4.Специальная часть. Разработка технологии цементирования эксплуатационной колонны

Существуют следующие способы цементирования: башмач­ное цементирование через заливочные трубы, одноступенчатое, двухступенчатое и манжетное цементирование, цементирование хвостовиков и др.

Цементирование через заливочные трубы является наиболее простым и широко используется при разведочном бурении, когда требуется изолировать затрубное пространство от скважины только в призабойной части. Для этого в приподнятую над за­боем на 2—3 м обсадную колонну спускают бурильные трубы и промывают забой. Затем через бурильные трубы закачивают необходимое количество цементного раствора, обсадную колонну спускают на забой и оставляют в покое примерно на 1 сут. По окончании цементирования бурильные трубы приподнимают над цементным раствором, промывают водой и извлекают из сква­жины.

Одноступенчатое цементирование наиболее широко приме­няют в тех случаях, когда требуется герметизация затрубного пространства на большую высоту, вплоть до устья скважины.

О дноступенчатое цементирование производят следующим об­разом (рис. 4). На спущенную в скважину колонну обсад­ных труб навинчивают цементировочную головку. Скважину и затрубное пространство через цементировочную головку про­мывают свежей промывочной жидкостью до

Рис.4. Схема цементирования скважины с двумя пробками.

полного удаления шлама. Затем снимают цементировочную головку, в обсадные трубы спускают нижнюю пробку, снова устанавливают цемен­тировочную головку с верхней пробкой и закачивают расчетное количество цементного раствора (рис. 4,а).

После этого вывинчиванием стопорных винтов в цементиро­вочной головке освобождают верхнюю пробку и через тройник закачивают расчетное количество продавочной жидкости (воды или глинистого раствора). Цементный раствор, заключенный между двумя пробками, продавливается вниз (см. рис. 4,б).

Нижняя пробка, дойдя до упорного кольца в трубах, оста­навливается, а верхняя под напором продавочной жидкости продолжает опускаться. Вследствие развиваемого при этом вы­сокого давления резиновая диафрагма нижней пробки разрушается и цементный раствор вытесняется в затрубное простран­ство (рис. 4,в).

Окончание нагнетания цементного раствора в затрубное про­странство определяют по резкому повышению давления на ма­нометре насоса в момент схождения пробок. Часть цементного раствора ниже упорного кольца остается в обсадной колонне (рис. 4,г). На этом закапчивается процесс цементирования, и скважина при закрытых кранах па цементировочной головке оставляется в покое на срок, необходимый для твердения це­ментного раствора.

Цементирование можно проводить только с одной верхней пробкой. Как показывает практика, цементный раствор смеши­вается с промывочной жидкостью в незначительном интервале, к тому же эта раствора поднимается к устью скважины и на качество цементирования не влияет.

Двухступенчатое цементирование применяют в глубоких скважинах на нефть и газ. Его особенность заключается в том, что цементный раствор продавливается в затрубное пространство как через низ обсадной колонны, так и через отверстия в специ­альной заливочной муфте, которую устанавливают в колонне на определенной высоте от забоя.

П ри бурении скважин на воду иногда приходится цементиро­вать обсадную колонну, спущенную вместе с фильтром. В этом случае применяют манжетное цементирование. При этом виде цементирования между фильтром и обсадной колонной устанав­ливают специальное приспособление (рис.5).

Рисунок 5. Приспособление для манжетного цементирования

Оно представ­ляет собой обсадную трубу 2 с просверленными в шахматном порядке тремя-четырьмя отверстиями 3 диаметром 15—20 мм. Для предотвращения попадания цементного раствора в зону фильтра внутри трубы устанавливают прямой клапан 6, а во­круг отверстий — воронкообразную манжету 4 из кожи или бре­зента высотой 60—70 см с верхним диаметром, несколько пре­вышающим диаметр скважины. Кожу или брезент прикрепляют заклепками к шести—восьми стальным полосам толщиной 3— 4 мм и шириной 25—30 мм, которые нижними концами привари­вают к кольцу 5. Кольцо после одевания воронки крепят к трубе. Над манжетой может устанавливаться обратный клапан.

Манжетное цементирование проводят так же, как и цементи­рование с двумя пробками. После твердения цемента цементиро­вочные пробки и клапаны разбуривают.

Найдем объем цементного раствора, необходимого для соз­дания в затрубном пространстве цементного кольца и стакана внутри обсадной колонны:

V = 0,785*K*((D_с² – D_н²)*H₁ + D_В²*H₂Ррр); (33)

V = 0,785*1,2*(0,2953²-0,219²)* 130 +0,2051²*3)=6,33 м³;

где V – объем цементного раствора, м³; К — коэффициент, учитывающий увеличение объема це­ментного раствора за счет наличия трещин, каверн и разработки ствола скважины, К = 1,2; D_с=0,2953м – диаметр скважины (долота); D _н =0,219 м – наружный диаметр обсадных труб, м; H₁ – высота цемен­тируемого интервала-130м; D_В=0,2051м – внутренний диаметр обсадных труб; H₂ – высота столба жидкости (цементного раствора) внутри труб, равна 3 м.

Рассчитаем количество сухого цемента на 1 м³ раствора:

q=ᵞ_ц*ᵞ_в/ᵞ_в+m*ᵞ_ц,т (34)

q=3,05*1/1+0,5*3,05= 1,2 т,

где : ᵞ_ц=3,05..3,20 т/м³- удельный вес сухого цемента; принимаем ᵞ_ц=3,05

ᵞ_в=1,0 т/м³- удельный вес воды;

m В/Ц- водоцементное отношение количества воды к количеству сухого цемента по массе, m=0,4…0,6; принимают обычно m=0,5.

Рассчитаем общее количество сухого цемента для приготовления цементного раствора:

(35)

где q=1,2 т – количество сухого цемента на 1 м³ раствора; V - объем цементного раствора, необходимого для соз­дания в затрубном пространстве цементного кольца и стакана внутри обсадной колонны;β=1,1…1,15 – коэффициент, учитывающий потери цемента при приготовлении раствора.

Рассчитаем объем воды для приготовления цементного раствора:

V_в = = м³, (36)

где V_в – объем воды для приготовления цементного раствора, м³;

m – масса сухого цемента, кг, обычно принимают 0,5; ᵞ_в=1,0 т/м³- удельный вес воды.

Рассчитаем количество продавочной жидкости:

V_ж = *(Н+ )* (37)

м³,

где V_ж – объем продавочной жидкости, м³; D_В– внутренний диаметр обсадных труб; К₂ – коэффициент, учитывающий сжатие глинистого раствора, К₂ = 1,03-1,05 , принимаем К₂ = 1,03 ;

Н₂– высота цементного стакана; Н=176.4 м – глубина скважины;

К₁-коэффициент, учитывающий сжатие воздуха, для глинистых растворов К₁=1,05.

Необходимая суммарная производительность насосов при продавливании цементного раствора:

(38)

где D_с=2,953 дм – диаметр скважины (долота);

D _н =1,397 дм – наружный диаметр обсадных труб, м;

-необходимая суммарная производительность насосов при продавливании цементного раствора;

Максимальное давление насоса при закачивании цементного раствора в затрубное пространство:

Р_мах=Р₁+Р₂=17,7+2,7=20,4 кгс/см² (39)

Р₁-суммарные потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в обсадной колонне, затрубном пространстве и т.д.

Р₁=0,01*Н+16=0,01*175,4+16=17,7 кгс/см² (40)

где Н=175,4 м – глубина скважины.

P₂=0,1*[(H-H₁)*(γ_ж-γ_пр.ж.)+(Н₁-Н₂)( γ_ц.р.-γ_пр.ж)]; (41)

P₂=0,1*((175,4-130)(1,8-1,2)=2,724кгс/см²

где γ_ц.р- удельный вес цементного раствора, т/м³

γ_ц.р=q*(1+m)=1,2*(1+0,5)=1,8 т/м³ (42)

Н₂– высота цементного стакана; Н– глубина скважины;

H₁ – высота цемен­тируемого интервала, м; γ_ж- удельный вес жидкости;

γ_пр.ж=1,2, г/см³ –удельный вес промывочной жидкости.

Выбираем цементировочный агрегат и режим его бурения

Выбираем агрегат ЦА-320М.

Исходя из расчетом Р_max =20,4 кгс/см² , лучший режим это IV скорость и в соответствии с производительностью диаметр втулки d = 127 мм, следовательно P_max=58 кгс/см² и q_ца=14,5 л/с ([1] табл.6.2,стр.78)

Необходимое количество цементировочных агрегатов:

n_ца= ƩQ_Н/q_ца=63,6/14,5=4 шт, т.е четыре установки цементировочных агрегатов.