Книги, научные публикации
10. ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ СКВАЖИН 10.1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН Элементы оснастки обсадных колонн представляют собой комплекс устройств, применяемый для успешного спуска обсадных
колонн и качественного цементирования скважин, надежного разобщения пла стов и последующей нормальной эксплуатации скважин.
Башмак с направляющей насадкой предназначен для оборудования нижней части обсадной колонны в целях повышения ее проходимости по стволу скважины и предупреждения повреждения нижней трубы при посадках. Башмаки присоединяют к нижней части обсадной ко лонны на резьбе или сварке. Направляющие насадки в основном изго товляют из чугуна или бетона. В промежуточных колоннах при после дующем углублении ствола их разбуривают. Для обсадных колонн диаметром 351 мм и более в ряде случаев применяют башмаки с фас кой без металлических направляющих насадок в целях исключения работ по разбуриванию металла на забое.
Башмачный патрубок с отверстиями применяют в тех случаях, ко гда существует опасность забивания промывочных отверстий направ ляющей насадки.
Обратный клапан предназначен для предотвращения перетока бу рового или тампонажного раствора из заколонного пространства в об садную колонну в процессе крепления скважины. Его монтируют в башмаке обсадной колонны или на 10Ц20 м выше него.
Обратные клапаны изготовляют корпусными и бескорпусными. По виду запорного элемента они делятся на тарельчатые, шаровые и имеющие шарнирную заслонку.
По принципу действия различают три группы обратных клапанов:
1) исключающие перемещение жидкости из заколонного пространства в обсадную колонну при ее спуске в скважину;
2) обеспечивающие самозаполнение спускаемой обсадной колонны буровым раствором при определенном (задаваемом) перепаде давлений над клапаном и в заколонном пространстве, но исключающие возможность обратной циркуляции раствора;
3) обеспечивающие постоянное самозаполнение обсадной колонны раствором при спуске в скважину и позволяющие ее промывку методом обратной циркуляции, они включаются в работу после доставки запорного элемента клапана с поверхности в его кор пус.
Если возможны газонефтеводопроявления, но отсутствуют погло щения, то при креплении вертикальных и наклонно направленных скважин следует применять обратные клапаны соответственно первой и второй групп. При возможности поглощения и отсутствии проявле ния пластов целесообразно использовать клапаны третьей группы при креплении вертикальных и наклонно направленных скважин.
Упорное кольцо (кольцо "стоп") предназначено для получения чет кого сигнала об окончании процесса продавливания тампонажного раствора при цементировании скважины. Его изготовляют из серого чугуна и устанавливают в муфте обсадной колонны на расстояния 10 - 30 м от башмака.
Центраторы применяют для центрирования обсадной колонны в стволе скважины в целях равномерного заполнения кольцевого про странства тампонажным раствором и качественного разобщения пла стов. Кроме того, они облегчают процесс спуска обсадной колонны, уменьшая силу трения между обсадными трубами и стенками скважи ны, увеличивают степень вытеснения бурового раствора тампонажным вследствие образования локальных завихрений восходящего потока рас твора в зонах центраторов, а также облегчают работу по подвеске хво стовиков и стыковке секций обсадных колонн в результате центрирова ния их верхних концов.
Центраторы по конструкции делятся на разьемные и неразьемные, пружинные и жесткие, а по характеру закрепления пружинных планок - на сварные и разборные. Их обычно устанавливают в средней части каждой обсадной трубы, т.е. в местах наибольшего изгиба.
При креплении наклонно направленных скважин применение цен траторов обязательно.
Скребки используют для разрушения корки бурового раствора на стенках скважины при расхаживании обсадной колонны в процессе ее цементирования и образования прочного цементного кольца за обсад ной колонной. Проволочные скребки корончатого типа комплектуют упорным кольцом "стоп" с витым клином и устанавливают на обсад ной колонне рядом с центратором, выше и ниже каждого из них.
Турбулизаторы предназначены для завихрения восходящего потока тампонажного раствора в затрубном пространстве при це ментировании скважины. Их устанавливают на обсадной колонне в зонах расширения ствола скважины на расстоянии не более 3 м друг от друга. Лопасти турбулизаторов могут быть металлическими или рези новыми (резина покрывается двумя слоями кордной хлопчатобумажной ткани).
Муфты ступенчатого цементирования применяют для крепления скважин в тех случаях, когда возникает необходимость подъема там понажного раствора на большую высоту (до 3000 м и более). При ос нащении обсадных колонн указанными муфтами становится возмож ным цементирование скважин в две ступени, как с разрывом во време ни между ступенями, так и без него. В стволе скважин их рекоменду ется устанавливать в интервалах устойчивых непроницаемых пород и на участках, где отсутствуют уширения, каверны или желобообразова ния, а в наклонно направленных скважинах - также в вертикальной части ствола.
Разъединители хвостовиков и секций обсадных колонн предназна чены для безопасного спуска на бурильных трубах и для цементирова ния потайных колонн (хвостовиков) или секций обсадных колонн и последующего отсоединения от них бурильных труб. Разъединители делятся на резьбовые (левая резьба) и безрезьбовые, к которым отно сятся кулачковые, замковые и штифтовые разъединители. Разъедини тели оснащены внутренним пакерующим узлом для обеспечения цир куляции жидкости через башмак потайной колонны или секции обсад ной колонны после отсоединения обсадных труб от бурильных в разъ единителе и цементирования их. Наличие секционной разъединитель ной пробки в разъединителях позволяет в процессе цементирования потайных колонн или секций обсадных колонн разобщать тампонаж ный раствор и продавочную жидкость.
Подвесные устройства применяют для подвешивания хвостовиков или секции обсадных колонн в стволе скважины в целях предотвраще ния их изгиба от действия собственного веса. Глубинную подвеску потайных колонн или секций обсадных колонн при креплении сква жин производят тремя способами: на цементном камне, клиньях и опорной поверхности. Потайные колонны и секции обсадных колонн можно подвешивать на цементном камне в обсаженной и необсажен ной частях ствола без ограничений их длины, глубины скважины и кольцевых зазоров, но при обязательном подъеме тампонажного рас твора на всю длину цементируемой колонны.
Соединители секций обсадных колонн предназначены для глубин ной стыковки секций обсадных колонн и образования с их помощью сплошной обсадной колонны. Они подразделяются на устройства для соединения цементируемых и нецементируемых (съемных) секций обсадной колонны. Соединители должны обеспечить соосность соеди няемых секций, герметичность соединения секций обсадных колонн и проходимость по ним долот, инструментов и приборов.
Герметизирующие устройства применяют для герметизации верх ней части зацементированных потайных колонн или секций обсадных колонн. Они перекрывают кольцевое заколонное пространство.
Наружные пакеры для обсадных колонн применяют в целях качест венного разобщения и изоляции продуктивных горизонтов, близкорас положенных пластов с большим перепадом пластовых давлений, а также для предупреждения затрубных газонефтеводопроявлений. Они могут быть гидравлического или механического действия и срабаты вают после достижения давления "стоп" в конце процесса цементиро вания.
Заколонные гидравлические пакеры предназначены для разобще ния пластов - двухступенчатого и манжетного цементирования обсад ных колонн. Для предотвращения затрубных перетоков, газонефтево допроявлений и разрушения цементного кольца в процессе бурения скважины под эксплуатационную колонну применяют гидравлические пакеры для герметизации башмака обсадной колонны.
Разделительные цементировочные пробки используют для разоб щения тампонажного и бурового растворов, а также продавочной жид кости при цементировании обсадных колонн. Кроме того, их приме няют для получения сигнала об окончании процесса продавливания тампонажного раствора. Они делятся на нижние и верхние. Нижнюю пробку вводят в обсадную колонну непосредственно перед закачкой тампонажного раствора для предотвращения его смешивания с буро вым раствором;
верхнюю - после закачки тампонажного раствора и перед закачкой продавочной жидкости. При цементировании потай ных колонн и секций обсадных колонн используют верхние двухсек ционные пробки, состоящие из двух частей: нижней части, подвеши ваемой на средних калиброванных штифтах в обсадной трубе, соеди ненной с бурильной колонной, и верхней части, продавливаемой по бурильным трубам.
10.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИИ И ОБЪЕМА СТВОЛА СКВАЖИНЫ При бурении скважин, особенно наклонно направленных и горизон тальных, в результате взаимодействия со стенками ствола элементов бурильной колонны при продольном и поперечном перемещениях, вибрации, а также упругой деформации бурильного инструмента от сжимающих нагрузок и крутящих моментов в необсаженной части ствола скважины образуются выработки в виде желобов и каверн (уширения). Если ширина образовавшейся выработки a < 1,3dз (где dз - диаметр УБТ или бурильного замка), то ее считают желобом, а если a > 1,3dз - каверной или уширением. Под физико-химическим воздейст вием бурового раствора размеры ствола, в том числе и размеры желоба и каверны, могут существенно изменяться.
Для качественного выполнения ряда процессов при бурении и кре плении скважин требуется точное знание конфигурации и размеров поперечного сечения ствола. На основе этих данных определяют коли чество тампонажных материалов и буферной жидкости для цементи рования обсадных колонн и установки цементных мостов, жидкости для установки жидкостных ванн (нефть, вода, кислота, щелочь) и т.д.
Установлено, что определение поперечного сечения ствола по ре зультатам кавернометрии приводит к значительным ошибкам в расче тах требуемого количества указанных материалов [3]. Объясняется это тем, что вследствие конструктивных особенностей и заложенного принципа действия каверномера получаемое поперечное сечение ство ла скважины всегда имеет вид окружности. В действительности оно в зависимости от технико-технологических условий проводки скважин и физико-механических свойств горных пород может иметь различную форму. В связи с этим более совершенным считается определение конфигурации и объема ствола скважин по данным профилеметрии [3]. Профилемер позволяет за один рейс одновременно записать три кривые, две из которых характеризуют изменение двух поперечных размеров ствола во взаимно перпендикулярных плоскостях (профиле грамма), а третья - усредненный диаметр скважины (кавернограмма).
На рис. 10.1 приведены возможные варианты профилеграмм. При наличии желоба или каверны поперечное сечение ствола скважины характеризуется тремя параметрами: диаметром ствола (долота) D, шириной желоба или каверны а и наибольшим размером поперечного сечения ствола b (a и b определяются профилеметрией).
Если кривые профилеграммы a и b совпадают с линией номиналь ного диаметра ствола D, то поперечное сечение скважины представля ет собой окружность с диаметром, равным диаметру долота, т.е. Dс = D (рис. 10.1, 1).
Если кривые профилеграммы a и b сходятся и расположены правее линии номинального диаметра ствола D, то диаметр его поперечного сечения оказывается больше диаметра долота (каверна с поперечным сечением в виде окружности, рис. 10.1, 2). Размер каверны при этом увеличивается с ростом смещения кривых a и b от линии D вправо, а Dс = а = b > D.
Рис. 10.1. Виды поперечных сечений ствола скважины по данным профилеметрии Когда кривые профилеграмм a и b расходятся и находятся правее линии D, то поперечное сечение ствола представляет собой овал (ка верна в виде овала, рис. 10.1, 3);
при этом чем больше расходятся кри вые a и b относительно друг друга, тем более вытянутую форму имеет каверна этого вида.
Если кривая профилеграммы a сходится с линией D, а кривая b на ходится правее нее, то поперечное сечение ствола характеризуется наличием каверны шириной а = D (рис. 10.1, 4).
При расположении кривых профилеграмм a и b по разные стороны от линии D поперечное сечение ствола характеризуется наличием ка верны, если ширина а > 1,3dз (рис. 10.1, 5), либо наличием желоба (же лобной выработки), если ширина а < 1,3dз (рис. 10.1, 8, 9). При этом чем больше расходятся кривые a и b, тем значительнее глубина же лобной выработки или каверны в стенках ствола скважины.
В случаях, когда обе кривые профилеграммы расположены влево от линии D, поперечное сечение ствола характеризуется сужением и представляется в виде окружности с диаметром Dс = = D. При этом кривые профилеграммы сходятся (рис. 10.1, 6) либо расходятся (рис.
10.1, 7).
После расшифровки профилеграмму разбивают на участки, кото рые представлены желобными выработками, кавернами, сужениями и номинальным размером ствола. Далее определяют площадь и объем каждого участка ствола, а затем общий объем заколонного простран ства в интервале цементирования обсадной колонны.
Площадь поперечного сечения ствола каждого участка следует оп ределять с учетом всех параметров, характеризующих данное сечение.
Поскольку поперечное сечение стволов с желобом или каверной ха рактеризуется тремя параметрами D, а и b, то площадь поперечного сечения их следует определить с учетом этих трех параметров.
Площадь поперечного сечения и объемы стволов с желобами и ка вернами определяют по следующим формулам:
при a > D (см. рис. 10.1, 3) D + a D + a b - F = (D2 + a2 ) + ;
(10.1) 8 2 при а = D (см. рис. 10.1, 4) D F = + D(b - D). (10.2) При а < D площадь поперечного сечения ствола с каверной или жело бом определяется в зависимости от их глубины = b - D.
Если глубина каверны и желоба > к = 0,5( D2 - a2 - D + a) при a > dз (10.3) или глубина желоба > к = 0,5( D2 - dз - D + dз) при а dз, (10.4) то площадь поперечного сечения ствола с каверной (см. рис. 10.1, 5) и желобом (см. рис. 10.1, 8) a2 a DC F = D2 + + (4b - 2D - 2a - D2 - a2)-, (10.5) 4 2 4 где C1 = a2 + (D - D2 - a2).
(10.6) Если глубина желоба < к = 0,5( D2 - dз2 - D + dз), (10.7) то площадь поперечного сечения ствола (см. рис. 10.1, 9) D2 a F = + (2b - D - dз )- (С1D - C2dз ), (10.8) 4 4 где C2 = a2 + (2b - D - D2 - a2). (10.9) Площадь поперечного сечения ствола скважины для возможных случаев образования желобов и каверн (уширений) с достаточной для практических целей точностью может быть также определена по обобщенной упрощенной формуле D F = + a(b - D).
(10.10) Если поперечное сечение ствола представляет окружность или ха рактеризуется сужением (см. рис. 10.1, 1, 2, 6, 7), то его площадь опре деляется по формуле (10.11) F = Dc / 4.
Рис. 10.2. Примеры (1Ц4 ) профилеграмм по скважинам Для случаев поперечного сечения ствола в виде окружности с но минальным диаметром ствола (см. рис. 10.1, 1) или с сужением ствола (см. рис. 10.1, 6, 7) диаметр ствола принимается равным диаметру до лота (Dc = D). Если ствол скважины характеризуется каверной с попе речным сечением в виде окружности (см. рис. 10.1, 2), то Dc = a = b.
Тогда объем ствола скважины с различными поперечными сече ниями Fi и интервалами li находят из выражения V = F1l1 + F2l2 +...+ Fnln. (10.12) Ниже приведены примеры по определению площади поперечного сечения и объема ствола скважины для конкретных случаев и форм поперечного сечения скважины (рис. 10.2) по точным и упрощенной формулам в сопоставлении с методикой [3].
Пример 10.1. Определить площадь поперечного сечения F и объем ствола скважины V в интервале 625Ц715 м, представленном желобной выработкой (рис. 10.2, 1) при b = 615 мм, a = 234 мм, D = 394 мм и l = 90 м.
Р е ш е н и е. Ввиду того, что a > dз по формуле (10.3), 2 = 0,5( 394 - 234 - 394 + 234)= 78 мм, к = b - D = 615 - 394 = 221 мм.
Так как > к, поэтому пользуемся формулами (10.6) и (10.5):
2 2 C1 = 234 + (394 - 394 - 234 ) = 250 мм, 234 234 394 2 2 F = 0,785 + + (4 615 - 2 394 - 2 234 - 394 - 234 )- = 2 4 = 0,1706 м, откуда V = Fl = 0,170690 = 15,4 м3.
По упрощенной формуле (10.10) F = 0,785 394 + 234(615 - 394) = 0,1736 м2, тогда V = 0,173690 = 15,6 м3.
Погрешность при использовании упрощенной обобщенной формулы (10.10) по сравнению с точной (10.5) составляет всего лишь 1,3 %.
По методике [3] для этого интервала V = 18 м3, причем погрешность составляет 16, %.
Если в данном примере принять а = 180 мм, то по указанной методике объем ствола останется прежним, т.е. V = 18 м3. В действительности при этом площадь и объем ствола снизятся и составят F = 0,1594 м2 и V = 14,3 м3. Следовательно, погрешность в определе нии объема ствола по этой методике составит 25,9 %.
Для этого случая по обобщенной упрощенной формуле (10.10) F = 0,1616 м2, V = 4, м3, т.е. погрешность по сравнению с точной формулой (10.5) составляет 1,4 %.
Пример 10.2. Определить площадь поперечного сечения и объем ствола в интервале 3325Ц3395 м, характеризующемся наличием каверны (рис. 10.2, 4) при а = 295 м, b = 335 мм, D = 269 мм, l = 70 м.
Р е ш е н и е. По формуле (10.1) 3,14 269 + 295 269 + 335 - 2 F = (269 + 295 ) + = 0,0775 м2, 8 2 откуда V = 0,077570 = 5,4 м3.
По методике [3] для этого случая V = 6,3 м3, т.е. результат завышен на 16,7 %. Если для данного примера принять D = 214 мм, то по этой методике объем ствола останется прежним (V = 6,3 м3), т.е. будет завышен на 24 %, так как площадь поперечного сечения и объем ствола снизятся: F = 0,07262 м2 и V = 5,08 м3.
По упрощенной формуле (10.10) при D = 269 мм значения F = 0,07627 м2 и V = 5, м3, а при D = 214 мм имеем F = 0,07164 м2 и V = 5,02 м3, т.е. погрешность относительно точного метода составляет соответственно 1,8 и 1,2 %.
10.3. ВЫБОР ТАМПОНАЖНОГО МАТЕРИАЛА Тампонажные материалы применяются для крепления скважин, изоля ции зон поглощения бурового раствора и установки цементных мостов при испытании объектов на продуктивность.
Тампонажные материалы классифицируются по следующим признакам: по виду клинкера и составу основных компонентов;
по температуре применения;
по средней плотности тампонажного це ментного теста;
по устойчивости к воздействию агрессивных пласто вых вод;
по объемным деформациям при твердении.
По виду клинкера и составу основных компонентов тампонажные цементы подразделяются на следующие: тампонажные на основе порт ландцементного клинкера, тампонажные на основе глиноземистого клинкера, тампонажные бесклинкерные.
Тампонажные цементы на основе портландцементного клинкера по вещественному составу в зависимости от содержания и вида добавок подразделяют на тампонажный портландцемент бездобавочный, тампо нажный портландцемент с минеральными добавками и тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими свой ства цемента. Перед названием такого цемента добавляется наимено вание добавки.
По температуре применения (С) тампонажные цементы подразде ляются следующим образом:
для низких температур - ниже 15;
для нормальных температур - от 15 до 50;
для умеренных температур - от 50 до 100;
для повышенных температур - от 100 до 150;
для высоких температур - от 150 до 250;
для сверхвысоких температур - выше 250;
для циклически меняющихся температур.
Цементы по средней плотности тампонажного цементного теста (кг/м3) подразделяются следующим образом:
легкие - ниже 1400;
облегченные - от 1400 до 1650;
нормальные - от 1650 до 1950;
утяжеленные - от 1950 до 2300;
тяжелые - свыше 2300.
По устойчивости тампонажного камня к воздействию агрессивных пла стовых вод выделяют следующие виды тампонажных цементов:
цементы, к которым не предъявляют требований по устойчивости тампонажного камня к агрессивности пластовых вод;
устойчивые к сульфатным пластовым водам;
устойчивые к кислым (углекислым, сероводородным) пластовым водам;
устойчивые к магнезиальным пластовым водам;
устойчивые к полиминеральным пластовым водам.
По объемным деформациям тампонажного камня при твердении в водной среде в 3-суточном возрасте цементы подразделяют на сле дующие:
цементы, к которым требования не предъявляют;
безусадочные с расширением не более 0,1 %;
расширяющиеся с расширением более 0,1 %.
Сроки схватывания тампонажных цементов (ГОСТ 2581Ц85).
Начало схватывания должно наступать ранее:
2 ч для всех тампонажных портландцементов для низких и нор мальных температур;
1 ч 45 мин для всех тампонажных портландцементов для умерен ных и повышенных температур.
Конец схватывания тампонажных портландцементов для низких и нормальных температур должен наступать не позднее:
10 ч для тампонажных портландцементов ДО и Д20;
18 ч для облегченного и песчанистого.
Конец схватывания тампонажных портландцементов для умеренных и повышенных температур должен наступать не позднее:
5 ч для тампонажных портландцементов ДО и Д20;
8 ч для облегченного;
6 ч для утяжеленного и песчанистого.
Для цементирования скважин следует применять тампонажные ма териалы (табл. 10.1), удовлетворяющие требованиям соответствующих стандартов.
Тампонажные растворы для различных условий бурения состоят из тампонажного цемента, среды затворения, реагентов ускорителей и замедлителей сроков схватывания, реагентов-понизителей, показателя фильтрации и специальных добавок во избежание разрыва пород и поглощения, а также с целью лучшего вытеснения бурового раствора из кольцевого пространства.
По температурному интервалу, приведенному в табл. 10.2 [3, 7], отбирают одну или несколько марок цементов (уточняют марки це ментов по видам флюида и отложениям в интервале цементирования).
Когда интервал цементирования включает несколько температур ных зон, в раствор добавляют химические реагенты, чтобы верхняя пачка тампонажного раствора по срокам схватывания и твердения су щественно не отличалась от нижней пачки раствора, т.е. время ОЗ - должно быть одинаково по всему интервалу цементирования.
В этом случае для выполнения требований по успешной доставке тампонажного раствора в затрубное пространство скважины в задан ные сроки и для предупреждения осложнений, связанных с седимента ционными, контракционными и другими эффектами взаимодействия тампонажных растворов с породами, необходимо регулировать сроки схватывания растворов, которые без химических добавок интенсивно реагируют на изменение температурных условий.
Среду затворения выбирают по табл. 10.3 в зависимости от наличия солевых отложений в разрезе скважины или от степени минерализации пластовых вод.
Т а б л и ц а 10. Тампонажные цементы Цемент Марка Стандарт Портландцемент для скважин: ГОСТ 1581 - ПЦХ холодных ПЦГ горячих Утяжеленный портландцемент для скважин:
холодных УПЦХ горячих УПЦГ Песчанистый портландцемент для скважин:
холодных ППЦХ горячих ППЦГ Солестойкий портландцемент для скважин:
холодных СПЦХ горячих СПЦГ Низкогигроскопичный портландцемент для скважин:
холодных НПЦХ горячих НПЦГ Облегченный портландцемент для скважин: ТУ 21-20-36 - холодных ОПЦХ горячих ОПЦГ Шлакопесчаный совместного помола ШПЦС-120 ОСТ 30-017 - ШПЦС- Утяжеленный шлаковый УШЦ1-120 ОСТ 39-014 - УШПЦ2- УШПЦ1- УШПЦ2- Утяжеленный для горячих скважин УПГ-1 ТУ 39-01-08-535 - Облегченный для скважин:
холодных ОЦХ ТУ 39-01-08-Р46 - горячих ОЦГ ТУ 39-01-08-469 - Цементно-глинистые составы ЦГС - Тампонажный быстротвердеющий расширя- ЦТБР ТУ 21-32-61 - ющийся Цементно-смоляная композиция ЦСК - Для предотвращения преждевременного загустевания тампонажного раствора горизонтов необходимо снизить показатель фильтрации там понажного раствора.
Предпочтительность выбора того или иного тампонажного рас твора диктуется конкретными условиями бурения скважины.
Для обеспечения качественного цементирования существенное значение имеет правильная подготовка ствола скважины для спуска обсадной колонны до намеченной глубины.
Так, при шаблонировании ствола жесткой компоновкой (особенно при использовании трехшарошечных расширителей) во избежание воз никновения гидроразрыва пород и поглощения бурового раствора (что осложнит процесс последующего цементирования) следует ограничи вать скорость спуска бурильной колонны.
Т а б л и ц а 10. Правила выбора и рецептуры тампонажного раствора Плот- Водоце- Отложения в интервале Рекомендуемая температурная область Вид флюида ность мент- применения, С цементирования Марка тампо- ное от Минера- Прес Бишо Газоко цемента нажного ноше- 40 - 100 - 160 - Га- Суль лизация Ц2+15 15Ц10 фит ная Нефть Газ н раствора, ние, 100 160 250 лит фаты вода денсат < 400 мг/л г/см3 В/ - ПЦХ + 1,80Ц1,84 0,50 + + + + + + ПЦГ + 1,81Ц1,84 0,50 + + + + + УПЦХ + 1,95Ц2,10 0,36 + + + + + + УПЦГ + 1,95Ц2,10 0,36 + + + + + ППЦХ + 1,81Ц1,84 0,50 + + + + + + + ППЦГ + 1,81Ц1,84 0,50 + + + + + + СПЦХ + 1,81Ц1,84 0,50 + + + + + + + СПЦГ + 1,81Ц1,84 0,50 + + + + + + + НПЦХ + 1,81Ц1,84 0,50 + + + + + + НПЦГ + 1,81Ц1,84 0,50 + + + ОПЦХ + 1,55Ц1,65 0,80 + + + ОПЦГ + 1,55Ц1,65 0,80 + + + + + + ШПЦС-120 + 1,70Ц1,82 0,42 + + + + + + + + ШПЦС-200 + 1,78Ц1,82 0,40 + + + + + + + + УШЦ1-120 + 2,06Ц2,16 0,35 + + + + + + + УШЦ2-120 + 2,16Ц2,30 0,32 + + + + + + + УШЦ1-200 + 2,06Ц2,16 0,32 + + + + + + + + УШЦ2-200 + 2,16Ц2,30 0,32 + + + + + + + + УЦГ-1 + 2,06Ц2,16 0,32 + + + + + + + УЦГ-2 + 2,16Ц2,30 0,32 + + + + + + + ОЦГ + + 1,40Ц1,55 0,95 + + + + + + ЦГС + + 1,55Ц1,70 0,80 + + + + + + ИТБР + 1,85 0,42 + + + + + + + ОЦХ + + 1,45Ц1,55 0,90 + + + + + + ЦСК + 1,45Ц1,85 0,8Ц0,5 + + + + + + + П р о д о л ж е н и е т а б л. 10. Концентрация реагентов, % (от массы цемента) Время загусте Ускорители Понизители показателя Время Замедлители схватывания Rli Марка це- вания схватывания фильтрации Rli ОЗЦ, ч, мента раствора, не более СДБ БКК Хром мин, (не КМ - Гипан CaCl2 NaCl CaCO3 КМ - Гипан ПВС-ТР (ССБ) (СБК) пик более) ПЦХ - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,5Ц2 0,2Ц0,6 90 ПЦГ 0,1Ц0,5 0,1Ц0,8 0,1Ц0,8 0,3Ц0,5 0,1Ц0,5 - - - 0,5Ц2 0,5Ц2 0,5Ц2,0 90 УПЦХ - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 - 0,2Ц0,6 90 УПЦГ 0,1Ц0,5 0,1Ц0,8 0,1Ц0,8 0,3Ц0,5 0,1Ц0,5 - - - 0,5Ц2 - 0,5Ц2,0 90 ППЦХ - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,2Ц1 0,2Ц0,6 90 ППЦГ 0,1Ц0,5 0,1Ц0,8 0,1Ц0,8 0,3Ц0,5 0,1Ц0,5 - - - 0,5Ц2 0,2Ц1 0,5Ц1,0 90 СПЦХ - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,2Ц1 - 90 СПЦГ 0,1Ц0,5 0,1Ц0,8 0,1Ц0,8 0,3Ц0,5 0,1Ц0,5 - - - 0,5Ц2 0,2Ц1 - 90 НПЦХ - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,2Ц1 0,2Ц0,6 90 НПЦГ 0,1Ц0,5 0,1Ц0,8 0,1Ц0,8 0,3Ц0,5 0,1Ц0,5 - - - 0,5Ц2 0,2Ц1 0,5Ц2,0 90 ОПЦХ - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,5Ц2 0,5Ц2,0 90 ОПЦГ 0,1Ц0,8 0,1Ц0,8 0,1Ц0,8 0,3Ц0,5 0,1Ц0,5 - - - 0,5Ц2 0,5Ц2 0,5Ц2,0 90 ШПЦС-120 0,1Ц0,5 0,1Ц0,5 0,1Ц1,5 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 0,5Ц2 - 120 ШПЦС-200 0,3Ц0,5 0,4Ц1,5 0,1Ц1,5 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 - - 180 УШЦ1-120 0,1Ц0,5 0,1Ц1,5 - 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 - - 120 УШЦ2-120 0,1Ц0,5 0,1Ц1,5 - 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 - - 120 УШЦ1-200 0,1Ц0,5 0,4Ц1,5 - 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 - - 180 УШЦ2-200 0,1Ц0,5 0,4Ц1,5 - 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 - - 180 УЦГ-1 0,1Ц0,5 0,1Ц1,5 - 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 - 0,5Ц2 90 УЦГ-2 0,1Ц0,5 0,1Ц1,5 - 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 - 0,5Ц2 90 ОЦГ 0,3Ц0,8 0,1Ц1,5 0,1Ц1,5 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 0,5Ц2 0,5Ц2 90 ЦГС 0,3Ц0,8 0,1Ц1,5 0,4Ц1,5 0,4Ц1,5 0,1Ц1,0 - - - 0,5Ц2 0,5Ц2 - 140 ИТБР - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,5Ц2 0,5Ц2 60 ОЦХ - - - - - 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,5Ц2 0,5Ц2 60 ЦСК 0,1Ц0,5 0,3Ц0,5 0,3Ц0,5 0,3Ц0,5 0,1Ц0,5 1Ц3 1Ц3 1Ц3 0,5Ц2 0,5Ц2 0,5Ц2 90 Т а б л и ц а 10. Выбор среды затворения Концентрация Отложения Среда затворения соли, % Галит Насыщенный раствор хлорида натрия, = 1,19 г/см Бишофит Насыщенный раствор хлорида магния, = 1,27 г/см Сульфаты Техническая вода - Минерализованная вода То же - После спуска обсадной колонны буровой раствор должен быть вновь обработан и скважина промыта с максимально возможной пода чей насосов, но не выше допустимой.
Процесс подготовки ствола к креплению может быть полностью ис ключен, если диаметр долота и компоновку низа бурильной колонны для проходки скважины выбирать в зависимости от заданной допустимой интенсивности пространственного искривления ствола, диаметра и жест кости спускаемой колонны и средневзвешенного угла наклона незакреп ленного интервала (рис. 10.3) [4].
Диаметр долота при бурении под обсадную колонну выбирается из условия ее успешного спуска до забоя по методике ВНИИКРнефти:
m D = 3,36 104 (sin - cos /f ) + 0,1745i + d, EI (10.13) где m - масса 1 м обсадной трубы в жидкости, кг;
EI - жесткость труб обсадной колонны, Н/м2;
- средневзвешенный угол наклона незакре пленного интервала скважины, градус;
i - интенсивность пространст венного искривления скважины в том же интервале, градус/10 м;
d - диаметр обсадной колонны, м.
Жесткость обсадных труб можно найти из табл. 10.4.
Т а б л и ц а 10. Жесткость обсадных колонн Диаметр труб, мм Жесткость, 103 Н/м2 Диаметр труб, мм Жесткость,103 Н/м 140 1580 299 20 146 1865 324 27 168 3215 340 30 178 3820 351 34 194 5480 377 44 219 7650 407 57 245 10 400 426 64 273 15 000 478 93 Рис. 10.3. График для определения диаметра скважин под обсадную колонну (с учетом кривизны ствола):
1 - sinср = 0,05;
2 - sinср = 0,1;
3 - sinср = 0,2;
4 - sinср = 0, Пример 10.3. Протяженность интервала крепления 2000 м, отклонение от вертикали 600 м. Определить диаметр долота, которым обеспечивается проходимость 377-мм об садной колонны по стволу скважины.
Р е ш е н и е. Для указанного случая имеем следующее: EI = 44106 Н/м2;
m = 83, кг/м;
sin = 600/2000 = 0,3;
= 17,5;
cos = 0,9537;
f = 0,3.
Отсюда 83,1 0, 0,3 - D = 3,26 10 + 0,1745 1,5 + 0,377 = 0,462 м.
44 10 0, Следовательно, для бурения необходимо принять долото диаметром 490 мм. В том же случае, но при отклонении ствола в интервале крепления от вертикали на 300 м (sin = 0,15) достаточно будет применить для бурения долото диаметром 445 мм:
83,1 0, D = 3,26 10 (0,15 - ) + 0,1745 1,5 + 0,377 = 0,443 м.
44 10 0, Расчеты необходимого диаметра долота можно выполнять оперативно, используя рис 10.3.
Пример 10.4. Определить диаметр долота для следующих условий: протяженность интервала крепления 2000 м. Отклонение от вертикали 400 м (sin = 0,2);
средняя ин тенсивность искривления 2,5/10 м.
Р е ш е н и е. Определим по номограмме (см. рис. 10.3) диаметр долота, которым обеспечивается проходимость 273-мм колонны по стволу скважины. От точки на оси ординат, соответствующей диаметру обсадной колонны, проводим горизонтальную линию пересечения с линией, соответствующей sin = 0,2 в области средней интенсив ности искривления 2,5/10 м. Точка пересечения указывает, что диаметр долота должен быть не менее 346 мм.
10.5. СПОСОБЫ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ Цементирование скважин осуществляется с целью разобщения пластов при заполнении заданного интервала (см. гл. 2) заколонного простран ства скважины или участка обсадной колонны суспензией вяжущих материалов. От качества разобщения пластов в значительной степени зависит долговечность эксплуатации скважин на нефть и газ.
Наиболее распространен одноступенчатый способ цементирова ния, когда в заданный интервал подается тампонажный раствор за один прием. Кроме того, применяются еще несколько способов цемен тирования.
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 ко лонной, когда расчетные давления при прокачивании тампонажного рас твора больше давления, развиваемого цементировочными агрегатами;
наличие резко отличающейся температуры в нижней и верхней зонах ин тервала подъема тампонажного раствора;
невозможность доставки на бу ровую нужного количества тампонажной техники;
возможность возник новения больших давлений в процессе продавливания тампонажного рас твора.
Манжетное цементирование применяют, когда нет необходимости цементировать эксплуатационную колонну в зоне продуктивного го ризонта.
10.6. РАСЧЕТ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ При расчете одноступенчатого цементирования определяют: количе ство сухого тампонажного материала;
количество воды для затворе ния;
объем продавочной жидкости;
максимальное давление в конце процесса цементирования;
необходимое число смесительных машин и цементировочных агрегатов;
время, необходимое для проведения все го процесса цементирования.
Для повышения качества цементирования необходимо преду смотреть использование при цементировании буферной жидкости, которая выполняет следующие функции:
отделяет тампонажный раствор от промывочной жидкости и пре дотвращает образование густых трудно прокачиваемых смесей;
увеличивает полноту замещения промывочной жидкости тампо нажным раствором;
способствует разрушению фильтрационных глинистых корок на стенках скважины;
способствует лучшему сцеплению тампонажного раствора с гор ными породами, слагающими стенки скважины.
В качестве буферной жидкости широко используются вода и вод ные растворы солей (NaCl, CaCl и т.д.), щелочей (NaOH) и ПАВ (суль фонол).
Виды буферных жидкостей приведены в табл. 10.5.
Известно, что эффективность вытеснения промывочной жидкости водными растворами (буферной жидкостью) возрастает с увеличением плотности этих растворов.
В случае применения буферной жидкости с меньшей плотностью, чем у бурового раствора (б < р), объем этой жидкости выбирается из условия, чтобы гидростатическое давление столба в заколонном про странстве несколько превышало пластовое. Из этого условия находят, что высота столба буферной жидкости в заколонном пространстве описывается соотношением:
(р - kа в )zпл hб, (10.14) р - б где р, в, б - плотность соответственно бурового раствора, пресной воды и буферной жидкости;
kа - коэффициент аномальности, рпл рпл kа = = ;
(10.15) вgzпл 0,01gzпл Т а б л и ц а 10. 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 раство рами или когда ствол скважины цементируется нефте эмульсионными тампонажными растворами Утяжеленные (на солевой и Когда применение больших объемов легких жидкостей полимерной основах) 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 бурово го раствора со стенок скважины в интервале продуктив ного пласта Аэрированные При наличии в разрезе зон поглощений, затрудняющих цементирование при больших коэффициентах уширения ствола Эрозионные (водопесчаные) 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 огра ниченное применение из-за ряда недо- статков) zпл - расстояние от поверхности до продуктивного горизонта;
рпл - пластовое давление, МПа.
Если расчетное значение высоты столба буферной жидкости по формуле (10.14) будет больше расстояния от устья скважины до уров ня цементного раствора в заколонном пространстве, то необходимо плотность буферной жидкости выбирать из соотношения р < б < ц.р.
Плотность цементного раствора ц.р выбирается на 200 - 250 кг/м больше плотности бурового раствора р. Плотность буферной жидко сти регулируется путем изменения концентрации водорастворимых солей.
Высота столба буферной жидкости в заколонном пространстве hб обычно принимается равной 150Ц220 м, что оказывается вполне доста точным для обеспечения хорошего качества цементирования.
Рис. 10.4. Схема цементи рования обсадной ко лонны Пример 10.5. Провести расчет одноступенчатого цементирования при следующих условиях: обсадная колонна диаметром 273 мм спущена на глубину Н = = 2000 м;
диа метр скважины Dскв = 320 мм;
высота подъема цементного раствора за колонной Нц = 1500 м;
плотность бурового раствора р = 1350 кг/м3;
плотность цементного раствора ц.р = 1860 кг/м3;
упорное кольцо установлено на высоте 20 м от башмака колонны, т.е. высота цементного стакана h = 20 м;
объем цементного стакана Vц.с = 1,04 м3. Пластовое давле ние продуктивного горизонта рпл = 25 МПа;
расстояние от продуктивного горизонта zпл = 1900 м. Принята расчетная схема, приведенная на рис. 10.4.
Р е ш е н и е. 1. Определяем высоту столба буферной жидкости по формуле (10.14), предварительно найдя коэффициент аномальности по формуле (10.15):
k =25(0,011900)=1,32.
В качестве буферной жидкости принимаем водный раствор солей NaCl плотностью 1,080 кг/м3, тогда (1,35 - 1,32 1,0) hб = = 211,0 м.
1,35 - 1, Принимаем hб = 210 м.
2. Определяем высоту столба бурового раствора за колонной:
hр = Н - (Нц + hб) = 2000 - (1500 + 210) = 290 м.
3. Находим требуемый объем цементного раствора:
2 2 Vц = [K1 (D - d1 )H + d2 h], (10.16) ц где K1 - коэффициент заполнения каверн, K1 = 1,15;
d1 - наружный диаметр обсадных труб, d1 = 273 мм;
d2 - внутренний диаметр обсадных труб, d2 = 255 мм.
Получаем Vц = 0,8[1,15(0,3202 - 0,2732)1500 + 0,2552 20] = 38,4 м3.
4. Требуемая масса сухого цемента Gц = Vц ц K2, (10.17) 1 + m где m - водоцементное отношение, m = 0,5;
K2 - коэффициент, учитывающий потери, K = 1,05;
Тогда Gц = 38,4 1860 1 (1 + 0,5)1,05 = 50 000 кг = 50 т.
5. Количество воды для приготовления расчетного объема цементного раствора Vв = qвGц, (10.18) где qв - единичный расход воды на 1 т сухого цемента, qв = 0,5 м3/т.
Отсюда Vв = 0,550 = 25 м3.
6. Требуемый объем продавочного раствора:
d Vпр = (H - h) + Vм, (10.19) где - коэффициент сжимаемости бурового раствора, = 1,04;
Vм - вместимость мани фольда, Vм = 0,8 м3.
Тогда Vпр= 1,040,80,2552(2000 - 20) + 0,8 = 108,0 м3.
Если обсадная колонна составлена из труб с различной толщиной стенок, то объем продавочной жидкости находят как сумму объемов интервалов обсадных труб с одина ковой толщиной стенок.
7. Определяем максимальное давление перед посадкой верхней пробки на упорное кольцо по формуле рmax = р1 + р2, (10.20) где р1 - давление, создаваемое за счет разности плотности жидкости в затрубном про странстве и в трубах, р1 = 0,01[hрр + hбб + Нцц - hц - (H - h)р];
(10.21) р2 - давление, необходимое для преодоления гидравлических сопротивлений, находится по формуле ШищенкоЦБакланова р2 = 0,001Н + 1,6 МПа (при глубине скважины до 1500 м), (10.22) р2 = 0,001Н + 0,8 МПа (при глубине скважины более 1500 м).
Для нашего примера:
р1 = 0,01[2901350 + 2101080 + 15001860 - (2000-20)1350 - 201860] = 7,0 МПа;
р2 = 0,0012000 + 0,8 = 2,8 МПа.
Окончательно рmax = 7,0 + 2,8 = 9,8 МПа.
8. Находим число цементировочных агрегатов из условия обеспечения определен ной скорости течения цементного раствора в кольцевом пространстве vв:
а) если в скважине возможно поглощение, то скорость восходящего потока vв при нимается равной скорости течения бурового раствора в кольцевом пространстве за УБТ в процессе последнего рейса;
б) если поверхность поглощения отсутствует, то скорость vв за кондукторами и про межуточными колоннами берется равной не менее 1,5 м/с, а для эксплуатационных ко лонн не менее 1,8Ц2,0 м/с. Принимаем vв = 1,8 м/с и находим требуемую подачу цемен тировочных агрегатов для обеспечения этой скорости:
Q = Fзvв, (10.23) где Fз - площадь затрубного пространства, м2, Vц - Vст - 1, 38, Fз = = = 0,024 м2.
Н ц Тогда Q = 0,0241,8 = 0,044 м3/с = 44 дм3/с.
Для цементировочного агрегата ЦА-320М производительность на III скорости QIII = 8,7 дм3/с при диаметре втулки 125 мм, а давление рIII = 10,7 МПа, т.е. заданный режим (по давлению) обеспечится при использовании этого цементировочного агрегата (табл.
10.6).
Т а б л и ц а 10. Подача и давление, развиваемые цементировочными агрегатами Диаметр втулки, мм Тип агрегата Скорость 100 110 115(120) 125 ЦА-320М I 1,4/40 Ц/ - 1,7/32 2,3/24 Ц/ - II 2,5/32 Ц/ - 3,2/26 4,3/19 Ц/ - III 4,8/16 Ц/ - 6,0/14 8,7/10,7 Ц/ - IV 8,6/9 Ц/ - 10,7/8 14,5/6 Ц/ - 3ЦА-400А I Ц/ - 6,6/40 Ц/ - 8,8/30 11,2/ II Ц/ - 9,5/27 Ц/ - 12,6/21 16,1/ III Ц/ - 14,1/18 Ц/ - 18,6/14 23,8/ IV Ц/ - 19,5/13 Ц/ - 23,4/10 33,0/ 4АН-700 I 6,0/70 Ц/ - 9,0/47 Ц/ - Ц/ - II 8,3/51 Ц/ - 12,3/34 Ц/ - Ц/ - III 11,6/36 Ц/ - 17,3/24 Ц/ - Ц/ - IV 14,6/29 Ц/ - 22,0/19 Ц/ - Ц/ - Примечание. В числителе - подача Q в дм3/с, в знаменателе - давление p в МПа.
Тогда число требуемых цементировочных агрегатов Q n = + 1, (10.24) Q i где Qi - производительность цементировочного агрегата на i-й скорости (так как про давливание, как правило, начинается на максимально возможной скорости), дм3/с.
Тогда n = + 1 = 6,05.
8, Принимаем шесть агрегатов ЦА-320 М.
9. Находим необходимое число цементосмесительных машин:
m = Qц Vбун н, (10.25) где Vбун - вместимость бункера цементосмесительной машины, для цементосмеситель ной машины 2СМН-20 Vбун = 14,5 м3;
н - насыпная масса цемента, т/м3 (см. техническую характеристику машины 2СМН-20).
Тогда m =50(14,51,21)=2,5.
Принимаем m = 3.
10. Определяем число цементировочных агрегатов при закачке буферной жидкости объемом Vб = 0,8 (0,322 - 0,2732)210 = 5,04 м3.
Техническая характеристика машины 2СМН- Транспортная грузоподъемность, т................................................. 8 - Вместимость бункера, м3 14,.....................................................................
Производительность при изготовлении цементного раствора, л/с.......................................................................................................... Плотность приготовляемого раствора, г/см3:
цементного 1,7Ц2,............................................................................................ 1,9Ц2, цементно-песчаного 1,4Ц1,.......................................................................... 1,02Ц1, цементно-бентонитового 1,35Ц2,.................................................................
глинистого............................................................................................
утяжеленного глинистого...............................................................
Давление жидкости в линии к смесителю, МПа....................... 0,8-1, Смесительное устройство Вакуумно-гидравли.................................................................... ческое Вместимость одного мерного бака ЦА-320М составляет 6,4 м3. Поэтому для закачки буферной жидкости принимаем один цементировочный агрегат (n1 = 1).
11. Число цементировочных агрегатов при закачке цементного раствора n2 = = 2m = 23 = 6.
Так как Vц < Vпр, то гидравлические сопротивления будут меньше расчетных (рmax = 9,8 МПа).
Тогда для обеспечения производительности 44 дм3/с можно взять QIV = = 13, дм3/с. Суммарная производительность смесительных машин обеспечит полученную подачу агрегатов.
12. Предусматриваем закачивание 0,98 объема продавочного раствора с помощью n - 1 = 6 - 1 = 5 агрегатов (ЦА-320М) при подаче QIII = 8,7 дм3/с. Оставшиеся 0,02 объема продавочного раствора будут закачиваться одним агрегатом при QIII = 8,7 дм3/с, что необходимо для ловли момента "стоп" - момента посадки верхней разделительной пробки на упорное кольцо.
13. Определяем продолжительность цементирования по формуле Vц 0,98Vпр 0,02Vпр 1 Vб tц = + + + + 10. (10.26) 60 n1QIV n2QIV (n - 1)QIII QIII Подставляя числовые значения, получаем 3 3 3 1 5,04 10 38,4 10 0,98 10,8 10 0,02 10,8 tц = + + + + 10 = 69 мин.
60 1 13,3 6 13,3 (6 - 1) 8,7 8, 14. Выбираем тампонажный цементный раствор для цементирования обсадной ко лонны, характеризующийся началом загустевания:
tц 69, tз = = = 92,0 мин.
0,75 0, Принимаем тампонажный раствор на основе портландцемента по ГОСТ 1581Ц78 со следующими показателями: растекаемость (при водоцементном отношении m = 0,5) см;
начало схватывания - не ранее 2 ч;
конец схватывания - не позднее 10 ч.
После расчета цементирования и выбора состава цементного рас твора в проектах приводится техническая характеристика цементиро вочных агрегатов, смесительных машин, схема обвязки устья скважи ны при цементировании [16, 20, 25, 35].
Пример 10.6. Провести расчет одноступенчатого цементирования при следующих условиях: диаметр обсадной колонны (хвостовика) - 114 мм;
хвостовик спущен на глуби ну 3460 м на 89 мм бурильных трубах;
диаметр предыдущей обсадной колонны - 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.
Р е ш е н и е. 1. Выбираем высоту буферной жидкости в затрубном пространстве hб = 150 м.
2. Определим высоту бурового раствора в затрубном пространстве hр = Н - - (Нц.р + hб) hр = 3460 - (860 + 150) = 2450 м.
3. Определим требуемый объем цементного раствора по следующей формуле:
2 2 2 2 Vц = [k1 (D1 - d1 )l + (D2 - d1 )hб + d2 h], (10.27) где k1 - коэффициент, учитывающий заполнение каверн, k1 = 1,15;
l - длина хвостовика, l = 760 м;
D1 - диаметр скважины под хвостовик, D1 = 151 мм;
D2 - внутренний диаметр предыдущей колонны (см. табл. 9.5), D2 = 164 мм;
d1 - наружный диаметр хвостовика, d1 = 114 мм;
d2 - внутренний диаметр нижней секции хвостовика (см. табл. 9.5), d2 = 102 мм;
h - высота цементного стакана, h = 10 м.
Отсюда 2 2 2 2 Vц = [1,15(0,151 - 0,114 ) 760 + (0,164 - 0,114 ) 150 + 0,102 10]= 8,007 м3.
4. Определим требуемую массу сухого цемента Gц = 8,007 1860 1,05 = 10425 кг = 10,4 т.
1 + 0, 5. Определим объем воды для приготовления цементного раствора Vв = 0,510,4 = 5,2 м3.
6. Определим требуемый объем продавочной жидкости 2 Vпр = [dб.твlб.т + d2 (Hц.р - h)] + V, (10.28) где dб.тв = 71 мм с замками ЗУ (см. табл. 8.1, 8.2);
lб.т = 3460 - 860 = 2600 м.
Тогда Vпр = 1,040,8[0,07122600 + 0,1022(860 - 10)] + 0,8 = 19 м3.
7. Проверим бурильные трубы на растягивающие нагрузки:
ж ж Qр = qб.т (1 - ) + Qхв (1 - ), (10.29) б.т з l k м м где qб - вес 1 м бурильных труб, qб = 195 Н;
м = 7850 кг/м3;
Qхв - вес хвостовика, Qхв = 141 000 Н;
k3 - коэффициент запаса прочности, учитывающий работу бурильных труб в клиновом захвате, k3 = 1,1.
2600 0,9 0, 1 Получаем Qр = 195 - + 141 000 - 1,1 = 631 077 Н 7,85 7, = = 0,631 МН.
Для стали группы прочности Д [Qр] = 0,89 МН (см. табл. 8.1, 8.2).
Условие [Qр] > Qр (0,89 МН > 0,631 МН) выполнено, следовательно, на этих трубах можно спускать хвостовик.
8. Определим максимальное давление перед посадкой верхней пробки на упорное кольцо:
р1 = 0,01(9002450 + 1080150 + 1860860 - 101860 - 9003450) = 8,43 МПа, р2 = 0,0013460 + 0,8 = 4,26 МПа, рmax = 8,43 + 4,26 = 12,69 МПа.
9. Определим число цементировочных агрегатов n для закачки продавочной жидко сти:
3, 2 2 2 Fз = (D2 - D1 );
Fз = (0,164 - 0,114 ) = 0,0109 м2, 4 где 0,164 м - внутренний диаметр предыдущей колонны (D2 = 173 мм);
D1 - наружный диаметр "хвостовика", D1 = 0,114 м.
Отсюда Q = 1,80,109 = 0,0196 = 19,6 дм3/с.
Выбираем цементировочный агрегат ЦА-320М. При диаметре втулок 115 мм на IV скорости QIV = 10,7 дм3/с;
р = 8,7 МПа.
Число агрегатов 19, n = + 1 = 2,8 = 3.
10, 10. Определим требуемое число цементосмесительных машин m. Выбираем машину 2СМН-20, у которой Vбунк = 14,5 м3.
Тогда m = 10 425/(14,51210) = 1, где 1210 кг/м3 - насыпная масса цемен- та н.
11. Определим число цементировочных агрегатов для закачки буферной жидкости:
Vб = (D2 - Dб.т )hб, (10.30) где D2 - внутренний диаметр предыдущей обсадной колонны, м;
Dб.т - диаметр буриль ных труб, на которых спущен хвостовик, м;
Vб - прокачиваемый объем буферной жидко сти, 2 Vб = (0,164 - 0,089 ) 150 = 2,24 м3.
Вместимость одного медного бака ЦА-320М составляет 6,4 м3, поэтому для закачки буферной жидкости выбираем один агрегат.
12. Определим число агрегатов для закачки цементного раствора n = 2m = 21 = 2.
13. 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, % объема продавочного раствора будут закачиваться одним агрегатом при подаче QIII = дм3/с, что необходимо для ловли момента посадки верхней пробки на упорное кольцо "стоп".
14. Определим продолжительность цементирования по формуле (10.26):
3 3 3 1 2,24 10 8,007 10 0,98 19 10 0,02 19 tц = + + + + 10 = 35 мин.
60 1 10,7 2 10,7 (3 - 1) 10,7 Рис. 10.5. Схема обвязки агрегатов и машин при цементировании:
1 - цементировочный агрегат;
2 - цементосмесительная машина;
3 - блок манифольда;
- устье скважины;
5 - станция контроля;
I - линия высокого давления;
II - линия низко го давления;
III - линия всасывания;
IV - линия связи Выбираем цементный раствор для цементирования хвостовика, характеризующийся началом загустевания tз = tц/0,75 = 35/0,75 = 47 мин.
Принимаем цементный раствор на основе портландцемента + 20 % глиноземистого цемента + вода + понизители плотности со следующими характеристиками: растекае мость Р = 14 см;
начало схватывания Нсхв = 1,5 ч, конец схватывания Ксхв = 3 ч, ожидание затвердения цемента ОЗ - = 8 ч.
Буровой раствор не утяжеленный, на основе дистиллятных нефтепродуктов, стаби лизированный натриевым мылом окисленного петролатума (25 %), окисленного биту ма (15Ц25 %), битума (10Ц20 %), 0,7Ц1,5 % едкого натра, 1Ц5 % воды, остальное до 100 % - нефтяная основа. Таким раствором вскрываем продуктивный пласт с р = 900 кг/м3.
Схема обвязки агрегатов и машин приведена на рис. 10.5.
Расчет установки цементного моста в открытом стволе (рис.
10.6) по методике ВНИИКрнефти заключается в определении объемов тампонажного раствора для цементирования моста и порций буферной жидкости, прокачиваемой перед тампонажным раствором и вслед за ним, а также объема продавочной жидкости.
Объем тампонажного раствора Vц.р = Sсhм + k1Vт.
(10.31) Объемы прокачиваемых порций буферной жидкости:
перед тампонажным раствором V = k2Vт + k3Sкhм;
(10.32) буф вслед за тампонажным раствором V = k2Vт.
(10.33) буф Объем продавочной жидкости Vпр = k4Vт - Sтhм. (10.34) Здесь Sс, Sк, Sт - соответственно площади поперечного сечения скважины на участке установки цементного моста, кольцевого про странства между стенками скважины и колонной труб, по которой прокачивают указанные жидкости в том же участке и внутреннего про ходного канала колонны, м2;
hм - высота моста, м;
k1, k2, k3, k4 - эмпири ческие коэффициенты (табл. 10.7);
Vт - внутренний объем колонны труб, м3.
Рис. 10.6. Схема установки цементного моста:
а - начало закачки продавочной жидкости в бурильные трубы;
б - конец закачки продавочной жидкости;
в - промывка сква жины после приподнятия бу рильных труб выше кровли цементного моста;
1 - ствол скважины;
2 - бурильная колон на;
3 - буровой раствор;
4 - продавочная жидкость;
5 - бу ферная жидкость;
6 - цемент ный раствор;
7 - пакер;
А и Б - перспективные горизонты Продавочная жидкость закачивается до момента выравнивания уровней столбов тампонажного раствора в кольцевом пространстве и колонне труб (а также уровней столбов буферных жидкостей). После этого колонна приподнимается на 20Ц30 м выше верхней границы мос та.
При использовании устройства УЦМ-140 объем тампонажного рас твора, транспортируемого в заданный участок скважины по колонне Т а б л и ц а 10. Буферная жидкость k1 k2 k3 k Трубы с внутрь высаженными концами Вода 0,05 0,02 0,4 0, Отсутствует 0,1 - - 0, Гладкопроходные трубы Вода 0,025 0,02 0,4 0, Отсутствует 0,055 - - 0, НТК между двумя разделительными пробками, Vц.р = kрSсhм, (10.35) где kр - коэффициент резерва, kр = 1,051,1.
Для облегчения расчетов в табл. 10.8Ц10.13 приведены некоторые справочные данные [3, 4, 7, 14, 28, 29, 35].
Т а б л и ц а 10. Объем 10 м бурильных труб в зависимости от диаметра и толщины стенки Диаметр бурильной Толщина стенки Внутренний диаметр Объем внутреннего трубы, мм трубы, мм трубы, мм сечения трубы, м 114 8 98 0, 9 96 0, 10 94 0, 141 8 125 0, 9 123 0, 10 121 0, 11 119 0, 146 9 128 0, 10 126 0, 11 124 0, 12 122 0, Т а б л и ц а 10. Объем 1 м скважины в зависимости от диаметра долота Объем 1 м Диаметр, Диаметр, Объем 1 м Диаметр, Объем 1 м скважины, м мм мм скважины, м3 мм скважины, м 93,0 0,0068 158,7 0,0198 295,3 0, 98,4 0,0076 165,1 0,0214 311,1 0, 108,0 0,0092 171,4 0,0231 320,0 0, 112,0 0,0098 187,3 0,0276 349,2 0, 120,6 0,0114 190,5 0,0285 393,7 0, 132,0 0,0136 212,7 0,0355 444,5 0, 139,7 0,0154 215,9 0,0366 490 0, 146,0 0,0167 244,5 0,0469 590 0, 151,0 0,0179 269,9 0, Т а б л и ц а 10. Объем 10 м кольцевого пространства в зависимости от диаметра скважины и бурильных труб Объем 10 м кольцевого про Размеры обсадных труб, мм странства (в м3) при диаметре Диаметр бурильных труб, мм долота, мм Толщина Внутренний Диаметр 114 141 стенки диаметр 190 - - - 0,182 0,127 - 243 - - - 0,362 0,307 0, 269 - - - 0,466 0,411 0, 295 - - - 0,581 0,528 0, 346 - - - 0,837 0,786 0, - 219 7 205 0,227 0,173 0, - 219 8 203 0,221 0,166 0, - 219 9,5 200 0,212 0,157 0, - 219 11 197 0,203 0,148 0, - 219 12 195 0,193 0,139 0, - 273 9 255 0,408 0,354 0, - 273 10,5 252 0,396 0,342 0, - 273 12 249 0,325 0,330 0, - 299 9 281 0,518 0,463 0, - 299 10 279 0,509 0,454 0, - 299 11 277 0,500 0,446 0, - 299 10 357 0,898 0,844 0, - 325 11 355 0,887 0,833 0, - 325 12 353 0,876 0,822 0, - 325 12 275 0,492 0,437 0, - 325 9 307 0,638 0,583 0, - 377 10 305 0,628 0,575 0, - 377 11 303 0,619 0,564 0, - 377 12 301 0,609 0,555 0, Т а б л и ц а 10. Площадь кольцевого сечения между двумя обсадными колоннами в зависимости от соотношения их диаметра Диаметр колонны, мм Диаметр колонны, мм Площадь Площадь кольцевого кольцевого наружный внутренний наружный внутренний сечения, м2 сечения, м 426 351 0,033 299 168 0, 340 0,0385 146 0, 324 0,0471 273 219 0, 299 0,0594 194 0, 407 340 0,0259 178 0, 324 0,0346 168 0, 299 0,0468 146 0, 273 0,0585 140 0, 377 299 0,0295 127 0, 273 0,0412 114 0, П р о д о л ж е н и е т а б л. 10. Диаметр колонны, мм Диаметр колонны, мм Площадь Площадь кольцевого кольцевого наружный внутренний наружный внутренний сечения, м2 сечения, м 377 245 0,0526 245 194 0, 219 0,0621 178 0, 351 273 0,0271 168 0, 245 0,0385 146 0, 219 0,048 140 0, 194 0,056 127 0, 340 245 0,033 114 0, 219 0,0425 219 168 0, 194 0,0505 146 0, 178 0,0552 140 0, 324 245 0,0254 127 0, 219 0,035 114 0, 194 0,043 194 146 0, 178 0,0476 140 0, 168 0,0504 127 0, 299 245 0,014 114 0, 219 0,0316 178 127 0, 194 0,0362 114 0, 178 168 114 0, Т а б л и ц а 10. Теоретический объем (в м3) 1 м внутреннего пространства обсадных труб в зависимости от диаметра и толщины их стенки Толщина стенки трубы, мм Диаметр обсадной 6 6,5 7 8 9 10 11 трубы, мм 114 0,0082 - 0,0078 0,0075 0,0072 - - - 127 0,0103 - 0,0101 0,0097 0,0093 - - - 140 0,0131 - 0,0127 0,0123 0,119 0,0115 0,0112 - 146 - 0,0141 0,0137 0,0133 0,0129 0,0125 0,0121 - 168 - 0,0191 0,0186 0,0181 0,0177 0,0172 0,0167 0, 178 - - 0,0211 0,0206 0,0201 0,0196 0,0192 0, 194 - - 0,0254 0,0249 0,0243 0,0238 - 0, 219 - - 0,033 0,0323 0,0317 0,0311 - 0, 245 - - 0,0419 0,0412 0,0405 0,0397 - 0, 273 - - 0,0526 0,0518 0,0510 0,0502 - 0, 299 - - - 0,0628 0,0620 0,0611 0,0602 0, 324 - - - - 0,0736 0,0730 0,0719 0, 340 - - - - 0,0814 0,0803 0,0795 0, 351 - - - - 0,087 0,086 0,0849 0, 377 - - - - 0,102 0,100 0,0989 0, 407 - - - - 0,119 0,117 0,116 0, 426 - - - - - 0,129 0,128 0, 508 - - - - - - 0,185 - Т а б л и ц а 10. Требуемый объем продавочной жидкости (в м3) на 100 м труб в зависимости от диаметра обсадной колонны и толщины стенок труб Диаметр обсадных труб, мм Толщина стенки 426 377 351 325 299 245 трубы, мм 6 - - - - - - - 7 - - - - - 4,19 3, 8 - - - - - 4,12 3, 9 - - - - - - - 9,5 - - - 7,35 6,15 4,01 3, 10 12,94 10,0 8,60 7,30 6,11 - - 10,5 - - - - - - - 11 12,81 9,89 8,49 7,19 6,02 3,9 3, 12 12,68 9,78 8,39 7,11 5,93 - - 12,5 - - - - - 3,8 2, 13 - - - - - - - 14 - - - - - - - П р о д о л ж е н и е т а б л. 10. Диаметр обсадных труб, мм Толщина стенки 194 168 159 146 141 127 трубы, мм 6 - 1,91 1,70 1,41 1,31 1,04 0, 7 - 1,86 1,65 1,37 1,27 1,00 0, 8 2,49 1,81 1,61 1,33 1,23 0,97 0, 9 2,43 1,77 1,56 1,29 1,19 0,93 0, 9,5 - - - - - - - 10 2,38 1,72 1,52 1,25 1,15 - - 10,5 - - - - - - - 11 2,32 1,67 1,48 1,21 1,11 - - 12 2,27 1,63 1,43 1,17 1,07 - - 12,5 - - - - - - - 13 2,22 1,58 - - - - - 14 2,16 1,54 - - - - -
Книги, научные публикации