Проект бурения и крепление эксплуатационной скважины на газ на Песчаной площади Краснодарского края

     2.5. Цементирование скважины 

     Исходные  данные 

     При расчете цементирования скважин  определяют: 1) количество сухого цемента; 2) количество воды для затворения цементного раствора; 3) количество продавочной жидкости; 4) возможное максимальное давление к концу цементирования; 5) допустимое время цементирования; 6) число цементировочных агрегатов и цементосмесительных машин.

     Произведем  расчет одноступенчатого цементирования каждой из обсадных колонн. 
 
 
 
 
 

     Таблица 2.2

     Исходные  данные для цементирования

	Направление	Кондуктор	Эксплуатационная  колонна (инт. 3000 – 3160)
Глубина спуска (Н, м)	30	850	3160
Диаметр долота (D, мм)	393,7	295,3	215,9
Наружный  диаметр обсадных труб (d1, мм)	324	245	146
Внутренний  диаметр обсадных труб (d2, мм)	305,9	230,5	133
Высота  подъема цементного раствора (Нц, м)	350	850	3160
Плотность глинистого раствора (ρр, кг/м3)	1100	1100	1200
Плотность цементного раствора (ρц, кг/м3)	1860	1860	1860
Высота  установки кольца «стоп» от забоя (h, м)	5	20	20

 
 

     2.5.1. Расчет объема цементного раствора 

     Объем цементного раствора, подлежащего закачке  в скважину, определяют по формуле:

     V_ц = (π/4)*[К₁*(D₂ – d₁²)*Н_ц + d₂²*h], м³

     где К₁ – коэффициент, учитывающий увеличение объема цементного раствора, расходуемого на заполнение каверн, трещин, и увеличение диаметра скважины против расчетного (номинального).

     

     Значение  коэффициента К₁ определяется по квернограмме для каждой конкретной скважины. Обычно К₁ изменяется от 1,1 до 2,5. В нашем случае принимаем К₁ = 1,15.

     Цементирование  направления и кондуктора будет  осуществляться с использованием чистого  портландцемента.

     Для лучшей прокачивамости тампонажной  смеси и для того, чтобы поднять  цементный раствор на проектную  высоту (до устья), а также с целью экономии портландцемента, эксплуатационная колонна в интервале 0 – 1500 м будет цементироваться цель-цементным раствором плотностью 1,42 г/см³ с использованием глины, как пластификатора. Отношение глины к цементу 2:3; водогельцементное отношение m = 1,1. Интервал 1500 – 3160 м будет цементировать раствором чистого портландцемента плотностью 1,85 г/см³; водоцементное отношение m = 0,5.

     Для колонны диаметром 324 мм:

     V_ц = 0,785*[1,15*(0,3937² – 0,324²)*30 + 0,3059²*5] = 2,02 м³

     Для колонны диаметром 245 мм:

     V_ц = 0,785*[1,15*(0,2953² – 0,245²)*850 + 0,2305²*20] = 13,63 м³

     Для колонны диаметром 146 мм:

     Интервал 0 – 1500 м:

     V_г.ц. = 0,785*[1,15*(0,2159² – 0,146²)*1500 + 0,133²*20] = 71,77 м³

     Интервал 1500 – 3160:

     V_ц = 0,785*[1,15*(0,2159² – 0,146²)*1660 + 0,133²*20] = 7,19 м³

     Общий объем цементного раствора для колонны: 71,77 + 7,19 = 78,96м³ 

     2.5.2. Расчет количества сухого цемента 

     Количество  сухого цемента для приготовления  цементного раствора определяют из выражения:

     Q_ц = ρ_ц*V_ц*1/(1+m),

     где m – водоцементное отношение;

     ρ_ц – плотность цементного раствора, кг/м³, ее можно рассчитать по формуле:

     ρ_ц = [(1+m)* ρ_с.ц.* ρ_в] / [ρ_в +m* ρ_с.ц.].

     где ρ_с.ц. – плотность сухого цемента, г/см³;

     ρ_в – плотность воды, г/см³.

     ρ_ц = [(1+0,5)* 3,15_.* 1] / [1 +0,5*3,15] = 1,85 г/см³.

     Для колонны диаметром 324 мм:

     Q_ц = 1420*2,02*1/(1+0,5) = 1912,27 кг = 1,91 т,

     Для колонны диаметром 245 мм:

     Q_ц = 1420*13,63*1/(1+0,5) = 12903,07 кг = 12,9 т,

     

     Для колонны диаметром 146 мм:

     Интервал 0 – 1500 м:

     Количество  гель-цементного порошка составит:

     Q _г.ц = 1420*71,77*1/(1+1,1) = 67942,27 кг = 67,94 т. (Цементного порошка: 40,76 т, глинопорошка: 27,17 т).

     Интервал 1500 – 3160 м:

     Q_ц = 1850*7,19*1/(1+0,5) = 8915,6 кг = 8,92 т,

     Общий объем цемента для колонны: Q_ц = 67,94 + 8,92 = 76,86 т.

     Количество сухого цемента, которое необходимо заготовить с учетом потерь при затворении цементного раствора, вычислим по формуле:

     Q_ц¹ = К₂*Q_ц,

     где К₂ – коэффициент, учитывающий наземные потери при затворении цементного раствора. Если затворение производится без цементно-смесительных машин, К₂ = 1,054-5-1,15, при использовании цементно-смесительных машин К₂ = 1,01. В нашем случае К₂ = 1,01.

     Для колонны диаметром 324 мм:

     Q_ц¹ = 1,01*1,91 = 1,93 т,

     Для колонны диаметром 245 мм:

     Q_ц¹ = 1,01*12,9 = 13,03 т,

     Для колонны диаметром 146 мм:

     Интервал 0 – 3000 м:

     Q_ц¹ = 1,01*67,94 = 68,62 т,

     Интервал 3000 – 3290 м:

     

     Q_ц¹ = 1,01*8,92  = 9 т,

     Общее количество сухого цемента с учетом потерь для колонны:

     Q_ц¹ = 68,62 + 9 = 77,62 т. 

     2.5.3. Расчет количества воды 

     Необходимое количество воды для приготовления цементного раствора 50%-ной консистенции находится из выражения:

     V_в = 0,5*Q_ц,

     Для колонны диаметром 324 мм:

     V_в = 0,5*2,5 = 1,25 м³.

       Для колонны диаметром 245 мм:

     V_в = 0,5*16,9 = 8,45 м³.

     Для колонны диаметром 146 мм:

     V_в = 1,1*67,94 + 0,5*8,92 = 79,19 м³. 

     2.5.4. Расчет количества продавочной жидкости 

     Потребное количество продавочной жидкости (в  качестве которой часто используют буровой глинистый раствор) определяется по формуле:

     V_пр = Δ*π*d₂²*(Н – h)/4,

     где Δ – коэффициент, учитывающий сжатие глинистого раствора (Δ = 1,03 – 1,05).

     Подставив значения, получим:

     Для колонны диаметром 324 мм:

     V_пр = 1,03*3,14*0,3059²*(35 – 5)/4 = 2,26 м³.

     Для колонны диаметром 245 мм:

     V_пр = 1,03*3,14*0,2305²*(850 – 20)/4 = 35,65 м³.

     

     Для колонны диаметром 146 мм:

     V_пр = 1,03*3,14*0,133²*(3160 – 20)/4 = 44,90 м³.

     Очень часто на практике для быстрого определения  V_пр пользуются следующей эмпирической формулой:

     V_пр = D_н²*Н₁/2,

     где  D_н – номинальный наружный диаметр колонны труб, спущенных в скважину, в дюймах;

     D_н²/2 – количество продавочной жидкости, необходимое для заполнения 1 м спущенных труб, л;

     Н₁ – глубина установки кольца «стоп», т.е. глубина продавки цементного раствора.

     Для эксплуатационной колонны:

     V_пр = 5*3270/2 = 40875 л = 40,88 м³. 

     2.5.5. Расчет давления при закачке 

     Максимальное  давление перед посадкой верхней  пробки на упорное кольцо определяется из уравнения:

     Р_max = Р₁ + Р₂,

     где Р₁ – давление, необходимое для преодоления сопротивления, обловленного разностями плотностей жидкости в трубах и затрубном пространстве;

     Р₂ - давление, необходимое для преодоления гидравлических сопротивлений.

     Р₁ = (1/10⁵)*[(Н_ц – h)*(ρ_ц – ρ_р)], МПа

     Величину  Р₂ обычно находят по эмпирическим формулам. Наиболее  распространенной является формула Шищенко-Бакланова; для скважин глубиной более 1500 м:

     Р₂ = 0,001*Н + 1,6 МПа.

     Для колонны диаметром 324 мм:

     Р₁ = (1/10⁵)*[(30 – 5)*(1420 – 1100)] = 0,08 МПа

     

     Р₂ = 0,001*30 + 1,6 = 1,63 МПа.

     Р_max = 0,08 + 1,62 = 1,7 МПа.

     Для колонны диаметром 245 мм:

     Р₁ = (1/10⁵)*[(850 – 20)*(1420 – 1100)] = 2,66 МПа

     Р₂ = 0,001*850 + 1,6 = 2,45 МПа.

     Р_max = 2,66 + 2,45 = 5,11 МПа.

     Для колонны диаметром 146 мм:

     Р₁ = (1/10⁵)*[(1500 – 20)*(1420 – 1100) + 1660*(1860 – 1200)] = 15,7 МПа

     Р₂ = 0,001*3160 + 1,6 = 4,76 МПа.

     Р_max = 15,7 + 5,26 = 13,73 МПа. 

     2.5.6. Расчет количества цементированных агрегатов 

     Число цементировочных агрегатов определяю, исходя из условия получения скорости подъема цементного раствора в кольцевом  пространстве у башмака колонны  в момент начала продавки (не менее 15 м/с для кондуктора и промежуточных колонн инее менее 1,8 – 2,0 м/с для эксплуатационных колонн); это условие вытекает из предположения, что увеличение скорости движения цементного раствора в затрубном пространстве способствует более полному вытеснению глинистого раствора и замещению его цементным.

     

     Часто ствол скважины искривлен, имеет  локальные расширения, а колонна  не строго сцементирована в нем. В  подобных случаях целесообразно  цементный раствор вытеснять  из колонны, поддерживая небольшую  скорость подъема цементного раствора в затрубном пространстве (ω = 0,1-0,4 м/с). Так же следует поступать и в том случае, если колонна хорошо центрирована, но создать турбулентный режим течения цементного раствора в затрубном пространстве невозможно. Так как продавка почти всегда начинается на высшей скорости (как правило, на IV), то количество агрегатов из условия обеспечения скорости (м. v/c) подъема цементного раствора в затрубном пространстве определяют по формуле:

     N_ц.а = [0,785*К₁*(D² – d₁²)*ω/Q^IV] + 1,

     где  Q^IV – производительность цементировочного агрегата на IV скорости, м³/с.

     Выбираем  цементировочный агрегат типа ЦА-320М  с установленными в его насосе 9Т цилиндровыми 127-мм втулками (с  этими втулками можно работать при  р_max в конце цементирования). Максимальная производительность при этом 0,9 м³/мин при давлении 6,1 МПа.