книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

ется из расчета прохождения ее через башмак колонны в те­ чение 8—10 мин. при турбулентном течении и 10—15 мин. при структурном (пробковом) течении, но не менее 150—200 м по длине затрубного пространства.

4.Для эксплуатационных колонн объем БЖ принимается по

п.3 относительно кровли флюидонасыщенного горизонта.

5.При вскрытых флюидонасыщенных пластах необходимо проверять условие:

где рбр, рбж — плотности бурового раствора и буферной жидкости, кг/м3;

ДР —величина репрессии при бурении, Па, установленная согласно «Правилам безопасности в нефтяной и газовой про­

где h — глубина кровли пласта, м; Рпл — пластовое давление, Па;

g — ускорение силы тяжести, м/с2;

ос — средний угол наклона ствола скважины в интервале расположения буферной жидкости после полного выхода её из башмака колонны;

SK — площадь сечения затрубного пространства, м2. 5.1. При невыполнении неравенства (5.178):

— рассматривается возможность увеличения плотности БЖ принятого типа, при необходимости —до плотности, рав­ ной рбр;

— при невозможности увеличения плотности БЖ до необ­ ходимой принимается объем БЖ, равный [Убж].

П р и м е ч а н и е : 1. Если принята комбинированная БЖ , в расчете ве­ личины (VBж ] принимается рв ж как средневзвеш енная по длине интервала за ­ трубного пространства, заполняемого всей жидкостью.

2. Необходимый объем БЖ рассчитывается для условия применения ниж ­ ней разделительной пробки. В других случаях объем БЖ должен быть увели­ чен из расчета увеличения её столба иа 10 —15%, если при этом необходимый объем Б Ж не превышает [У0ж].

391

5.8. ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ СКВАЖИН АЭРИРОВАННЫМИ ТАМПОНАЖНЫМИ

РАСТВОРАМИ

(Aerated cement slurry cementing)

Одним из способов цементирования скважин, позволяющих снизить вероятность или исключить поглощение тампонажного раствора во время проведения процесса, явля­ ется цементирование с использованием аэрированных тампо­ нажных растворов. Этот способ нашел широкое применение в нашей стране и за рубежом. Он заключается в приготовлении аэрированного тампонажного раствора на поверхности с помо­ щью специального оборудования (аэратора, активатора, комп­ рессора) и нагнетании его в скважину цементировочным обо­ рудованием (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схема расположения оборудования при цементировании скважин аэ­ рированными тампонажными растворами:

I — компрессор (азотная установка); 2 — обратный клапан; 3 — аэратор; 4 —гидроак­ тиватор; 5 —скважина; б — цементно-смесительная машина; 7 — цементировочные аг­ регаты.

В качестве исходного материала могут применяться как чис­ тые цементы, так и их смеси. Аэрации могут подвергаться буро­ вые растворы, буферные и другие жидкости. Вкачестве аэриру­ ющего агента может применяться воздух или азот. При этом для приготовления аэрированных растворов и жидкостей использу­

392

ют химические реагенты-пенообразователи и стабилизаторы пе­ ны, а также соответствующие ускорители, подобранные лабора­ торией для конкретных геолого-технических условий скважины. Увеличивая количество вводимого аэрированного агента в раст­ вор, можно весьма значительно снизить его плотность.

Так, при проведении экспериментов с использованием азот­ ной установки получают на поверхности аэрированный там­ понажный раствор плотностью р = 0,49 г/см3. В этом случае использовали чистый цемент с добавками: пенообразователя СМЕ — 0,2%, стабилизатора пены SLS — 0,3%, понизителя водоотдачи NFL — 2—0,5%, ускорителя СаС12 — 0,5% от ве­ са сухого цемента при В/Ц = 0,4.

5.8.1. РАСЧЕТ ОБЪЕМА И ПОДАЧИ АЭРИРУЮЩЕГО АГЕНТА

В скважине, с увеличением ее глубины, плот­ ность аэрированного раствора будет повышаться под воздей­ ствием давления и температуры. В связи с этим представляет интерес заранее рассчитать количество аэрирующего агента и темп его подачи в исходный тампонажный раствор для полу­ чения в забойных условиях тампонажного раствора заданной плотности. Рассмотрим методику расчета требуемого количе­ ства аэрирующего агента на 1 м3 исходного тампонажного рас­ твора для получения заданной его плотности в определенном интервале затрубного пространства скважины, а также изме­ нения темпа его подачи с учетом скважинных условий по глу­ бине и методику расчета производительности по приготовле­ нию тампонажного раствора.

В общем виде зависимость изменения объема аэрирующего агента, требуемого для аэрации 1 м3 исходного тампонажного раствора в забойных условиях, можно записать:

Vx3t = Vx{t3 - t y )K„

где V* —объем аэрирующего агента, необходимый для полу­ чения 1 м3 аэрированного раствора заданной (забойной) плот-

393

ности на устье скважины, нм3 — нормальный м3 аэ­ рирующего агента на вса­ сывающей стороне комп­ рессора (при атмосферном давлении); р^, р^, рал - со­ ответственно плотность ис­ ходного аэрированного рас­ твора и аэрирующего агента, г/см3 (величину плотности воздуха при атмосферныхус­ ловиях (условий два: дав­ ление 1 атм и температура 22°С) можно принять рав­ ной 0,0013 г/см3); Wp —объем исходного тампонажного

Рис. 5.7. График зависимости коэффициен­ та К^, от глубины скважины.

394

лить по формуле т = (р.р*. - р,,р.ж)/(рррч - р„рж); Сср - усред­ ненный коэффициент, который учитывает растворение аэ­ рирующего агента в жидкости затворения, содержащейся в 1 м3 исходного раствора, в скважинных условиях опреде­

устье, °С; К, — коэффициент, учитывающий увеличение объ­ ема аэрирующего агента за счет его расширения под воздейс­ твием температуры на заданной глубине скважины. Ориен­ тировочно принят 0,47.

Таким образом, подставляя в формулу (5.181) входящие в нее составляющие, можно записать общее выражение для определения УХ}:

Этот же объем V„ можно определить с помощью номограм­ мы (рис. 5.9).

Для этого вначале определяем величину Vx по формуле (5.182). Затем, имея интервал глубины скважины LX, H Lx2, кото-

нм3/*3 рстдора 125 25.0 37.5 500 625а“л/с

0 500 1500 2500 3500 4500LX.H 500 1500 2500 3500 4 S O O Q K , H / I/ C

Рис. 5.9. Номограмма для определения необходимого для цементирования аэри­ рующего агента и темпа его подачи в исходный тампонажный раствор:

ключ Lx —►Vx—> VXJ—> q,. » Qk

1

395

рый необходимо зацементировать аэрированным раствором, от­ мечаем его на оси абсцисс I квадранта номограммы и из крайних точек восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с кривой Ух, а затем из этих точек проводим горизонтальные линии влево до пересечения с осью ординат, где нанесена шкала значений Ухэ. Принимая, что величины Ухи У„ —соответственно объемы аэри­ рующего агента в нм3, необходимые для аэрации одного кубо­ метра исходного тампонажного раствора в начале и конце ин­ тервала цементирования, а также полагая, что изменение этих объемов происходит пропорционально глубине скважины, общее (среднее) количество аэрирующего агента для цементирования конкретной скважины в нм3 можно подсчитать по формуле:

где Ускв — объем затрубного пространства скважины в ин­ тервале цементирования, м3.

Зная Уср, продолжительность процесса аэрации раствора и производительность компрессора (азотной установки), можно определить необходимое количество аэрирующего агента це­ ментирования из выражения:

где t —необходимое время аэрации тампонажного раствора (время приготовления); qK—производительность одного комп­ рессора (азотной установки).

В случае если суммарная производительность имеющих­ ся в наличии компрессоров или азотных установок окажется меньше Vcp,/t, то возникает необходимость применения реси­ вера соответствующей вместимости для аккумулирования аэ­ рирующего агента.

В зависимости от темпа приготовления и нагнетания аэри­ рованного тампонажного раствора в скважину устанавливают темп подачи аэрирующего агента в раствор. Крайние его зна­ чения можно определить по той же номограмме (рис. 5.9).

Для этого иэ тех же точек пересечения перпендикуляров с кривой Уг в I квадранте необходимо провести горизонтальные линии вправо, до пересечения с кривой, соответствующей за­ данному темпу приготовления и нагнетания исходного раство­ ра в скважину (принимается, что этот темп не изменяется), и из точек пересечения провести вертикальные линии вверх и вниз. На нижней шкале получим значения величин подач в раствор аэрирующего агента для крайних точек интервала скважины QKв нм3 (на всасывающей стороне компрессора), а на верхней шкале —qk при давлении 8 МПа.

396

Для получения по всему интервалу глубины скважины оди­ наковой плотности тампонажного раствора в исходный раствор необходимо вводить разное количество аэрирующего агента — вначале меньше, а затем больше,

При постоянной производительности приготовления тампо­ нажного раствораи его нагнетании в скважину, зная величины подач аэрирующего агента в исходный раствор в начальный и конечный моменты его нагнетания, которые определены по номограмме, а также зная время его нагнетания в скважину, можно определить необходимую величину подачи аэрирующего агента в исходный раствор в любой момент времени его приготовления (рис. 5.10).

1

■э

01

3 S

§.

о

Рис. 5.10. График для определения темпа подачи аэрирующего агента в исход­ ный тампонажный раствор в любой момент времени его приготовления или на­ гнетания при постоянной производительности.

На горизонтальной шкале в произвольном масштабе отклады­ вают время приготовления (нагнетания) раствора в минутах, а на вертикальных шкалах, в начале и конце шкалы времени, также в произвольном масштабе — интервалы необходимой производи­ тельности аэрирующей установки в нл/с на одной шкале и в л/с (под давлением) —на другой. Проведя диагональ квадрата и вос­ становив к ней перпендикуляр из любой точки шкалы времени, получим точкуЛ; проведем через нее линию, горизонтальную оси абсцисс, до пересечения с вертикальными шкалами. Точкам В и С будут соответствовать величины подач аэрирующего агента в любой момент времени приготовления раствора.

5.8.2. РАСЧЕТ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ КОЛОНН АЭРИРОВАННЫМ РАСТВОРОМ

(Aerated cement slurry cementing calculation)

Расчет давления на забой и стенки скважины при циркуляции аэрированных растворов имеет большое прак­ тическое значение.

397

Приводим метод расчета процесса цементирования скважи­ ны, в основу которого положена величина забойного давления к концу цементирования, соответствующая величине забой­ ного давления при бурении скважины. Это условие принято с целью предотвращения поглощений и проявлений при цемен­ тировании и в период ОЗЦ.

В описанной ниже методике условно принят следующий по­ рядок подъема смесей в кольцевом пространстве {снизу вверх): цемент­ ный раствор нормальной плотности, облегченный цементный раствор, аэрированный цементный раствор (рис. 5.11). При расчетах приняты следующие обозначения:

Н — глубина скважины, м;

hk — глубина спуска кондукто­

где рп, — пластовое давление в поглощающем горизонте, МПа;

Ар — допустимый перепад давления на поглощающий го­ ризонт, МПа;

дц — градиент гидростатического давления столба чистого цементного раствора, МПа/м.

Баланс расчетного забойного давления в конце цементиро­ вания (без учета гидродинамических сопротивлений) равен:

398

где q0 — градиент гидростатического давления столба об­ легченного цементного раствора, МПа/м;

Ьц —высота столба цементного раствора, эквивалентная вы­ соте столба аэрированного раствора, м;

qa — градиент гидростатического давления столба чисто­ го цементного раствора в общем столбе аэрированного рас­ твора, МПа/м;

he — высота столба воздуха, эквивалентная высоте столба аэрированного раствора, м;

qg — градиент гидростатического давления столба возду­ ха, МПа/м,

Заменяя в выражении (5.187) = La — he, получим:

Рз.р ~ ^цЯц ~ А )9о ~ L аЯа

(5 .1 8 9 )

Ян ~Яа

Если выразить градиент давления в МПа/м, то qK= 0,00000908 В, где В —объемный фактор воздуха.

Значения В определяют по номограмме (рис. 5.12) в зави­ симости от средних значений давления ра и температуры Та в средней части столба аэрированного раствора на глубине 1а. В

После замены значения q„ формула (5.189) примет оконча­ тельный вид:

Объем воздуха в аэрированной жидкости (приведенный к нормальным условиям) равен:

где v, —средневзвешенное значение объема затрубного про­ странства на 1 м его длины, м3:

v0 и v„ —объем 1 nor. м затрубного пространства соответ­ ственно в обсаженной и необсаженной частях ствола сква­ жины;

399

400