Разработка нового оборудования для технологии Plug&Perf – развитие и технические решения на основании накопленного опыта.

В настоящей статье рассмотрены технические решения для реализации технологии Plug&Perf в рамках работ по проведению многостадийного гидроразрыва пласта в горизонтальных участках скважин. Приведены сведения об оборудовании, применяемом для выполнения работ по технологии, варианты компоновок. Проведен анализ критически важных аспектов работоспособности оборудования, системная оценка надежности компоновки. Описаны результаты опытно-промышленного применения технологии и оборудования в скважинных условиях.

Ключевые слова: вторичное вскрытие пластов, скважинное оборудование, кумулятивные перфораторы, кумулятивный заряд, многостадийный гидроразрыв пласта, селективная перфорация.

Основной тенденцией «upstream» российской нефтяной индустрии последних лет является повышение рентабельности всех процессов, эффективная эксплуатация нетрадиционных и трудноизвлекаемых нефтяных запасов и обусловленность технического и технологического развития ростом мирового спроса на энергоносители.

В этой связи все большую актуальность приобретает многостадийный гидравлический разрыв пласта (МГРП). Технология МГРП включает традиционные методы гидроразрыва, проводимые в несколько стадий. Количество стадий стимуляции изменяется в зависимости от протяженности горизонтальной скважины внутри пласта. Этот метод потребовал внедрения нового усовершенствованного оборудования и технологий, подробнее описанного далее в настоящей работе.

Технологии и оборудование, применяемые в ходе МГРП

На сегодняшний день в нефтегазодобывающей промышленности существует два наиболее распространенных метода заканчивания скважины в горизонтальных участках в рамках технологии МГРП. Первый из них часто называется «система интенсификации добычи с установкой мостовой пробки в зоне перфорации», или Plug&Perf, который является наиболее часто используемым методом заканчивания в мировой нефтегазовой индустрии. Во второй тип систем заканчивания можно условно объединить все варианты компоновок с шаро-муфтовыми устройствами.

Выбор используемой технологии зависит от накопленного опыта компании, а также рентабельности каждого отдельного метода и технологии. В зависимости от того, какая из технологий является более выгодной для каждого конкретного участка с экономической, эксплуатационной и дебитовой точек зрения, и происходит выбор в пользу той или иной технологии.

Целью настоящей статьи не является детальное рассмотрение и сравнение всего спектра опробованных шаровых и муфтных технологий, тем более что мировой и российской нефтегазовой промышленностью на сегодняшний день накоплен значительный опыт их применения, и имеется большое количество аналитических материалов и публикаций на эту тему, например, таких как [1], [2]. Как показывает производственный опыт, самыми большими недостатками шаровых и муфтных технологий являются проблемы, связанные с надежностью их механической части. Любое механическое приспособление, тем более в скважинных условиях, может выйти из строя, а процедуры по минимизации последствий могут быть весьма дорогостоящими. Еще одним недостатком является ограниченное количество интервалов при использовании цементирования и невозможность их изменения по ходу работ.

Технология Plug&Perf

Технология Plug&Perf представляет собой многостадийную технологию заканчивания скважины и является одной из самых экономически выгодных и перспективных методик многостадийного заканчивания скважин горизонтального бурения. Основным преимуществом применения технологии Plug&Perf на кабеле с доставкой компоновки в горизонтальный участок потоком жидкости является то, что весь процесс многостадийного ГРП выполняется исключительно с применением геофизической партии и флота ГРП. Тем самым, отпадает необходимость в привлечении бригады капитального ремонта или флота ГНКТ для выполнения спускоподъемных операций (СПО). Также, неоспоримым преимуществом является возможность выполнить установку пакер-пробки и перфорацию необходимого количества интервалов за одну СПО.

В целях разобщения интервалов при выполнении многостадийного гидроразрыва специально разработаны пакер-пробки, которые позволяют надежно изолировать нижнюю, стимулированную, зону пласта:

• композитные разбуриваемые;
• с большим проходным отверстием и растворимыми шарами;
• полностью растворимые.

Применение в компоновках пакер-пробок с большим проходным сечением и растворимых шаров или растворимых пакеров-пробок, а также кумулятивных перфораторов, позволяет кратно сократить продолжительность работ на скважине и затраты при последующем освоении скважины.

Скважина с горизонтальным окончанием и многостадийным гидроразрывом пласта изображена на рис. 1.

Рис. 1. Скважина с заканчиванием многостадийным гидравлическим разрывом пласта.

Основной технологической задачей перфорации зоны ГРП, состоящей из одного интервала или нескольких интервалов (кластеров), является изоляция нижнего стимулированного интервала ГРП установкой пакер-пробки и точечное вскрытие следующего интервала ГРП методом перфорации заданных кластеров данного интервала с необходимой точностью позиционирования кумулятивных перфораторов за одну СПО.

Состав типовой компоновки для технологии Plug&Perf приведен на рис. 2

Рис. 2. Типовая компоновка системы для технологии Plug@Perf.

Корме скважинного оборудования, для проведения работ по технологии необходимо наличие следующего поверхностного оборудования:

• Станция ГИС;
• Лубрикатор;
• Автокран с большим вылетом стрелы;
• Автомобильный гидравлический подъемник;
• ППУ (в зимний период).

Сравнительная оценка надежности двух вариантов компоновок

Рассмотрим два варианта компоновок для работ по технологии Plug&Perf: это компоновка с довольно длительное время выпускающимися различными производителями электромеханическими (баллистическими) переключателями EB Switch (далее EBS) и современная интегрированная система с электронными адресными селективными электронными переключателями Select Fire Switch (далее SFS).

Система с EBS. В основе системы лежит электромеханический, так называемый «баллистический», переключатель (рис. 3), устанавливаемый в нижней части каждой секции перфоратора (за исключением первой). После инициирования электровоспламенителя силового заряда посадочного инструмента пакера-пробки и последующего за ними инициирования первой секции перфоратора происходит последовательное переключение переключателей из транзитного положения в положение подключения электродетонатора последующей секции за счёт ударной волны (или перепада гидростатического давления) от предыдущей сработавшей секции перфоратора. В этом варианте компоновка состоит из следующих основных элементов (сверху вниз):

• Головка кабельная;
• Локатор муфт;
• Секции перфоратора с EBS и электродетонаторами;
• Посадочный инструмент (камера) пакера-пробки с электровоспламенителями и силовыми зарядами.

Блок схема вышеупомянутой компоновки приведена на рис. 4.

Рис. 3. Электромеханический (баллистический) ключ типа EBS.

Рис. 4. Блок-схема компоновки с EBS.

Как можно увидеть из представленной на рис. 4 схемы, этот вариант компоновки является последовательнымвсе переключатели включены в цепь один за другим и любой разрыв цепи в любом месте приводит к потере возможности проводить дальнейшие работынеобходимо производить подъем компоновки на поверхность с последующим повторным спуском новой компоновки для завершения запланированных ПВР в интервале.

Система с SFS. Интегрированная система доставки баллистики BDS с электронными селективными адресными переключателями SFS (рис. 5) является современным передовым вариантом компоновки для операций Plug&Perf. Она состоит из следующих основных элементов:

• Головка кабельная;
• Устройство контроля нагрузки/натяжения на кабельной головке;
• Локатор муфт (с ГК);
• Адресное устройство разделения;
• Амортизатор;
• Секции перфоратора с ключами SFS и электродетонаторами;
• Посадочный инструмент пакера-пробки с электровоспламенителями и силовыми зарядами.

Схема компоновки приведена на рис. 6

Рис. 5. Электронный адресный селективный переключатель АСИ типа SFS.

Рис. 6. Блок-схема компоновки с SFS.

Ранее, в публикации [9] подробно описана оценка надёжности двух приведённых выше вариантов реализации компоновки Plug&Perf и проведен расчет надежности элементов компоновок на основе интервальной оценки показателей надежности [4], точечной оценки вероятности безотказной работы и нижней интервальной оценки безотказной работы для каждого из элементов системы.

Отказ, для нашего случая – это невозможность совершить запланированный объём работпосадку пробки и перфорацию запланированного N-го количества интервалов за одну СПО. В случае отказа для завершения запланированных работ потребуются подъем компоновки и дополнительные спуски.

Как видно из приведённой на рис. 4 блок-схемы первого варианта, эта схема является последовательной и, таким образом, при выходе из строя любого из элементов схема становится неработоспособной, что и ведёт к необходимости дополнительной СПО.

Схема второго варианта компоновки (рис. 6) является смешаннойпоследовательно-параллельной (применительно к оценке надежности). В этом случае картина выглядит несколько иначе – и в случае применения хотя бы одной дополнительной «резервной» секции перфоратора система становиться резервированной. То есть, даже в случае отказа одной из секций перфоратора, ее можно пропустить и инициировать следующую. Конечно же, при отказе посадочного инструмента не будет иметь смысла проводить перфорацию и потребуется подъем компоновки на поверхность с последующим повторным спуском. И, таким образом, надежность всей компоновки второго варианта будет в пределе ограничена надежностью посадочного инструмента, а надежность всей совокупности секций перфораторов будет практически неизменной (с учетом применения резервной секции).

В статье [9] проведена количественная оценка надёжностей каждого из элементов. Наибольший вклад в ненадежность каждого из элементов компоновок вносят изделия, содержащие взрывчатые вещества (ВВ)электровоспламенители, силовые заряды, электродетонаторы, детонирующие шнуры. Также, элементами с относительно низкой надежностью являются и подвижные электрические контакты в переключателях EBS [3]. Ненадежностью электронных компонентов и неподвижных электрических контактов можно пренебречь, исходя из их более высокого порядка малости по сравнению в вышеперечисленными.

График зависимости надежностей двух типов компоновок рис. 7 приведен ниже.

Рис. 7. График зависимости надежности двух типов компоновок от количества секций перфораторов

Из приведенных данных видно, что в случае применения резервирования в системе с SFS ее надежность не меняется с увеличением количества секций перфораторов. А в системе с EBS надежность падает и вероятность получения отказа при применении 5-и секций перфораторов составляет 16,9%, а в случае 10-и секций уже составляет 30,2%это то количество спусков, которое может закончиться отказом и потребует повторной СПО.

Таким образом, из приведенных выше расчетов видно, что система с электронными ключами SFS является с системной и технической точек зрения значительно более высоконадежной и передовой, чему имеется большое количество подтверждений, например, приведенных в следующих источниках [5], [6]. [7]. Как показывает приведенная в [8] сравнительная статистика применения двух типов ключей (Табл. 1) в селективных системах перфорации, в мировой нефтегазовой отрасли происходит неуклонный рост применения электронных селективных ключей, с соответствующим неуклонным падением применения EBS из-за их низкой надежности.

Более «свежие» данные по статистике применения электронных адресных ключей типа SFS в настоящее время отсутствуют в свободном доступе, однако, нет никаких сомнений, что их доля по сравнению с баллистическими ключами типа EBS неуклонно растет и недалеко то время, когда ключи EBS окончательно выйдут из употребления.

Компоновка селективной системы Plug&Perf с Адресной Системой Инициирования АСИ с электронными ключами

Ранее, в статье [9], была подробно описана компоновка с системой «BDS Guardian», опыт работ с нею на скважинах. Итоги работ на скважинах подтверждают высокую системную надежность подхода – совестного использования системы телеметрии и электронных селективных адресных ключей, обеспечивающих постоянную двунаправленную связь скважинной компоновки с панелью управления на поверхности.

Исходя из полученного позитивного опыта, с целью выполнения программы импортонезависимости, Компанией БВТ была разработана компоновка, включающая в себя высокотехнологичное отечественное оборудование, в составе которой:

Магнитный локатор муфт ЛМП-73это инструмент, предназначенный для обнаружения муфт обсадных труб в процессе перфорационных работ в обсаженных скважинах. Инструмент состоит из датчика локатора муфт обсадных труб, включающего в себя обмотку локатора муфт и два мощных кольцевых магнита. По мере опускания (или поднятия) инструмента в скважину магнитное поле, создаваемое кольцевыми магнитами, меняется, когда инструмент проходит мимо объектов, произведенных из материалов на основе железа большей/меньшей плотности (т. е. муфт обсадных труб). Такое изменение магнитных силовых линий индуцирует небольшое напряжение в обмотке локатора муфт, которое затем идентифицируется, усиливается и передается на поверхность для регистрации и корреляции глубины;

Рис. 8 Магнитный локатор муфт ЛМП-73.

Устройство разъединения УП-ПСК – прибор позволяет безопасно осуществить разъединение прихваченной компоновки, без аварийного отрыва геофизического кабеля по заделке кабельного наконечника. После безопасного отсоединения сверху прихваченной компоновки остается специальная ловильная шейка прибора, которая способствует осуществлению ловильных операций после отсоединения. Также, связка приборов остается герметично-изолированной, что предотвращает проникновение скважинной жидкости после отсоединения;

Рис.9 Устройство разъединения УП-ПСК.

Амортизатор удара АП-73-1. Амортизатор ударных нагрузок, предназначен для использования в прострелочно-взрывных работах и иных работах с использованием приборов телеметрии там, где требуется обеспечить защиту приборов от ударных нагрузок.

Рис.10 Амортизатор удара АП-73-1.

Электронный ключ АСИэто адресуемое устройство, которое может переключать напряжение с кабеля далее на другие питаемые отрицательной полярностью приборы вниз по компоновке или соединять различные детонаторы и/или запальные устройства с кабелем. Детонаторы используются для инициирования перфоратора или другого пиротехнического устройства. С панели управления можно управлять до 20 ключей АСИ в одной компоновке, в зависимости от характеристик кабеля. Управление и контроль над работой ключей АСИ осуществляются c поверхности при помощи панели управления. Ключ АСИ предоставляет необходимую защиту детонаторов переменного и постоянного тока от радио сигналов повышенного уровня в ВЧ-диапазоне и обеспечивает более легкое управление в ситуациях, когда использование радиомолчания каждый раз при сборке перфоратора или его возвращении на поверхность непрактично. Система целиком подверглась экспертизе, подтвердившей ее соответствие рекомендованной практике API RP67 на безопасность проведения прострелочно-взрывных работ. Электронный ключ системы АСИ имеет отламываемую перемычкув этой перемычке находится аппаратный шунт, соединяющий (закорачивающий) выходы детонатора. Наличие данной перемычки уменьшает возможность наведения напряжения в детонаторе в связи с паразитным кабельным напряжением или из-за токов ВЧ.

Наземное оборудование, предназначенное для управления процессом доставки компоновки с последующим инициированием посадочного инструмента для установки пакер-пробки и селективным инициированием перфораторов, представлено пультом управления АСИ (рис. 11).

Рис. 11. Пульт управления АСИ

Каждый пульт управления АСИ поставляется с предварительно установленным программным обеспечением, разработанным для управления и эксплуатации всем комплексом инструментов, включенных в компоновку.

Рис. 12. Интерфейс программного обеспечения пульта АСИ.

Программное обеспечение предназначено для управления скважинным оборудованием, которое, в свою очередь, осуществляет управление и передачу данных от компонентов системы АСИ, примененных в скважинной компоновке.

Результаты промышленного применения компоновки оборудования АСИ в операциях Plug&Perf

На сегодняшний день накоплен значительный положительный опыт проведения работ по технологии Plug&Perf компоновками с адресной системой инициирования АСИ – выполнен ряд прострелочно-взрывных работ на скважинах при спуске компоновок на кабеле. Так, в период с марта по май 2022 года были проведены работы на 4-х скважинах, успешно выполнены 66 стадий МГРП, отстреляно более 250-и адресных ключей АСИ. Фотографии с работ на скважинах представлены ниже.

Рис. 13. Оборудование, установленное в геофизическом подъемнике.

Рис. 14. Электродетонатор и адресный ключ АСИ, установленные в переходнике.

Рис. 15. Каркас перфоратора в сборе.

Рис. 16. Извлечение отстрелянной компоновки.

В рамках каждого СПО производились записи магнитного локатора муфт, прибора контроля нагрузки и натяжения, скорости движения компоновки, индикатора глубины, силы тока и напряжения. В ходе проведения селективного отстрела в ПО фиксировались плановые интервалы отстрела и фактические для подтверждения качества соответствия проведенных работ плановым показателям.

В ходе проведения промышленных работ на скважинах отсутствуют случаи отказа оборудования АСИ – не зафиксированы отказы средств инициирования, потери связи адресных ключей с пультом управления, отказы программного обеспечения.

Таким образом, заложенные в техническое задание на разработку концептуальные требования подтвердили свою обоснованность – полностью электронная система селективного адресного инициирования показала свою высокую надежность и имеет значительный задел для дальнейшего технического развития и совершенствования.

Заключение

Plug&Perf является одной из наиболее удобных систем заканчивания при МГРП, поскольку имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как:

• возможность по ходу работ изменять количество интервалов МГРП, количество кластеров на стадию, расположение интервалов установки пакеров-пробок и интервалов перфорации;
• при спуске компоновок на геофизическом кабеле отказаться от использования флота ГНКТ;
• при использовании пакеров-пробок с большим проходным диаметром и растворимым шаром или полностью растворимых пакеров-пробок отказаться от операции разбуривания после проведения всех стадий МГРП;
• проведение одновременных операций во время бурения площадки позволяет сократить время простоя оборудования и повысить общую эффективность Plug&Perf. Эффективность достигается за счет возможности проводить ПВР на кабеле на одной скважине и одновременно выполнять операцию по гидроразрыву пласта на соседней скважине. По завершении этих работ оборудование переходит из одной скважины в другую таким образом, чтобы оно не простаивало между этапами.

В ходе опытно-промышленных работ опробованы компоновки адресной системы инициирования АСИ собственной разработки для проведения селективной перфорации, которые показали свою эффективность, высокую надежность и передовой технический уровень.

Видится актуальным дальнейшее совершенствование состава компоновки оборудования: дополнение приборами контроля нагрузки-натяжения на кабельной головке, скважинным прибором подтверждения отстрела секций, создание магнитного локатора муфт с КГ, устойчивого к ударным нагрузкам.

Все вышеизложенное позволяет утверждать, что Plug&Perf на сегодняшний день и в перспективеактуальная технология для производственной практики по заканчиванию скважин для отечественных нефтегазовых компаний. Постоянное техническое совершенствование применяемого оборудованиязалог растущего повышения эффективности всего комплекса работ по освоению горизонтальных скважин с МГРП.

ЛИТЕРАТУРА

1. Файзуллин И.Г., Пичугин М.Н. «Технологические подходы к реализации многостадийных ГРП на низкопроницаемых коллекторах» // ООО «Газпромнефть НТЦ», 2017
2. Викулин Н. Презентация: Обзор технологий заканчивания для МГРП// Шлюмберже, 2016
3. Slade Paul G. Electrical Contacts Principles and Applications. Second Edition// CRC Press, 2014
4. РД 50-476-84 Методические указания. Надежность в технике. Интервальная оценка надежности технического объекта по результатам испытаний составных частей
5. Hernandes P. IPS-16-2. A Step Change in Multistage Perforating// 2016 International Perforating Symposium Galveston, 2016
6. Segura J. “JW” IPS-16-23 Lowering Total Cost of Operations Through Higher Perforating Efficiency while simultaneously enhancing safety// 2016 International Perforating Symposium Galveston, 2016
7. Albert L. New Perforating Switch Technology Advances Safety Reliability for Horizontal Completions// URTeC-Paper-2173272 Unconventional Resources Technology Conference (URTeC), 2015
8. Hunting Titan. Guns, Hardware & Instruments. 2019. https://www.huntingplc.com/~/media/Files/H/Hunting-PLC-V2/documents/hunting-titan-may-2019.pdf
9. Якуба А.Н., Харькин А.А., Лозовой А.А., Николайчик Э.Н., Рыляков В.А. Технология Plug&Perf: Оборудование, технические решения и опыт применения// НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2020. Вып. 5 (305). С 82-106

Скачать полную версию статьи в PDF