ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ПЕРФОРАЦИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Одной из важнейших задач в строительстве эксплуатационной скважины является вызов притока пластового флюида из пласта-коллектора. Для этого необходимо обеспечить наличие устойчивой гидросвязи в системе скважина – пласт путем пробития геометрической системы каналов через обсадную колонну, цементное покрытие и продуктивный пласт.

Именно для этой цели предназначены перфорационные системы кумулятивных зарядов. Основное назначение кумулятивных перфораторов - пробитие отверстий в обсадной колонне и цементном кольце и создание перфорационных каналов в продуктивном пласте. Процесс создания этих отверстий и называется перфорацией.

Кумулятивная перфорация в сравнении с остальными методами перфорации является наиболее эффективной в сравнении комплекса трех факторов: результативность (позволяет за доли секунды пробить целую систему каналов), цена и время, затраченное на работу (на произведение кумулятивной перфорации уходят часы, в то время, как произведение перфорации другими известными способами занимают сутки, а с учетом того, что сутки работы скважины могут обходиться в сотни тысяч долларов, кумулятивный метод перфорации является наиболее экономически выгодным). Для перфорации используют кумулятивные заряды с взрывчатым веществом. Конструкция кумулятивного заряда и тип установленного в нем взрывчатого вещества зависят от физических характеристик пласта и определяют размеры пробиваемых зарядами каналов. От глубины пробития этих каналов зависят дебиты скважины.

Цель - составить общую характеристику взрывчатых веществ, используемых в современных перфорационных системах, а также выявить взрывчатое вещество с наиболее оптимальными параметрами для использования в различных температурных условиях. Данная работа была подготовлена при консультировании у специалиста компании Schlumberger.

Классификация взрывчатых веществ

Перфорирование предусматривает применение высокомощных взрывчатых веществ, обращение с которыми требует большой осторожности. Большинство взрывчатых веществ, применяемых при перфорировании, являются бризантными взрывчатыми веществами, то есть такими, для возбуждения детонации которых необходимо воздействие другого источника. Цепную реакцию, как правило, запускает капсюль-детонатор.

Взрывчатые вещества — это химические соединения или смеси веществ, способные в определённых условиях к крайне быстрому (взрывному) самораспространяющемуся химическому превращению с выделением тепла и образованием газообразных продуктов. Взрывчатые материалы характеризуются высокой скоростью детонации, от 7000 до 9000 м/с.

По форме работы взрыва взрывчатые вещества делятся на инициирующие (первичные) и бризантные (вторичные).

Инициирующие взрывчатые вещества обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям (воздействию огня, удару, горению, трению). Их основной особенностью является то, что горение их, вызванное поджогом, переходит во взрыв. Инициирующие взрывчатые вещества используются в детонаторах (например азид свинца Pb(N₃)₂. Для бризантных взрывчатых веществ требуется бóльшая энергия для инициирования; они используются в детонационных шнурах и в кумулятивных зарядах. Химическая реакция протекает в фронте ударной волны через взрывчатое вещество при сверхзвуковых скоростях (7000 м/с и более), что приводит к короткому импульсу давления до 28 000 МПа.

Кумулятивные заряды содержат корпус, некоторое количество бризантного взрывчатого вещества, и металлическую облицовку, которая вставлена в бризантное взрывчатое вещество (рис.1).

Усилитель детонации состоит из чистого бризантного вещества и играет роль надежного передатчика энергии детонации от детонационного шнура к кумулятивному заряду в то время, как к основной массе бризантного взрывчатого вещества добавляются флегматизаторы – вещества, снижающие чувствительность заряда к внешним физическим воздействиям для предотвращения случайной детонации.

Рисунок 1. Схема устройства кумулятивного заряда

Увеличив количество взрывчатого вещества внутри корпуса с кумулятивным зарядом можно увеличить глубину пробития. Однако недостаток этого способа состоит в том, что часть энергии, высвобождаемой за счет детонации, распространяется в направлениях, отличающихся от направления кумулятивной струи. В случае применения в нефтяных скважинах, это может привести к повреждению ствола скважины и соответствующего оборудования, что не желательно.

Рисунок 2. Названия взрывчатых веществ в различных системах

Для сравнения взрывчатых веществ, приведенных в таблице (рис.2), были выделены следующие характеристики: скорость детонации, теплота взрыва, температура вспышки и цена за килограмм (цены приведены по состоянию на 1980 год и отражают лишь относительную величину закупочной стоимости взрывчатых веществ) (рис.3). Как видно из таблицы, тротил сильно проигрывает своим современным аналогам по всем характеристикам, кроме температуры вспышки. Октоген, по сравнению с остальными взрывчатыми веществами обладает большей скоростью детонации и теплотой взрыва, что позволяет говорить о его исключительной мощности. Пикриламинодинитропиридин обладает наибольшей температурной устойчивостью, благодаря чему лучше сохраняет свою стабильность в условиях высоких пластовых температур. Также пикриламинодинитропиридин при невысоких мощностных показателях обладает самой высокой стоимостью производства, поэтому его использование является выгодным только в крайне высокотемпературных скважинах.

Рисунок 3. Основные характеристики взрывчатых веществ

Производительность взрывчатого вещества в кумулятивном заряде можно представить, как совокупность двух характеристик: скорости детонации и теплоты детонации (рис. 4).

Рисунок 4. Производительность взрывчатых веществ, используемых при перфорации

Температурная стабильность, а также время, в течение которого на перфоратор будет действовать пластовая температура играет определяющую роль в выборе взрывчатого вещества. Зависимость времени стабильности взрывчатки от температуры отражена на графике (рис.5). По истечении этого времени заряды могут произвольно сдетонировать или не сдетонировать вовсе.

Таким образом мы можем составить рейтинги производительности и температуры для взрывчатых веществ, на которые отражают приоритетность выбора того или иного взрывчатого вещества при различных условиях (рис.6).

Рисунок 5. График зависимости времени стабильности взрывчатого вещества от температуры для разных видов взрывчатых веществ (PYX –пикриламинодинитропиридин, HNS - гексанитростильбен, RDX – гексоген, HMX – октоген)

Рисунок 6. Рейтинги производительности (справа) и температурной стабильности (слева)

Выводы:

1) Температурная стабильность и время воздействия температуры на взрывчатые вещества являются первоочередными факторами при подборе взрывчатых веществ для кумулятивных зарядов, используемых при перфорации скважин.

2) Сегодня одним из самых эффективных и сбалансированных взрывчатых веществ по таким критериям как цена, температурная устойчивость и мощность является октоген (HMX). Взрывчатое вещество такого типа применяются на более чем 85% перфорационных работ в нефтегазовой сфере во всем мире, в том числе и на месторождениях Сахалино-Курильского региона (Пильтун-Астохском, Лунском, Киринском, Одопту, Чайво, Арктун-Дагинское).

3) Для скважин с высокими температурами (месторождение Тенгиз в Казахстане) (>150^оС) целесообразно использовать взрывчатые вещества с высокой температурной стабильностью (гексанитростильбен HNS и пикриламинодинитропиридин PYX). В силу того, что разница температурной стабильности между ними невелика, а ценовой диапазон значителен, гексанитростильбен HNS более предпочтителен для использования.