Выбор способа цементирования обсадной колонны

Среди известных способов цементирования выбираем простейший, наиболее технологичный и распространённый на данном месторождении способ прямого одноступенчатого цементирования, который предполагает доставку тампонажной смеси в затрубное пространство через башмак обсадной колонны.

Проверяем возможность одноступенчатого цементирования. Такая возможность определяется из условия гидроразрыва пород и минимально возможной плотности цементного раствора, то есть возможность регулирования плотности цементного раствора лежит в пределах:

При применении гельцементного раствора, интервал заколонного пространства от забоя до глубины на 150 метров выше кровли продуктивного горизонта (2900 - 2560 м) заполняется цементным раствором нормальной плотности, а интервал 2560 - 520 м заполняется гельцементным раствором. Практикой установлено, что достаточно удовлетворительные свойства цементного камня получатся при облегчении гельцементного раствора до плотности г^мин _гц = 1320 кг/м³.

Максимально возможная плотность гельцементного раствора, при которой ещё не произойдёт гидроразрыва пород, определяется по формуле:

(2.81)

где L - глубина скважины, м;

h_бр - расстояние от устья до уровня цементного раствора, м;

h_цр - высота столба чистого цементного раствора, м;

h_тс - высота столба тампонажной смеси, м;

g_ср - ...

В качестве продавочной жидкости используют буровой раствор, объём которого определяется по формуле:

, (2.101)

где d_i - внутренний диаметр i - ой секции обсадной колонны,м;

l_i - длинна i - ой секции обсадной колонны (без учёта высоты

цементного стакана нижней секции), м;

K' - коэффициент, учитывающий сжатие пузырьков воздуха в

продавочной жидкости и деформацию обсадной колонны

(К'= 1,03).

Тип и объём буферной жидкости.

В качестве буферной жидкости используем двухпроцентный водный раствор триполифосфата натрия (ТПФН). Удельный вес буферной жидкости составляет 1000 кг/м³.

Практикой установлено, что минимально необходимая высота столба буферной жидкости должна составлять ориентировочно 100 м на каждые 1000 м цементируемого интервала.

Минимальный объём буферной жидкости составляет:

V_бж^мин = р/4 Ч ((Д_с Ч К_к)² - Д²) Ч h_бж^мин, (2.102)

где Д_с - диаметр скважины, м;

Д - наружный диаметр обсадной колонны, м;

К_к - коэффициент кавернозности (К_к = 1,1 );

h^мин_бж - минимально необходимая высота столба буферной жидкости

в затрубном пространстве, м;

V_бж^мин = 3,14/4 ? ((0,2159 ?1,1)² - 0,146²) ??2900/10 = 8,9 м³

Во избежания выброса из - за снижения гидростатического давления, так как ?_бр > ?_бж, необходимо найти максимальное количество закачиваемой в скважину буферной жидкости из условия отсутствия выброса по формуле:

V_бж^макс = р/4((Д_с ? К_к)² - Д²) ? h_бж^макс , (2.103)

где Д_с - диаметр скважины, м;

Д - наружный диаметр обсадной колонны, м;

К_к - коэффициент кавернозности (К_к = 1,1);

h^макс_бж -максимальная высота столба буферной жидкости в затрубном

пространстве, м, определяется по формуле:

(2.104)

где L - глубина скважины, м;

Р_пл - пластовое давление, МПа;

• g_бр - плотность бурового раствора, кг/м³;
• g_бж - плотность буферной жидкости, кг/м³;

По формуле (2.103):

V_бж^макс = 3,14/4 ? ((0,2159 ? 1,1)² - 0,146²) ? 3187 = 215 м³

Номинальный объём буферной жидкости должен находится в пределах между минимальными и максимальными значением:

V_бж^макс >--V_бж-->--V_бж^мин, (2.105)

Ориентировочно номинальный объём буферной жидкости может быть найден из выражения

V_бж = 0,2 ? (V_сm+V_пж), (2.106)

где Vсm - объём тампонажной смеси, м3;

V_пж - объём продавочной жидкости, м³;

V_бж = 0,2 ? (89,34 + 41,02) = 26,1 м³.

Так условие (2.105) выполняется, то принимаем объём буферной жидкости V_бж = 26,1 м³ .

Тип и количество цементировочной техники.

Тип цементировочных агрегатов.

Цементировочный агрегат должен обеспечивать следующее давление:

Р_ца і Р_цг /0,8, (2.107)

где Р_ца - давление развиваемое цементировочным агрегатом, МПа;

Р_цг - максимальное давление на цементировочной головке, МПа;

Максимальное давление на цементировочной головке находится по следующей формуле:

Р_цг = Р_гц + Р_гд + Р_сm , (2.108)

где Р_гц - гидростатическое давление, возникающее из - за разностей

плотности жидкости внутри колонны и в затрубном пространстве,

МПа;

Р_гд - давление, необходимое для преодоления гидравлических

сопротивлений при движении жидкости внутри колонны и в

pатрубном пространстве, МПа;

Р_cm - дополнительное давление возникающее при посадке

продавочной пробки на “стоп” - кольцо (Р_cm = 2,5 МПа).

Разность давлений от составного столба жидкости за колонной Р_гс^зп и внутри колонны Р_гс^тр равна гидростатическому давлению ?Р_гс и находится по формуле:

DРгс = Ргсзп - Ргстр = 0,01Ч ( L - hбр - hcm ) Ч--(gтс--–--gбр), (2.109)

где L - глубина скважины (по вертикали), м;

h_бр - расстояние от устья скважины до уровня цементного раствора за

колонной (по вертикали), м;

h_сm - высота цементного стакана, м;

• g_mc - плотность тампонажной смеси, кг/м³;
• g_бр - плотность бурового раствора, кг/м³;
• ?Р_гс = 0,01? ( 2825 - 500 - 25 )--Ч (1830 - 1100) = 15,8 МПа

Гидродинамические сопротивления Р_гд определяются по формуле:

Р_гд = Р_гд^тр + Р_гд^зп, (2.110)

где Р_гд^тр - гидродинамические сопротивления при движении жидкости

внутри обсадной колонны, МПа;

Р_гд^зп - гидродинамические сопротивления при движении жидкости в

затрубном пространстве, МПа;

По формуле Дарси - Вейсбаха:

Р_гд^тр = 0,_1--Ч--l_mр--Ч--g_mp--Ч V_mp² / 2g ЧL / d, (2.111)

Р_гд^зп = 0,01 Ч--l_зп--Ч--g_зп--Ч--V_зп² / 2g Ч L / ((Д_сЧ к) - Д), (2.112)

где l_mр и--l_зп - соответственно коэффициенты гидравлических

сопротивлений в трубах и затрубном пространстве (l_mр= 0,02;

• l_зп = 0,035);
• g_зп--и--g_mp - соответственно плотности прикачиваемой жидкости внутри колонны и в затрубном пространстве (g_mp=--g_бр;--g_зп--=--g_ср), кг/м³;

V_mp и V_зп - соответственно скорости движения жидкости внутри труб

в затрубном пространстве (V_зп=1,5 м/с; V_mp = V_зп Ч--S_зп / S_тр), м/с;

S_зп и S_тр - соответственно площади затрубного пространства и

внутренней полости труб, м²;

d - внутренний диаметр обсадной колонны, м;

Д_с - диаметр скважины, м;

Д - наружный диаметр обсадной колонны, м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Р_гд^тр = 0,_1--Ч--_,_2--Ч11__--Ч--2,7²--/--2Ч9,8Ч--2900 / 0,1319 = 4,0 МПа

Р_гд^зп = 0,_1--Ч--_,_35--Ч147_--Ч--1,5²--/--2Ч9,8Ч2900 / ((0,2159Ч1,1) - 0,146) =

=1,14 МПа.

По формуле (2.110) получаем:

Р_гд = 4,0 + 1,14 =5,14 МПа

Определяем максимальное давление на цементировочной головке

по формуле (2.108):

Р_цг = 15,8 + 5,14 = 20,94 МПа.

По формуле (2.107):

Р_ца ?20,94 / 0,8 =26,7 МПа.

Такое давление обеспечит цементировочный агрегат типа АЦ - 32У, который имеет следующие технические характеристики:

Полезная мощность, кВт………………….....................108,0

Частота вращения вала двигателя, с^-1(об/мин)………..35(210)

Насос поршневой цементировочный……………….….НПЦ - 32

давление максимальное, МПа………………………32

подача максимальная, л/с...............................………23

Насос водяной……..……………………………………ЦНС - 38 - 154

давление максимальное, МПа……………………...15

подача максимальная, л/с.....……………………….10

Двигатель привода водяного насоса…………………..ГАЗ - 52 - А

Емкость мерного бака, м³………………………………6,4

Емкость бака для затворения цемента, м³…………….0,25

Габариты, мм…………………………10400х26500х3200

Масса, кг…………………………………………………15230

Количество цементировочных агрегатов.

Число цементировочных агрегатов должно обеспечить необходимую производительность закачки и продавки тампонажной смеси. В свою очередь необходимая производительность цементирования задаётся из двух условий: из условия создания требуемой скорости восходящего потока в затрубном пространстве и условий заданного времени цементирования.

Общепризнанно, что скорость восходящего потока является одним из главных факторов, определяющих качество цементирования, связанное со степенью вытеснения бурового раствора из затрубного пространства, а соответственно и степенью заполнения его тампонажной смесью. Экспериментально установлено, что степень замещения достаточно высока при малых скоростях восходящего потока (0,2 ? 0,3 м/с), с повышением скорости степень замещения вначале снижается, а затем увеличивается, достигая максимального значения при высоких скоростях (1,5 ?2,5 м/с). Поэтому единого мнения о требуемой величине скорости восходящего потока пока нет, однако руководящие документы рекомендуют при цементировании эксплуатационных колонн скорость восходящего потока равную 1,8 ? 2,0 м/с.

Чтобы обеспечить рекомендуемую скорость, суммарная производительность цементировочных агрегатов должна составлять:

еQ--=--S_зп--Ч--V_вn, (2.113)

где S_зп - площадь затрубного пространства, м²;

V_вn - скорость восходящего потока в затрубном пространстве, м/с.

еQ = 0,045 Ч--1,9 = 0,09 м³ /с

Требуемое число агрегатов определяется по формуле:

(2.114)

где еQ - суммарная производительность насосных агрегатов, м³/с;

g^IV - производительность одного агрегата на 4 скорости при диаметре

втулок, обеспечивающих необходимое давление, м³/с;

1 - резервный агрегат.

Принимаем число цементировочных агрегатов n_ца = 8. Исходя из условия заданного времени цементирования, найдем потребную суммарную производительность цементировочных агрегатов по формуле:

(2.115)

где V_mc - объем тампонажной смеси, м³;

V_пж - объем продавочной жидкости, м³;

Т^н_заг- время от затворения тампонажной смеси до начала её

загустевания (для цемента ПЦТ- I - 100 Т^н_заг = 6300 с), с;

Т_доп - дополнительное время необходимое для вывода смесительной

машины на рабочий режим и освобождение верхней продавочной

пробки (Т_доп = 900 с), с;

По формуле (2.114) получим:

Принимаем число цементировочных агрегатов n_ца = 4. Окончательное число цементировочных агрегатов принимается по наибольшему из полученных значений, то есть n_ца = 8.

Выбор смесительных машин.

Выбираем цементосмесительную машину типа УС6-30, которая имеет следующие характеристики:

Вместимость бункера по сухому цементу, т…………………….30

Транспортная грузоподъёмность, т…………………………………15ё20

По производительности смесительная машина УС6-30 может обеспечить работу двух цементировочных агрегатов, то есть:

(2.116)

где n_ца - число цементировочных агрегатов.

Принимаем число смесительных машин n_см = 4.

По количеству необходимого сухого порошка, затариваемого в смесительные машины, их количество находится по формуле:

n_см = еG/G₁, (2.118)

где еG - суммарное количество сухого порошка, необходимого для

проведения цементирования.

G₁ - грузоподъемность одной смесительной машины, т.

Принимаем n_см = 4. Таким образом, необходимое число смесительных машин составляет 4 машин.

Режим закачки и продавки тампонажной смеси.

Работу цементировочных агрегатов можно определить, построив график давлений на цементировочной головке.

Так как объем тампонажной смеси больше внутреннего объёма колонны, то на графике выделяются три характерные точки А, Б, В, значения которых определяется в координатах «давление - объём».

Точка А соответствует началу закачки тампонажной смеси (закачка буферной жидкости в данном случае не учитывается). Координата «давление» будет соответствовать гидродинамическим сопротивлениям, то есть Р^а_цг=Р_гд=6,29 МПа. Объём в этой точке равен нулю.

Точка Б означает, что обсадная колонна заполнена тампонажной смесью полностью, следовательно объём в этой точке равен объему внутреннего пространства обсадной колонны (V_ок = 40,6 м³). Давление в точке Б определяется по формуле:

, (2.119)

где Р_гд - гидродинамическое давление, МПа;

• DР_гс - гидростатическое давление, МПа;
• Dh - высота столба тампонажной смеси в обсадной колонне, (?h =
• 2825 м);?
• g_mc - плотность тампонажной смеси, кг/м³;

g_бр - плотность бурового раствора, кг/м³;

Р_цг^Б = 5,14 - [0,01 Ч--2825 (1830 - 1100)] = - 10,2 Мпа.

В точке В процесс закачки заканчивается. Объём для этой точки равен сумме объёмов тампонажной смеси и всей продавочной жидкости:

V_в = V_mc + V_пж = 89,34 + 41,02 = 132,36 м³

Давление для точки В соответствует максимальному давлению в конце продавки тампонажной смеси (без учёта давления для получения сигнала «стоп»):

Р_цг^В = Р_гд - ?Р_гс

где Р_гд - гидродинамическое давление, МПа;

?Р_гс - гидростатическое давление, МПа;

Р_цг^В = 5,14 + 15,8 = 20,94 МПа

График изменения давления на цементировочной головке в процессе цементирования показан на рис. 2.5.8.

Выбираем диаметр втулок равный 125 мм. В этом случае цементировочный агрегат типа АЦ - 32У развивает требуемые подачу и давление на различных скоростях, приведённые в таб. 5.1

Таблица 2.11 Подача и давление развиваемое цементировочным агрегатом

АЦ - 32У при диаметре втулок 125 мм.

Из графика, изображённого на рис. 5.2., видно, что на IV скорости можно закачать 85 м³ жидкости, а на III скорости можно закачать ещё 6 м³ жидкости, а на II скорости можно закачать 29 м³ жидкости. Но так как последние 2 % от общего объёма жидкости должны закачиваться одним агрегатом и на нижней передаче, то на II скорости закачиваем 39,68 м³, а оставшиеся 1,34 м³ жидкости закачиваем на I скорости одним агрегатом.

Определяем число агрегатов для закачки буферной жидкости по формуле:

(2.120)

где V_бж - объём буферной жидкости, м³;

V_мб - объём мерного бака агрегата, м³;

Принимаем число агрегатов для закачки буферной жидкости n_бж= 4.

Время закачки буферной жидкости определяется по формуле:

(2.121)

где V_бж - объём буферной жидкости, м³;

g^IV - производительность агрегатов на IV скорости, м³/с;

n^IV_бж - число цементировочных агрегатов, шт.

Время закачки тампонажной смеси определяется по формуле:

(2.122)

где Vmci - объём тампонажной смеси закачиваемой на i - й скорости агрегата, м3;

V_црⁱ - объём чистого цементного раствора, закачиваемого на i - й скорости агрегата, м³;

g ⁱ - соответственно производительность агрегата на i - й скорости, м³/с;

n_цаⁱ - соответственно число агрегатов используемых для закачки жидкости на различных скоростях.

Время закачки продавочной жидкости определяется по формуле:

(2.123)

где V_пжⁱ - объём продавочной жидкости, закачиваемой на i - й скорости агрегата, м³;

V_пж - объём продавочной жидкости, закачиваемой на i - й скорости агрегата, м³;

gⁱ - соответственно производительность агрегата на соответствующей скорости , м³/с ;

n_цаⁱ - число агрегатов используемых для закачки продавочной жидкости, шт.

Общее время на закачку продавочной жидкости и тампонажной жидкости составит:

Т₃ = Т_пж + Т_тс + Т_доп (2.124)

где Т_пж - время закачки продавочной жидкости, с;

Т_тс - время закачки тампонажной смеси, с;

Т_доп - дополнительное время вывода смесительной машины на

рабочий режим и освобождение верхней продавочной пробки

(Т_доп=900 с), с.

Т₃ = 1867 + 1900 + 900 = 4656 с = 1ч 17мин.

Для проверки правильности технологического режима цементирования должно выполнятся неравенство:

Результаты расчётов представлены в табл. 5.2.

Таблица 2.12 Режим работы цементировочных агрегатов.