книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

личество ЦА и СМН для составления предварительных планов работ после окончания бурения.

На основании данных о скважине подбирают рецептуру тампонажного раствора, его количество (объем) и режим на­ гнетания и продавливания в затрубное пространство.

Объем тампонажного раствора (в м3) подсчитывают по фор­ муле

r«.p=J[№e2* -rf, )*+4 2A|].

где Dc —средний диаметр скважины в интервале цементи­ рования, м; d, dj — соответственно наружный и внутренний диаметры обсадной колонны, м; К — коэффициент кавернозности; h — высота подъема тампонажного раствора с учетом объема части цементного стакана в скважине, м; к, — высота цементного стакана, оставляемого в обсадной колонне, м,

Количество сухого тампонажного материала (в т), необхо­ димое для приготовления тампонажного раствора:

^ т.м km Mg Vm р,

где ктм — коэффициент, учитывающий потери тампо­ нажного материала при погрузочно-разгрузочных работах

(кт.м= 1.03 + 1,05);

Vmp —объем тампонажного раствора, м3; g —масса сухого тампонажного материала, необходимого для приготовления. 1 м3 раствора заданной плотности, т;

8 = Рт.мРж.з /(Рж.з "*■ тРт.м)’

где ртм — плотность сухого тампонажного материала, г/см3, Рж.з — плотность жидкости затворения, г/см3; т —водосмесе- вое отношение.

Объем жидкости затворения (в м3), необходимый для при­ готовления заданного объема тампонажного раствора:

^ж.з ~ fiiGтм Ккт.мкжЗрж3),

где кжз — коэффициент, учитывающий потери жидкости при затворении (кжз = 1,03 — 1,05).

Число и тип цементировочных агрегатов, необходимых для цементирования, определяют исходя из ряда условий,

361

раствора и продавочной жидкости, л; Q4 а — суммарная подача насосов цементировочных агрегатов, л/с; дца —подача цементиро­ вочного насоса одного агрегата при заданном давлении, л /с; па — необходимое число цементировочных агрегатов; 10мин. —время на освобождение цементировочной пробки; Тдоп — время, отве­ денное на цементирование, мин. (Тдо„ <Тсхв +(5+ 10)1); Тсхв — время схватывания тампонажного раствора, мин.; L — глубина сква­ жины, км (до 2 км запас времени, указанный в скобках, при­ нимается равным 5 мин., при большей глубине он принимает­ ся равным 8—10 мин. на каждый километр).

2. Суммарная подача насосов цементировочных агрегатов (в л/с) должна быть такой, чтобы тампонажный раствор дви­ гался в затрубном пространстве с заданной скоростью, обес­ печивающей возможно более полное вытеснение промывоч­ ной жидкости:

Q ^ = 0 ^ (D c2- d 2)oJn

где нг|1 —заданная (максимально допустимая) скорость дви­ жения тампонажного раствора в затрубном пространстве, м/с; Д , d — соответственно фактический средний диаметр сква­ жины и наружный диаметр обсадной колонны, см.

3. Цементировочные агрегаты должны иметь суммарную мощность, обеспечивающую при заданном темпе нагнетания создание необходимого давления, позволяющего поднять там­ понажный раствор на заданную высоту.

Для практических расчетов суммарную гидравлическую мощность агрегатов (в кВт) целесообразно определять по фор­ муле

(5.158)

где рца — заданное давление в напорной линии цементиро­ вочного агрегата (Па), Dc, d —соответственно диаметр скважи­ ны и колонны, м.

Необходимое число цементировочных агрегатов и цементно­ смесительных машин можно определить по приведенным выше зависимостям и техническим данным этого оборудования. При­ чем наиболее важными условиями являются проведение цемен­ тирования за отводимое на эту операцию время и обеспечение поднятия тампонажного раствора на заданную высоту.

Таким образом, число цементировочных агрегатов, необхо­ димых для цементирования, можно определить по формуле

362

Приведенный выше расчет единиц цементировочной тех­ ники, необходимой для проведения цементирования, являет­ ся ориентировочным. Методически более правильно учиты­ вать ряд тонкостей. Например, поскольку установки насосные (цементировочные агрегаты) оснащаются плунжерными либо поршневыми парами определенного размера и, как правило, в процессе эксплуатации, а тем более цементирования, не заме­ няются, то при определении числа агрегатов надо учитывать, что для реализации процесса цементирования потребуется не­ сколько иное число агрегатов, чем определенное по вышепри­ веденной формуле.

В самом деле, при фактической гидравлической мощности установки ~ 94 кВт и в случае, когда NHa = 550 кВт, для цемен­

цессе цементирования участвует несколько агрегатов с макси­ мальными размерами цилиндровых втулок (127 мм) в насосах для обеспечения наибольшей подачи в процессе нагнетания тампонажного раствора, когда давление значительно ниже, чем при продавливании тампонажного раствора в затрубное про­ странство. Эти же агрегаты участвуют в процессе нагнетания продавочной жидкости, но только до определенного момента, предельного для данного агрегата (см. техническую харак­ теристику агрегатов). В связи с этим при ожидаемых давле­ ниях при продавливании порядка 30 МПа в процессе должны участвовать агрегаты с втулками диаметром 100 мм, которые при нагнетании тампонажного раствора могут обеспечить по­ дачу не более 8 л/с.

5.6.3. РАСЧЕТ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ КОЛОННЫ

{One-stage cementing calculation)

Различными авторами был предложен ряд ме­ тодов расчета цементирования скважин. Применяемые мето­ дики расчета, предложенные М. А. Завацким, Н. И. Шацовым и Г. Н. Протасовым, излагаются в одной и той же последова­ тельности:

1) определение потребного количества цементного раство­ ра, цемента и воды для приготовления раствора;

2)определение потребного количества продавочного рас­ твора для продавки цементного раствора в затрубное про­ странство;

3)определение давления на головке колонны к моменту окончания цементирования;

363

4)определение количества цементного и продавочного раст­ воров, закачиваемых на различных скоростях агрегата;

5)определение времени, потребного на цементирование скважины, а также количества агрегатов и цементосмеситель­ ных машин.

Первые три раздела расчета не имеют существенных разли­ чий во всех указанных выше методах. Четвертый раздел, в ко­ тором определяется количество жидкости, закачиваемой на раз­

личных скоростях агрегатов, неодинаков для каждого метода.

Ниже описывается предложенная А. А. Федо­ ровым простая методика для определения коли­ чества жидкости, которое может быть закачано на различных скоростях агрегата. Суть методи­ ки заключается в следующем. Рассмотрим мо­ мент цементирования (рис. 5.1), когда уровни цементного раствора в колонне и за колонной выравнялись. К этому моменту в колонну долж­ но быть закачано определенное количество бу­ рового раствора.

Обозначим; угр —плотность бурового раствора; кг/м3;

уц р —плотность цементного раствора; кг/м3; р — допустимое давление агрегата на дан­

ной скорости; Па; рг —потери на преодоление гидравлических

сопротивлений; Па;

h0 —высота цементного раствора в скважине, м;

10 — высота столба бурового раствора над верхней про­ бкой, м.

В момент выравнивания уровней цементного раствора в скважине давление на головке колонны, которое должен пре­ одолеть насос цементировочного агрегата, будет равно;

а) при одинаковой плотности бурового раствора у’г.р в ко­ лонне и у"гр за колонной (т.е. у 'гр = у " гр) — давлению на пре­ одоление гидравлических сопротивлений, т.е. рг, которое оп­ ределяется заранее;

б) при неодинаковой плотности бурового раствора (т.е.

При дальнейшей закачке бурового раствора в колонну вы­ сота столба его в колонне будет увеличиваться, цементного раствора — уменьшаться, а в кольцевом пространстве — воз­ растать. Давление на головке колонны будет возрастать за счет

364

создания разности высот столбов цементно­ го и бурового растворов в колонне и кольце­ вом пространстве. Давление на головке ко­ лонны будет увеличиваться пропорционально снижению уровня цементного раствора в ко­ лонне (при условии постоянного внутренне­ го диаметра колонны и постоянного диаметра скважины), т.е. пропорционально повыше­ нию столба бурового раствора над верхней пробкой.

Исходя из этого можно составить урав­ нение для любого промежуточного момента цементирования (рис. 5.2).

При увеличении высоты столба бурового раствора в колонне от /0 до I давление на го­ ловке колонны возрастает от р0(рг) до р, т.е.

Из этого уравнения может быть определено значение / при заданном р:

В формулах а, — коэффициент пропорциональности, пока­ зывающий на сколько метров должен увеличиваться столб бу­ рового раствора над верхней пробкой, чтобы давление на го­ ловке колонны возросло на 0,1 МПа. Значение коэффициента аг может быть определено при использовании конечных значе­ ний р и /, исходя из следующих рассуждений: при увеличении столба бурового раствора в колонне от /0 до 1К(конец цементи­ рования) давление на головке колонны возрастет от р0 до р„, Подставив в уравнение (5.163) рк вместо р и /х вместо / и решив уравнение относительно аь получим

Исходя из равенства столбов цементного и бурового раст­ воров (рис. 5.3), заменяем разность столбов бурового раствора разностью столбов цементного раствора:

365

(5.166)

где h — высота цементного стакана, оставля­ емого в колонне.

После подстановки получаем уравнение для нахождения а,

допускаемого при работе на IV, III, II и I скоро­ стях агрегата, определяем высоты столбов бурового раствора над верхней пробкой, при которых агрегат должен быть пере­ ключен на следующую (меньшую) скорость:

h ii= k +a\i.Pin-Po)\

Для упрощения расчета можно вместо l,„, l„, I, определять сразу h i n , h j j , h r — величину столбов бурового раствора, закачи­ ваемого на III, II, I скоростях агрегата. Исходя из уравнений

В общем виде по этой методике дается ниже расчет цемен­ тирования скважины.

1. Объем цементного раствора, подлежащего закачке в сква­ жину, находим по формуле

где k' — коэффициент, учитывающий увеличение объема

366

скважины за счет образования каверн, трещин и пр. (величи­ на его колеблется в пределах 1,05—1,3);

Da, £>„, — соответственно диаметр долота, наружный и внутренний диаметры колонны в м;

н«р — высота подъема цементного раствора за колонной в м;

h— высота цементного стакана в м.

2.Потребное количество сухого цемента

где W — водоцементное отношение.

3. Потребное количество воды для затворения цемента

V.=WG410-3,

где V" — потребный объем воды в м3. 4. Объем продавочной жидкости

Vnp —FT(L-h), м3,

где FT— площадь внутреннего сечения колонны в м2; £ — длина колонны в м.

5. Давление на головке колонны в конце цементирования (перед схождением пробок).

Величина давления, которую должен преодолеть насос це­ ментировочного агрегата, состоит из двух величин

Рк=Рг + Ру» где рг — давление, затрачиваемое на преодоление гидрав­

лических сопротивлений; ру — давление, затрачиваемое на преодоление разности

удельных весов и столбов глинистого и цементного растворов в колонне и затрубном пространстве.

Так как движутся две жидкости — цементный и буровой растворы (в колонне и за колонной), то обычные формулы труб­ ной гидравлики неприменимы. Для определения этой величи­ ны пользуются эмпирическими формулами.

При работе одного или двух цементировочных агрегатов

рг = 0,001L + 0,8, МПа,

при работе трех и более агрегатов рг = 0,002£ + 1,6, МПа.

Величину Ру находим, пользуясь рис. 5.3:

Ру = 1 0 - ^ [ ( У^ - у иг.р )(Я ч.р -/г) + (у ',р-у"г.р ) ( £ - Я ^ ) ] , МПа,

(при у'г.р * У"г.р).

Если у'г.р = Y"r.pi то второй член равен нулю, т. е.

367

Ру = ^ ' 6g(ylt p-Y'Vp )(HHP-h).

6.По величине рк выбирают цементировочный агрегат.

7.Количество жидкости, закачиваемой на различных ско­

ростях агрегата:

а) для многих случаев (приPw>Pr) весь цементный раствор может быть закачан на IV скорости цементировочного агрега­

та, если p,v< рг, то столб цементного раствора, который дол­ жен быть закачан на III скорости до переключения агрегата на IV скорость, может быть определен по формуле

Рг ~Piv .

ЧР g(yNP-y r.P) ’

б) высоты столбов бурового раствора, которые могут быть обеспечены при работе агрегата на различных скоростях:

8. Время цементирования при условии работы одного це­ ментировочного агрегата

Тц = hv + tm +hi +h +h

где tlv, % t„, t, — время работы агрегата на соответствую­ щей скорости:

t — время на отвинчивание стопорных болтов цементиро­ вочной головки для закладывания или освобождения пробок;

где q№ qm, qu, q, —производительность агрегата на соответ­ ствующей скорости.

9. Потребное количество цементосмесительных машин: а) по грузоподъемности

где Gm —емкость бункера одной цементосмесительной ма­ шины в т;

б) по производительности

368

ц.а

т=---------,

Ям

где !Lqlt4.a — суммарная производительность всех агрега­ тов при работе на высшей скорости;

qM — максимальная производительность одной цементо­ смесительной машины.

Количество цементосмесительных машин, так же, как и ко­ личество агрегатов, принимается большее из полученных при двух подсчетах.

Пример расчета одноступенчатого цементирования скважины

Расчет

1. Потребное количество цементного раствора

VH.p = FK H ,,.p + Fcm‘h>

где FK—площадь кольцевого пространства скважины с уче­ том увеличения объема за счет каверн, равная

FK=0,785(А:’D\ - D 2) =0,785(1,1 ■0,2432 - 0Д462) = 0,0328м2.

Fcm — площадь внутреннего сечения колонны в пределах цементного стакана, равная

Fcm= 0,785-d i = 0,785-0,1222 = 0,0117м2.

Тогда VHp =0,0328-800+0,0117-15 = 26,4м3.

Тогда G=— !----26,4-1,9=34,7т. 1 +0,45

3. Потребное количество воды для затворения цемента Ve =W-G =0,45-34,7 = 15,6 м3.

4. Объем продавочной жидкости определяется следующим образом

V„p =FCK(L -h),

где FCK—площадь поперечного внутреннего сечения колон­ ны (среднеквадратичная), которую вычислим по формуле

(перед схождением пробок) определим при условии, что число агрегатов более трех. В этом случае при определении величи­ ны давления, необходимого для преодоления гидравлических сопротивлений при продавке, воспользуемся формулой:

Рг =0,002L+1,6 = 0,002-3300+1,6 = 8,2 МПа.

Давление, необходимое для уравновешивания столбов бо­

370