Расчет цементирования эксплуатационной колонны

 

Цементирование процесс заполнения заданного интервала скважины суспензией вяжущих материалов, способных в покое затвердевать и превращаться в прочный, практически не проницаемый камень. В нефтегазодобывающей промышленности цементирование широко применяется для решения следующих задач:

а) изоляции насыщенных жидкостями и газами проницаемых горизонтов друг от друга после того, как они вскрыты скважиной;

б) создание высокопрочных мостов в скважине, способных воспринимать достаточно большие осевые нагрузки (например: при забуривании новых стволов, при опробовании горизонтов испытателями пластов с опорой на забой и др.);

в) создание разобщающих экранов, препятствующих обводнению продуктивных горизонтов;

г) удержание в подвешенном состоянии обсадной колонны;

д) защиты обсадной колонны от воздействия агрессивных пластовых жидкостей и газов, вызывающих коррозию металла;

е) ликвидация поглощения промывочной жидкости;

ж) упрочнение стенок скважины в неустойчивых породах.

Цель расчета является определение количество материалов, необходимых для цементирования заданного участка скважины; режима закачивания тампонажного раствора и продавочной жидкости, при котором может быть обеспечена заполнение заданного участка заколонного пространства тампонажным раствором без осложнений и наиболее полное вытеснение промывочной жидкости; необходимых параметров насосного оборудования, а также числа цементировочных насосов и смесительных машин; продолжительности цементирования.

Цементирование эксплуатационной колонны производится в две степени с установкой МСЦ или ПДМ на глубине 1950м.

Расчет цементирования первой ступени

Исходные данные: провести расчет цементирования эксплуатационной колонны диаметром d_н=146мм;

Спущенной на глубину L =2811 м; колонна состоит из пяти секций:

l₁ = 137 м, d₁ = 6,5 мм

l₂ = 1997 м, d₂ = 6,5 мм

l₃ = 209 м, d₃ = 7,0 мм

l₄ = 226 м, d₄ = 7,7 мм

l₅ = 191 м, d₅ = 8,5 мм (снизу вверх),

диаметр скважины равен диаметру долота, Д_скв = Д_д = 0,2159 м;

высота подъема цементного раствора от забоя, Н₁ = 800 м;

длина цементного стакана, h = 15 м;

плотность цементного порошка, r_стц = 3130 кг/м³ - сухой тампонажный цемент,

плотность промывочной жидкости, r_р = 1150 кг/м³;

коэффициент увеличения ствола скважины (каверзность), К_v = 1,3;

водоцементное отношение, m_тц = 0,5 - тампонажный цемент;

плотность воды r_в = 1000 кг/м³.

Порядок расчета

1.Определяется средний внутренний диаметр обсадной колонны:

d_вн = , где d₁,d₂,..., d_n - внутренний диаметр секции обсадной колонны.

d_вн = = 0,132 м.

 

2. Определяется объем цементного раствора:

V_цр = 0,785[(К_v ∙D_скв² - d_н²) Н₁ + d_вн² h] (2.127)

V_цр = 0,785[(1,3 ∙0,2159² - 0,146²) 800+ 132² 15] = 20,86 м³

3. Определяется количество сухого цемента для приготовления 1 м³ цементного раствора:

q = r_стц r_в /(r_в + m r_стц), где r_стц - плотность сухого цемента, кг/м³,

m - водоцементное отношение по ГОСТ 1581-91.

q = 3130 * 1000 /(1000 + 0,5*3130) = 1220 кг/м³.

4. Определяется плотность цементного раствора,

r_цр = (1 + m) q = (1 + 0,5)*1220 = 1830 кг/м³ (2.129)

5. Определяется качество цемента и воды для приготовления цементного раствора

Q'_ц = V_цр q = 20,86 * 1220 = 25449,2 кг (2.130)

Q_в = m Q'_ц =0,5 * 25449,2 = 12,7246 м³ (2.131)

6. Определяется количество сухого цемента с учетом потерь при затаривании:

Q_ц = к₁ Q'_ц = 1,02 * 25449,2 = 25958,18 кг, (2.132)

где к₁ - коэффициент, учитывающий потери сухого цемента при затаривании цементно-смесительных машин и при приготовлении цементного раствора, к₁ = 1,02 - 1,03

7. Определяется количество цементно-смесительных машин:

ЦСМ = Q_ц/М_цсм = 25958,18/20000 = 2 агрегата, (2.133)

где М_цсм - вместимость бункера цементно-смесительной машины, для обычного тампонажного цемента М_цсм = 20 т.

8. Определяется количество продавочной жидкости:

Vр = D pd_вн²/4 * (L - h) = 1,05 * 3,14*0,132²/4 (2750 - 15) = 39,4 м³, (2.134)

где D - коэффициент, учитывающий сжатие продавочной жидкости за счет наличия в ней пузырьков воздуха, D для глинистого раствора принимается равным 1,05, а для воды 1,0.

9. Определяется наибольшее рабочее давление в конце цементирования:

Р_р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р₄ = 5,34 + 1,37 + 0,97 + 1,46 = 9,14 МПа (2.135)

Вычисление показателей Р₁, Р₂, Р₃, Р₄ приводится ниже.

а) определяется гидростатическое давление за счет разности плотностей цементного и глинистого растворов:

Р₁ = (H₁ - h)(r_цh - r_р)/10⁵ = (800 - 15)(1830-1150)/10⁵ = 5,34 МПа (2.136)

б) определяются гидравлические сопротивления при движении продавочной жидкости в трубах:

Р₂ = l_1тр L V_тр² r_р/(10⁶ d_вн2) = 0,024*2750*2,18²*1150/(10⁶*0,132*2) = 1,37МПа.

Определяется скорость движения продавочной жидкости в трубах:

V_тр = V_кп (D_скв² - d_н²)/d_вн² = 1,5(0,21592 - 0,1462)/0,1322 = 2,18 м/с, (2.138)

где V_кп - скорость движения промывочной жидкости и цементного раствора в затрубном пространстве, м/с. Для качественного цементирования эта скорость должна быть 1,5 - 2,0 м/с для эксплуатационной колонны, и 0,8 - 1,0 м/с для промежуточной.

Определяется критерий Рейнольдса и коэффициент, характеризующий движение продавочной жидкости в трубах:

Re_тр* = , (2.139)

где: h_р - структурная вязкость продавочного раствора, мПа с;

t_ор - динамическое напряжение сдвига продавочного раствора, Па, так как 14302 > 2300,

то l_1тр = (2.140)

в) определяются гидравлические сопротивления при движении промывочной жидкости в затрубном пространстве:

P₃ = МПа. (2.141)

Определяем критерий Рейнольдса и коэффициент, характеризующий движение промывочной жидкости в затрубном пространстве:

Re_кпр* = ,

так как 6136 > 1600, то l_2р = .

г) определяются гидравлические сопротивления при движении цементного раствора в затрубном пространстве:

P₄ = МПа. (2.143)

 

Определяется критерий Рейнольдса и коэффициент, характеризующий движение цементного раствора в затрубном пространстве

Re_кпц* = ,

так как 1282 < 1600, то l_гц = . (2.145)

10. Определяется максимальное давление при цементировании

Р_мах = Р_р + Р_стоп = 9,14 + 2,0 = 11,14 МПа, (2.146)

где Р_стоп - повышение давления при посадке пробки на кольцо "стоп" 1,5 - 2 МПа.

Из полученного Р_мах видно, что для проведения цементирования можно использовать ЦА-320 М, с диаметром втулок 127 мм.

11. Определяется допустимое время цементирования:

Т_доп = 0,75*Т_нскв = 0,75*120 = 90 мин, (2.147)

где Т_нскв - время начала застывания цемента, для нормальных температур на забое Т_нскв = 120 мин, для повышенных Т_нскв = 105 мин.

12. Определяется время закачивания цементного раствора при гидравлических сопротивлениях в скважине, в начальный период цементирования:

Р_гидр = Р₂ + Р'₃ = 1,37 + 1,37 = 2,75 МПа, (2.148)

Определяются гидравлические сопротивления в затрубном пространстве при движении промывочной жидкости

P'₃ = МПа (2.149)

Р_гидр = 2,74 МПа < Р_а^V = 4,0 то весь цементный раствор закачивается на пятой скорости,

где Р_а^V - давление, развиваемое цементировочным агрегатом на высшей скорости.

Время закачивания цементного раствора одним агрегатом

Т₃ = V_цр^V*10³/60q_V = 21,17*10³/60*23 = 16 мин, (2.150)

где q_V - производительность ЦА на высшей скорости, л/с.

13. Определяется время продавки цементного раствора:

а) Для определения времени продавки цементного раствора в начале определяются гидравлические сопротивления в конце цементирования:

Р_гидр' = Р₂ +Р₃ + Р₄ = 1,37 + 0,97 + 1,46 = 3,80 МПа (2.151)

б) Определяются длины столбов продавочного раствора в трубах, закачиваемое цементировочным агрегатом на различных скоростях:

l_т = а + b(Pa - Р_гидр') + c, (2.152)

Для чего определяется коэффициенты а, b, с:

а = К_v F_зп L/(K_v F_зп + F_тр) = 1,3 * 0,02 * 2750/(1,3 * 0,02 + 0,0137) = 1801 м³, (2.153)

здесь F_зп = 0,785 (D_скв²- d_н²) = 0,785 (0,2159² - 0,146²) = 0,02 м² (2.154)

F_тр = 0,785 d_вн² = 0,785*0,132² = 0,0137 м²

в = 10⁵ К_v F_зп /(K_v F_зп + F_тр)(r_цв - r_р) =

10⁵ * 1,3 * 0,02/(1,3 * 0,02 + 0,0137)(1830 - 1150) = = 96,3 м/мПа

с = (F_тр L - K_v F_зп H₁)/(K_v F_зп + F_тр) = (0,0137 * 2750 - 1,3 * 0,02 * 800)/(1,3 * 0,02 + 0,0137) = 425 м,

Ра – давление на агрегате при переходе от высшей к низшей скорости, мПа.

Длина столба продавочной жидкости на 5-й скорости

l₅ = 1801 + 96,3 (4,0 - 3,80) + 425 = 2245 м;

на четвертой

l₄ = 1801 + 96,3 (6,1 - 3,80) + 425 = 2248 м

на третьей

l₃ = 1801 + 96,3 (9,14 - 3,80) + 425 = 2811 м

в) Определяются объемы продавочной жидкости, закачиваемые цементировочным агрегатом на различных скоростях:

V_пр = Df_тр l_т (2.156)

V_пр5 = Df_тр l₅ = 1,05*0,0137*2245 = 32,3 м³

V_пр5 = Df_тр (l₄ - l₅) = 1,05*0,0137*(2448 - 2245) = 2,9 м³

V_пр3 = Df_тр (l₃ - l₄)= 1,05*0,0137*(2745 - 2448) = 4,27 м³

Итого: V_пр = V_пр5 + V_пр4 + V_пр3 = 32,3 + 2,9 + 4,27 = 39,47 м³

г) Определяется время продавки цементного раствора:

Т_пр = Т_пр5 + Т_пр4 + Т_пр3 = V_пр5 10³/60q_V+ V_пр4 10³/60q_IV + V_пр3 10³/60q_III = 32,3*10³/60*23 + 2,9*10³/60*15,1 + 4,27*10³/60*9,8 = 23,41 + 3,2 + 7,26 = 33,87 мин.

14. Определяется общее время цементирования

Т = Т₃ + Т_пр = 16 + 33,87 = 49,87 = мин (2.158)

15. Определяется количество цементировочных агрегатов

n =Т/Т_доп = 49,87/45 = 1.

Так как при цементировании работает 1 цементно-смесительная машина, то необходимо минимально принять один цементировочный агрегат. Еще необходимо предусмотреть один ЦА для подачи воды и один ЦА как запасной. Итого необходимо принять 2 ЦА, из них 1 рабочих.

16. Определяем фактическую скорость восходящего потока цементного раствора при двух рабочих ЦА:

V_кп^V = nq_v/10³ F_зп = 2*23/10³*0,02 = 2,3 м/с (2.159)

V_кп^III = nq_III/10³ F_зп = 2*9,8/10³*0,02 = 0,98 м/с

V_ср = (2,3 + 0,98)/2 = 1,64 м/с

где q_v, q_III - производительность цементировочных агрегатов, м/с.

Заключение: таким образом, для организации процесса цементирования первой ступени эксплуатационной колонны диаметром 146 мм, спущенной на глубину 2750 м, при подъеме цементного раствора до глубины 800 м необходимо 25,5 т цемента, 1 цементно-смесительную машину, 12,73 м³ воды, 39,3 м³ промывочной жидкости плотностью 1150 кг/м3 и 2 ЦА типа ЦА-320 М.

 

⇐ Предыдущая1234567

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: