Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А. Взрывные работы

Подождите немного. Документ загружается.

351

РАЗДЕЛ IV. ПРОСТРЕЛОЧНО-ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

В СКВАЖИНАХ И ЯДЕРНЫЕ ВЗРЫВЫ

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГЛАВА 10

ПРОСТРЕЛОЧНО-ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ В СКВАЖИНАХ

В геологоразведке при бурении и эксплуатации скважин для раз-

ведки и разработки месторождений полезных ископаемых (газа, нефти,

угля, воды и др.) широко применяются прострелочно-взрывные работы.

Осуществляются эти работы во всех случаях, когда механические явля-

ются трудоёмкими и сложными.

Прострелочно-взрывные работы в скважинах имеют большое зна-

чение для правильной оценки продуктивности разведочных скважин, а

также достижения максимальной отдачи или приёмистости продуктив-

ных пластов, сокращения сроков бурения, опробования, освоения и, сле-

довательно, подсчёта запасов на месторождениях нефти и газа. С помо-

щью прострела и взрыва осуществляются такие операции, как боковой

отбор образцов горных пород, проб жидкостей и газов в скважинах.

Прострелочно-взрывные работы классифицируются следующим

образом (с учётом вида операций и технических средств):

• перфорация стенок скважин стреляющими аппаратами – кумулятив-

ными, пулевыми и снарядными (торпедными) перфораторами – для

вскрытия и повышения отдачи или приёмистости пластов;

• разрыв пластов с помощью скважинных аппаратов – пороховых ге-

нераторов давления – и торпедирование скважин в целях повышения

отдачи или приёмистости пластов;

• каротаж пластов с простреливанием канала для отбора проб жидко-

стей и газа;

• отбор образцов пород стреляющими грунтоносами для изучения

геологического разреза скважин;

• торпедирование бурильного и эксплуатационного инструмента с

помощью торпед фугасного и направленного действия при ликвида-

ции скважин и аварий в них;

352

• простреливание колонн бурильных или насосно-компрессорных

труб перфораторами для восстановления циркуляции жидкости в

скважине;

• разделительный тампонаж в скважинах с помощью взрывных пакеров.

При изменении и совершенствовании техники и технологии раз-

ведки и разработки месторождений нефти, газа, угля, воды технические

средства и материалы для прострелочно-взрывных работ, методы и тех-

нология их применения также постоянно совершенствуются и обновля-

ются. Так, для ликвидации аварий в скважинах разработаны торпеды

фугасного и кумулятивного действия, заменившие ранее применявшие-

ся торпеды кустарного изготовления. Созданы современные пороховые

генераторы давления, которые в ряде случаев позволяют заменить доро-

гостоящий и сложный метод гидроразрыва пластов, а для разделитель-

ного тампонажа в скважинах разработаны взрывные пакеры, заменяю-

щие трудоёмкие операции по установке цементных мостов.

Благодаря прострелочно-взрывным работам в большинстве случаев

удается успешно ликвидировать различные аварии, связанные с прихва-

том бурового инструмента и колонн труб, с оставлением посторонних

предметов на забое и в стволе скважины. Для прострелочно-взрывных

работ характерны высокая эффективность и производительность работ,

при сравнительно низких стоимости и трудоёмкости всех операций.

10.1. Использование взрывов при бурении скважин

и ликвидации аварий

При бурении глубоких скважин вращательным способом отбира-

ют образцы (керн) горных пород специальными колонковыми долотами.

Данный способ трудоёмкий и дорогостоящий, керн бывает нару-

шенным, вследствие чего трудно определить глубины, с которых полу-

чены образцы. Поэтому для уточнения геологического разреза часто

производят боковой отбор образцов горных пород стреляющими грун-

тоносами (керноотборниками).

Вскрытие пластов осуществляют в два этапа. Сначала бурят скважи-

ны и после крепления скважины обсадной колонной выполняют перфора-

цию. В разведочных скважинах все чаще ограничиваются только первым

этапом – вскрытием пластов при бурении с последующими испытаниями

его трубными испытателями или боковыми опробователями пластов.

На втором этапе пласты вскрывают в основном стреляющими

и гидропескоструйными перфораторами. Поэтому этот этап представля-

ет собой одну из самых ответственных операций в комплексе работ по

заканчиванию скважины.

353

Обязательным условием использования взрыва при ликвидации

аварий является правильный выбор величины заряда.

При ликвидации прихватов труб в скважинах применяют сле-

дующие методы: отвинчивание колонны выше места прихвата с помо-

щью взрыва, «встряхивание» прихваченной колонны, обрыв труб выше

зоны прихвата и комбинированные способы, включающие в себя при-

менение взрывных методов.

Отвинчивание колонны с использованием взрыва основано на

кратковременном ослаблении резьбовых соединений при взрыве. При-

менение взрыва позволяет высвободить часть прихваченной бурильной

колонны или весь инструмент путём отвинчивания его с помощью

взрыва на разных глубинах.

После выполнения подготовительных операций в скважину на за-

данную глубину спускают торпеду ТДШ из детонирующего шнура и

взрывают.

При высвобождении колонны труб «встряхиванием» используют

также, как и при отвинчивании колонны, торпеду ТДШ. При взрыве заря-

да, перекрывающего всю длину прихвата, образуется ударная волна, рас-

пространяющаяся в затрубную среду или в зону пласта, которая вызывает

движение материала, образовавшего прихват, от стенок труб или долота,

вследствие чего происходит ослабление их сцепления с затрубной средой.

Метод «встряхивания» часто позволяет высвободить весь инстру-

мент, полностью ликвидировав прихват.

Для обрыва прихваченных труб в скважинах применяют торпеды

с фугасным зарядом и торпеды с кольцевым кумулятивным зарядом.

Работу по обрыву труб при помощи фугасных торпед начинают с

промывки скважины, после чего определяют место прихвата и

намечают глубину торпедирования. Затем в заданном интервале

устанавливают опущенную в скважину торпеду и взрывают. Подняв

после взрыва кабель, приступают к извлечению колонны труб.

При обрыве насосно-компрессорных труб устанавливают кумуля-

тивный заряд против резьбового соединения труб, поскольку гладкий

внутренний проход насосно-компрессорных труб позволяет спустить

кумулятивный труборез с минимальным зазором, обеспечивая тем са-

мым благоприятные условия для работы кольцевого кумулятивного за-

ряда. Для обрыва компрессорных труб применяют кумулятивные тру-

борезы ТКГ-45-500, ТКГ-55-500.

354

Рис. 10.1. Труборез скважинный

кумулятивный герметичный ТГК:

1 – корпус; 2- кумулятивный кольцевой

заряд; 3 –электродетонатор;

4 – головка; 5 – пружинный фиксатор

Обрыв обсадных колонн

относится к числу аварийных.

Применяют этот метод для

извлечения обсадных труб при

ликвидации скважин с целью

использования труб на других

объектах. Для обрыва колонн

применяют кумулятивные тор-

педы (труборезы), которые

дают возможность производить

обрыв обсадной колонны с

небольшой деформацией.

Применение взрывных методов

ликвидации аварий должно

быть подкреплено квалифици-

рованным выбором заряда и

знанием волновой картины

действия взрыва на трубу.

Рассмотрим процесс,

происходящий при взрыве цили-

ндрического заряда, находящегося

по центру трубы в скважине,

заполненной буровым раствором.

При взрыве заряда с его

поверхности к стенкам трубы

уходит ударная волна, и за счёт

расширения продуктов взрыва

из зоны расположения заряда

начинает вытесняться буровой

раствор, а ударная волна, достигнув стенок трубы, передает часть энергии

трубе, вызывая её расширение, частично отражается, а частично проходит

сквозь стенки труб в затрубный раствор. Образовавшаяся ударная волна,

двигаясь навстречу расширяющимся продуктам взрыва, взаимодействует с

газовым пузырем, тем самым препятствует его расширению. Другая часть

ударной волны, прошедшая трубу, продолжает двигаться к стенкам скважи-

ны. Достигнув их, она частично уходит в породу, а частично, отразившись от

породы, двигается обратно, навстречу деформирующейся трубе. При встрече

отраженной ударной волны со стенками трубы деформация последней за-

медляется. Чем ближе стенки скважины к трубе и лучше отражающая спо-

собность породы, тем интенсивнее отражённая волна будет препятствовать

деформации трубы в скважине.

355

На результат действия взрыва влияет не только размер заряда, но

и диаметр трубы, толщина её стенки и материал, из которого она изго-

товлена, а также положение заряда относительно стенок трубы. На эф-

фект взрыва также оказывают влияние плотность и вязкость бурового

раствора и гидростатическое давление в зоне действия взрыва. При

оценке степени действия взрыва в скважине необходимо учитывать все

перечисленные факторы.

Контрольные вопросы

1. Как классифицируются прострелочно-взрывные работы?

2. Для каких целей используется взрыв в процессе бурения скважин?

3. Какие взрывные методы применяют для ликвидации прихватов

труб в скважинах?

4. Назовите параметры, влияющие на эффективность действия

взрыва при ликвидации аварий.

10.2. Использование ВВ и порохов при испытании, освоении

и эксплуатации скважин

Из большого перечня взрывчатых веществ в геофизике применя-

ют те, которые отвечают специфическим требованиям к прострелочно-

взрывным работам в скважинах. Так, пороха используются для изготов-

ления зарядов пулевых и снарядных перфораторов, грунтоносов, поро-

ховых генераторов давления, предназначенных для разрыва пласта, а

также при термогазохимической обработке пласта.

Для глубоких высокотемпературных скважин разработан ряд тер-

мостойких порохов. В стреляющих грунтоносах и пулевых перфорато-

рах при температуре в скважине до 100 °С применяются преимущест-

венно заряды из штатного пороха. Разработаны также термостойкие по-

роха, имеющие порог термостабильности до 250 °С. В производствен-

ных условиях в стреляющих грунтоносах применяют пороховые заряды

переменной массы, величина которых обусловливается гидростатиче-

ским давлением в скважине и твёрдостью отбиваемой породы.

Бризантные ВВ применяются для изготовления зарядов кумуля-

тивных перфораторов и торпед. Имеющиеся ВВ используются для изго-

товления средств инициирования. Применяются очень редко также пи-

ротехнические составы. Самостоятельное значение имеют термостойкие

пороха, используемые в грунтоносах и перфораторах, применяемых в

высокотемпературных скважинах.

Кольцевой взрывной пакер типа КВП предназначен для изоляции

верхнего и среднего пластов, а также для отсечения неисправного уча-

стка в трубах этих скважин. Применяется при гидростатическом давле-

нии до 29,4 МПа и температуре до 100 °С.

356

Рис. 10.2. Взрывной пакер типа ВП: 1 – переходник;

2 – шарик; 3 – стопорный винт; 4 – электровоспламнитель;

5 – корпус; 6 – заряд пороха; 7 – кабельная головка;

8 – груз (корпус перфоратора ПК); 9 – электропровод

357

Рис. 10.3. Взрывной пакер

типа ВПШ:

1 – шток; 2 – манжета;

3 – упорная крышка;

4 – штифт; 5 – конус;

6 – ограничительное кольцо;

7 – плашка; 8 – стопорная гайка;

9 – отверстие гидравлического

тормоза; 10 – пространство для

тормозной жидкости;

11 – свободная полость;

12 – уплотнительное кольцо;

13 – внутренний корпус;

14 – обойма;

15 – оболочка заряда;

16 – заряд; 17 – пиропатрон;

18 – внутренний электроввод;

19 – стопорный винт;

20 – пробка; 21 – переходник;

22 – наружный электроввод;

23 – провод; 24 – корпус

перфоратора типа ПК;

25 – головка перфоратора типа ПК

Техническая характеристика взрывных пакеров КВ

Тип пакера КВП-118 КВП-135

Наружный диаметр, мм 118 135

Длина верхнего узла, мм 700 700

Длина нижнего узла, мм 700 740

Масса верхнего узла, кг 25,3 5,2

Масса нижнего узла, кг 19,7 29,8

Минимальный диаметр проходящего сечения пакера

после установки его в скважине, мм

82 100

Максимальное давление пласта,

подлежащего изоляции, МПа

19,6 19,6

358

Под действием давления пороховых газов верхнее и нижнее уп-

лотнения необратимо деформируются до прочного сцепления со стен-

ками обсадной трубы, изолируя её участки.

При установке пакера в скважине величина кольцевого зазора ме-

жду стенками обсадной колонны и пакера должна быть минимально до-

пустимой по условиям проходимости пакера в скважине. При зазорах,

превышающих определённую величину, невозможно достичь необхо-

димого растяжения стенок корпуса пакера без появления трещин. Для

обеспечения эффективной работы при допустимых зазорах в качестве

материала пакера применяют алюминиевые сплавы с большим удлине-

нием (не менее 12 %) при растяжении.

Контрольные вопросы

1. Раскройте сущность взрывных методов разделения и разрыва пластов.

2. Каким требованиям должны отвечать устройства для разделения

пластов?

3. Какова конструкция порохового генератора давления АСГ?

4. В чем состоит назначение взрывных пакеров? Для каких целей

они устанавливаются?

5. С учётом каких параметров осуществляется выбор взрывного пакера?

10.3. Работы по улучшению проницаемости пласта

Вскрытие пласта, повышение его отдачи и проницаемости, подго-

товка к гидроразрыву, а также повышение эффективности кислотной

обработки скважин проводятся торпедами с зарядами ВВ массой до

7 кг. Эти работы проводят в закрепленных трубами скважинах и твёр-

дых продуктивных пластах в условиях, когда по каким-либо причинам

осуществление перфорации невозможно. С помощью торпедирования

создается раздутие трубы с системой трещин в металле, цементе и по-

роде. В глубоких скважинах, пробуренных в прочных породах и с хо-

рошим качеством затрубного пространства, диаметр (d

) торпеды ТШ84

(рис. 10.4) и ТШТ (рис. 10.5) составляет (0.2...0,4) d

тр

; первые трещины в

трубе появляются при d

тр

= 0,2. С целью увеличения проницаемости

прискважинной зоны пласта проводят фугасное торпедирование по спе-

циальным проектам большими зарядами (с массой несколько сотен или

тысяч килограммов). Работы по торпедированию большими зарядами

наиболее эффективны в скважинах глубиной 1…2 км. На больших глу-

бинах эффективность торпедирования сильно падает.

В период строительства геолого-разведочных предприятий для

обеспечения людей и оборудования водой бурят артезианские скважи-

ны. Через определённый промежуток времени продуктивность пласта

может резко снижаться. Увеличение дебита воды можно достигнуть

торпедированием скважин (рис. 10.6).

359

Торпедирование скважин применяют также для разрушения об-

садных труб, бурового инструмента на забое, дробления оставшихся в

скважине металлических предметов, ликвидации прихвата бурового ин-

струмента и прилипания колонны труб к стенкам скважины.

Торпеда представляет собой заряд ВВ, предназначенный для

взрывания в скважине (рис. 10.7).

Существуют следующие виды торпед: шнуровые, фугасные, куму-

лятивные осевого действия, труборезы и другие. Шнуровые торпеды

ТДШ25 (рис. 10.8) и ТДШ50 (рис. 10.9) включают в себя заряды из ДШ,

головку, взрывной патрон, трос, на котором крепят заряд и груз.

Кумулятивная торпеда осевого действия ТКО70А состоит из ку-

мулятивного заряда с взрывателем, корпуса, переходника и груза. Масса

заряда составляет 1…2 кг. Торпеды типа ТШБ с большими зарядами

используют при обработке продуктивных пластов. Труборезы кумуля-

тивные герметичные с зарядами поперечно-плоского действия типа ТКГ

предназначены для перерезания труб.

Для выбора типа торпеды и массы заряда предварительно определяют

глубину скважины, уровень воды в ней, диаметр и длину колонны обсадных

труб, наличие в скважине обвалов, повреждений труб, температуру в сква-

жине, состояние буровой вышки, а также наличие построек и жилых зданий.

На основании материалов исследований составляют рабочий про-

ект (паспорт) производства взрывных работ, в котором проводят расчёт

заряда, выбирают конструкцию торпеды, меры предохранения колонн и

условия безопасного производства работ.

В качестве ВВ для снаряжения торпеды выбирают гранулированный

и прессованный тротил, алюмотол и водоустойчивые сорта аммонита.

Масса заряда (кг) при торпедировании скважин

0,785Qdl

, (10.1)

где d

– внутренний диаметр торпеды, дм; Δ – плотность заряжания, кг/дм

;

l – длина заряда, дм.

При торпедировании с целью образования каверны и зоны трещи-

нообразования рассчитывают диаметр получаемой каверны и радиус зо-

ны трещинообразования.

Диаметр каверны находят из выражения

кзпр

ДПd= , (10.2)

где d

– диаметр заряда, дм; П

пр

– показатель простреливаемости, дм

/кг.

Для обеспечения свободного спуска торпеды по скважине наруж-

ный диаметр торпеды должен быть на 25….35 мм меньше внутреннего

диаметра обсадных труб.

Радиус зоны трещинообразования

т.о

Qq= , (10.3)

где q – удельный расход ВВ, кг/м

360

Рис. 10.4. Торпеда ТШ84:

1 – груз; 2 – штифт; 3 – подвеска;

4 – взрыватель; 5 – пластмассовый диск;

6 – прокладка; 7 – электродетонатор;

8 – кольцевая шашка ВВ; 9 – заряд ВВ;

10 – корпус; 11 – дно

Рис. 10.5. Торпеды

типа ТШТ:

1 – груз; 2 – взрывной

патрон; 3 – корпус;

4 – заряд ВВ;

5 – наконечник