Методика расчета цементирования обсадных колонн.

Расчет расхода материалов для цементирования обсадной колонны

Объем необходимого тампонажного раствора определяется исходя из объема цементируемого затрубного пространства и цементного стакана, оставляемого в обсадной колонне.

Расход материалов и химреагентов для приготовления тампонажного раствора определяется исходя из его рецептуры.

Расход тампонажного цемента (смеси) для приготовления 1 м3 цементного раствора заданной плотности и водоцементного (водотвердного) отношения определится как:

q =рцр/(1+m), кг/м3

Следует помнить, что тампонажные растворы «нормальной» плотности получают при m = 0,45 - 0,50, утяжеленные - при m = 0,30 - 0,45, облегченные - при m = 0,70 - 1,20.

Общая масса сухого тампонажного материала (смеси) – GТ, необходимого для приготовления заданного объема тампонажного раствора составит:

G_Т = k_Ц q V_ЦР×10^-3

где k_Ц - коэффициент, учитывающий потери цемента (смеси) при погрузочно - разгрузочных работах и при приготовлении тампонажного раствора (принимают равным 1,03 - 1,05).

Объем воды для затворения тампонажного материала:

V_В = k_В G_Т, м3,

где k_В - коэффициент, учитывающий потери жидкости затворения при приготовлении цементного раствора (принимают равным 1,05 - 1,10).

Количество химических реагентов для регулирования свойств цементного раствора и цементного камня задается в рецептуре обычно в процентном отношении к массе сухого цемента. Тогда общий расход (масса) химического реагента для приготовления всего объема тампонажного раствора составит: G_Р = n× G_Т, т,

где n - доля добавки (реагента) к массе цемента.

Объем продавочной жидкости составит:

V_ПР = k_СЖ 0,785 D²_В (Н – h_СТ), м3,

В этом выражении учитывается за D_В принимается средневзвешенный по длине внутренний диаметр обсадной колонны.

Гидравлический расчет цементирования обсадной колонны прямым одноступенчатым методом

Цель расчета - выбор цементировочной техники, режимов ее работы на отдельных этапах цементирования, определение продолжительности цементирования, проверка ствола скважины на гидроразрыв.

Тип цементировочных агрегатов выбирают по максимальному давлению, которое будет на устье в конце цементирования (продавка цементного раствора в затрубное пространство при прямом одноступенчатом методе): Р_MAX = Р_СТ + Р_ДИН

где Р_СТ - разница гидростатического давления в затрубном пространстве и в колонне обсадных труб при конечном положении уровня цементного раствора в затрубном пространстве;

Р_ДИН – суммарные гидравлические потери, возникающие в трубах и затрубном пространстве при закачке продавочной жидкости в конце цементирования.

Гидростатическая составляющая давления (с учетом буферной жидкости в затрубном пространстве) может быть рассчитана следующим образом:

Р_СТ = 10^-6g[(r_БЖ - r_ПР) h_БЖ + (r_Р - r_ПР)(h - h_БЖ) +

+ (r_ЦР - r_ПР)(Н - h - h_СТ)]

Если при цементировании колонны используются разные по плотности цементные растворы, то при расчете РСТ за ρцр необходимо брать плотность цементного раствора осредненную по длине интервала цементирования.

Гидродинамическое давление при цементировании обсадной колонны определяется потерями давления на преодоление гидравлических сопротивлений в трубах, кольцевом пространстве и в обвязке устья:

Р_ДИН = Р_ТР + Р_КП + Р_ОБ,

Величина потерь давления в обвязке устья скважины при цементировании (Р_ОБ) обычно составляет 0,5 - 1,0 МПа.

При турбулентном режиме течения жидкости потери давления в трубах и кольцевом пространстве составят:

Р_ТР = 0,826 l_Т r_ПР L Q² 10^-6 / D⁵_В , МПа

Р_КП = 0,826 l_КП r_ЦР L Q² 10^-6 /[(D_С – D_Н)³ (D_С – D_Н)²], МПа

Здесь за Q принимается суммарная производительность цементировочных агрегатов, участвующих в продавке цементного раствора:

Q_Σ = 0,785[(a×D_Д)² – D²_Н] w_КП, м3/с,

В практических расчетах потерь давления в трубах и кольцевом пространстве значения коэффициентов гидравлических сопротивлений (lтр и l_КП) можно принимать равными: - 0,025 для воды и бурового раствора и 0,035 для цементного раствора.

Для обеспечения высокого качества замещения бурового раствора цементным в условиях недостаточно хорошего центрирования обсадной колонны и при наличии больших каверн рекомендуется турбулентный режим течения цементного раствора в затрубном пространстве. При этом режиме скорость движения жидкости в кольцевом пространстве должна быть не ниже критической:

_____

w_КР = 25Ö t₀/r_ЦР, м/с,

t₀ - динамическое напряжение сдвига цементного раствора (10 - 40 Па);

По приведенной методике рассчитывается максимальное давление в конце цементирования и выбирается тип цементировочных агрегатов, а также режим их работы - диаметр втулок и номер передачи (скорости) для преодоления этого давления. Количество цементировочных агрегатов (ЦА) должно выбираться из условия обеспечения необходимой скорости подъема цементного раствора в кольцевом пространстве.

Количество ЦА, участвующих в продавке цементного раствора, определится из выражения: n_ЦА = Q_Σ /q_ЦА,

Производительность ЦА (q_ЦА) должна приниматься на режиме, при котором обеспечивается наиболее полное замещение бурового раствора цементным при движении по кольцевому пространству при необходимом давлении. Для выбора режима работы ЦА необходимо использовать их технические характеристики.

Количество цементосмесительных машин (ЦСМ) должно отвечать двум условиям:

- размещение расчетного количества тампонажного материала (цемента) в бункерах машин с учетом объема бункера (V_Б) и насыпной массы сухого цемента или тампонажной смеси (m_Н):

n_СМ = G_Т/(m_Н × V_Б)

- обеспечение необходимого режима работы ЦА при закачке цементного раствора в колонну (без использования осреднительной емкости):

n_СМ = n_ЦА×¢q_ЦА¢/q_СМ,

где: n_ЦА¢ - число ЦА, участвующих в закачке цементного раствора в скважину; q_ЦА¢ - производительность ЦА на режиме закачки цементного раствора.

При закачке цементного раствора в обсадную колонну обычно используют повышенные скорости (передачи) работы ЦА (4 или 5), т.к. при этом процессе преодолеваются только гидравлические сопротивления, а гидростатическая составляющая отсутствует или имеет обратный знак. Производительность ЦСМ (q_СМ), зависит от плотности приготавливаемого цементного раствора.

Если объем тампонажного раствора больше объема обсадной колонны (V_ЦР > V_ПР), то еще в период его закачки он должен будет выходить в затрубное пространство со скоростью, обеспечивающей выбранный режим (скорость) его движения. Тогда число ЦСМ должно соответствовать обоим условиям.

В том случае, когда объем цементного раствора меньше объема колонны (V_ЦР < V_ПР), количество ЦСМ можно выбирать только из условия размещения тампонажного материала в бункерах машин (V_Б).

Исходя из практического опыта цементирования обсадных колонн, число цементосмесительных машин не должно превышать четырех, т.к. управлять пятью и более точками затворения трудно. Если по расчету получается n_СМ > 4, то принимают что остальные ЦСМ подключаются в процессе затворения после отработки первой смены из четырех ЦСМ. Окончательное количество цементировочных агрегатов выбирают из условия рациональной обвязки цементировочной техники при приготовлении и закачке цементного раствора (n_ЦА¢/n_СМ= 1:1; 2:1 или 1:2) и необходимости преодоления максимального давления в конце цементирования. Для выдвижения верхней разделительной пробки из цементировочной головки и плавной посадки ее на “стоп” кольцо или обратный клапан обычно в схеме обвязки предусматривают дополнительный ЦА. Длительность процесса цементирования складывается из времени закачки цементного раствора в колонну (Т_З), продавки его в затрубное пространство (Т_ПР) и времени на выполнение технологически необходимых операций -установка или освобождение продавочных пробок, промывка нагнетательных линий обвязки от цементного раствора и др. (Т_ТНО): Т_Ц = Т_З + Т_ПР + Т_ТНО

Если при закачке всего объема цементного раствора используется одна скорость (передача) работы ЦА и не используется осреднительная емкость, то суммарная производительность ЦА и СМН должны быть равны, а время приготовления и закачки цементного раствора определится так:

Т_З = V_ЦР×10³/ (n_ЦА×¢q_ЦА×¢60), мин,

где: n_ЦА¢ - число ЦА, участвующих в процессе закачки цементного раствора;

q_ЦА¢ - производительность ЦА на той скорости, которая используется при закачке цементного раствора.

Если при закачке цементного раствора в обсадную колонну происходит переключение скоростей, то общее время закачки определится как сумма времени работы агрегатов на каждой скорости: Т_З = å t_i, мин,

где t_i - время работы ЦА при закачке цементного раствора на i - товой скорости (номере передачи).

Продавку цементного раствора в затрубное пространство обычно начинают на той же скорости, на которой заканчивают процесс закачки его в колонну.

Глубину уровня продавочной жидкости, на которую ее можно закачать при работе уровней жидкостей агрегатов на i - товой скорости можно определить из выражения:

F_КП L 10⁶ F_КП (Р_ЦАi – P_ДИНi) L F_ТР – V_ЦР

h₁_i = -------------- + ----------------------------- + ---------------, м

F_ТР + F_КП g(F_ТР + F_КП )(ρ_ЦР – ρ_Р) F_ТР + F_КП

где: Р_ЦАi - давление, развиваемое цементировочными агрегатами на i - товой скорости, МПа,

P_ДИНi - давление на преодоление гидравлических сопротивлений в трубах и кольцевом пространстве при работе всех ЦА, участвующих в процессе продавки, на i -товой скорсти, МПа;

Объем продавочной жидкости, закаченной на i - товой скорости составит:

V_ПРi = 0,785 D²_В h₁_i, м3

Время работы ЦА на i - товой скорости при продавке цементного раствора:

t_ПРi = V_ПРi×10³/ (n_ЦА× q_ЦАi ×60), мин,

Последние 1 – 2 м3 продавочной жидкости (Vстоп) закачиваются одним ЦА на пониженной скорости (1-2) для плавной посадки верхней разделительной пробки на “стоп” кольцо или обратный клапан.

Время на посадку пробки: t_СТОП = V_СТОП×10³/(q_ЦА _MIN ×60), мин,

где: q_ЦА _MIN - производительность цементировочного агрегата при посадке верхней разделительной пробки, л/с.

Общее время продавки цементного раствора в затрубное пространство составит: Т_ПР = å t_ПРi + t_СТОП, мин

Общее время цементирования должно отвечать условию:

Т_Ц = Т_З + Т_ПР+ Т_ТНО £ 0,75 Т_НЗ

В том случае, если расчетное время цементирования превышает 75% от начала загустевания цементного раствора, то необходимо или изменять технологию цементирования колонны (режимы закачки и продавки растворов) или вносить коррективы в рецептуру тампонажного материала, например путем ввода замедлителей сроков загустевания и схватывания.

В расчетах цементирования необходимо также проверить ствол скважины на гидроразрыв. Проверке должен подлежать наиболее слабый к гидроразрыву пласт, имеющийся в открытом стволе (при глубине его кровли Н_ПЛ).

Наибольшее давление на стенки скважины возникает в период окончания подъема цементного раствора в затрубном пространстве на заданную высоту: Р_С =10^-6g[ρ_Р h + ρ_ЦР(Н_ПЛ - h)] + Р_КП¢,

где: Р_КП¢ - потери давления на преодоление гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве выше рассматриваемого пласта, МПа.

Это давление не должно превышать допустимого: Р_С £ Р_ГРП/ k_Б,

Коэффициент безопасности на гидроразрыв (k_Б) принимается равным 1,2 - 1,5 в зависимости от степени изученности района работ.

Если это условие для наиболее слабого пласта не выполняется, то необходимо пересмотреть технологию цементирования (способ цементирования, режимы закачки), или рассмотреть возможность применения облегченных тампонажных растворов. В этих же условиях могут быть предусмотрены меры по укреплению стенок скважины в ходе подготовки ствола к спуску и цементированию обсадной колонны (кольматация, хим. обработка, механические и др. средства).

Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 974; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8910 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!