Исследование механизма удаления повреждений в зоне уплотнения с использованием динамической перфорации с отрицательным давлением

Почему важно очищать крошечные туннели в породе

Современное общество сильно зависит от подземных энергетических систем — от добычи нефти и газа до геотермальной энергетики и потенциального хранения углерода. Все они опираются на тонкие искусственные каналы, соединяющие ствол скважины с глубокими пластами, чтобы обеспечить перенос жидкостей. На практике эти каналы часто засоряются и смыкаются сразу после создания, перекрывая приток и снижая эффективность дорогостоящих скважин. В этом исследовании рассматривается новая методика, называемая динамической перфорацией с отрицательным давлением (DNPP), которая использует кратковременный, но мощный «всасывающий» импульс для очистки повреждений, а также создаёт подробные модели, чтобы понять, как и когда она работает лучше всего.

Почему взрывная перфорация может блокировать канал

При перфорации используют формованные взрывчатые заряды, которые выбрасывают металлическую струю со скоростью нескольких километров в секунду в стальную колонну, цемент и породу. Эта струя быстро пробивает узкие тоннели в коллекторе, но одновременно дробит и уплотняет окружающую породу. В результате образуется слоистая структура: рыхлый обломочный материал в самом канале, плотная уплотнённая зона с существенно сниженной проницаемостью и нетронутая порода дальше. Уплотнённая зона ведёт себя как жёсткая, забитая «шкура», сопротивляющаяся потоку, поэтому, хотя перфорация достигает хорошей породы, скважина может работать хуже. Мелкие фрагменты и тонкий песок дополнительно закупоривают поры, осложняя последующие обработки — закачку воды, кислотную обработку или ГРП.

Короткий всасывающий импульс для очистки повреждений

DNPP решает эту проблему путём преднамеренного создания кратковременного разрежения (всасывания) в перфорированном интервале сразу после срабатывания заряда. Понижая уровень жидкости и тщательно подбирая объём газонаполненной камеры в перфорационном приборе, операторы добиваются резкого падения давления в стволе ниже пластового давления. Это вызывает прилив пластовых флюидов в новые тоннели, промывающий уплотнённые обломки. Авторы сначала разработали математическую модель, отслеживающую временную эволюцию давления в стволе и внутри перфоратора по мере расширения газа, вливания жидкости и реакции пласта. Их расчёты показывают, что пики отрицательного давления порядка 20–50 МПа могут возникать за всего 1–5 тысячных долей секунды, создавая сильное, но краткое событие очистки.

Заглянуть внутрь породы с помощью виртуальных экспериментов

Поскольку в лаборатории почти невозможно воспроизвести все глубинные условия, команда обратилась к трёхмерному компьютерному моделированию с использованием мультифизического ПО. Они построили модель, связывающую механическое поведение породы с течением жидкости в пористом теле, чтобы представить ствол, перфорационный туннель и зону уплотнения. Поведение породы описывается уравнениями, связывающими напряжение, пористость и проницаемость, а критерий разрушения указывает, когда уплотнённая порода достаточно ослаблена или разрушена и по сути «отпускает», считаясь очищенной. Симуляции проводились с реалистичными свойствами породы, напряжениями и историями давления, и тщательно проверялись на числовую устойчивость и сопоставлялись с опубликованными физическими экспериментами, показав хорошее согласие по объёму удаляемой повреждённой породы.

Что реально очищается — и что остаётся

Виртуальные эксперименты показывают, что очистка наиболее интенсивна в средней части перфорационного туннеля. В момент максимального отрицательного давления скорость потока в зоне уплотнения возрастает на два–три порядка величины по сравнению с исходным состоянием, с особенно интенсивным притоком на средней глубине. Большая часть падения давления происходит внутри повреждённой зоны, поэтому большая доля входящей жидкости поступает из её пор, что усиливает промывку там. В течение десятков — сотен миллисекунд уплотнённая порода в этом регионе постепенно разрушается и раскрывается. Ближе к стволу очистка ограничена и в основном удаляет наиболее уплотнённый материал. На дальнем кончике туннеля высокие окружные напряжения и меньшая проницаемость затрудняют удаление повреждений методом DNPP, оставляя эту область устойчивым узким местом.

Какие параметры имеют ключевое значение для проектирования

Чтобы перейти от понимания к прогнозу, авторы систематически варьировали девять факторов: форму и длительность импульса отрицательного давления, пластовые напряжения и свойства породы — такие как пористость, проницаемость, сцепление и угол внутреннего трения. Применив ортогональный план эксперимента и пошаговую регрессию, они установили, что реально доминируют только четыре параметра: пик динамического отрицательного давления, начальный статический недобаланс перед детонацией, сцепление породы (насколько прочно частицы держатся вместе) и угол внутреннего трения (насколько легко частицы скользят друг относительно друга). Более высокий пик и больший начальный недобаланс улучшают очистку, тогда как вышеe сцепление затрудняет её; больший угол внутреннего трения способствует очистке. На базе этих зависимостей они вывели простую линейную формулу, прогнозирующую эффективность очистки и объясняющую около 80% вариации, наблюдаемой в их симуляциях, с погрешностями предсказания всего в несколько процентов при сравнении с физическими модельными тестами.

Что это означает для скважин и других областей

В практическом плане работа показывает, что DNPP может существенно возобновить проницаемость перфорированных туннелей, особенно в их средней части, и что инженеры могут использовать компактную формулу для выбора конструкции перфораторов и рабочих давлений, максимизирующих очистку в данном типе породы. Хотя исследование сосредоточено на нефтяных и газовых скважинах в относительно хрупких, однородных породах, те же идеи — кратковременное разрежение, взаимосвязь механики породы и течения флюида и предсказание на основе данных — могут помочь оптимизировать очистку около ствола в областях, таких как хранение углерода, подземное энергохранилище и геотермальные системы. Для более сложных пород, например керновых или богатых глинами, авторы предлагают расширить модель с учётом набухания и других химических эффектов, но основной посыл ясен: при правильно скоординированном всасывающем импульсе и подходящих свойствах породы многое из скрытых повреждений вокруг перфорационных тоннелей можно обратить вспять.

Цитирование: Li, F., Li, Y., Zhang, Z. et al. Investigation into the mechanism of damage removal in the compaction zone using dynamic negative pressure perforation. Sci Rep 16, 7608 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38667-5

Ключевые слова: динамическое отрицательное давление, перфорация скважины, очистка зоны уплотнения, нефтегазовые скважины, проницаемость коллектора