4 Расчет одноступенчатого цементирования

Одноступенчатый способ цементирования наиболее распространен. При этом способе в заданный интервал подается тампонажный раствор за один прием.

Если возникает необходимость делить интервал цементирования на две части, то используют двухступенчатое цементирование. При этом на границе раздела устанавливают специальную разделительную муфту. Способ применяют в следующих случаях: поглощение тампонажного рас­твора в нижних пластах или при большой высоте его подъема за колон­ной, когда расчетные давления при прокачивании тампонажного раствора больше давления, развиваемого цементировочными агрегатами; наличие резко отличающейся температуры в нижней и верхней зонах интервала подъема тампонажного раствора; невозможность доставки на буровую нужного количества тампонажной техники; возможность возникновения больших давлений в процессе продавливания тампонажного раствора.

Манжетное цементирование применяют, когда нет необходимости цементировать эксплуатационную колонну в зоне продуктивного гори­зонта. При расчете одноступенчатого цементирования определяют: коли­чество сухого тампонажного материала; количество воды для затворения; объем продавочной жидкости; максимальное давление в конце процесса цементирования; необходимое число смесительных машин и цементиро­вочных агрегатов; время, необходимое для проведения всего процесса цементирования.

Для повышения качества цементирования необходимо предусмот­реть использование при цементировании буферной жидкости, которая выполняет следующие функции:

отделяет тампонажный раствор от промывочной жидкости и предот­вращает образование густых трудно прокачиваемых смесей;

увеличивает полноту замещения промывочной жидкости тампонажным раствором;

способствует разрушению фильтрационных глинистых корок на стенках скважины;

способствует лучшему сцеплению тампонажного раствора с горными породами, слагающими стенки скважины.

В качестве буферной жидкости широко используются воды и водные растворы солей (NaCl, CaCl и т.д.), щелочей (NaOH) и ПАВ (сульфонол).

Виды буферных жидкостей приведены в табл.4.

Известно, что эффективность вытеснения промывочной жидкости водными растворами (буферной жидкостью) возрастает с увеличением плотности этих растворов.

Таблица 4

Виды буферных жидкостей

Вид	Область применения
Вода	В устойчивых породах, не подверженных набуханию при кратковременном воздействии потока воды
Нефть и нефтепро­дукты	При бурении с промывкой нефтеэмульсионными раство­рами или когда ствол скважины цементируется нефте­эмульсионными тампонажными растворами
Утяжеленные (на солевой и полимер­ной основах)	Когда применение больших объемов легких жидкостей связано с опасностью выброса или обвалами и осыпями; при наличии сильно кавернозных зон в стволе скважины.
Водные растворы солей	В разрезах с наличием соляных куполов
Растворы кислот	Для удаления фильтрационной корки и остатков бурового раствора со стенок скважины в интервале продуктивного пласта
Аэрирование	При наличии в разрезе зон поглощений, затрудняющих цементирование при больших коэффициентах уширения ствола
Эрозионные (водо-песчаные)	При наличии в стволе больших каверн, стенки которых сложены глинистыми породами
Незамерзающие	В зонах многолетнемерзлых пород
С низкой водоотда­чей	На месторождениях с низкими градиентами пластовых давлений; при наличии в разрезе поглощающих пластов или малопрочных пропластков, склонных к осыпям и об­валам
Вязкоупругий разде­литель	В суженных и расширенных частях ствола скважины для обеспечения вытеснения бурового раствора (имеет огра­ниченное применение из-за ряда недостатков).

В случае применения буферной жидкости с меньшей плотностью, чем у бурового раствора (р_b>р_b), объем этой жидкости выбирается из ус­ловия, чтобы гидростатическое давление столба в заколонном простран­стве несколько превышало пластовое. Из этого условия находят, что вы­сота столба буферной жидкости в заколонном пространстве описывается соотношением:

(14)

где рр, рв, рб - плотность соответственно бурового раствора, пресной воды и буферной жидкости; кa - коэффициент аномальности,

Zпл - расстояние от поверхности до продуктивного горизонта; Рпл - пластовое давление, МПа.

Если расчетное значение высоты столба буферной жидкости по фор­муле (14) будет больше расстояния от устья скважины до уровня це­ментного раствора в заколонном пространстве, то необходимо плотность буферной жидкости выбирать из соотношения

Pр<Рб<Рц.р (16)

Плотность цементного раствора Рц.р. выбирается на 200-250 кг/м³ больше плотности бурового раствора Рр. Плотность буферной жидкости регулируется путем изменения концентрации водорастворимых солей.

Высота столба буферной жидкости в заколонном пространстве h₆ обычно принимается равной 150-220 м, что оказывается вполне достаточ­ным для обеспечения хорошего качества цементирования.

Расчетная схема одноступенчатого цементирования показана на рис. 4.

Высота столба бурового раствора за колонной:

Hp=H-(H_ц + h₆). (17)

Требуемый объем цементного раствора:

V_ц = π/4 (18)

где К₁ - коэффициент заполнения каверн, K₁=l,15; d₁ - наружный диаметр обсадных труб; d₂ - внутренний диаметр обсадных труб.

схема одноступенчатого цементирования

Требуемая масса сухого цемента

(19)

где m - водоцементное отношение; К₂ - коэффициент, учитывающий по­тери.

При цементировании скважин используются цементные растворы с m-0,4-0,5. Водоцементное отношение для получения цементного раство­ра заданной плотности определяется из выражения

(20)

Количество воды для приготовления расчетного объема цементного раствора

V_в = q_вG_ц (21)

Требуемый объем продавочного раствора

(22)

где - коэффициент сжимаемости бурового раствора, =1,04; Vм -вместимость манифольда.

Если обсадная колонна составлена из труб с различной толщиной стенок, то объем продавочной жидкости находят как сумму объемов ин­тервалов обсадных труб с одинаковой толщиной стенок.

Максимальное давление перед посадкой верхней пробки на упорное кольцо.

P_max= P₁+P₂ (23)

где P₁ - давление, создаваемое за счет плотности жидкости в затрубном пространстве и в трубах

(24)

Р2 - давление, необходимое для преодоления гидравлических сопро­тивлений, находится по формуле Шишенко-Бакланова

(25)

Далее находят число цементировочных агрегатов из условия обеспе­чения определенной скорости течения цементного раствора в кольцевом пространстве в:

если в скважине возможно поглощение, то скорость восходящего по­тока vB принимается равной скорости течения бурового раствора в коль­цевом пространстве за УБТ в процессе последнего рейса;

если поглощение отсутствует, то в за кондукторами и промежуточ­ными колоннами берется равной не менее 1,5 м/с, а для эксплуатацион­ных колонн не менее 1,8-2,0 м/с.

Требуемая подача цементировочных агрегатов

(26)

где F3 - площадь затрубного пространства, м²

(27)

Подача и давление, развиваемое цементировочными агрегатами, приводятся в табл.5

Тогда число требуемых цементировочных агрегатов

(28)

где Qi - производительность цементировочного агрегата на i-й скорости (так как продавливание, как правило, начинается на максимально воз­можной скорости), дм³/с.

Находят необходимое число цементосмесительных машин

(29)

где рн - насыпная масса цемента, т/м3; V_бун- вместимость бункера цемен-тосмесительной машины 2СМН-20.

Определяется продолжительность цементирования по формуле

(30)

Пример 5.

Решение. Определяем высоту столба буферной жидкости по формуле (14), предварительно найдя коэффициент аномальности по формуле (15):

Кa = 25/(0,01 • 1900) = 1,32.

В качестве буферной жидкости принимаем водный раствор солей NaCl плотностью 1080 кг/м3, тогда

Принимаем h₆=2 10м.

Определяем высоту столба бурового раствора за колонной (см. формулу 17)

h_p =2000 -(1500 + 210) = 290м.

Находим требуемый объем цементного раствора по формуле (18)

V_ц =0,8[l,15(0,320² -0,273²)-1500 + 0.255² -20]= 38,4м3.

Требуемая масса сухого цемента по уравнению (19)

G_ц = 3 8,4 • 1860 • 1 /(l + 0,5)1,05 = 50 000 кг = 50 т.

Количество воды для приготовления расчетного объема цементного раствора по формуле (21)

V_в =0,5-50 = 25 м³.

Требуемый объем продавочного раствора; приняв вместимость манифольда, V_м=0,8 м3.

V_пр = 1,04 • 0,8 • 0.255² (2000 - 20) + 0,8 = 108,0 м³.

Определяем максимальное давление перед посадкой верхней пробки на упорное кольцо (см.формулы 24 и 25)

Р₁ = 0,01[290 • 1350 + 210 • 1080 +1500 • 1860 - (2000 - 20) -1350 - 20 • 1860] = = 7,0 МПа;

Р₂ = 0,001 • 2000 + 0,8 = 2,8 МПа .

где р₁ - давление, создаваемое за счет разности плотности жидкости в затрубном пространстве и в трубах; р₂ - давление, необходимое для пре­одоления гидравлических сопротивлений.

Окончательно p_max=7,0+2,8=9,8 МПа.

Принимаем Vв=1,8 м/с и находим требуемую подачу цементировоч­ных агрегатов для обеспечения этой скорости: [см. форулы (26) и (27)]

Тогда Q=0,024*1,8=0,044 м³/с=44 дм³/с.

Для цементировочного агрегата ЦА-320М производительность на III скорости Q_ш=8,7 дм³/с при диаметре втулки 125 мм, а давление р_ш=10,7 МПа, т.е. заданный режим (по давлению) обеспечится при использовании этого цементировочного агрегата.

Число требуемых цементировочных агрегатов по формуле (28)

Принимаем шесть агрегатов ЦА-320 М.

Находим необходимое число цементосмесительных машин, [форму­ла (29)]

M_ц.с.м.=50/(14,5*1,21; = 2,5).

Принимаем M_ц.с.м. =3.

Определяем число цементировочных агрегатов при закачке буфер­ной жидкости объемом

V_б = 0,8(0,32² - 0,273²)* 210 = 5,04 м³.

Вместимость одного мерного бака ЦА-320М составляет 6,4 м³. По­этому для закачки буферной жидкости принимаем один цементировочный агрегат .

Число цементировочных агрегатов при закачке цементного раствора n₂=2m=2*3=6.

Так как V_ц<V_пр, то гидравлические сопротивления будут меньше рас­четных (Р_мах=9,8 МПа).

Тогда для обеспечения производительности 44 дм³/с можно взять Q_IV=13,3 дм³/с. Суммарная производительность смесительных машин обеспечит полученную подачу агрегатов.

Предусматриваем закачивание 0,98 объема продавочного раствора с помощью n-1=6-1=5 агрегатов (ЦА-320М) при подаче Q_III=8,7 дм³/с. Ос­тавшиеся 0,02 объема продавочного раствора будут закачиваться одним агрегатом при Q_III=8,7 дм3/с, что необходимо для ловли момента «стоп» -момента посадки верхней разделительной пробки на упорное кольцо.

Продолжительность цементирования по формуле (30)

Выбираем тампонажный цементный раствор для цементирования об­садной колонны, характеризующийся началом загустевания:

Принимаем тампонажный раствор на основе портландцемента по ГОСТ 1581-78 со следующими показателями: растекаемость (при водоцементном отношении m=0,5) 18 см; начало схватывания - не ранее 2 ч; ко­нец схватывания - не позднее 10 ч.

Пример 6. [13] Провести расчет одноступенчатого цементирования при следующих условиях: диаметр обсадной колонны (хвостовика) - 114 мм; хвостовик спущен на глубину 3460 м на 89 мм бурильных трубах; диаметр предьщущей обсадной колонны - 178 мм; диаметр скважины (долота) - 151 мм; высота цементного раствора за колонной - 860 м; плотность цементного раствора - 1860 кг/м3; плотность бурового раствора - 900 кг/м3; плотность буферной жидкости - 1080 кг/м3; высота цементно­го стакана - 10 м; пластовое давление - 15 МПа; расстояние до продук­тивного горизонта - 3030 м.

Решение. Выбираем высоту буферной жидкости в затрубном про­странстве Аб=150м.

Определим высоту бурового раствора в затрубном пространстве

Отсюда

Определим требуемую массу сухого цемента.

Определим объем воды для приготовления цементного раствора

V_в =0,5-10,4 = 5,2 м3.

Определим требуемый объем продавочной жидкости Ал

(32)

(33)

Для стали группы прочности Д [Qр]=0,86 МН

Условие [Qp]>Qp (0,86 МН>0,631 МН) выполнено, следовательно, на этих трубах можно спускать хвостовик.

Определим максимальное давление перед посадкой верхней пробки на упорное кольцо:

Р₁ = 0,01(900 • 2450 +1080 • 150 +1860 • 860 -10 • 1860 - 900 • 3450) = = 8,43МПа

Р₂ = 0,001 • 3460 + 0,8 = 4,26 МПа,

Рмах = 8,43 + 4,26 =12,69 МПа

Определим число цементировочных агрегатов п для закачки продавочной жидкости:

где 0,164 м - внутренний диаметр предыдущей колонны (D2=173 мм); D₁ -наружный диаметр «хвостовика», D₁ =0,114 м.

Отсюда Q=l,8*0,109=0,0196= 19,6 дм³/с.

Выбираем цементировочный агрегат ЦА-320М. При диаметре втулок 115 мм на IV скорости Q_IV=10,7 дм³/с; p=8,7 МПа.

Число агрегатов

Определим требуемое число цементосмесительных машин m. Выби­раем машину 2СМН-20, у которой Vбунк=14,5 м³.

Тогда m =10 425/(14,5* 1210)=1, где 1210 кг/м³ - насыпная масса це­мента р_u.

Определим число цементировочных агрегатов для закачки буферной жидкости:

(34)

где D₂ - внутренний диаметр предьщущей обсадной колонны, м; D_б.т -диаметр бурильных труб, на которых спущен хвостовик, м; V_б - прокачи­ваемый объем буферной жидкости,

Вместимость одного мерного бака ЦА-320М составляет 6,4 м³, по­этому для закачки буферной жидкости выбираем один агрегат.

Определим число агрегатов для закачки цементного раствора n=2m=2*l=2.

Предусматриваем закачивание 0,98 % объема продавочного раствора с помощью двух (n-1=3-1=2) агрегатов (ЦА-320М) при подаче (Qiv=10,7 дм³/с. Оставшиеся 0,02 % объема продавочного раствора будут закачи­ваться одним агрегатом при подаче Q_III=7 дм³/с, что необходимо для лов­ли момента посадки верхней пробки на упорное кольцо «стоп».

Определим продолжительность цементирования по формуле (30)

Выбираем цементный раствор для цементирования хвостовика, ха­рактеризующийся началом загустевания t_з=t_ц/0,75=35/0,75=47 мин.

Принимаем цементный раствор на основе портландцемента + 20 % глиноземистого цемента + вода + понизители плотности со следующими характеристиками: растекаемость Р=14 см; начало схватывания К_схв=l,5 ч, конец схватывания Ксхв =3 ч, ожидание затвердения цемента (ОЗЦ)=8 ч.

Буровой раствор не утяжеленный, на основе дистиллятных нефте­продуктов, стабилизированный натриевым мылом окисленного петролатума (2-5 %), окисленного битума (15-25 %), битума (10-20%), 0,7-1,5 % едкого натра, 1-5 % воды, остальное до 100 % - нефтяная основа. Таким раствором вскрываем продуктивный пласт с р_p=900 кг/м3.

Пример 7. Для приготовления цементного раствора используется цемент плотностью р_ц=3150 кг/м3 и пресная вода. Определить водоце­ментное отношение для получения цементного раствора плотностью p_ц.р.=1870 кг/м3 и количество сухого цемента для приготовления 1 м³ це­ментного раствора.

Решение. Подставляем исходные данные в уравнение (20)

Количество сухого цемента для приготовления 1 м3 цементного рас­твора при водоцементном отношении m=0,466 находим по формуле

Количество сухого цемента при заданных m и плотности цементного раствора р_ц.р. из уравнения: