Физические основы и применение кумулятивной перфорации

Введение
Актуальность. Современный этап развития нефтегазодобывающей отрасли промышленности России характеризуется постоянным ростом требований к достижению высокой эффективности разработки нефтяных и газовых месторождений, что предполагает по возможности бесперебойную и соответствующую потенциалу месторождения работу добывающих и нагнетательных скважин с соблюдением темпов выработки запасов, текущих уровней добычи и полноты извлечения углеводородов.
Одним из важнейших элементов, определяющих потенциальные возможности скважины, является так называемая прискважинная зона пласта - некоторый объем продуктивного пласта, вскрытый данной скважиной и примыкающий к ней, в котором потери энергии на движение флюида существенны. Согласно мнению многих российских и зарубежных ученых и специалистов, одним из основных факторов, определяющих производительность скважины, является перфорация, в результате которой обеспечивается гидродинамическая связь скважины с незагрязненным пластом. Совершенствование и разработка передовых технологий, позволяющих улучшить связь скважины через перфорационные каналы с незагрязненным пластом, вследствие чего может быть увеличена добыча нефти или газа при небольших затратах на различных этапах жизненного цикла скважины, являются в настоящее время наиболее актуальными задачами.
В связи с вышесказанным можно с уверенностью сказать, что изучение вопросов, которые касаются использования кумулятивной перфорации, является весьма актуальным.
Цель данной работы заключается в изучении физических основ и использования кумулятивной перфорации. Для достижения поставленной цели были решены следующие задач:
- изучен имеющийся материал по тематике исследования;
- рассмотрено понятие и физические основы кумулятивной перфорации;
- изучены примеры использования кумулятивной перфорации на практике.
В ходе выполнения данных задач применялись такие методы исследования, как анализ, синтез, описание и обобщение.
В качестве объекта исследования выступает нефтегазовая область, а предметом исследования является кумулятивная перфорация.
1 Физические основы кумулятивной перфорации
Кумулятивная перфорация - образование отверстий за счет направленного движения струи раскаленных вырывающихся из перфоратора со скоростью 6-8 км/с давлением 0,15-0,3·106 МПа. При этом образуется канал глубиной до 350 мм и диаметром 8-14 мм. Максимальная толщина пласта, вскрываемая кумулятивным перфоратором за спуск до 30 м, торпедным - до 1 м, пулевым до 2,5 м. Количество порохового заряда - до 50 г. Схема распределения кумулятивной струи показана на рисунке 1.
1 – заряд; 2 – продукты детонации; 3 – металлическая облицовка; 4, 5 – кумулятивная струя; 6 – порода
Рисунок 1 – Схема распределения кумулятивной струи [1]
По принципу устройства кумулятивные перфораторы подразделяют на две основные группы, которые различаются способом герметизации помещенных в них кумулятивных зарядов: корпусные и бескорпусные. В корпусных перфораторах все заряды и средства инициирования помещены в общий герметичный корпус, извлекаемый из скважины после выстрела

. В бескорпусных перфораторах каждый заряд заключен в индивидуальную герметичную разрушающуюся оболочку. Общий корпус или индивидуальная оболочка должны выдерживать определенное гидростатическое давление и температуру внешней среды.
В свою очередь, корпусные кумулятивные перфораторы подразделяются на перфораторы многократного использования и перфораторы однократного использования, а бескорпусные – на полуразрушающиеся и полностью разрушающиеся.
Кумулятивные перфораторы спускают в скважину на бронированном грузонесущем одножильном геофизическом кабеле или на насосно-компрессорных трубах, в зависимости от технологии работ и устройства. Инициирование зарядов преимущественно групповое, но может быть полуселективным и селективным. Любой перфоратор состоит из механической части и зарядного комплекта с расходными деталями.
Кумулятивный заряд для перфорации скважин состоит из прессованной шашки взрывчатого вещества, в кумулятивную выемку которой вложена или впрессована металлическая облицовка, а с противоположной стороны строго по центральной оси заряда расположен промежуточный детонатор. Заряд заключен в оболочку, которая в случае бескорпусных перфораторов должна быть полностью герметичной и выдерживать давление и температуру окружающей среды. Размеры и форма зарядов определяются внутренним диаметром корпуса или внутренним диаметром обсадной колонны или НКТ. Оболочки зарядов изготавливались из бумажной массы, пластмассы или металла. В настоящее время такие оболочки считаются морально устаревшими, и предпочтение, несмотря на удорожание, отдается оболочкам зарядов, изготовленным точением, штамповкой с последующей доводкой, с применением технологии порошковой металлургии с калибровкой, что позволяет обеспечить более высокую точность изготовления. Оболочки зарядов в бескорпусных перфораторах делаются из хрупких материалов - алюминиевых сплавов, упрочненного стекла, ситалла или керамики. Требование хрупкости к оболочке при взрыве зарядов бескорпусных перфораторов вытекает из необходимости легкого освобождения скважины от посторонних предметов после перфорации.
Термобаростойкость зарядов для бескорпусных кумулятивных перфораторов ограничены характеристиками используемых в них взрывчатых материалов и прочностными характеристиками оболочек, сильно зависящими от сочетания давления и температуры окружающей среды.
Взрыв кумулятивного заряда происходит следующим образом. После взрыва детонатора по кумулятивному заряду распространяется волна детонации, которая двигается от места взрыва вдоль оси заряда к основанию кумулятивной выемки. Волны детонации под большим давлением сжимают металлическую воронку. При этом металл с внутренней стороны воронки начинает течь как жидкость и частично (до 20-30 %) попадает в кумулятивную струю, распространяющуюся вдоль оси заряда со скоростью 6-8 км/с. Образовавшаяся кумулятивная струя, достигая преграды, оказывает на нее давление (порядка 1010 Па) и проникает в нее на определенную глубину