Цементаж эксплуатационной колонны

     В практике  центрирования обсадных колонн  применяют центраторы двух видов  — пружинные разборные и жесткие  неразборные. Наибольшее применение  при креплении скважин в нашей  стране нашли пружинные центраторы.

     Для данной  обсадной колонны принимаем следующую  технологическую

оснастку:

1. Башмак колонный БК—168

2. Клапан обратный ЦКОДМ(У)—168

3. Центраторы ЦЦ – 2 —168/216222

     Для определения  необходимого числа центраторов  и мест их установки

воспользуемся инструкцией [5].

     Исходные данные:

— глубина спуска обсадной колонны, L = 3600 М;

— диаметр ствола скважины с учетом коэффициента кавернозности‚

d_с = 0,238 м;

— высота подъема цемента  h_ц = 2250 м;

— наружный диаметр обсадной колонны, d_н = 0,168 м;

— внутренний диаметр обсадной колонны, d_в = 0,146 М;

— плотность тампонажного раствора, ρ_т = 1900 кг/м³;

— плотность бурового раствора, ρ_бр =1210 кг/м³ ;

— плотность продавочной жидкости ρ_пр, = 1210 кг/м³.

    Допустимая стрела прогиба обсадной колонны:

[f]= (0,33∙(D – d_н)) / 2 = (0,33∙(238 – 168)) / 2 = 11,55 мм

    Жесткость труб обсадной колонны, кгс∙м²:

ЕI = (2,1∙10⁶∙(π∙d_н⁴ / 64))∙(1 – (d_в / d_н)⁴)

ЕI = (2,1∙10⁶∙(3,14∙0,168⁴ / 64))∙(1 – (0,146 / 0,168)⁴) = 352,9∙10³ кгс∙м²

    Объем вытесненного тампонажного раствора:

V_т = 0,785∙d_н² = 0,785∙0,168² = 0,022 м³/м

     Вес вытесненного тампонажного раствора:

q_ц = V_т∙ρ_т = 0,022∙1900 = 41,8 кгс/м

     Внутренний объем обсадной колонны:

V_в = 0,785∙d_в² = 0,785∙0,146² = 0,017 м³/м

     Вес продавочной жидкости:

q_{n =} V_в∙ρ_пр = 0,017∙1210 = 20,57 кгс/м

     Вес обсадной колонны с продавочной жидкостью:

q_к = q + q_n = 23,6 + 20,57 = 44,17 кгс/м

     Вес обсадной колонны с продавочной жидкостью в цементном растворе:

q_ж = q_к – q_ц = 44,17 – 41,8 = 2,37 кгс/м

     Прижимающее усилие, действующее на центратор при расстоянии между центраторами 10 м:

Р₁ =1‚43∙10∙ q_ж ∙sinα₁ = 1.43∙10∙2,37∙sin1⁰ = 1,79 кгс

     где α₁— зенитный угол наклона ствола скважины на участке расположения рассматриваемой трубы.

     Расстояние  между центраторами по допустимой нагрузке на один центратор:

l₁ = [Q] / P₁ = 785 / 1,79 = 438,5 м < 2250 м

     где [Q] – допустимая нагрузка на центратор, [Q] = 785  

     Стрела прогиба обсадной колонны от собственного веса:

f₀ = (6,3∙q_ж∙l₁⁴∙sinα₁) / EI = (6,3∙2,37∙(438,5)⁴∙sin1⁰) / 353∙10³ = 26464 мм

     Растягивающее усилие от нижележащего участка обсадной колонны:

N = 0,3∙q_ж∙(L – h_в)∙cosα₂ = 0,3∙2,37∙(3600 – 1350)∙0,99 = 1599 кгс

     где α₂ - средневзвешенный зенитный угол наклона ствола скважины в интервале от h_в до L

     Критическая сила (по Эйлеру):

P_кр = (π²∙EI) / (μ²∙l₁²) = ((3,14)²∙352,9∙10³) / (1∙(438)²) = 18 кгс

      Стрела прогиба труб между центраторами с учетом растягивающего усилия:

f = f₀ / (1 + (N / P_кр)²) = 26464 / (1 + (1599 / 18)²) = 0,35 мм

     Так как f ≤ [f] то l = l₁

     Необходимое количество центраторов в рассматриваемом интервале:

n = ((h_н – h_в) / l) + 1 = 2250 / 438 + 1  = 6 шт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Расчет цементирования эксплуатационной колонны

     Цель расчета: определение объемов жидкостей, участвующих в цементировании и необходимого количества материалов; произвести гидравлический расчет и рассчитать время цементирования.

     Необходимое количество тампонажного раствора для цементирования обсадной колонны составит:

V_тр = 0,785∙k_цр∙((d_с² –d_н²)∙l_ц + d_в²∙h_с)

    где k_цр — коэффициент резерва, вводимый для компенсации влияния факторов, которые не поддаются учету, k_цр = 1,01÷1,1; d_с и d_н — соответственно средний диаметр скважины и наружный диаметр колонны, м; l_ц — длина участка цементирования, м; d_в — внутренний диаметр колонны, м; h_с —высота цементного стакана, оставляемого в колонне, принимаем равным 20 м.

V_тр = 0,785∙1,07∙(((0,238)² –(0,168)²)∙2250 + (0,146)²∙20) = 54,1 м³

     Количество тампонажного материала q, необходимого для приготовления 1 м³ раствора будет равно:

q = ρ_т / (1 + m)

    где m — водоцементное отношение.

q =  1900 / (1 + 0,47) = 1292,52 кг/м³

     Общее количество сухого тампонажного материала G, необходимого для приготовления заданного объема тампонажного раствора определяем по формуле:

G = K_ц∙q∙V_тр

      где K_ц — коэффициент, учитывающий потери цемента при погрузочно-разгрузочных работах, К, = 1,0З÷1,05. 

G = 1,04∙1292,52∙54,1 = 73421,6 кг

     Общий объем воды, необходимый для затворения всего тампонажного материала, определяется по формуле:

V_в = K_в∙G∙m / ρ_в

     где K_в —- коэффициент, учитывающий потери воды при выполнении операций цементирования, K_в = 1,08÷1,1.

V_в = 1,1∙73421,6∙0,47 / 1000 = 38 м³

     Объем продавочной жидкости определяем по формуле:

V_пр = 0,785∙k_c∙d_в²∙(L_c – h_c)

     где k_c — коэффициент запаса продавочной жидкости, k_c = 1‚02÷1‚05; L_c — длина скважины по ее оси, м.

V_пр = 0,785∙1,03∙(0,146)²∙(3600 – 20) = 61,7 м³

Гидравлический  расчет цементирования:

     В процессе выполнения гидравлического расчета цементирования необходимо определить суммарную производительность цементировочного агрегата из условия обеспечения максимально возможной скорости восходящего потока, допустимого давления на цементировочную головку, допустимого давления на забое. Необходимо выбрать цементировочное оборудование и количество цементировочной техники.

     При расчете принимаются следующие ограничивающие условия:

— допустимое давление на цементировочную  головку:

P_г≤ P_у / 1,5

     где Р_у — допускаемое давление на устьевое оборудование.

— допустимое давление на забое:

P_з≤ P_гп / (1,2…1,25)

     где Р_гп — давление гидроразрыва пород на забое скважины.

     Исходя из конкретных геолого-технических условий и промысловой практики в данном районе принимается величина максимально возможной скорости восходящего потока к моменту окончания продавки‚ когда имеются наиболее неблагоприятные условия с точки зрения гидроразрыва пород.

     В практике цементирования скважин V = 0‚1...3 м/с, но чаще не превышает 2,2 м/с.

     По рекомендации Аветисова скорость восходящего потока следует выбирать из условия, что градиент скорости по зазору в необсаженной части ствола скважины не превышал значения grad V = (90±15) с^-1.

grad V = 6∙V / (d_с – d_н)

     Отсюда

V = (d_с – d_н)∙grad V / 6 = (0,238 – 0,168)∙90 / 6 = 1,05 м/с

     Определяем максимальное ожидаемое давление на цементировочную головку в соответствии с принятой скоростью V.

P_г = P_т + P_к + P_гс

     где P_т — гидравлические потери в трубах, Па; P_к — гидравлические потери в кольцевом пространстве, Па; P_гс — разность гидравлических сопротивлений в обсадной колонне и в кольцевом пространстве, Па.

P_гс = g∙(ρ_бр – ρ_пр)∙(L_с – l_ц) + g∙(ρ_тр – ρ_пр)∙(l_ц – h_с)

     При определении  потерь в трубах и кольцевом  пространстве, учитывая постоянное  течение тампонажного и бурового  растворов, воспользуемся формулой  Дарси-Вейсбаха.

P_т = (8 / π²)∙λ∙(L_с∙ρ_тр∙Q² / d_в⁵)

P_к = (8 / π²)∙λ∙(L_с∙ρ_тр∙Q² / (d_с – d_н)³(d_с + d_н)²)

     где λ — коэффициент гидравлических сопротивлений, λ = 0,035.

     Расход:

Q = V∙0,785∙(d_с² – d_н²) = 1,05∙0,785∙((0,238)² – (0,168)²) = 0,023 м³/с

P_т = (8 / (3,14)²)∙0,035∙(3600∙1900∙(0,023)² / (0,146)⁵) = 1,5 МПа

P_к = (8 / (3,14)²)∙0,035∙(3600∙1900∙(0,023)² / (0,238 – 0,168)³(0,238 + 0,168)²) =

= 1,8 МПа

P_гс = 9,81∙(1210 – 1210)∙(3600 – 2250) + 9,81∙(1900 – 1210)∙(2250 – 20) =

= 15,1 МПа

     Определяем максимальное ожидаемое давления на цементировочную головку:

Р_г = 1,5 + 1,8 + 15,1 = 18,4 МПа.

     Определяем максимальное ожидаемое давления на забое скважины:

Р_з = Р_гс′ + Р_к

     где Р_гс′ — давление составного столба в кольцевом пространстве, Па.

Р_гс′ = g∙ρ_бр∙(L_с - l_ц) + g∙ρ_тр∙l_ц

Р_гс′ = 9,81∙1210∙(3600 - 2250) + 9,81∙1900∙2250 = 58 МПа

Р_з = 58 + 1,8 = 59,8 МПа

     Проверяем  расчетные зависимости Р, И  Р, из ограничивающих их условий.

     В случае  не выполнения одного из неравенств, следует скорректировать величину  скорости восходящего потока  V и произвести повторный расчет до выполнения условий

P_г≤ P_у / 1,5

18,4≤ 45 / 1,5

     18,4 ≤ 30 , условие выполняется.

P_з≤ P_гп / (1,2…1,25)

59,8≤ 75,1 / (1,2…1,25)

     59,8 ≤ 61,06 , условие выполняется.

     В соответствии расчетными значениями Q и Р_г выбирается тип цементировочных агрегатов, число которых n₁ определяется из соотношения

n₁ = Q / q

     где q — производительность одного агрегата при давлении ≥ Р_г.

     Рассчитаем  количество цементировочной техники  для приготовления тампонажного  раствора.

     Принимаем Цементировочный агрегат ЦА—320М, который при диаметре цилиндровых втулок 100 мм на второй скорости развивает: давление 32,0 МПа и имеет производительность 2,67 л/с.

n₁ = 0,023 / 0,00267 = 9

     Принимаем 10 цементировочных агрегатов ЦА—320М (1 дополнительно).

     Потребное количество цементосмесительных машин n₂ определяется по суммарной массе сухого тампонажного материала

n₂ = G / G_б

     где G — потребная суммарная масса сухого тампонажного материала, т; G_б — вместимость бункера смесителя, т.

     Принимаем цементосмесительную машину УС6-30, вместимость бункера которой равна 20 т. Потребное количество цементосмесительных машин

n₂ = 73,422 / 20 = 3,7

     Принимаем 4 цементосмесительные машины УС6-30.

     Для повышения  качества цементирования в схему  обвязки агрегатов включаем осреднительную  емкость, смонтированную на автомашине  и имеющую перемешивающее устройство. Прежде чем подать в скважину, раствор некоторое время перемешивают  в этой емкости.

     Для продавки  раствора в блок манифольда  выбираем 1 цементировочный агрегат  3ЦА—400.

Расчет продолжительности  цементирования:

     Продолжительность  процесса цементирования в соответствии  с расчетным режимом цементирования  и сроком загустевания тампонажного  раствора определяется 

t = t_зак + t_пр +10≤0,75∙t_заг

     где t_зак — время приготовления и закачивания тампонажного раствора;    t_пр — время продавливания тампонажного раствора, включая на получение давления «стоп»; t_заг — время загустевания тампонажного раствора, определяемое с помощью консистометра.

     Приготовленный  тампонажный раствор закачивают  в обсадную колонну как правило,  при максимальной производительности (подаче) цементировочного агрегата. В этом случае имеем

t_зак = (1000∙V_тр) / (60∑q)

     где ∑q — суммарная производительность (подача) одновременно работающих агрегатов при закачке тампонажного раствора.