, l - расстояние , на котором движется жидкость (в нашем случае, l равна высоте поднятия столба жидкости h). vСР - средняя по длине обсадной колонны скорость движения жидкости.

В соответствие с формулой Дарси - Вейсбаха [ 8 ] имеем, что

ТР = l / 2R, (7)

где = 0,11(k / 2R + 34 / R . vСР)1/4 - коэффициент трения трубы [ 8 ], k - коэффициент шероховатости труб (k / 2R 2 . 10-5), - коэффициент кинематической вязкости.

Если местные сопротивления не взаимодействуют между собой, т.е. находятся на расстоянии L ~ 30 a друг от друга, где а - характерный размер местного сопротивления (например, радиус или длина), то

М =,

(где N - число местных сопротивлений). Для одинаковых местных сопротивлений М = N [ 8 ].

Так при принудительном торможении столба скважинной жидкости местным сопротивлением, выполненным в форме шара (простейший вариант), будем иметь:

, (8)

где - зависящее от числа Рейнольдса число [ 9 ].

Подставляя выражения для ТР и из выражений (7) и (8) с длиной хода h в уравнения (5) и (6) и, учитывая, что масса столба скважинной жидкости m = HR2 , а vСР связана со скоростью движения жидкости v выражением vСР = v (где ~ 0,5 -1), получаем для определения скорости падения и высоты поднятия столба жидкости следующую систему уравнений:

, (9)

Учитывая, что S1 = 2Rh, а для случая шарообразного гидросопротивления S2 = 4r2 (r - радиус гидросопротивления) , получим для высоты подъёма столба скважинной жидкости следующее уравнение:

ah4 + bh3 + ch2 + dh + e = 0 , (10)

где: a = 2g2, b = -(1-)no2/HR2 , c = 8Ngr22 , d = [gHR2- 4N(1-)nor22/HR2] , e = (1-)no .

В случае учёта трения о только о подвешенные гидросопротивления (т.е. = 0) уравнение (10) превращается в квадратное и легко разрешается. Тогда высота поднятия столба скважинной жидкости определится из выражения:

, (11)

Из уравнения (4) и системы (9), найдём для давления, возникающего при падении столба жидкости, следующее:

, (12)

где h берётся из решения уравнений (11).

На рис.2 приведены графики зависимости величины давления, возникающего при падении столба скважинной жидкости от числа подвешенных к геофизическому кабелю шаровидных (r = 0,025м , = 0,5 ) гидросопротивлений. Кривые соответствуют перфорации с различным числом зарядов.

Из рисунка следует, что увеличение числа сопротивлений может существенно снизить значение разрушающего давления. При этом наблюдается снижение давления в 1,64 раза - при 20 зарядах и в 2 раза - при 60 зарядах.

Использование гидросопротивлений специальных форм может также повысить эффективность снижения давления гидроудара (например, для цилиндра = 1, а для отрезка шнека - ещё больше).

Однако, как показано в работе [10], можно повысить эффективность работы гидросопротивлений, если только закреплять их упруго. Примером этого может служить гидросопротивление изображённое на рис. 3. Действительно, обтекание жидкостью упруго закреплённого гидросопротивления приводит к возбуждению его колебаний около положения равновесия. В результате этого скорость движения жидкости вблизи сопротивления также приобретает пульсирующий характер, т. е.

, (13)

где - частота колебаний гидросопротивления.

Учитывая, что потери давления р на гидросопротивлении пропорциональны v2, получаем для усреднённых во времени потерь давления следующее:

<p> = <v2/2> = v2/2 + v2/4 . (14)

нефтегазоносный скважина гидроудар интенсивность

Здесь скобки < > соответствуют усреднению во времени. Из выражения (14) следует, что прирост потерь давления не зависит от средней скорости движения жидкости, а определяется лишь квадратом амплитуды пульсирующей составляющей скорости движения жидкости. Эти выводы подтверждаются также и результатами эксперимента, описанного в работе [10].

Список литературы

1. Патент РФ № 1066254. Устройство для перфорации зацементированных обсадных колонн / А.М. Руцкий, Ю.И. Терентьев, В.А. Опалев, В.И. Капралов, В.В. Гаврилов, З.И. Молочников.

2. Патент РФ № 2029076. Компенсатор давлений для взрывных работ в скважине / А.В. Мальцев, В.Г. Неволин.

3. William L.H. Method and system for wellbore protection when explosively stimulating earth formation // Pat US, № 3718188, E 21B 43/26 (166-299).

4. Руцкий А.М...