ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Кумулятивное перфорирование продуктивных пластов»

Рекомендуемая область пременения

Кумулятивный перфоратор используется в нефтегазодобывающей промышленности и предназначен для использования в прострелочно-взрывной аппаратуре для вторичного вскрытия продуктивных пластов (перфорации нефте- и газодобывающих скважин) и обеспечивает создание перфорационных каналов в обсадных трубах с повышенной начальной площадью, а также может быть использован в других отраслях для создания отверстий, перебивания элементов конструкций и разрушения материалов с использованием энергии взрыва.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – увеличение притока нефти или газа в полость трубы скважины за счет увеличения начальной площади перфорационных каналов в обсадной колонне при сохранении достаточной глубины перфорации и обеспечения возможности более эффективного использования методов увеличения нефтеотдачи.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время известно большое количество различных конструкций зарядов для перфорации нефте- и газодобывающих скважин. Действие кумулятивных зарядов (КЗ) основано на способности кумулятивной струи, образуемой при детонации заряда взрывчатого вещества (ВВ) с облицованной кумулятивной выемкой, пробивать отверстия в преградах.

Как правило, скважины вскрывают пласт на всю его мощность, но они сообщаются с пластом через ограниченное число перфорационных отверстий в эксплуатационной колонне. Гидродинамическое несовершенство скважин влечет за собой появление дополнительных фильтрационных сопротивлений, возникающих в призабойной зоне и у стенок скважины в результате отклонения геометрии течения жидкости от плоскорадиального потока, а также в результате сгущения линий токов у перфорационных отверстий, вызывающих местное повышение скоростей движения жидкости.

С целью снижения значения коэффициента гидродинамического несовершенства скважин разработчики при создании новых конструкций зарядов для перфорации, как правило, стремятся увеличить глубину пробиваемых перфорационных каналов (до 800...1200 мм). Однако при малом начальном диаметре канала (около 10...12 мм), резко сужающемся по его длине, не происходит существенного повышения фильтрационной поверхности, причем узкая часть каналов либо вообще не работает, либо работает непродолжительное время. Кроме того, при заканчивании скважин с интенсификацией нефтепритока (например, при планировании гидроразрыва пласта), а также в неукрепленных коллекторах с пескопроявлением первостепенное значение имеет не глубина перфорационного канала, а величина его диаметра.

Вместе с тем на сегодняшний день большинство нефтяных компаний Западной Сибири достигли того порога, когда месторождения с "легкой нефтью", требующие минимум капитальных вложений, находятся на последней стадии разработки, падающей добычи. В то же самое время большие запасы углеводородов сосредоточены в низкопроницаемых коллекторах, либо обладают такими геолого-физическими свойствами, которые делают разработку данных залежей традиционными методами неэффективной. Для освоения данных природных ресурсов необходимо применение методов увеличения нефтеотдачи (МУН), что требует создания в обсадной колонне перфорационных отверстий с большой площадью сечения. Однако, специально созданные для этих целей осесимметричные кумулятивные заряды (заряды типа "Big Hole") ведущих отечественных и мировых производителей (Halliburton, Schlumberger, ФГУП "Металлист" и др.) пробивают в обсадной колонне отверстия с начальной площадью не более 2...7 см 2 и глубиной 140...220 мм. Дальнейшее совершенствование конструкции данных зарядов в плане увеличения диаметра перфорационного отверстия является практически исчерпанным, так как требует увеличения габаритов взрывных устройств, при этом возникают непреодолимые трудности их размещения в скважине.

Известен также кумулятивный перфоратор (Патент RU 2291285 от 10.01.2007), содержащий неразрушающийся при взрыве корпус в виде трубы, в котором посредством деталей крепления установлены детонирующие удлиненные заряды с продольной кумулятивной выемкой, соединенные детонирующим шнуром со взрывателем. Перфоратор такой конструкции позволяет значительно увеличить удельную площадь вскрытия пласта за счет использования удлиненных кумулятивных зарядов (вместо осесимметричных). Однако использование удлиненных кумулятивных зарядов (УКЗ), применяемых в настоящее время для взрывной резки конструкций, не позволяет достичь желаемой глубины канала.

Для достижения поставленной цели в кумулятивных перфораторах могут использоваться заряды для глубокой перфорации нефтяных и газовых скважин (Патент RU 2197601 от 30.01.2001), содержащие центральную кумулятивную секцию, две боковые кумулятивные секции, вплотную и диаметрально пристыкованные к внешней поверхности центральной секции, детонирующий шнур, подведенный только к центральной секции для обеспечения задержки времени взрыва боковых секций, центральная кумулятивная секция выполнена конической по внешней боковой поверхности, а боковые секции выполнены с возможностью обеспечения слияния струй всех трех секций в одну за счет объемной фокусировки, кроме того, кумулятивные воронки выполнены из пресс-порошкового материала.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Технический результат достигается тем, что комбинация трех кумулятивных частей заряда образует единое целое, причем центральная часть является удлиненной и имеет постоянное симметричное поперечное сечение, а боковые части образованы вращением половины поперечного сечения центральной части на 180° вокруг оси симметрии, причем заряд расположен в общем корпусе и имеет единую кумулятивную облицовку, выполненную из порошкового материала.

На рисунке 1 представлен вид спереди кумулятивного заряда в разрезе по продольной оси симметрии. На рисунке 2 представлен разрез кумулятивного заряда по поперечной оси симметрии. На рисунке 3 представлен вид сверху. На рисунке 4 представлена конструкция раскрывающегося перфоратора.

Рисунок 1. Продольный разрез кумулятивного заряда (вид слева).

Рисунок 2- Поперечный разрез кумулятивного заряда.

Рисунок 3. Вид сверху.

На фигурах: 1 - корпус заряда, 2 - взрывчатое вещество, 3 - кумулятивная облицовка, 4 - детонирующий шнур, l - длина центральной части кумулятивного заряда, r - радиус боковой части кумулятивного заряда.

Работа предлагаемого устройства. Инициирующий импульс передается заряду ВВ посредством, например, детонирующего шнура (4). В результате взрывчатого превращения заряда ВВ из центральной и боковых частей кумулятивного заряда формируются кумулятивные потоки, состоящие из частиц облицовки (3) и продуктов детонации, которые при высокоскоростном взаимодействии с материалом преграды (обсадная труба, цементное кольцо и продуктивный пласт) образуют в последней перфорационные каналы.

Если при подрыве осесимметричного КЗ из кумулятивной облицовки формируется струя (точка в проекции на плоскость пробиваемой преграды), то из облицовки УКЗ формируется так называемый кумулятивный «нож» (линия в проекции на плоскость пробиваемой преграды), в результате чего концентрация энергии растягивается.

Форма боковых частей кумулятивного заряда позволяет сформировать два кумулятивных потока (две кумулятивных струи), направленных в область внедрения кумулятивного «ножа» в преграду. Дополнительное действие кумулятивных струй обеспечивает увеличение глубины пробития по сравнению с УКЗ.

При изготовлении заряда выбор длины его центральной части в диапазоне (0...10)r позволяет регулировать форму перфорационного отверстия и глубину формируемого канала. Так, с ее увеличением происходит увеличение площади образующегося перфорационного отверстия, при этом глубина канала уменьшается. При уменьшении длины центральной части показатели, характеризующие эффективность действия заряда, стремятся к показателям аналога - осесимметричного КЗ. Результат действия заряда на железную трубу представлен на рисунке 5.

Предлагаемая конструкция заряда позволяет значительно увеличить начальную площадь перфорационных каналов по сравнению с зарядами типа "Big Hole" за счет перераспределения энергии взрыва по площади прорезаемой преграды, что обеспечивается наличием центральной части. По сравнению с УКЗ увеличивается глубина пробития за счет формирования высокоскоростных кумулятивных потоков из боковых частей заряда.

Таким образом, совокупность (комбинация) трех кумулятивных частей (центральной и двух боковых), являющихся единым зарядом, позволяет одновременно увеличить площадь перфорационных отверстий и глубину прорезаемого канала.

Кумулятивная облицовка заряда выполняется из порошковых материалов, что обеспечивает увеличение коэффициента перехода материала облицовки в струю, а следовательно, увеличение глубины пробития преграды, а также не приводит к запестовыванию сформированного канала.

Пример конкретного выполнения. Испытаны заряды, имеющие длину центральной части 15, 30 и 45 мм и ширину кумулятивной облицовки 40 мм. Испытания проводились по комбинированной мишени, представляющей собой стальную пластину толщиной 10 мм и бетонный блок толщиной 500 мм, выдержанный при затвердевании в воде в течение 28 дней. В результате испытаний зарядов получены перфорационные отверстия, имеющие соответственно начальную площадь 5,5; 8,9; 11,5 см2 и глубиной соответственно 350; 180 и 150 мм.

Рисунок 4. Раскрывающийся щелевой перфоратор.

Рисунок 5. Результат действия

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Данные изделия содержат в своем составе промышленные энергонасыщенные материалы.

Предприятие, использующее данный инновационный проект должно иметь лицензии на хранение и использование промышленных взрывчатых материалов. На территории предприятия должен находиться охраняемый склад промышленных взрывчатых материалов. В процессе изготовления данных изделий существуют опасные операции, которые должны выполняться в специализированных помещения и цехах с категорией опасности, соответствующей технологическому процессу. Также необходимо наличие взрывплощадки.

Удовлетворить перечисленным требованиям могут предприятия военно-промышленного комплекса или предприятия, специализирующиеся на производстве прострелочно-взрывной аппаратуры с использованием взрывчатых материалов.

Предприятие, заинтересованное во внедрении изделия, при наличии производственных возможностей, должно нести расходы на разработку технологического процесса под существующие производственные мощности и требуемые объемы производства (выполняют авторы проекта).

При использовании способа кумулятивной перфорации во вторичной разработке скважин возможно увеличение добычи продукта на 20 %, что позволяет более полно осваивать месторождения, особенно при повторной эксплуатации. Не требуются затраты на геологическую разведку, т.к. используются уже работающие или законсервированные скважины.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Технология использования перфораторов данного типа является природосберегающей, что следует из следующего. Использование данного типа перфораторов позволяет повысить нефтеотдачу скважины и, следовательно, более полно использовать ее ресурс. Данный тип перфораторов используется и при вторичном вскрытии скважин.

Более высокая эффективность по сравнению с аналогами обеспечивает повышение показателей, характеризующих трудозатраты и энергозатраты.

Повышение нефтеотдачи на функционирующей скважине – 10 %;

Снижение расходов на предварительную подготовку скважины к работе – 15%.

Новые потребительские свойства продукции

Используемая форма кумулятивных зарядов позволяет получать перфорационные отверстия в обсадной трубе с повышенной начальной площадью, а раскрывающаяся конструкция обеспечивает повышенную глубину пробития за счет уменьшения расстояния проходимого кумулятивной струей в поглощающей среде.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые инвестиции

3 млн. руб.
Получение экспертных заключений и сертификатов.
Несмотря на то, что на сегодняшний день нет нормативных требований по обязательной сертификации прострелочно-взрывной аппаратуры, В ближайшее время возникнет необходимость получения сертификата качества прострелочно-взрывной аппаратуры для скважинных работ по эргономике и качеству в соответствие с методикой, принятой Ростехнадзором.
Необходима также экспертиза изделий по обеспечению безопасности применения в промысловых условиях.

Рынки сбыта

Основными потребителями являются сервисные геофизические компании России, выполняющие работы на нефтяных месторождениях компаний: Роснефть, Газпром, ЛУКОЙЛ, а также целый ряд других компаний топливно-энергетического комплекса. Основной объем изделий планируется применять прежде всего на нефтяных и газовых месторождениях Западной Сибири, хотя могут использоваться и в некоторых другие регионах, а также в странах ближнего зарубежья.

Возможность и эффективность импортозамещения

При использовании на небольших глубинах или в наклонных и горизонтальных скважинах изделие по эффективности не уступает импортным аналогам.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

60

Дата поступления материала

21.11.2007