книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

3. Рассчитывают коэффициенты гидравлических сопротив­ лений в трубах и затрубном пространстве:

4. Определяют давления на преодоление гидравлических сопротивлений:

Рх = *-ThPPwT2 /[2d,];

P3 = *A,Pw32/[2(D -dH)].

П р и м е р .

Сведения об обсадной колонне: D = 0,15 м; роя= 15 МПа.

Сведения об НКТ

d„= 0,073 м; d. =0,062 м; Я, = 3000 м; Vm= 9,05 м3; h = 40,4 м3 Сведения о цементном растворе:

V= 4 м3; ti„= 90 сП = 0,09 Па с; тц = 70 мг/см2 = 7 Па; рц = 1900 кг/м3

Сведения о буровом растворе: глинистый раствор (1-й вариант)

Г|, = 0,05 Па-с; % = 6 Па; р, = 1400 кг/м3; солевой раствор (2-й вариант)

т| = ц. = 1сП = 0,001 Па-с; рс = 1100кг/м3.

1. Расчет давлений при прямой промывке цементного раст­ вора буровым раствором:

\ = 4■4/[3,14(0,152 - 0,0732)] = 296м; ргх = 296-9,81(1900-1400) = 296 МПа;

=25>/б/1400 = 1,64м/с; wKpu = 25л/7/1900 = 1,52м/с.

2. Фактические скорости:

для прямой промывки в расчет вводится подача насоса ЦА320М на IV передаче q,v 10 л/с = 0,01 м3/с

4-0,01

WФ,. = 3,14-0,0622 = 3,30 л//с.

Так как w,()1 = 3,30 м/с > wKp, = 1,64 м/с, то режим течения бурового раствора в трубах турбулентный.

701

Фактическая скорость течения бурового и цементного раст­ воров в затрубном пространстве

W = ____ i ^ 1____ .= 0,74 м /с.

*3,14(0,152-0,073')

Так как w,,„ = 0,74 м/с < wK(Jll = 1,52 м/с < wKP, = 1,64 м/с, то режим течения глинистого и цементного растворов в затруб­ ном пространстве структурный.

3. Давление на преодоление гидравлических сопротивле­ ний в трубах определяют по формуле (7.80):

рт=10,4 МПа; 4. Давления на преодоление гидравлических сопротивлений

при движении глинистого (рч г) и цементного (р,ц) растворов в затрубном пространстве рассчитывают по формуле (7.79):

р3 = р,г + р,„ = 0,32 • 106 + 2,06 • 10* = 2,38 • 106 Па = 2,4 МПа 5. Давление на насосе при прямой промывке цементного

раствора буровым раствором рп = р, с + рт + р, = 1,5 МПа + 10,4 МПа + 2,4 МПа = 14,3 МПа

Расчет давлений при обратной промывке цементного раст­ вора буровым раствором.

1. h„= 1326 м;

ргс = 6,5 МПа.

2. Режимы течения.

Значения критических скоростей для глинистого (wKpl) и це­ ментного (wKp ц) растворов рассчитаны выше (см. первую часть примера)

w„p r = 1,64 м/с; wKpu = 1,52 м/с

Для обратной промывки, когда вся тампонирующая смесь переместится в трубы, в расчеты вводится подача насоса ЦА320М на II передаче:

Ян = 4 л/с = 0,004 MVC.

Фактическая скорость течения бурового раствора в затруб­ ном пространстве

w,= 0,3 м/с.

Так как w, = 0,3 м/с < wKpi = 1,64 м/с, то режим течения бурового раствора в затрубном пространстве структурный.

Фактическая скорость течения бурового и цементного раст­

Так как w,= 1,32 м/с < wKp„ = 1,52 м/с < wKpr = 1,64 м/с, то режим течения бурового и цементного растворов в трубах также структурный.

702

3.Давление на преодоление гидравлических сопротивлений

взатрубном пространстве рассчитывают по формуле (7.79):

1,8 МПа.

4. Давления на преодоление гидравлических сопротивле­ ний в трубах при движении бурового (р,,) и цементного (р.1ц) растворов:

Рт ~ Рт.г + Рт.ц= 1>78 + 2,02 = 3,8 МПа.

5. Давление на насосе при обратной промывке цементного раствора буровым раствором

р„-р,л + р,+ рт=6,5 МПа + 1,8 МПа + 3,8 МПа = 12,1 МПа.

Так как р0 = 12,1 МПа < р„„ — 15 МПа, то использование обратной промывки при удалении цементного раствора из сква­ жины допускается.

Продолжительность прямой промывки цементного раствора T„=(V + Vri)/q]v = (4 + 40,4)/0,01 = 4440 с = 74 мин.

Продолжительность обратной промывки Т0= 9,05/0,004 = 2262 с = 37 мин.

Так как Т„ < Т„, то применение обратной промывки цемен­ тного раствора предпочтительнее.

Расчет давлений при обратной промывке цементного рас­ твора водным раствором соли.

1.р„с=10,4 МПа.

2.Режимы течения.

Режим течения раствора соли в затрубном пространстве оп­ ределяем по формуле (7.83):

Re3= 8,3(0,15 - 0,073)1100/0,001 = 25410.

Так как Re, > ReKP = 4000, то режим течения водного рас­ твора соли в затрубном пространстве турбулентный.

Режим течения раствора соли в трубах определяем по фор­ муле (7.82):

ReT= 1,32 • 0,062 • 1100/0,001 = 90024.

Так как Re, > 4000, то режим течения раствора соли в тру­ бах турбулентный.

Выше установлено, что при q„ = 0,004 MVC режим течения

цементного раствора структурный.

3. Давление на преодоление гидравлических сопротивлений

взатрубном пространстве рассчитывается по формуле (7.87). Коэффициент гидравлических сопротивлений в затрубном

пространстве при турбулентном режиме течения раствора со­ ли вычисляется по формуле (7.85):

Х=0,3164/25410°-25=0,025, тогда р = 0,025 • 3000 • 0,32• 1100/2(0,15 - 0,073) = 0,05 МПа.

703

4. Давление на преодоление гидравлических сопротивле­ ний в трубах при движении солевого (р.|С) и цементного (ртц) растворов

Рт Рт.С Рт Ц*

значение р.г ц рассчитано выше и составляет 1,2 МПа; значение р, вычисляют по формуле (7.86):

X= 0,3164/90024°25 = 0,0182;

pTt=0,0182(3000—1326) • 1,322 ■1100/(0,062 - 2)—0,47 • 10°Па = 0,47МПа. р, = 1,67 МПа

5. Давление на насосе при обратной промывке цементного раствора водным раствором соли Ро = Рте+ р, + рт = 10,4 МПа + 0,05 МПа + 1,67 МПа = 12,1 МПа.

7.4.6. РАСЧЕТ ТАМПОНИРОВАНИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ЧЕРЕЗ НКТ, УСТАНОВЛЕННЫЕ НАД ЗОНОЙ ВВОДА ТАМПОНИРУЮЩЕЙ СМЕСИ ЗА КОЛОННУ В НЕЗАПОЛНЯЮЩЕЙСЯ СКВАЖИНЕ

(Calculation of squeeze cementing using tubing above cementing zone in unfilling hole)

Расчет проводится для скважин, в которых динамический уровень жидкости при заполнении до устья не поднимается.

В процессе закачки и продавки в НКТ в зависимости от усло­ вий призабойной зоны часть цементного раствора поглощается пла­ стом, а часть поднимается в затрубное пространство скважины.

Для упрощения расчетов принимается, что момент насыще­ ния пласта совпадает с поглощением всего цементного раство­ ра. Тогда закачиваемая после раствора продавочная жидкость в количестве VT, равном внутреннему объему НКТ, расходуется на наполнение скважины, т.е. объем колонны от статического уровня до устья VKy уменьшается на объем, равный VT.

Для заполнения колонны потребуется закачать в затруб­ ное пространство дополнительное расчетное количество буро­ вого раствора

Если фактически прокачанное количество жидкости Узф ока­ залось меньше расчетного, то это будет свидетельствовать о том, что в скважине остался цементный раствор в количестве:

у = у - V *

При этом количество раствора, находящегося в кольцевом пространстве и внутри НКТ, можно ориентировочно оценить по избыточному давлению рн на манометре, контролирующем затрубное пространство.

704

Пр и м е р .

Внутренний диаметр 73-мм НКТ 62 мм, длина 2000 м, внут­ ренний диаметр 168-мм колонны — 150 мм, глубина статичес­ кого уровня —800 м; объем цементного раствора —4 м3, плот­ ность цементного раствора р„ — 1800 кг/м3, плотность бурового раствора рж— 1000 кг/м3.

Объем продавочной жидкости после закачивания цемент­ ного раствора

VT= 6,2 м3.

Расчетное количество бурового раствора, закачиваемого в затрубное пространство

V,P=V,C- VT= 14,4-6,2 = 8,2 м3.

Фактическое количество закаченной жидкости до появле­ ния циркуляции через НКТ составило У,ф=5 м3.

Количество цементного раствора, находящегося в скважине:

VU.P=V,.P-V,4= 8,2-5 = 3,2 м3.

Давление на манометре, контролирующем затрубное про­ странство, ри= 4,0 МПа, что соответствует высоте столба це­ ментного раствора в НКТ, равной

h„= p„/(g(p„ - рж)) = 4 • 10б/(9,8(1800 - 1000)) = 500м.

При этом объем цементного раствора, находящегося в НКТ, составил:

VaT= 500 ■0,0031 = 1,5 м3.

Тогда в затрубном пространстве остался цементный раст­ вор объемом

V,.U= VUP-V ,T= 3,2-1,5= 1,7 м3.

7.4.7. РАСЧЕТ ОПЕРАЦИЙ ПО УСТАНОВКЕ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ

В СКВАЖИНАХ

(Calculation of separating plug back job)

Определение необходимых объемов цементного раствора, продавочной и буферной жидкостей

Если при установке цементных мостов средс­ тва контроля за положением уровня тампонажного раствора в трубах не используются, то расчет требуемых объемов це­ ментного раствора V„ и продавочной жидкости Vnpпроизводит­ ся по следующим формулам:

где AV —относительный объем тампонажного раствора, ос­ тавляемого в заливочной колонне:

3VГ тр

Н—проектная высота моста; SK, Smp —соответственно пло­ щади проходного сечения в кольцевом пространстве и в трубах

винтервале установки моста; Vmp — внутренний объем зали­

вочной колонны; С —коэффициент, учитывающий несоответ­ ствие между расчетами и фактическими объемами заливочной колонны, при использовании бурильных и насосно-компрес­ сорных труб С = 1,00; в случае применения обсадных труб С = 1,03; С0 —коэффициент, учитывающий случайные ошиб­ ки при продавливании тампонажного раствора в скважину, если средства контроля за движением жидкостей не исполь­ зуются, то С„ = 0,03 —0,04, если используются, то С„ = 0; С„ С2, С, — коэффициенты, учитывающие потери тампонажного раствора соответственно на стенках труб и при смешивании с соседней жидкостью на 1-й и 2-й границах (табл. 7.19), при ус­ тановке мостов с использованием верхней и нижней раздели­ тельных пробок коэффициенты С„ С2и С, принимаются рав­ ными нулю, при использовании только верхней пробки нулю равны С, и С3.

При установке моста без разделительной пробки или второй порции буферной жидкости необходимо принимать условие

706

При установке мостов с использованием верхней раздели­ тельной пробки и средств контроля за ее движением условия (7.91) и (7.92) не учитываются.

Объем 1-й порции буферной жидкости, закачиваемой перед

Определение высоты цементного моста

Высоту моста необходимо рассчитывать исходя из условия обеспечения соответствующей герметичности, несу­ щей способности и забуривания нового ствола. Исследования показывают, что оценочный расчет высоты моста может быть выполнен. Так, при наличии между колонной и цементным кам­ нем глинистой корки с предельным напряжением сдвига 4,6— 6,8 мПа и толщиной 3—12 мм давление прорыва воды составляет 0,6—1,8 МПа на 1 м. Давление прорыва прямо пропорциональ­ но длине и обратно пропорционально толщине корки. По дан­ ным американских исследований, прорыв воды между стенкой трубы и цементным камнем происходит при градиенте давле­ ния 0,70 МПа/м. В связи с этим высоту цементного моста ре­ комендуется определять по формуле

где р — максимальный перепад давления, действующий на мост при его испытании или эксплуатации; [Др] — допустимый градиент давления (табл. 7.20).

Высота цементного моста, подошва которого находится вы­ ше забоя скважины или другой опоры, должна проверяться, исходя из условия обеспечения необходимой несущей способ­ ности, по формуле

гДе Q„ — осевая нагрузка, создаваемая на мост колонной труб или перепадом давления р; [т] —допустимые касательные напряжения (табл. 7.21); Dc —диаметр скважины.

При забуривании нового ствола высота моста определяет­ ся из выражения

где а, —интенсивность искривления ствола скважины, град./м.

Т а б л и ц а 7.20

Допустимый градиент давления при определении высоты цементного моста

Формула (7.97) выведена из условия, чтобы после забу­ ривания нового ствола расстояние между ближними стен­

708

ками старого и нового стволов было равно двум диаметрам скважины.

В табл 7.22 приведены рекомендуемые значения высоты мос­ та, определенные по формуле (7.98), а также высота моста Н', на которой при интенсивности искривления а, происходит за­ буривание нового ствола.

Расчет времени установки моста и производительности цементировочных агрегатов

Продолжительность установки моста Т должна определяться исходя из оптимальной скорости движения жид­ кости в кольцевом пространстве и сроков схватывания (загустевания) тампонажного раствора

где Г, — затраты времени на приготовление в закачку там­ понажного раствора в скважину; Т2 —продолжительность вве­ дения разделительных пробок в колонну; Т3 — затраты времени на продавливание тампонажного раствора в интервал установ­ ки моста; Т4 —продолжительность снятия цементировочной го­ ловки и подъема заливочной колонны из зоны тампонажного раствора; Т5 — затраты времени на установку цементировоч­ ной головки и срезку кровли моста; ТМ1, —время загустевания тампонажного раствора, определяемое по консистометру.

Время Т3определяется исходя из необходимости обеспече­ ния эффективной скорости w„ подъема жидкости в интерва­ ле установки моста:

Всвязи с этим перед установкой мостов в скважинах необходи­ мо проводить гидравлические исследования с целью определения оптимального режима работы цементировочных агрегатов. Если конструкция скважины не позволяет создавать скорость восходя­ щего потока более 1 м/с, то в нижней части заливочной колонны необходимо установить трубы большого диаметра. Если послед­ нее условие невыполнимо, установка цементного моста осущест­ вляется при скорости восходящего потока w < 0,5 м/с.

Проверка пригодности разделительной резиновой пробки

Одним из основных условий доставки в цемен­ тируемый интервал скважины исходного тампонажного раст­ вора является предупреждение осложнений, связанных с за­ клиниванием цементировочной пробки в заливочной колонне.

709

Для этого необходимо проверить совместимость разделитель­ ной пробки и колонны по формуле

/° DK—d

Пример 1. Расчет объемов цементного

ипродавочного растворов

ибуферных жидкостей

Интервал установки моста 4000—4030 м; фак­ тический диаметр скважины 250 мм; диаметр заливочной ко­ лонны 140 мм; внутренний объем колонны 45,6 м3,

А. Установка моста без применения буферных жидкостей и разделительных пробок.

Методика б: ВНИИКРнефти:

Уц= 30 • 0,785 (0,252 - 0,142) + 45,6 (0,065 + 0,03 + 0,037) = 7,0 м3; У„р= 1 ■45,6 (1 - 0,065) = 42,6 м3.

Существующая методика;

Уц = 0,785H D ] = 0,785 • 30 • 0,252 = 1,5 м3

F„p = 0,785Lrf2q>,

710