Добывать больше нефти и газа с помощью направленных взрывов позволит разработка студентки НГТУ НЭТИ

Уникальная форма и устройство кумулятивного заряда в скважине решают главные проблемы при добыче нефти и газа: малый приток полезных ископаемых, засорение перфорационных каналов и разрушение цементных стен скважины.

Один из распространенных инструментов добычи нефти — кумулятивные перфораторы. Это устройства, состоящие из средств взрывания и герметичных корпусов, внутри которых находятся кумулятивные заряды, расположенные с определенной частотой по длине всего перфоратора. Приток нефти и газа зависит от характеристик этих зарядов.

«По окончании бурения нефтяной или газовой скважины ее стенки закрепляют обсадными трубами и цементируют. Нефтегазоносные пласты (порода, пропитанная нефтью, газом и водой) перекрываются обсадными трубами и цементным кольцом. Приток в такую скважину невозможен, пока не будет условий для сообщения продуктивного пласта со скважиной. Чтобы обеспечить приток нефти и газа из пласта, в обсадной колонне и окружающем ее цементном кольце создают отверстия, обеспечивающие сообщение между пластом и скважиной: по этим каналам нефть и газ поступают в скважину. Как правило, на современном уровне развития технологий отверстия в колонне и цементном кольце создают с помощью кумулятивных зарядов. Этот процесс и есть кумулятивная перфорация», — объясняет разработчик новой конструкции кумулятивного заряда перфоратора, студентка 6 курса специалитета факультета летательных аппаратов НГТУ НЭТИ Екатерина Гриф.


Глобальные проблемы скважинной перфорации — малый приток полезных ископаемых, пескопроявление (засорение перфорационных каналов песком), разрушение цементных стенок скважины из-за излишнего фугасного действия. Эти проблемы решаются повышением глубины и диаметра перфорационных каналов, увеличением мощностных характеристик инструментов перфорации. Наиболее эффективным и универсальным сейчас признан кумулятивный способ перфорации.

«Основная решенная проблема — малый размер площадей сечений пробитых отверстий в трубе, цементном кольце и отверстий перфорационных каналов. Именно ее решение фигурирует как технический результат запатентованного нами изобретения», — отметила Екатерина Гриф. Взрывать более мощные заряды в скважине просто нельзя, так как это грозит ее полным разрушением. «Повышение мощности кумулятивного заряда не решение проблемы. Наоборот, заряды, имеющие высокое фугасное действие, вызывают разрушение обсадной трубы и цементного кольца, что в корне нежелательно. Именно поэтому в известных конструкциях перфорационных зарядов такое малое количество взрывчатого вещества: его цель — не создать мощный взрыв, а сообщить необходимую для эффективного струеобразования энергию металлу кумулятивной облицовки», — говорит Екатерина Гриф. В базовой технологии (кумулятивный заряд перфоратора только с конической формой облицовки) в конструкцию кумулятивного заряда перфоратора включаются облицовка с линзовым узлом, которые эффективно формируют комбинацию из кумулятивных струй, пробивающих отверстия, практически равные наружному диаметру кумулятивного заряда. Кумулятивная струя — это сформированный из металла кумулятивной облицовки высокоскоростной поток металла, который возникает после подрыва заряда и перемещается вдоль его оси.

В НГТУ НЭТИ кумулятивные заряды оборудовали комбинацией из конической и кольцевой V-образной облицованных металлом выемок: эта комбинация создаст две кумулятивные струи — центральную и кольцевую. Облицовка позволяет формировать отверстия оптимальной глубины, при этом диаметр отверстий соответствует практически диаметру самого заряда, тогда как штатные заряды позволяют формировать отверстия, в несколько раз меньшие по диаметру, чем сам заряд.

«Сейчас у штатных кумулятивных зарядов облицовка стандартного типа — только коническая. Они формируют одну металлическую струю, позволяющую, согласно открытым данным, пробивать отверстия диаметром не более одного дюйма. Наша облицовка позволяет сформировать отверстие (комбинацию отверстий) с большим диаметром: посередине идет стандартная тонкая кумулятивная струя, а вокруг нее — кольцевая», — комментирует Екатерина Гриф.

Через отверстия маленького диаметра приток полезных ископаемых в скважину слабый. Но если увеличить диаметр формируемых отверстий, то можно повысить приток нефти или газа в скважину. При работе с новой облицовкой кумулятивного заряда, согласно проведенным численным экспериментам, поперечное сечение пробитого отверстия увеличилось в 1,5 раза: при конической форме облицовки линейная величина поперечного сечения равна 1,8 см, при новой форме — 2,6 см. Площадь поперечного сечения пробитого отверстия увеличилась в 4,5 раза: при конической форме облицовки площадь равна 2,57 см², при новой форме — 11,78 см².

«Наша задача — реализовать концепцию формирования кумулятивных струй двух видов и при этом сохранить возможность использовать нашу конструкцию в составе штатных кумулятивных перфораторов, оснащенных штатными средствами взрывания. Чтобы кумулятивный заряд было возможно использовать в стандартных перфораторах, мы использовали базовый корпус с креплением под детонатор, но при этом внутри заряда установили специальную кумулятивную облицовку, чтобы заряд давал большие массоэнергетические характеристики формируемых кумулятивных элементов: сохранял глубину и увеличивал диаметр отверстия. Однако подобный эффект возможен лишь при определенном распространении детонационной волны внутри взрывчатого вещества, что было невозможно при его детонации от стандартного взрывного устройства, установленного на дне корпуса. Мы решили эту задачу, включив в конструкцию заряда специальный линзовый узел — устройство детонационной оптики, которое на выходе формирует в основном заряде взрывчатое вещество с детонационной волной требуемого профиля», — отмечает Екатерина Гриф.

Реализация проекта позволит повысить эффективность добычи стратегически важного сырья, а также, при альтернативном использовании предложенных решений, повысить поражающее действие средств и боеприпасов, предназначенных для поражения бронетехники, морских целей и др.

«У отверстий есть определенный срок службы: спустя какое-то время они забиваются. Если отверстие маленького диаметра, то логично, что оно забьется быстрее. Наша разработка позволяет делать отверстия большего диаметра, при этом благодаря дополнительным изменениям, вносимым в конструкцию облицовки, мы получаем каналы достаточно ровные и гладкие, соответственно, отверстия «зарастают» дольше. Отверстия можно прочищать. Это возможно и для кумулятивных зарядов, которыми оснащены кумулятивные перфораторы сейчас, но эффект будет коротким», — комментирует Екатерина Гриф.

Сейчас разработчики оптимизируют конструкции облицовки кумулятивного заряда и линзового узла.

 

Для СМИ

 

Юрий Лобанов, пресс-секретарь, +7-923-143-50-65, is@nstu.ru

Алина Рунц, специалист по связям с общественностью, +7-913-062-49-28, derevyagina@corp.nstu.ru

Руслан Курбанов, журналист, +7-913-772-30-78, kurbanov@corp.nstu.ru