Обоснование технологических параметров процесса цементирования обсадных колонн, а также потребного количества цементирующих смесей

Целью расчёта процесса цементирования является определение потребного количества тампонажных материалов, жидкости затворения, продавочной и буферной жидкости, числа цементировочных агрегатов и цементно-смесительных машин, технологических параметров процесса цементирования (объем и производительность цементировочных агрегатов при продавки).

Необходимый для цементирования объём тампонажного раствора определяется по объёму кольцевого пространства в интервале цементирования.

Объем "бездобавочного" тампонажного раствора V_б, м³ определяем по формуле (10)

, (112)

где k - коэффициент кавернозности в интервале цементирования;

L_б - высота подъема "бездобавочного" тампонажного раствора, м;

l - расстояние от башмака обсадной колонны до кольца "стоп", м.

Объем "облегченного" тампонажного раствора определяют по формуле

(113)

где H - общая высота подъема тампонажного раствора в кольцевом пространстве, м.

Произведем расчет технико-технологических параметров относительно эксплуатационной колонны.

V_б=0,785×(((1,02×0,2159)²-0,1461²)×210 + 0,131² ×10) = 4,6 м³;

V₀=0,785×((l,02×0,2159)²-0,1461²)×(1490-210) = 27.3 м³.

Потребное количество тампонажного материала для приготовления единицы объема "бездобавочного" тампонажного раствора определяют по формуле

, (114)

где r_б- плотность "бездобавочного" тампонажного раствора, кг/м³;

B/T- водотвердое отношение данного цемента.

Потребное количество материала для приготовления единицы объема

"облегченного" тампонажного раствора (g_o) определяем из решения системы уравнений

где r₀ - плотность "облегченного" тампонажного раствора, кг/м³;

a_i - массовая доля i-ro компонента твёрдого вещества;

r_i - плотность i-ro компонента твёрдого вещества, кг/м³;

r_б r_ж- плотность соответственно без добавочного тампонажного раствора и жидкости затворения, кг/м³.

Mi_тр = K_.m-g_i×Vi_тр,(117)

где к_т =1,03¸1,06 - коэффициент, учитывающий потери цемента при транспортировке и затворении.

Далее находим массу компонентов тампонажной смеси:

.(118)

Количество жидкости затворения для приготовления тампонажных растворов определяем по формуле

, (119)

где К_в =1,08¸1,10 - коэффициент, учитывающий потери воды при затворении.

М_Qбтм = 1,04 × 1200 × 4,6 = 5740 кг;

М_Qотр = 1,04 × 668 × 27,3 = 18966 кг;

М аб = 1×5740 = 5740 кг;

Мао = 0,9 × 18966 = 17769;

М_жб =1,1 × 0,5 × 5740 = 3157 м³;

М_жо=1,1×1,17 × 18966 = 24409 м³.

Рассчитаем необходимый объем продавочной жидкости по формуле

, (120)

где D- коэффициент сжимаемости продавочной жидкости, принимаем равным D=1,02¸1,04;

V_м - объем трубопроводов, связывающих цементировочные агрегаты с цементировочной головкой, принимаем равным V_м =0,5 м³.

V_пр.ж = 1,02(0,785 -0,131² × 1940 + 0,5) = 27,2 м³.

Необходимый объем буферной жидкости, требуемый для разделения бурового и тампонажного растворов, когда используется нижняя разделительная пробка, определяется в соответствии с [17] для кондуктора - 50 м³, для направления - 10 м³, эксплуатационной колонны -12 м³. В качестве буферной жидкости используем воду.

Аналогично производятся расчеты потребного количества цементирующих смесей для и кондуктора.

В интервале цементирования направления используем "бездобавочный" тампонажный раствор. Объемы и потребное количество материалов будет таковым:

V_б= 2,56 м³, М _Qбтм=3194,4 кг, M _аб = 3194,4 кг, М_жб = 6111,2 кг.

В виду небольшой глубины направления расчет Vnp _ж для неё не проводим. Считаем, что он обеспечивается имеющимся в наличии буровым раствором.

В интервале цементирования кондуктора также используем "бездобавочный" тампонажный раствор. Объемы и потребное количество материалов будет таковым:

V_б = 10,1 м³; М_Q6TM= 12569,2 кг; М а_б = 12569,12 кг, М _жб = 6913,0 кг.

Необходимый объем продавочной жидкости Vпр.ж=17,92м³.

Обоснование числа смесительных машин и цементировочных агрегатов при закачивании и продавливании тампонажных растворов

Для приготовления тампонажных растворов используются смесительные машины типа 2СМИ-20.

Число смесительных машин Пс_М принимается с учетом рассчитанного объема тампонажного материала, при условии, что в каждую машину можно загрузить не более 20000 кг материала.

n_см = М_бmм /20000, (121)

Процесс закачивания тампонажного раствора должен осуществляться с максимальной производительностью цементировочных агрегатов должна примерно соответствовать производительности смесительных машин.

Q_ца =n_CM × q_CM, (122)

где Q_ца - суммарная производительность цементировочных агрегатов,м³/с;

q_см - производительность одной смесительной машины, м³/с, принимаем из [14].

Число цементировочных агрегатов в этом случае определяется соотношением

(123)

где q_ца - максимальная производительность цементировочного агрегата, м³/с.

Рассчитаем число смесительных машин и цементировочных агрегатов для цементирования эксплуатационной колонны по формулам

= 5740/20000 = 0,28, принимаем 1;

18996/20000 = 0,95, принимаем =1.

Суммарная расчетная потребность в n _смсоставит 2 штуки.

Цементировочный агрегат выбираем типа ЦА-320М при диаметре втулок 115 мм.

Производительности смесительных машин

2×0,018 = 0,036 м.куб./с;

n_ца = 0,036/0,0079 = 4,6, принимаем п_ца = 5.

При закачивании продавочной жидкости число цементировочных агрегатов увеличивается на один, что связано с необходимостью "стравливания" разделительной пробки.

Расчет числа цементировочных агрегатов и смесительных машин для кондуктора производим аналогично формулам.

В процессе закачивания тампонажного раствора возможен ряд осложнений. Для предупреждения этих осложнений и обоснования режима закачивания и продавливания тампонажного раствора строятся зависимости

(124)

,(125)

где Р _цг - давление в цементировочной головке в интервале продуктивного пласта (на забой скважины), МПа ;

Р_кпз - давление в кольцевом пространстве в интервале продуктивного пласта, МПа;

V_жi - объемы закачиваемых жидкостей, м .

(126)

(127)

где Р_{кпс ,} Р_тс -гидростатическое давление прокачиваемых жидкостей соответственно в кольцевом пространстве и трубах, МПа.

Построение зависимостей производится в следующем порядке.

Задаемся несколькими значениями объема закачиваемого тампонажного

раствора и продавочной жидкости (V_i).

V₁ = 0;

V₂ = V_буф;

Затем определяем эти значения на каждый момент распределения жидкостей в кольцевом пространстве. При принятой производительности цементировочных агрегатов определяем значения Р_кпз иР_цг. После этого изменяем режим работы цементировочных агрегатов, аналогично вычисляем. Таким образом, для различных режимов работы определяем давления на цементировочной головке и забое в кольцевом пространстве. Результаты вычислений приводим в виде графиков, куда так же наносятся значения.

Для расчета значений DР_тнеобходимо заменить d _rна внутренний диаметр d_e, а значение F_кп заменить на площадь внутреннего сечения труб F_т.

F_m=0,785 × d²_в,(128)

Значения Р_кпзбудет постоянным для одинаковой производительности цементировочных агрегатов и пока в кольцевом пространстве находится промывочная жидкость.

Ведем расчет при режиме работы цементировочного агрегата на второй передаче с производительностью Q = 4,1×10-3 м3./с

Ркп= 1160×9,8×1950 = 22.17 МПа;

DR_кп = (0,02×1160×(4,1×10^-3) ² ×1950)/(2×0,0741×0,02l²) = 0,028 МПа;

Р_кпз= 22.17 + 0,028 = 22.2 МПа.

Определяем значения DР_mдля закачиваемого объема буферной жидкости и для промывочного раствора, но сначала найдем высоту столба буферной жидкости и площадь внутреннего сечения труб.

F_m= 0,785 ×0,131 = 0,0135 м³;

l_i = V_i / F_m ,(129)

где V_i -объем i-ой жидкости закачиваемой в трубы, м³;

l_i - высота столба i-ой жидкости, м.

Следовательно:

l_буф= 12/0,0135 = 889 м;

_mбуф= (0,02×1000× (4,1×10^-3)²×889)/(2×0,131×0,0135²) =0,006 МПа;

DR_mнж = (0,02×1160× (4,1×10^-3)²×1061)/(2×0,131×0,0135²) = 0,0087 МПа;

Р_m= 9,81 × (1000×889 + 1160×1061) = 20,1 МПа;

Р цг= 22,2 - 20,1 + 0,006 + 0,0087 = 1,4 МПа.

Аналогично рассчитываем давление Р _цги Р кпздля режимов работы цементировочного агрегата на третьей и четвертой передаче с производительностями Q = 7,9×10^{-3 м3}./с и Q = 12,2×10^{-3 м3}./с. Результаты расчетов для остальных объемов (Vi) при различных режимах работы цементировочных агрегатов сводим в таблицу 45.

Таблица 45 - Давления Р_цг и Р_кп3для всех объемов прокачиваемых

жидкостей (V_i)

Цементировочного агрегата	Производительность цементировочных агрегатов, м3/с	Давления, МПа	Объемы производимых жидкостей (Vi), м3
V1= 0	V2 = 6	V3=38	V4 = 42,6	V5 = 55,75	V6= 60,1	V7= 67,4	V8= 68,9
	4,1 ×10 -3	Рцг		1,39	11,15	-9,35	-1,40	1,25	6,49	8,147
		Ркпз	23,34	23,34	22,69	22,68	25,17	26,0	27,71	28,27
	7,9×10 -3	Рцг		1,38	11,18	-9,38	-1,42	1,24	6,488	8,148
		Ркпз	23,37	23,37	22,72	22,72	25,21	26,04	27,75	28,31
	12,2×10 -3	Рцг		1,36	11,25	-9,43	-1,45	1,22	6,484	8,150
		Ркпз	23,43	23,43	22,78	22,78	25,28	26,10	27,82	28,39

Расчеты для цементировочного агрегата типа ЦА-320М производим при диаметре втулок 115 мм. По результатам расчетов строим графические зависимости для обоснования режима закачивания и продавливания тампонажного раствора (рисунки 7 и 8).

При принятых режимах работы цементировочной техники определяем планируемое время цементирования скважины [14].

(130)

где Т цем - расчетная продолжительность цементирования колонны, с;

V_iпр.ж - объем закачиваемой жидкости в колонну при i-ой производительности цементировочных агрегатов, м ;

Q_iпр.ж - суммарная производительность цементировочных агрегатов при i-ой производительности, м³/с;

Dt- время на возможную остановку цементировочных агрегатов в процессе цементирования, с. Принимаем Dt =600-900с.

По рисунку 5 определяем V_iзакачиваемое при данной производительности цементировочного агрегата. Количество ЦА-320М принимаем исходя из расчета формулы.

Т_цем= 68,9/(5×0,0122)+750=31 мин.

Планируемое время цементирования для кондуктора определяются аналогично.

Потребное количество материалов для цементирования обсадных колонн и режим работы цементировочных агрегатов сведены в таблицы 46 и 47 соответственно.

Таблица 46- Потребное количество материалов для цементирования

обсадных колонн

Название или шифр материала	ГОСТ, ТУ, ОСТ на изготовление	Единица из-мере- ния	Потребное количество
Направление	Кондуктор	Экс-плуа-таци-онная колонна	Суммарное на скважину
ПЦТI-100	ГОСТ 1581-96	т	3,19	12,57	5,74	21,15
ПЦТ II-50	ГОСТ 1581-96	т	0,00	0,00	18,97	18,97
Глинопорошок		т	0,00	0,00	1,11	1,11
Техническая вода:
- Для затворе-ния		м3	4,11	6,91	26,41	37,43
- Для буферной жидкости		м3