Расчет расхода материалов
Рассчитаем объемы и количество материалов для приготовления цементных растворов.
Объем облегченного цементного раствора:
V оцр = 0,785{(D¢ в2 - D н2)(Н О – h) + [(a×D д)2 - D н2](Н Ц- Н О)} =
= 0,785{(0,2192 - 0,1402)(800 -0) + [(1,05 × 0,1905)2 - 0,1402](2400- 800)} = 43,44 м3
Примем, что для приготовления облегченного цементного раствора используется глиноцементная смесь (гельцемент) с применением бентонитового глинопорошка при водосмесевом отношении 0,7.
Тогда количество глиноцементной смеси, необходимой для приготовления 1 м3 облегченного цементного раствора определится как:
q = rоцр/(1 + m) = 1570/(1 + 0,7) = 923,5 кг/м3
Доля облегчающей добавки (резиновая крошка) в тампонажной смеси составит: а = {[ r ц r д(1/ q - 10-3 m)] - r д}/(r ц - r д) = {[3100 × 1400(1/923,5 - 10-3×0,7)] – 1400}/(3100 - 1400) = 0,154
Количество тампонажной смеси для приготовления всего объема облегченного цементного раствора:
G тс = k ц qV оцр×10-3 = 1,03 × 923,5 × 43,44×10-3 = 41,32 т,
В том числе:
- портландцемента:
G ц = (1 - а) G тс = (1 – 0,154) 41,32 = 34,96 т;
- облегчающей добавки:
G д = а G тс = 0,154 × 41,32 = 6,36 т
Объем воды для приготовления облегченного цементного раствора:
V в = kвm G тс = 1,05 × 0,7 × 41,32 = 30,37 м3
Объем цементного раствора нормальной плотности:
V цр = 0,785 {[(a×D д)2 - D н2](Н – Н Ц) + D В2 h ст} =
= 0,785{[(1,05×0,1905)2 - 0,1402](2700- 2400) + 0,1332×10} = 4,95 м3
Расход цемента для приготовления 1 м3 цементного раствора (при водоцементном отношении 0,5):
q = r цр/(1 + m) = 1810/(1 + 0,5) = 1206,6 кг/м3
Количество цемента для приготовления расчетного объема цементного раствора:
G ц = k ц qV цр×10-3 = 1,03 × 1206,6 × 4,95×10-3 = 6,15 т
Объем воды для пориготовления цементного раствора нормальной плотности:
V в = k в mG ц = 1,05 × 0,5 × 6,15 = 3,23 м3
Объем продавочной жидкости составит:
V пр = k cж 0,785 D Вср2 (L - h ст) = 1,03 × 0,785 × 0,1332 (2700 - 10) = 38,43 м3
Поскольку считается, что для обеспечения надежного разделения бурового и тампонажного растворов в процессе цементирования необходимо создавать в затрубном пространстве столб буферной жидкости высотой не менее 150-200 м, принимаем высоту столба буферной жидкости 200 м. Объем буферной жидкости составит:
V БЖ = 0,785 [(aD д)2 - D н2] h БЖ = 0,785[(1,05×0,1905)2 - 0,1402]× 200 = 3,2 м3
Гидравлический расчет цементирования
Для выбора типа цементировочных агрегатов рассчитаем максимальное давление на устье скважины в конце цементирования, его гидростатичекую и гидродинамическую составляющие.
Гидростатическая составляющая давления на устье в конце цементирования:
Р СТ = 10-6 g [(ρ оцр - ρ пр)(Н Ц –h) + (ρ цр - ρ пр)(Н - Н Ц - h ст)] =
= 10-6× 10[(1570 - 1240)(2400-0) + (1810 - 1240)(2700 - 2400 - 10)] = 9,573 МПа
Суммарная производительность цементировочных агрегатов, участвующих в продавке цементного раствора для обеспечения турбулентного режима течения жидкости в затрубном пространстве (w кп = 1,8 м/с) должна составлять:
Q å = 0,785[(a×D Д) 2 – D Н2] w кп = 0,785[(1,05×0,1905)2 - 0,1402]1,8 = 0,0288 м3/с
Потери давления в трубах и кольцевом пространстве составят:
Р ТР = 0,826 l т ρ пр LQ 2 10- 6 / D ВСР5 = 0,826 × 0,025 × 1240 × 2700 × 0,02882× 10- 6 /0,1335 = 1,38 МПа
Р КП = 0,826 l кп ρ цр LQ 2 10- 6 /[(a D С – D Н)3× (a D С + D Н)2]=
= 0,826×0,035×1596.6 ×2700 ×0,02882× 10- 6/[(1,05×0,1905 - 0,140)3× (1,05×0,1905 + 0,140)2] = 4,14 МПа
ρ цр ср = (1570 ×2400 + 1810 ×300)/2700 = 1596,6 кг/м3
Гидродинамическая составляющая давления на устье (примем Р ОБ = 0,5 МПа):
Р ДИН = Р ТР + Р КП + Р ОБ = 1,38 + 4,14 + 0,5 = 6 МПа
Максимальное давление на устье в конце цементирования составит:
Р МАХ = Р СТ + Р ДИН = 9,573 + 6 = 15,6 МПа
По величине этого давления выбираем тип цементировочных агрегатов - ЦА 320.
Возможные режимы работы ЦА 320 для преодоления Р МАХ
| Номер режима | Диаметр втулок, мм | № скорости (передачи) | Развиваемое давление, МПа (РЦА) | Производительность, м3/с (q ца) |
| III | 0,0048 | |||
| II | 0,0032 | |||
| II | 0,0043 |
Исходя из анализа данных табл., по максимальной производительности цементировочного агрегата для закачки продавочной жидкости в конрце цементирования принимаем режим № 1.
Количество ЦА, участвующих в продавке цементного раствора, определится из выражения:
n ца = Q å / q ца = 0,0288/0,0048≈ 6
В соответствии с принятым типом цементировочного агрегата выбираем тип цементосмесительных машин - 2СМН-20, т.к. водоподающий насос для приготовления цементного раствора находится на ЦА 320, а на смесительной машине 2СМН-20 его нет.
Количество смесительных машин для размещения глиноцементной смеси:
n см = G тс/(m н × V б) = 41,32 /(1,2 × 14) ≈ 3
Количество смесительных машин для размещения цемента:
n см = G ц/(m н × V б) = 6,15/(1,4 × 14) ≈ 1
На основании проведенных расчетов принимаем следующую схему обвязки цементировочной техники:
- на приготовлении и закачке облегченного цементного раствора - 3 смесителя и 3 ЦА 320.;
- на приготовлении и закачке цементного раствора нормальной плотности – 1 смеситель и 1 ЦА 320;
- на закачке продавочной жидкости – 6 ЦА 320.;
- на продавке и посадке разделительной пробки – 1 ЦА 320.
Общее количество цементировочной техники: 2СМН 20 – 4 шт, ЦА 320. – 6 шт.
Расчет продолжительности цементирования
В начале закачки цементного раствора в колонну ЦА преодолевают только гидравлические сопротивления в трубах и кольцевом пространстве. Рассмотрим возможность работы ЦА при закачке облегченного цементного раствора на IV скорости (q цаIV = 0,0086 м3/с). Для этого рассчитаем гидравлические сопротивления:
Р ТР = 0,826 l т ρ пр LQ 2 10- 6 / D В5 = 0,826 × 0,025 × 1240 × 2700 × (3 × 0,0086)2× 10- 6 /0,1335 = 1,1 МПа
Р КП = 0,826 l кп ρ цр LQ 2 10- 6 /[(D С – D Н)3/(D С + D Н)2]=
=0,826×0,025×1596,6 × 2700 × (3 × 0,0086)2× 10- 6 /[(1,05×0,1905 - 0,140)3(1,05×0,1905+ 0,140)2] = 2,37 МПа
Гидродинамическая составляющая давления на устье (примем Р ОБ = 0,5 МПа):
Р ДИН = Р ТР + Р КП + Р ОБ = 1,1 + 2,37 + 0,5 = 4 МПа
Это давление агрегат ЦА 320 преодолевает на IV скорости при диаметре втулки 100 мм (РЦА = 9 МПа). Поэтому принимаем, что закачка всего объема цементных растворов будет производиться на IV скорости.
Тогда время закачки облегченного цементного раствора составит:
Т Зоцр = V оцр/ (n ца× q ца×60) = 43,44 / (3 ×0,0086 × 60) = 28,06 мин
Время закачки цементного раствора нормальной плотности:
Т Зцр = V цр/ (n ца× q ца×60) = 5,19 / (1 × 0,0086× 60) = 10,05 мин
Общее время закачки цементных растворов составит:
Т З = Т Зоцр + Т Зцр = 28,06 + 10,05 = 28,12 мин
Продавка цементного раствора в затрубное пространство (закачка продавочной жидкости) обычно начинается на той же скорости работы цементировочных агрегатов, на которой производилась закачка в обсадную колонну. По мере выхода цементного раствора в затрубное пространство давление на устье скважины возрастает и приходится агрегаты переключать на пониженную скорость работы.
Определим глубину, на которую может быть закачена продавочная жидкость в обсадную колонну при работе ЦА на IV скорости:
F КП L 106 F КП(Р ЦА i – P ДИН i) LF ТР - V цр
h IV = -------------- + ----------------------------- + --------------- =
F ТР + F КП g (F ТР + F КП)(ρ цр - ρ р) F ТР + F КП
0,025 × 2700 106× 0,025(9 – 4) 2700×0,02 – 48,63
= ------------------- + ----------------------------------- + ----------------------- 2106,7= м
0,02 + 0,025 10(0,02 + 0,025)(1810-1240) 0,02 + 0,025
Объем продавочной жидкости, закачиваемой на IV скорости:
V пр IV = 0,785 D В2 h IV = 0,785 × 0,1332 × 2106,7 = 29,25 м3
Примем объем продавочной жидкости, закачиваемой при посадке разделительной пробки на «стоп» кольцо равным 1,5 м3.
Тогда объем продавочной жидкости, закачиваемой на III скорости составит:
V пр III = V пр - V пр IV - V стоп = 38,43 – 29,25 – 1,5 = 7,68 м3
Время закачки продавочной жидкости:
- на IV скорости:
t пр IV = V пр IV/ (n ца× q цаIV ×60) = 29,25 / (6 × 0,0086× 60) = 9,45 мин
- на III скорости:
t пр III = Vпр III/ (n ца× q цаIII ×60) = 7,68 / (6 × 0,0048 × 60) = 4,55 мин
при посадке продавочной пробки:
t стоп = Vстоп / (q цаII ×60) = 1,5 / (0,0025 × 60) = 10 мин
Общее время продавки составит:
Т пр = å t пр i + t стоп = 9,45+ 4,55 + 10 = 24 мин
Общее время цементирования эксплуатационной колонны:
Т Ц = Т З + Т ПР+ Т ТНО = 28,12 + 24 + 10 = 62,12 £ 0,75 × 140 = 105 мин
Следовательно, продолжительность цементирования удовлетворяет требованиям правил безопасности.
Проверка ствола скважины на гидроразрыв
В расчетах цементирования необходимо также проверить ствол скважины на гидроразрыв. Проверке должен подлежать наиболее слабый к гидроразрыву пласт, имеющийся в открытом стволе. В данном примере наиболее слабый пласт по ГРП находится на глубине 2625 м, давление ГРП Р ГРП = 41,5 МПа.
Наибольшее давление на стенки скважины (Р С) возникает в период окончания подъема цементного раствора в затрубном пространстве на заданную высоту.
Гидростатическая составляющая давления:
Р СТ =10-6 gρцр ср Н ПЛ = 10-6 × 10 ×1596,6× 2625 = 41,91 МПа
Р СТ =10-6 g[ρр h + ρ цр (Н ПЛ -h)] = 10-6 × 10 [1240 ×0 + 1570(2625-0)] = 41,21 МПа
Гидродинамическая составляющая давления:
Р ДИН= Р КП¢ = 0,826 l кп ρ оцр Н ПЛ Q 2 10- 6 /[(D С – D Н)3/(D С + D Н)2]=
=0,826×0,035×1570 × 2625 × (3 × 0,0086)2× 10- 6 /[(1,05×0,1905 - 0,140)3(1,05×0,1905 + 0,140)2] = 3,17 МПа
Давление в скважине на наиболее слабый продуктивный пласт составит:
Р С = Р СТ + Р ДИН = 41,91 + 3,17 = 45,08 МПа
Допустимое давление на пласт:
Р ДОП = Р ГРП/ k Б = 41,5/1,2 = 34,58 МПа
Из приведенного расчета следует, что в процессе цементирования давление в скважине у пласта больше допустимого, следовательно, будет происходить гидроразрыв пласта и поглощение цементного раствора. Необходимо пересмотреть технологию цементирования или рассмотреть возможность применения облегченных тампонажных растворов. В этих же условиях могут быть предусмотрены меры по укреплению стенок скважины в ходе подготовки ствола к спуску и цементированию обсадной колонны (кольматация, химобработка, механические и другие средства).