Расчёт цементирования скважин:

Цементирование нефтяных скважин является процессом смешивания суспензии цемента и воды и закачки ее в скважину по стальной эксплуатационной колонне до заданной точки в кольцевом пространстве скважины вокруг колонны или в необсаженном стволе скважины ниже обсадной колонны.

Двумя принципиальными функциями первичного процесса цементирования являются ограничение движения флюидов между пластами и для создания цементного кольца (сцепления) и удержания колонны.

Кроме того, помимо изоляции нефте-, газо- и водопроявляюших зон, цемент также помогает:

1. предохранять колонну от коррозии;

2. предотвращать выбросы путем быстрого образования уплотнения (изоляции);

3. предохранять колонну от ударных нагрузок при дальнейшем бурении на большую глубину;

4. изолировать зоны потерь циркуляции или зон поглощения

1. Определяем средний внутренний диаметр обсадной колонны

d_вн=0,146-20,008=0,130 м

где (D_к-2*d_ср) - внутренний диаметр секции обсадной колонны, м;

L - длина секции, м .

2. Определяем объем цементного раствора

V_цр = 0,785[(D_скв² – d_н²) НК_v + d_вн²h]

V_цр =0,785[(0,216² – 0,146²) 19001,15 + 0,130²15]=43,0 м³

где Н - высота подъема цементного раствора от "башмака», м;

d_вн – внутренний диаметр, м;

D_скв- наружный диаметр труб, м;

h - высота цементного стакана от «башмака» до кольца «стоп», м;

К_v- коэффициент, учитывающий увеличение объема ствола скважины за счет каверн, который определяется по каверно-грамме или на основании опыта цементирования скважин в данном районе. Обычно коэффициент равен 1,2 - 2,5.

3. Определяем количество сухого цемента для приготовления 1 м³ цементного раствора

=1410 кг/м³

где р_сц, р_в - плотности сухого цемента и воды, кг/м³. Для обычных тампонажных цементов плотность сухого цемента 3100 - 3200 кг'м³. Для облегченных цементов плотность может быть различна в зависимости от веса и количества облегчающей добавки.

m - водоцементное отношение, стандартное водоцементное отношение по ГОСТ 1581 - 91 равно 0,5 для обычных тампонажных цементов, для облегченных цементов m может быть различным: от 0.8 до 1,2.

4. Определяем плотность цементного раствора

p_ц.р = (1+m) q

p_ц.р =(1+0,5) 1410=2115 кг/м³

5. Определяем количество цемента и воды для приготовления цементного раствора

=43,01410=60630 кг

=0,5 60,63=30,32м³

6. Определяем количество сухого цемента с учетом потерь при затаривании

Q_цт = К₁ Q¹_цт = 1,0260630 = 61842 кг

где К₁- коэффициент, учитывающий потерн сухого цемента при затаривании цементосмесительных машин и при приготовлении цементного раствора. К₁ = 1,02-1,03.

7. Определяем количество цементно-смесительных машин

где М_ц.см.- вместимость бункера цементно-смесительной машины, для обычного тампонажного цемента М_ц.см = 20 т, для облегченного М_ц.см = 12,5 т.

8. Определяем количество продавочной жидкости

V_пр =

где L - глубина спуска обсадной колонны, м;

Δ - коэффициент, учитывающий сжатие продавочной жидкости за счет наличия в ней пузырьков воздуха ; Δ для глинистого раствора принимается равным 1,05; для воды 1,0.

9. Определяем наибольшее рабочее давление в конце цементирования

Р_р= Р₁+ Р₂+ Р₃+ Р₄ = 16,1+0,96+0,73+1,6 = 19,39 МПа

где P₁ - давление за счет разности плотностей цементного и глинистого растворов, МПа;

Р₂ - давление от гидравлических сопротивлений при движении продавочной жидкости в трубах. МПа;

Р₃ - давление от гидравлических сопротивлений при движении промывочной жидкости в затрубном пространстве. МПа;

Р₄ - гидравлических сопротивлений при движении цементного раствора в затрубном пространстве, МПа.

Показатели P₁, P₂, P₃, Р₄ определяются следующим образом:

а) определяем гидростатическое давление за счет разности цементного и глинистого растворов

б) определяем гидравлическое сопротивление при движении продавочной жидкости в трубах

определяем скорость движения продавочной жидкости в трубах

Здесь V_к.п. - скорость движения промывочной жидкости и цементного раствора в затрубном пространстве, м/с. Для качественного цементирования эта скорость должна быть 1.5 - 2,0 м/с для эксплуатационных колонн и 0.8 -1.0 - для промежуточных.

Определяется критерий Рейнольдса и коэффициент, характеризующий движение продавочной жидкости в трубах:

определяем критерий Рейнольдса и коэффициент, характеризующий движение продавочной жидкости в трубах

Если

где- λ_1тр - коэффициент, характеризующий характер движения жидкости в трубах, определяется в зависимости от критерия Рейнольдса

в) определяем гидравлическое сопротивление при движении промывочной жидкости в затрубном пространстве

определяем критерий Рейнольдса и коэффициент, характеризующий движение промывочной жидкости в затрубном пространстве

Если Re^*_к.п.р.1600, то

где - λ_2тр коэффициент, характеризующий движение промывочной жидкости в затрубном пространстве, определяется в зависимости от критерия Рейнольдса.

г) определяем гидравлическое сопротивление при движении цементного раствора в затрубном пространстве:

определяем критерий Рейнольдса и коэффициент, характеризующий движение цементного раствора в затрубном пространстве

Если Re^*_к.п.ц.1600, то

10. Определим максимальное давление при цементировании

P_max= P_р+ P_стоп=19,39 + 2 = 21,39 МПа

где Р_стоп- повышение давления при посадке пробки на кольцо «стоп» 1,5 – 2,0 МПа.

Из полученного P_max видно, что для проведения цементирования можно использовать ЦА-320 М, с диаметрами втулок =115 мм. Технические характеристики представлены в таблице 1

11. Определяем допустимое время цементирования

T_доп.=0,75·T_н.скв.=0,75·105=79 мин

где Т_в.схв - время начала схватывания цементного раствора.

12. Определяем время закачивания цементного раствора при гидравлических сопротивлениях в скважине в начальный период цементирования

P_гидр.= P₂+ P^'₃ = 0,96 + 1,86 = 2,82 МПа

где T₃ - время закачки цементного раствора;

Т _пр- время продавки цементного раствора.

Для определения времени закачивания цементного раствора необходимо знать гидравлическое сопротивление в скважине в начальный период цементирования.

13.Определяем гидравлическое сопротивление в затрубном пространстве при движении промывочной жидкости

где Р_1з- гидравлические сопротивления в затрубном пространстве при движении промывочной жидкости. МПа.

При условии Р_гидр > Р_а, где Р_а - давление, развиваемое цементировочным агрегатом на высшей скорости, закачивание цементного раствора следует начинать с более низкой скорости, давление на которой больше гидравлических сопротивлений. На этой скорости следует работать до тех пор, пока гидравлические сопротивления за счет закачивания цементного раствора в трубы не снизятся. Тогда появится возможность работы агрегата на более высокой скорости. Время перехода работы агрегата с более низкой на высшую скорости может быть определено по закачиваемому объему цементного раствора, который, в свою очередь, определяется следующим образом:

Р_гидр=1,8< Р_а^V=5,0 (таблица 1), то закачивание цементного раствора начинаем на пятой скорости. Р_а – давление, развиваемое цементировочным агрегатом на высшей скорости, закачивание цементного раствора следует начинать с более низкой скорости, давление на которой больше гидравлических сопротивлений. На этой скорости следует работать до тех пор, пока гидравлические сопротивления за счёт закачивания цементного раствора в трубы не снизится.