Расчёт и крепление обсадных колонн

 

4. Обоснование режима спуска ОК

 

Предельная скорость спуска обсадной колонны определяется из соотношения

 

Рс = Ргст +Ргд £ Ргр

 

где: Ргст - гидростатическое давление столба промывочной жидкости на глубине наиболее слабого пласта (пласта с наименьшим индексом давления начала поглощения или гидроразрыва);

Ргд - гидродинамическое давление в скважине при спуске колонны труб с закрытым нижним концом;

Ргр - давление начала поглощения (гидроразрыва) наиболее слабого пласта.

Гидродинамическое давление при спуске находится при турбулентном течении  вытесняемой жидкости по формуле

 

,

 

при ламинарном течении по формуле :

 

Р_гд=

 

где - соответственно длина и гидравлический диаметр кольцевого пространства на - том участке; - скорость течения жидкости на - том участке; n – количество участков кольцевого пространства различного размера от устья до наиболее слабого пласта, t₀ - динамическое напряжение сдвига, l - коэффициент гидравлических сопротивлений.

Коэффициент является функцией параметра Сен-Венана - Илюшина

,

 

где в=(0,236+0,033Sen)/(1+0,036Sen)

Наиболее слабый пласт к_г=к_г^min=0.0173 МПа/м под башмаком технической колонны.

Зададимся скоростью спуска U=0.5 м/с, тогда скорость движения вытесняемой жидкости U_ж будет равна:

U_жi= U·( ),

Где D_c,D_т – соответственно диаметр трубы и наружный диаметр обсадных труб,К – коэффициент, учитывающий увлечение части жидкости стенками колонны труб. Для практических расчетов можно принять К=0.5.

Пусть режим течения вытесняемой  жидкости в интервале установки  технической колонны будет ламинарный, тогда:

 

U_жi=0.5( )=0.67 м/с.

 

Критическая скорость течения жидкости при смене режимов определяется по следующей формуле:

 

U_кр=25 ,

 

При плотности промывочной жидкости 1150 кг/м³ и

ф₀=8.5·10^-3·с_пр.ж.-7=2.8 Па, критическая скорость составит:

 

U_кр=25 =25 =1.23 м/с,

Так как U_ж<U_кр, то режим течения ламинарный.

Тогда:

 

= =18.35, тогда в=0.51.

 

Гидродинамические давления на данном участке составят:

 

Р_гд= =0.85 МПа.

 

Результаты аналогичных расчетов для различных скоростей спуска эксплуатационной колонны приведены  в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1.

Зависимость гидродинамических давлений от скорости спуска.

Uсп,м/с	Uж,м/с	Uкр,м/с	Sen	в	Re	л	Pгд,МПа
0,5	0,67	1,23	18,35	0,51	-	-	0,85
1	1,34	1,23	-	-	4382	0,0258	1,44
2	2,68	1,23	-	-	7668	0,0245	3,9
3	4,02	1,23	-	-	13444	0,023	8,3
4	5,36	1,23	-	-	19577	0,0218	13,9
5	6,7	1,23	-	-	25904	0,0211	21

 

Гидростатическое давление на глубине 2700 м составит:

 

Р_гст=с_ж·g·L=1150·9.8·2700=30,4 МПа.

 

Давление гидроразрыва на глубине 2700 м:

gradР_гр·Н=0.0173·2700=46,7 МПа.

Тогда: Р_гд<Р_гр-Р_с , Р_гд<16,3 МПа.

Допустимая скорость спуска эксплуатационной колонны 5,7 м/с.

 

Рисунок 6. Зависимость гидродинамических  давлений от скорости спуска обсадной колонны.

 

5. Обоснование способа  цементирования, параметров и вида тампонажных материалов

 

Исходные  данные для расчёта цементирования эксплуатационной колонны.

 

Таблица 5.1.

Наименование	Размерность	Условное обозначение	Численное значение
1	2	3	4
Расстояние от устья скважины: до башмака колонны до башмака предыдущей колонны до уровня цементного раствора до уровня жидкости в конце эксплуатации до кровли продуктивного пласта Плотность: опрессовочной жидкости бурового раствора за колонной цементного раствора за колонной облегчённого цементного раствора за колонной жидкости в колонне Длина участка цементного раствора по вертикали Длина участка глиноцементного  раствора по вертикали Давление опрессовки на устье Пластовое давление в кровле продуктивного  пласта	м м м м м   г/см3 г/см3 г/см3 г/см3 г/см3 м м МПа МПа	L L0 h hкэ hпп   роп рж рцр  роцр  рн H1 H2 Pоп Рпл	2700 750 440 1200 2590   1.00 1.2 1.83 1.48 0.84 680 1580 12,5 26,7

 

Для качественного  крепления обсадной колонны выбираем портландцемент ПЦТ-100, процесс цементирования производится в одну ступень.

Определяем  водоцементное отношение для  облегченного цементного раствора и для цементного раствора по формуле:

 

;

 

где r_ц = 3000 кг/м³ - плотность цемента;

- для  облегченного цементного раствора:

 

 

- для  цементного раствора:

 

 

Найдем  необходимый объем:

- облегченного  цементного раствора:

 

V_о.ц.р.=

V_о.ц.р.= м³;

 

- цементного  раствора:

 

V_ц.р.=

V_ц.р.= м³;

 

- продавочной  жидкости:

 

=( - +0,5)× =(0.0134·2819-0,5+0,5)×1,05=38 ,

S= (0.1461-2·0.0077)²=0.0134

 

- буферной  жидкости:

Объем буферной жидкости должен быть таким, чтобы высота столба его в межколонном пространстве составляла 200-500 м.

 

= =4 м³

 

Объем воды для приготовления:

 

V_в= ,

 

где к_ц –коэффициент запаса тампонажного материала

- для  цементного раствора:

 

 кг;

V_в= м³;

 

- для  облегченного цементного раствора:

 

 кг;

V_в= м³;

 

Определим необходимое количество смесительных машин

 

,

 

где - насыпная плотность цемента;  - вместимость одного бункера смесительной машины.

Количество  машин для цементного раствора:

 

 

Количество  машин для облегчённого цемента:

 

 

Общее число  смесительных машин и цементировочных  агрегатов:

n_см=2+3=5 -количество цементно-смесительных машин

n_ца=1∙n_см+1рез+1вод+1цг=1∙5+1+1+1=8- количество ЦА

 

 

Рисунок 7. Схема обвязки агрегатов при  цементировании.

1- цементно-смесительная  машина 2СМН-20; 2- цементировочный агрегат  ЦА-320М; 3- блок- манифольда БМ-700; 4- станция  контроля цементирования СКЦ-2М; 5- цементировочная головка; 6- ЦА  для подачи воды; 7- ЦА для начала  продавки.

 

Определим производительность одного смесителя.

 

 

где q_ж=7л/с производительность водяного насоса агрегата ЦА-320.

 

, для цементного раствора.

, для цементного раствора.

, для облегчённого цементного  раствора.

, для облегчённого цементного  раствора.

Определим необходимое количество цементировочных  агрегатов(ЦА-320М) для закачки цементного раствора.

При цементировании эксплуатационной колонны закачку  буферной жидкости осуществляет один агрегат на 4-ой скорости, готовящийся  в последствии закачивать нормальный цементный раствор .

Закачку облегченного цементного раствора осуществляем тремя агрегатами на 3-й скорости.

Закачку цементного раствора ведет два агрегата на 4-ой скорости.

Продавочную жидкость начинаем закачивать одним  агрегатом(пробочным) на 1-й скорости, затем его отключают и готовят  для заканчивания продавки, а вместо него включают 3 имеющихся агрегата на 4-й скорости. Заканчивают продавку пробочным агрегатом на 1-й скорости для определения момента «стоп».

Участие ЦА в процессе цементирования показано на рисунке 8.

 

Определим продолжительность закачки агрегатом ЦА-320М

Определяется планируемое время  цементирования:

 

 сек,

 

1скорость-Q=2,3л/с

2скорость-Q=4,3л/с

3скорость-Q=8,1л/с

4скорость-Q=14,5л/с

 

Для закачки  используется агрегат ЦА-320М Æ125:

  мин;

мин; мин; мин;

åt=tзак+(10ч15)=4.5+7.75+29.4+35.1+(10ч15)=80 мин. - время цем-ния.

 

Рисунок 8. Участие цементировочных агрегатов  в цементировании эксплуатационной колонны.

 

Следует учесть, что при больших скоростях  закачки тампонажного раствора при  параллельной работе смесительных машин  давление на цементировочной головке  может превысить допустимое давление цементировочных агрегатов из-за чрезмерного роста гидравлических сопротивлений внутри обсадной колонны  и кольцевом пространстве.

Расчет  процесса закачки выполнен на ЭВМ  и прилагается к курсовому  проекту.

 

 

6. Обоснование способа контроля качества цементирования

 

Для определения  глубины кровли тампонажного камня  и наличия плотного контакта между  камнем, обсадной колонной и стенками скважины широко применяется способ акустической цементометрии (АКЦ). При  акустической цементометрии измеряют амплитуды звуковых волн, распространяющихся от спущенного в скважину источника  по обсадной колонне и по горным породам, в разных точках по глубине. Амплитуда колебаний, распространяющихся по колонне, окруженной промывочной  жидкостью, значительно больше амплитуды  на том участке, где она плотно прижата к камню, а амплитуда  сигнала, прошедшего по горным породам, тем больше, чем плотнее контакты между колонной, камнем и стенками скважины.

Способ  позволяет достаточно правильно  найти глубину кровли камня, если плотность промывочной жидкости меньше плотности тампонажного раствора не менее чем на 200 кг/м³. Кривую АКЦ первый раз следует регистрировать до замены продавочной жидкости в колонне жидкостью меньшей плотности и опрессовки. Если записать кривую АКЦ повторно после уменьшения давления в колонне, можно по изменению амплитуды выявить те участки, на которых между колонной и камнем мог нарушиться контакт при радиальном сжатии обсадных труб.

Герметичность обсадной колонны проверяют опрессовкой. Предварительно в эксплуатационной колонне, а также в тех промежуточных  колоннах и кондукторах, на которых  должно быть установлено противовыбросовое  оборудование, уточняют положение цементного стакана. Если длина его велика, излишнюю часть стакана до посадочного  седла для разделительной пробки разбуривают. Для проверки герметичности  эксплуатационной колонны продавочную  жидкость в ней заменяют водой  и на устье создают избыточное давление Р_0П, которое должно на 10 % превышать наибольшее ожидаемое в этом сечении в период опробования, испытания или эксплуатации скважины; давление опрессовки должно быть не меньше 12,5 МПа.

Колонну признают герметичной, если после замены продавочной жидкости водой не возникают  перелив последней и выделение  газа на устье и если в период выдержки колонны под давлением  снижение последнего в течение 30 мин  не превышает 0,5 МПа. Контроль за изменением давления начинают через 5 мин после  создания заданного давления опрессовки.

Если  внутреннее давление в обсадной колонне  после образования тампонажного камня будет существенно больше того, при котором он формировался, камень может растрескиваться в  результате радиального расширения обсадных труб, тогда крепь станет негерметичной. Опасное повышение  давления в колонне возможно как  при опрессовке, так и при эксплуатации скважины. Предотвратить растрескивание камня можно, если опрессовывать  колонну до начала формирования цементной  оболочки, а на период эксплуатации в обсадную колонну спускать НКТ  с пакером внизу и в межколонном  пространстве после пакеровки поддерживать давление не выше того, при котором  шло формирование камня.

 

7. Выбор и обоснование способа освоения скважины

 

Основным работающим объектом является продуктивный пласт БС16-22. С учетом этого фактора в качестве основного принимается перфоратор типа ПК-105:

• плотность перфорации – 10 отв/м;
• мощность интервала перфорации – 50м;
• количество одновременно спускаемых зарядов – 20 шт.