Прострелочно-взрывные работы в скважинах
Прострелочно-взрывные работы в скважинах (ПВР) включают отбор грунтов (отбор образцов пород из стенок скважины), перфорацию обсадных колонн, торпедирование и некоторые др. операции.
Отбор грунтов
Основные сведения о геологическом разрезе пробуренных скважин геологи получают на основании изучения керна, извлеченного при бурении, и уточняют по каротажу. В тех случаях, когда эти данные недостаточны или вступают в противоречие, или когда отсутствует керн, строение геологического разреза уточняют с помощью образцов, добытых из стенок скважин с помощью так называемых "грунтоносов". Работы по отбору грунтов выполняются геофизиками с использованием кабеля и спуско-подъемного оборудования каротажных станций (или подъемников).
Наибольшим распространением пользуются боковые стреляющие грунтоносы (рис. 20.2).
Рис. 20.2. Устройство бокового стреляющего грунтоноеа
Такой грунтонос состоит из массивного корпуса, в котором высверлено несколько отверстий для стволов. Позади каждого отверстия располагается пороховая камора, которая заполняется зарядом взрывчатых веществ (ВВ) и отделяется от ствола герметизирующей прокладкой, после чего в отверстие ввинчивается короткий стальной ствол. Ствол заряжается стальным бойком, имеющим форму стаканчика с острыми кромками и утолщенным днищем. Через отверстия вблизи днища бойка продернут гибкий стальной тросик, которым боек крепится к корпусу.
В пороховой каморе располагается электрозапал. Грунтонос подсоединяют к каротажному кабелю и опускают на необходимую глубину. Через электрозапал пропускают электрический ток, который воспламеняет заряд в пороховой каморе. Происходит выстрел, боек вылетает из ствола и вонзается в стенку скважины, внутренняя полость его заполняется горной породой.
Заряд подбирают таким, чтобы боек входил в породу до донышка, но не глубже (обычно это от 0,5 до 6 г пороха, в зависимости от крепости породы). После выстрела каротажный кабель наматывают на лебедку, грунтонос начинает подниматься и выдергивает бойки из стенки скважины.
Число стволов в одном грунтоносе - от 10 до 30. Диаметр образцов в разных грунтоносах - от 10 до 26 мм, длина - 20-65 мм, объем пробы — 3-27 см3.
При отборе грунтов количество выносимых образцов не превышает 50-70% от количества стволов в грунтоносе, т.к. какая-то часть стволов не "выстреливает" из-за нарушения герметичности прокладки и попадания воды в пороховую камору, часть бойков обрывается, еще из какой-то части бойков при подъеме высыпается проба.
Наряду со стреляющими грунтоносами существуют и невзрывные, сверлящие и фрезерующие керноотборники.
Сверлящий керноотборник состоит из корпуса с прижимным устройством и миниатюрного пустотелого цилиндрического бура, ось которого перпендикулярна оси прибора. Привод и подача бура электрические. В корпусе имеется бункер для сбора образцов. Диаметр каждого образца около 20 мм, длина - 40 мм. За один спуск отбирают от 5 до 15 образцов.
Представляет интерес конструкция фрезерующего грунтоноса, впервые разработанного американскими инженерами в рамках проекта "Могол", имевшего целью бурение сверхглубоких скважин в дне мирового океана, доходящих до мантии. Сейчас такие грунтоносы выпускаются и отечественной промышленностью (например, дисковый призматический керноотборник ДПК-140).
Прибор, изображенный на рис. 20.3, состоит из массивного корпуса с прижимным устройством и двух армированных алмазами дисковых фрез, выступающих из корпуса под острым углом. С помощью электродвигателя фрезы приводятся во вращение и получают еще и поступательное движение. Двигаясь снизу вверх, фрезы вырезают из стенки скважины трехгранную призму длиной 1,5 м.
Рис. 20.3. Устройство дискового призматического грунтоноса (по Р. Дебранду)
В нефтяных и газовых скважинах по образцам из стенок скважины уточняют интерпретацию геофизических данных, проверяют заключение о нефтегазоносности пластов и их коллекторских свойствах.
В углеразведочных скважинах контролируют правильность выделения угольных пластов и изучают их качественные характеристики.
В рудных скважинах уточняют интерпретацию и определяют процентное содержание металла.
Перфорация обсадных колонн
Перфорация ОК необходима для того, чтобы вскрыть нефтеносные или газоносные пласты и обеспечить доступ флюида из пласта в скважину.
Пулевые перфораторы устроены, в принципе, так же, как боковые стреляющие грунтоносы, только заряжают их не полым бойком, а сплошной стальной пулей, которая должна пробить обсадную колонну, цементный камень и войти в пласт на 30-40 см.
Для повышения пробивной способности пули стволы в перфораторах удлиняют за счет того, что располагают их вертикально, закругляя в нижней части до выхода из корпуса (рис. 20.4). Это так называемые вертикальные пулевые перфораторы (например, ПВН-90).
Пулевые перфораторы бывают селективные и залповые. В залповых все пороховые каморы соединяются друг с другом, и все стволы выстреливают одновременно. В селективных перфораторах имеется переключатель контактов, позволяющий производить выстрелы поочередно. Кумулятивные перфораторы прожигают отверстие в ОК и стенке скважины струей раскаленных газов и расплавленного металла.
Рис. 20.4. Устройство вертикального пулевого перфоратора
Устройство кумулятивного перфоратора показано на рис. 20.5. Он состоит из корпуса, металлической воронки и крышки. Пространство между корпусом и металлической воронкой
Рис. 20.5, Принцип действия перфоратора кумулятивного типа
заполнено промежуточным детонатором и основным зарядом ВВ. Промежуточный детонатор нужен для более быстрого инициирования взрыва основного заряда. Подрыв промежуточного детонатора обычно производится с помощью детонирующего шнура, проходящего у днища корпуса заряда. Пространство между металлической воронкой и крышкой заряда остается свободным. Это необходимо для формирования узкой струи раскаленных газов и расплавленного металла. При взрыве эта струя вылетает со скоростью 8-10 км/с и развивает давление 250-300 тыс. кг/см .
Кумулятивные перфораторы бывают корпусные и бескорпусные. Корпусные имеют примерно такие же стволы, как и боковые стреляющие грунтоносы, но вставляют в них не бойки, а кумулятивные заряды. В бескорпусных заряды крепятся к раме из продольных железных прутьев.
Кроме описанных перфораторов, существуют еще и перфораторы невзрывные, например, гидроабразивные.
В гидроабразивных перфораторах отверстие в ОК и породе проделывает струя воды, насыщенная кварцевым песком, которая под большим давлением подается на стенку скважины. Время проделывания одного отверстия - несколько минут.
Достоинство гидроабразивных перфораторов в том, что, медленно поворачивая их вокруг продольной оси, ими можно обрезать ОК.
Оптимальное количество перфорационных отверстий, как показали специальные исследования, - от 4 до 30 на 1 погонный метр ствола скважины.
Торпедирование скважин
Торпедированием называют взрыв в скважине.
Торпедирование производят с целью ликвидации прихватов бурильных, насосно-компрессорных и др. труб в скважинах, для ликвидации аварий при бурении, для очистки фильтров в скважинах, а также для "оживления" старых нефтяных и газовых месторождений.
Скважинная торпеда состоит из заряда ВВ и средства взрывания -электрозапала, капсюля-детонатора и шашки высокобризантного ВВ, усиливающего начальный импульс детонации.
Торпеды различают герметичные и негерметичные, фугасные и кумулятивные и пр.
Для "встряхивания" бурового инструмента или ОК в скважинах с целью облегчения последующего развинчивания, для очистки фильтров используют так называемые "торпеды детонирующего шнура" (ТДШ) -отрезки обычного детонирующего шнура.
Для оживления старых нефтяных месторождений в скважинах взрывают очень большие заряды, включая атомные мощностью 4-5 кт.
Ядерный взрыв создает в горных породах давление более чем в миллион атмосфер. Часть горной породы превращается в газ, на месте взрыва образуется полость диаметром около 30 м. В толще горных пород появляется множество мелких трещин, проникающих на расстояние до 100 м от центра. Увеличивается проницаемость горных пород, и в результате возрастает дебит нефтяных и газовых скважин. Такие "мирные" взрывы неоднократно производились на территории СССР. Два ядерных взрыва, проведенных на газовых месторождениях Восточной Сибири в конце 70-х годов, привели к увеличению добычи газа в 20 раз и позволили дополнительно добывать нефть. Еще 2 ядерных взрыва в 1969 г. на Осинском месторождении в Пермской области обеспечили добычу более 300 тыс. т нефти (газета "Уральский рабочий" от 15.03.95).
Однако, кроме положительных результатов, ядерные взрывы в скважинах имеют и очень существенные отрицательные последствия, связанные с заражением подземных вод радиоактивными элементами.
Контрольные вопросы
1. Как осуществляется опробование продуктивных пластов методом
пробной эксплуатации?
2. В чем преимущества опробования пластов приборами на кабеле
перед опробованием по традиционной методике?
3. Какие устройства входят в состав опробователя на кабеле?
4. Какие задачи позволяют решить результаты ОПК?
5. В каких случаях прибегают к отбору грунтов из стенок скважин?
6. Поясните, как устроен боковой стреляющий грунтонос.
7. С помощью каких устройств невзрывного действия могут быть
отобраны пробы грунтов из стенок скважин?
8. Как устроены скважинные пулевые перфораторы?
9. Как устроен кумулятивный перфоратор?
10. Каково оптимальное количество перфорационных отверстий на 1
погонный метр ствола скважины?
11. Что такое торпедирование скважин?
12. С какой целью производят торпедирование скважин?
13. Каковы достоинства и недостатки ядерных взрывов в скважинах?
Лекция 21
РАЗДЕЛ IV
СКВАЖИННАЯ ГЕОФИЗИКА
Скважинная геофизика, в отличие от каротажа, - это геофизические методы исследования больших объемов горных пород, находящихся в межскважинном пространстве или околоскважинном пространстве, с целью поисков и разведки полезных ископаемых.
Как самостоятельный раздел ГИС скважинная геофизика сформировалась в 50-х годах XX века, хотя отдельные ее методы были известны с начала века (например, метод заряженного тела - с 1908 г.).
В настоящее время скважинная геофизика имеет на вооружении почти те же методы, что и полевая геофизика, но при этом отличается большей глубинностью, т.к. позволяет приблизить к объекту исследования измерители естественных и искусственных физических полей и источники последних.
Иногда скважинную геофизику объединяют с шахтной под общим названием "подземная геофизика" (А.Г. Тархов, 1973).
Большой вклад в развитие скважинной геофизики внесли уральские ученые - сотрудники Института геофизики УрО РАН и геофизического факультета Уральской государственной горно-геологической академии.
Из-за ограниченного объема курса ГИС далее будут рассмотрены только несколько методов скважинной геофизики, к тому же метод трехкомпонентной скважинной магниторазведки был обсужден в лекции 16, а метод заряженного тела знаком студентам по изучавшемуся ранее курсу "Электроразведка".