Оценка характеристик потока через перфорационный канал в моделируемых скважинных условиях

Василевская Е.М.

ООО «Экспотехвзрыв»

Задачей настоящей статьи является обеспечение измерения характеристик потока через перфорационный канал. Общие положения методики могут быть применены на образцах из обнажений или на кернах в условиях, имитирующих специфические условия в скважинах. Предусмотрен также ряд стандартных условий испытаний. Эти испытания рассматривают как специальные.

Мишень. Испытания проводят на цилиндрических кернах, к торцу которых приложена стальная пластина, имитирующая обсадку скважины. Гибкая оболочка обеспечивает передачу имитированного горного давления на образец, поровое давление передают к границам образца с помощью специального устройства. Поровое давление можно приложить к цилиндрической поверхности образца (радиальный поток), к непробитому торцу образца (осевой поток) или одновременно к обеим указанным поверхностям в условиях, моделирующих поровое давление in situ. Специфика геометрии образца — по выбору проводящей испытания фирмы, за исключением следующих пунктов:

Диаметр мишени должен быть не меньше 102 мм.
Входное отверстие расположено в центре торцевой поверхности; после выстрела конец перфорационного канала не должен отстоять от оси образца далее, чем на 1/4 диаметра образца.
После выстрела расстояние от конца перфорационного канала до непробитого торца образца должно быть не меньше диаметра образца.
При испытаниях в условиях осевой геометрии следует использовать только образцы с осью, параллельной плоскостям напластования.
Имитированное горное давление прикладывают равномерно ко всем частям образца, хотя осевое и радиальное давление могут быть, по желанию, различными.
Применяемая геометрия мишени должна быть испытана, чтобы гарантировать отсутствие проскальзывания флюида помимо перфорационного канала.

Испытательное оборудование. Оборудование включает сосуд высокого давления (ограничивающий сосуд высокого давления — confining pressure vessel), второй сосуд высокого давления, прикладывающий скважинное давление к перфоратору и сохраняющий это давление (имитация скважины), и систему трубопроводов для приложения порового давления к образцу. Схема оборудования показана в на рис.1. Особенности устройства — по выбору испытательной фирмы, за следующими исключениями:

Внутренний диаметр ограничивающего сосуда должен быть не меньше 152 мм или следует показать, что проникание и поток те же, что и в указанных условиях.
Сосуд, имитирующий скважину, должен быть оборудован аккумулятором давления или другим балластным устройством, емкостью не менее 3,785 л, с заранее установленным давлением, равным 0,5 предполагаемого скважинного давления. Устройство соединено со скважинным сосудом трубопроводом с внутренним диаметром не менее 1/4″.
Система для создания порового давления должна обеспечить необходимое давление как для первоначального обдавливания, так и для продавливания жидкости после прострела, не иметь пульсации давления на образце и быть оборудована на входе к образцу фильтром, устраняющим частицы диаметром более 3 мкм.
Преобразователи, манометры или другие средства измерения соответствующей точности обеспечивают измерение граничного давления, давления в скважине, порового давления, температуры флюида на входе и скорости протекания флюида через образец.
Температура применяемого флюида должна быть измерена при входе в образец.

Рис.1

Отбор и старение зарядов. При возможности заряды следует отобрать равномерно из минимальной промышленной партии в 1000 зарядов в случае применения ВМ типа RDX или PETN, или из партии в 300 зарядов для высокотемпературных ВМ, упакованной в стандартные контейнеры фирмы изготовителя /сервисной компании. Минимальный срок хранения до испытаний (старение) — 4 недели.

Конфигурации перфоратора. Однозарядный перфоратор (держатель заряда) изготавливают таким образом, чтобы размещение заряда, толщина и материал стенки корпуса (или заглушки) были такими же, как и в серийной продукции.

Калибровка системы. Все преобразователи и датчики следует калибровать по отношению к соответствующему относительному стандарту не реже, чем 1 раз в 6 месяцев. Данные последней калибровки приводят в документации испытаний. Перепад давления, обусловленный импендансом системы и турбулентностью, измеряют в функции от скорости потока с использованием высокопроницаемого эталонного образца как, например, обрамленного в пластик крупнозернистого (20/40 меш) песка. Это испытание выполняют, по меньшей мере, 1 раз в год как для арматуры испытаний по пробитию, так и для арматуры испытаний на проницаемость. Результаты последних испытаний приводят в документации.

Измерения проницаемости. Соответствующие измерения проницаемости следует выполнять на каждом образце перед перфорацией. Проницаемость измеряют по целому образцу как параллельно (К_Ѕ), так и перпендикулярно (К_^) напластованию. Значения К_Ѕ и К_^ используют для расчета ожидаемого потока в перфорационном канале.

Для образцов, ось которых перпендикулярна напластованию, используют осевой поток при измерении проницаемости в направлении перпендикулярном напластованию (рис.2), и перпендикулярный к диаметру поток при измерении проницаемости по напластованию. В образцах с осью параллельной напластованию — наоборот. В последнем случае пропускающие поток сегменты способа поперечного диаметра (рис.3) ориентированы так, чтобы поток был перпендикулярен напластованию. Детали методики — по усмотрению проводящей испытания фирмы, за следующими исключениями:

Керн должен быть в тех же условиях насыщения, что и при испытаниях на пробитие; в обоих испытаниях следует использовать те же флюиды и тот же диапазон скоростей потока.
Измерения следует выполнять при том же эффективном давлении, что и при проведении испытаний на пробитие.
Необходимо использовать условия контроля системы потока.

Методика испытаний. Подготовленный образец должен быть снабжен имитирующей обсадку торцевой пластиной, гибкой оболочкой, распределителем потока и смонтирован в сосуде высокого давления. Испытуемый снаряженный перфоратор подсоединяют к взрывной проводке и размещают в имитирующем скважину сосуде с соблюдением стандартных требований безопасности. Граничное, поровое и скважинное давления одновременно доводят до желаемого уровня и производят выстрел. При желании выровненное скважинное/поровое давление можно медленно снизить до атмосферного при одновременном снижении граничного давления с тем, чтобы поддержать постоянным эффективное давление (т.е. граничное давление минус поровое).

Поток через образец инициируют путем приложения порового давления к образцу с целью моделирования желаемого перепада давления. (Примечание: это значение будет зависеть от выбранной геометрии потока и эффективной проницаемости пробитого образца). При этом перепаде давления через образец прокачивают не менее 10 л флюида или прокачивают флюид до прекращения изменений в скорости потока, что требует большей затраты времени. Дополнительные испытания с потоком или продолжение испытаний при других давлениях — по усмотрению испытательной фирмы.

Регистрация данных. Для каждого испытанного образца регистрируют следующие данные:

Геометрия испытаний. Должен быть приложен схематический чертеж особенностей геометрии испытаний и граничных условий потока.
Источник образца, диаметр, длина, ориентация и условия насыщения жидкостью.
Проницаемость образца и методика ее измерения).
Условия испытаний как во время отстрела, так и при протекании флюида.
Геометрия перфорации.

Глубина пробития, свободная от осколков. Измеренное с помощью затупленного щупа расстояние от торца образца до первого осколка в канале перфорации.
Полное пробитие керна. Расстояние от торца образца до самой глубокой точки перфорационного канала, определенной путем испытания ослабления породы за следом перфорации.
Профиль перфорационного канала. Диаметр перфорационного канала должен быть определен по его длине через каждые 25 мм с погрешностью не более 2,5 мм. Его можно представить в виде таблицы, эскиза канала или фотографии с соответствующей масштабной шкалой.

Дифференциальное давление (исправленное на импеданс гидравлической системы по п. 4.6.2) и скорость потока с интервалом 1 л; дифференциальное давление и скорость потока, использованные при расчетах; максимальная скорость потока, дифференциальное давление и суммарный поток до снятия отсчетов, использованных при расчетах.
Температура и соответствующая вязкость флюида на входе.

Примечание: Поток, который может пройти через осколки в свободную от осколков часть перфорационного канала, следует исключить или вычесть из общего потока путем проведения и регистрации дополнительных измерений.

Обработка данных. Данные о потоке представляют путем сопоставления максимальной наблюденной скорости потока с ожидаемой по предварительным измерениям проницаемости скоростью потока. Гидродинамическую эффективность потока в керне (Core Flow Efficiency — CFE) определяют как отношение наблюденного и расчетного потока, нормализованное по мишени с радиусом 89 мм. Соответствующие средства следует использовать для расчета ожидаемого потока, исходя из измерений свободной от осколков глубины канала, среднего диаметра канала, начальной проницаемости и граничных условий приложенного давления.

Уравнения, используемые в расчетах при граничных условиях радиального потока. В этом случае CFE определено следующим образом:

где

r — средний радиус перфорационного канала, дюйм; R — радиус образца, дюйм;

Qс — расчетный поток, см³/с; Qm — измеренный поток, см³/с.

Для использования в моделях производительности скважин проницаемость окружающей перфорационный канал гипотетической зоны с пониженной проницаемостью можно оценить путем умножения используемой в модели проницаемости скелета на коэффициент уменьшения проницаемости PRF (Permeability Reduction Factor):

Величина радиуса поврежденной зоны r_с может быть выбрана, например, исходя из толщины этой зоны.

Стандартные условия испытаний. Нижеследующие дополнительные требования предусматривают сбор и сопоставление данных при обычных условиях. Собранные таким образом данные могут не представлять и не быть приводимыми к скважинным условиям. Вызванные перфорацией повреждения проницаемости могут быть отличны от повреждений в реальных породах-коллекторах при фактических скважинных давлениях. После перфорационная очистка канала может отличаться от стандартных результатов испытаний в зависимости от свойств реальных пород, примененного перепада давления (депрессии), динамического скважинного эффекта хранения, падения продуктивности, состава и вязкости флюида, плотности и фазировки перфораций и других факторов. Для получения лучших результатов в конкретных условиях вышеприведенные общие требования испытаний позволяют моделировать каждый из этих факторов.

Образцы пород. Образцы пород должны быть из песчаника Berea, должна иметь абсолютную проницаемость по солевому раствору (параллельно напластованию) между 100 и 400 мД. Диаметр образца (102 ± 6,35) мм для зарядов с массой ВМ, равной или большей 15 г и (318 ± 6,35) мм

для зарядов с большей массой ВМ. Испытания можно проводить с образцами, вырезанными параллельно или перпендикулярно напластованию.

Границы порового давления. Поровое давление должно быть приложено только к цилиндрической поверхности образца (рис.1).

Поровая жидкость. 3% (по весу) раствор NaCl.

Условия давления. Приложенные при выстреле перфоратора давления должны быть следующими:

Горное давление 31,0 МПа

Поровое давление 10,3 МПа

Скважинное давление 6,89 МПа

Эти параметры обеспечивают эффективное давление в породе в 20,7 МПа и перепад давления в 3,45 МПа. Испытания могут быть проведены при равенстве атмосферного и порового давлений, но эффективное давление следует поддерживать равным 20,7 МПа при одновременном снижении граничного давления.

Дифференциальное давление. Во время протекания флюида оно должно быть равным 0,345 МПа.

Пробитие. Лицевая пластина должна быть подобрана таким образом, чтобы перфоратор пробивал пластину из стали марки А-36 толщиной 9,52 мм или эквивалентную и 19 мм — слой цемента Hydrostone или эквивалентный.

Зазор. За исключением перфораторов с нулевой фазировкой, используемых с эксцентрирующими устройствами, все пулевые и кумулятивные перфораторы испытывают при зазоре 12,7 мм. Перфораторы с нулевой фазировкой и эксцентрирующими устройствами отстреливают при зазоре, равном принятому в скважине.

Рис.2

Рис.3

Значения проницаемости K₁ и K₂ регистрируют наряду со значениями проницаемости параллельно и перпендикулярно напластованию.