Методика расчета одноступенчатого цементирования

Расчет сплошного одноступенчатого цементирования обсадной колонны состоит из следующих этапов:

 определение объемов тампонажного раствора, продавочной и буферной жидкости;

 определение количества материалов (сухого тампонажного цемента или смеси цемента с наполнителями, воды и реагентов для затворения тампонажного цемента), необходимых для их приготовления;

 выбор типа цемента и рецептуры тампонажного раствора;

 установления допустимого времени цементирования скважины, необходимого числа агрегатов и цементосмесительных машин, а также возможного давления в конце процесса цементирования.

Объем тампонажного раствора, необходимый для цементирования заданного интервала скважины,

,

где k_р   1,0 – коэффициент резерва (кавернозности) на высоте подъема цементного раствора, вводимый для компенсации влияния факторов, которые не поддаются учету (определяют статистическим путем по данным цементирования предыдущих скважин); d_c и d_н – соответственно средний диаметр скважины и наружный диаметр колонны в пределах нижнего участка, м; d_о – внутренний диаметр колонны близ башмака, м; l_ц – длина участка цементирования, м; h_ц.с – высота цементного стакана, оставляемого в колонне, м, при расчете V_ц.р для верхнего участка принимают h_ц.с = 0.

Объем тампонажного раствора можно также определить из уравнения

,

где V – объем ствола скважины в интервале цементирования, определяемый на основании данных профилеметрии; V_к – объем обсадной колонны по внутреннему диаметру в интервале установки цементного стакана; V_ц.с – объем цементного стакана.

Если скважина направленная (искривленная), то соотношение между длинами и высотами участков целесообразно рассчитывать по профилю скважины либо пользоваться отношением длины скважины по оси к глубине:

.

Тогда

.

Масса тампонажного цемента, необходимого для приготовления тампонажного раствора,

,

где k_ц – коэффициент, учитывающий потери цемента при погрузо-разгрузочных работах и приготовлении раствора, k_ц = 1,03-1,05; m_т – масса цемента в 1 м³ раствора плотностью ρ_ц.р,

;

m_в/m_ц – относительное водосодержание раствора, т.е. отношение массы воды к массе сухого цементного порошка в 1 м³ раствора (эти величины обычно определяют в лаборатории при разработке рецептуры цементного раствора для данной конкретной скважины).

Приблизительно плотность тампонажного раствора можно рассчитать по формуле

,

где ρ_ц и ρ_в – плотность соответственно сухого цементного порошка и воды, ρ_ц.р должна превышать плотность бурового раствора ρ_б.р не менее чем на 200-250 кг/м³.

Плотность тампонажных цементов (ГОСТ 1581-85) колеблется в пределах 2800-3700 кг/м³.

В случае, если тампонажный раствор готовят из смеси цемента с твердыми порошками-наполнителями (мел, бентонит, глина, утяжелители), плотность сухой смеси можно вычислить по формуле

,

где m₀ – отношение массы наполнителя к массе цементного порошка в 1 м³ раствора, предусмотренного рецептурой; ρ_д – плотность наполнителя.

Масса собственно цемента для приготовления раствора

,

наполнителя

M_д = M_т – M_ц,

где M_т – суммарное количество твердой фазы (содержание твердой фазы в 1 м³ цементного раствора).

Объем воды для приготовления тампонажного раствора

.

Масса химических реагентов, необходимая для регулирования свойств цементного раствора, рассчитывается в зависимости от рецептуры, предварительно разработанной в промысловой лаборатории, и общего объема.

Сухой тампонажный материал до начала цементирования загружают в бункеры смесительных машин, необходимое число которых

,

где ρ_н – насыпная плотность цемента; V_см – объем бункера смесительной машины.

Режимы работы цементно-смесительного оборудования приведены в табл.1.

Так как рецептура тампонажного раствора задана, производительность одной смесительной машины при приготовлении раствора составит

,

где q_см – массовая скорость подачи тампонажного цемента в гидросмеситель, м³/с.

Требуемая для этого подача воды с химическими реагентами в гидросмеситель

.

Скорость струй на выходе из штуцера гидросмесителя должна быть не меньше 50 м/с.

Суммарная подача насосов, закачивающих тампонажный раствор в скважину,

,

где ω_к = 0,1-0,4 м/с – скорость восходящего потока в кольцевом пространстве, ω_к < ω_пред; ω_пред – предельная скорость, при которой сумма статического и гидродинамического давления на слабый пласт равна давлению поглощения последнего.

Объем продавочной жидкости для транспортирования цементного раствора в затрубное пространство

,

где k_сж – коэффициент запаса продавочной жидкости, учитывающий ее сжимаемость, k_сж = 1,02-1,05; – средний внутренний диаметр колонны, м; L_с – длина скважины по ее оси, м.

Таблица 1