книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин
..pdf3. Рассчитывают коэффициенты гидравлических сопротив лений в трубах и затрубном пространстве:
при ламинарном режиме |
|
^ = 6 4 /Re; |
(7.84) |
при турбулентном режиме |
|
=0,3164/Re0,25. |
(7.85) |
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
воров в трубах |
|
|
|
40я |
4-0,004 |
- = 1,32 |
м/с. |
W. = ~ ^ ~ - - |
3,14-0,062' |
||
nd] |
|
|
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
у |
= у |
-V |
т г р |
т к у |
Т т* |
|
На |
заполнение колонны укажет появление циркуляции |
жидкости через НКТ. |
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:
К = HSk + Vmp (AV +С„ + С,) |
(7.88) |
и |
|
К, =с Vmp(l -AV), |
(7.89) |
где AV —относительный объем тампонажного раствора, ос тавляемого в заливочной колонне:
45 Заказ 39 |
705 |
А V = С,+Сг+ ^ - |
(7.90) |
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.
|
|
|
Т а б л и ц а |
7.19 |
||
Величины коэффициентов, учитывающие потери тампонажного раствора |
||||||
на стенках труб и при смешивании с раствором |
|
|
|
|
||
Показатели |
Коэффи |
Для буриль |
Д ляН К Т |
|||
циент |
ных труб |
|||||
|
|
|
||||
Тип буферной жидкости |
- |
Вода |
Нет |
Вода |
Нет |
|
Потери цементного раствора на стен |
с , |
0,008 |
0,029 |
0,002 |
0,011 |
|
ках труб |
||||||
|
|
|
|
|
||
Потери цементного раствора из-за |
с . |
|
0,037 |
|
|
|
смешивания с соседней жидкостью |
0,023 |
0,012 |
0,020 |
|||
на 1-й границе |
|
|
|
|
|
|
Потерн цементного раствора из-за |
|
0,017 |
0,030 |
|
|
|
смешивания с соседней жидкостью |
С, |
0,011 |
0,020 |
|||
на 2-й границе |
|
|
|
|
|
|
Потери буферной жидкости при дви |
С, |
0,020 |
— |
0,020 |
— |
|
ж ении по заливочной колонне |
||||||
|
|
|
|
|
||
То же, при движении по кольцевому |
Q |
0,400 |
— |
0,400 |
— |
|
пространству |
||||||
|
|
|
|
|
При установке моста без разделительной пробки или второй порции буферной жидкости необходимо принимать условие
AV> 0,065, |
(7.91) |
а при их применении, но без средств контроля за движени |
|
ем тампонажного раствора |
(7.92) |
AV >0,048, |
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
тампонажным раствором, рассчитывается как |
|
|
К = CAVmp + C5H |
S |
(7.93) |
а объем 2-й порции, нагнетаемой после цементного раство |
||
ра, определяется из выражения |
|
|
V, = C4V„r, |
|
(7.94) |
где С, и Cs —коэффициенты из табл. 7.19. |
|
|
Величина V„ входит в общий |
объем продавочной жидко |
|
сти Vnp. |
|
|
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
Н0=р/[Ар] |
(7.95) |
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
Щ = Q J { \ T] - K D C) > H 0, |
(7.96) |
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
Я = 18,5Л/Д Т ^ , |
(7.97) |
где а, —интенсивность искривления ствола скважины, град./м.
45- |
707 |
При а,=0,1°/м формула (7.97) имеет вид |
|
|
Н = 58,6л/д", |
(7.98) |
|
где размерность Н и Dc в метрах. |
||
|
Т а б л и ц а 7.20
Допустимый градиент давления при определении высоты цементного моста
|
Условия и способ установки моста |
|
[р], М П а/м |
|||
|
|
В обсаженной скважине |
|
|
|
|
С применением скребков и моющих буферных жидкостей на |
5,0 |
|
||||
водной основе |
|
|
|
|
|
|
С применением моющих буферных жидкостей |
|
2,0 |
|
|||
Без скребков и буферных жидкостей |
|
|
1.0 |
|
||
|
|
В необсаженной скваж ине |
|
|
|
|
С применением скребков и буферных жидкостей |
|
2,0 |
|
|||
С применением буферных жидкостей |
|
|
1,0 |
|
||
Без скребков и буферных жидкостей |
|
|
0,5 |
|
||
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
7.21 |
|
Допустимые касательные напряжения для определения обеспечения |
|
|||||
необходимой несущей способности моста |
|
|
|
|
||
Условия и способ установки моста |
|
|
[т], МПа |
|||
|
|
В обсаженной скважине |
|
|
|
|
С применением скребков и моющих буферных жидкостей на |
1,0 |
|
||||
водной основе |
|
|
|
|
|
|
С применением моющих буферных жидкостей |
|
0,5 |
|
|||
Без скребков и буферных жидкостей |
|
|
0,05 |
|
||
|
|
В необсаженной скваж ине |
|
|
|
|
С применением скребков и моющих жидкостей |
|
0,5 |
|
|||
С применением абразивных буферных жидкостей |
|
0,2 |
|
|||
С применением неабразивных буферных жидкостей |
|
0,05 |
|
|||
Без буферных жидкостей |
|
|
0,01 |
|
||
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
7.22 |
|
Рекомендуемые значения высоты моста (в м) |
|
|
|
|||
при забуривании нового ствола |
|
|
|
|
||
Dc |
Н |
Н' |
Ц, |
Н |
Н' |
|
0,1 |
18,9 |
10,8 |
0,5 |
41,7 |
23,3 |
|
0,2 |
26,2 |
15,0 |
0,6 |
45,6 |
26,0 |
|
0,3 |
32,2 |
18,4 |
0,7 |
49,0 |
28,0 |
|
0,4 |
37,2 |
21,3 |
0,8 |
52,5 |
30,0 |
|
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
T -T i + T, +Т, +Т4 + Т} = 0,75TW, |
(7.99) |
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:
T3=V„/(w,Sj. |
(7.100) |
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
d 2c/sin(a/2) ’ ’ |
|
(7.101) |
где DH—диаметр манжеты пробки (рис. 7.24); a |
— угол ко |
|
нусности манжеты; 10 — длина |
||
участка |
манжеты, |
имеющего |
a = 0°; d |
— минимальный диа |
|
метр проходного канала заливоч |
||||
|
ной колонны. |
|
|
разде |
|
|
При использовании |
||||
|
лительной пробки |
конструкции |
|||
|
АзНИПИнефть |
с |
D,, = |
130 мм, |
|
|
a = |
45° и 10 =0,0 мм минималь |
|||
|
ный проходной канал заливочной |
||||
|
колонны, в том числе всех пере |
||||
|
водников и сужений труб, дол |
||||
|
жен быть не менее 85 мм. При |
||||
|
использовании пробки конструк |
||||
|
ции |
объединения |
«Краснодар |
||
|
нефтегаз» (£>„ = |
125 мм, a |
= 60° |
||
|
и 4 = 15 мм) указанный диаметр |
||||
|
должен быть не менее 82 мм. При |
||||
|
наличии в колонне более узких |
||||
|
каналов в них возможно раскли |
||||
Рис. 7.24. О сновны е разм еры |
нивание пробки, особенно при |
||||
манжеты пробки. |
восстановлении циркуляции пос |
||||
|
ле ее остановки. |
|
|
|
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