Расчет параметров и технологии цементирования

Объём тампонажной смеси и количество составных компонентов:

1.Объём тампонажной смеси определяется объёмом затрубного пространства, подлежащего цементированию и объёмом цементного стакана (рис. 3.7). Из рис. 2.12 видно, что объём тампонажной смеси состоит из трёх частей и определяется по формуле:

V_mc = (V^зп_цр + V_cm) + V_гц ()

где V^зп_цр - объём чистого цементного раствора в затрубном пространстве, м³;

V_cm - объём цементного стакана, м³;

V_гц - объём гельцементного раствора в затрубном пространстве, м³;

Объём чистого цементного раствора в затрубном пространстве определяется по формуле:

V^зп_цр = π• ((г_с • К_к)² –r_ок²) • h_цр, ()

где г_с - радиус скважины, м;

r_ок - радиус обсадной колонны, м;

К_к - коэффициент кавернозности, соответствующий интервалу цементирования (см. табл. 1.1);

h_цр- высота столба чистого цементного раствора за колонной, (принимаем равной 220 м, во избежание межпластовых перетоков) м;

V^зп_цр = 3,14 • ((0,10795 • 1,25)² - 0,073²) • 220 = 9 м³

Рисунок - Распределение тампонажной смеси в скважине

Объём гельцементного раствора в затрубном пространстве определяется по формуле:

()

где L - глубина скважины, м;

Д_в - внутренний диаметр предыдущей обсадной колонны;

Д - наружный диметр обсадной колонны;

Д_с- диаметр скважины;

d_B -внутренний диаметр обсадной колонны;

h_бр - расстояние от устья до уровня тампонажной смеси в затрубном пространстве, м;

h_цр -высота столба цементного раствора, м;

h°_гц - высота столба гельцементного раствора в затрубном пространстве в обсаженном стволе;

h^с_гц - высота столба гельцементного раствора в затрубном пространстве в не обсаженном стволе;

h_cm - высота цементного стакана.

V_гц = 3,14/4 -[((0,2159 • 1,25)² – 0,46²) • 1951 + (0,2287² – 0,146²) • 125] = 82 м³

 

Рассчитываем объём цементного стакана по формуле:

V_CT = π/4 • d_B² • h_cm, ()

где d_B - внутренний диаметр обсадной колонны, м;

h_cm - высота цементного стакана, м;

V_ст = 3,14/4 • 0,132² • 25 = 0,34 м³

 

Тогда по формуле (15)

V_mc = 9+ 0,34+ 82 = 91,34 м³

 

2. Количество составных компонентов.

Расход цемента на 1 м³ раствора составит:

()

где m - водоцементное отношение (т = 0,5);

γ_цр - плотность цементного раствора, кг/м³;

 

Расход воды на 1 м³ раствора составит:

g’_в = m • g’_ц ()

где m - водоцементное отношение (m = 0,5);

g’_ц - расход цемента на 1 м³ раствора, кг/м³;

g’_в = 0,5 • 4220 = 610кг/м³

 

Количество цемента, требуемое для приготовления всего объёма цементного раствора, определяется по формуле:

G’_ц = V_цр • g’_ц • К, ()

где V_цр - объём тампонажного раствора, м³;

g’_ц - расход цемента на 1 м³ раствора, кг/м³;

К - коэффициент неизбежных потерь цемента при затворении, (К=1,05).

G’_ц = (9 + 0,34) • 1220 • 1,05 = 11964 кг.

 

Количество воды, требуемое для приготовления цементного раствора определяется по формуле:

G’_в = m • G’ _ц, ()

где m - водоцементное отношение;

G’_в- количество цемента необходимое для приготовления всего цементного раствора, кг.

G’_в = 0,5 • 11964 = 5982 кг

 

Расход цемента на 1 м³ гельцементного раствора составит:

()

где М - водоцементное отношение;

Б - глиноцементное отношение;

γ_гц - плотность гельцементной смеси, кг/м³;

 

Расход воды на 1 м³ гельцементного раствора определяют по формуле:

g'_в = М • g’_ц ()

где М - водоцементное отношение;

g’_ц - расход цемента на 1м³ раствора, кг/м;

g'_в = l,6•470 = 750 кг/м³

 

Расход глинопорошка на 1 м³ раствора определяется по формуле:

g_н = Б • g_ц ()

где Б - глиноцементное отношение;

g_ц - расход цемента на 1 м³ раствора, кг/м³.

Общее количество цемента для приготовления гельцементной смеси находится по формуле:

G_ц = V_гц • g_ц • К, ()

где V_гц - объём гельцементного раствора, м³;

g_ц - расход цемента на 1 м³ раствора, кг/м³;

К - коэффициент неизбежных потерь цемента при затворении, (К = 1,05).

G_ц = 82•470•1,05 =40467 кг

Количество воды, требуемое для приготовления гельцементного раствора, находится по формуле:

G_в = M • G_ц , ()

где М - водоцементное отношение;

G_ц - количество цемента необходимое для приготовления гельцементного раствора, кг.

G_в = 1,6 • 40467 = 64747 кг

Количество наполнителя находим по формуле:

G_н = Б • G_ц, ()

где Б - глиноцементное отношение;

G_ц - количество цемента необходимое для приготовления гельцементного раствора, кг.

G_н = 0,5 • 40467 = 20233 кг

На весь объём цементирования скважины суммарное количество цемента составит ΣG_ц = G’_ц + G_ц, (29)

где G_ц - количество цемента необходимого для приготовления чистого цементного раствора, кг;

G_ц - количество цемента необходимого для приготовления гельцементного раствора, кг.

ΣG_ц = 11964 + 40467 = 52431 кг.

Суммарное количество сухого порошка (цемента + наполнитель) находят по формуле:

ΣG = ΣG_ц + G_н, ()

где ΣG_ц - общее количества цемента, кг;

G_н - количество наполнителя, кг.

ΣG = 52431 + 20233,5 = 72664,5 кг.

 

Таблица - Количество составных компонентов

Компонент	Масса, кг
G’ц (количество цемента, требуемое для приготовления цементного раствора)
G’в (количество воды, требуемое для приготовления цементного раствора)
Gц (общее количество цемента для приготовления гельцементной смеси)
Gв (количество воды, требуемое для приготовления гельцементного раствора)
Gн (количество наполнителя)
ΣG (суммарное количество сухого порошка)	72664,5

 

Объём продавочной жидкости определяется по формуле:

()

где d_i - внутренний диаметр i - ой секции обсадной колонны, м;

l_i - длинна i - ой секции обсадной колонны (без учёта высоты цементного стакана нижней секции), м;

К’ - коэффициент, учитывающий сжатие пузырьков воздуха в продавочной жидкости и деформацию обсадной колонны, (К’ = 1,03).

 

4.Объём буферной жидкости

Практикой установлено, что минимальное необходимая высота столба буферной жидкости должна составлять ориентировочно 100 м на каждые 1000 м цементируемого интервала.

Минимальный объём буферной жидкости составляет:

V_бж^мин = π/4 • ((Д_с • К_к)² - Д²) • h_бж^мин, ()

где Д_с-диаметр скважины, м;

Д - наружный диаметр обсадной колонны, м;

К_к - коэффициент кавернозности (К_к= 1,25 согл. 1.1);

h_бж^мин- минимально необходимая высота столба буферной жидкости затрубном пространстве, м;

V_бж^мин = 3,14/4 • ((0,2159 -1,25)² – 0,146²) - 2926/10 = 9,3 м³

 

Во избежание выброса вследствие снижения гидростатического давления, так как γ_бр > γ_бжнеобходимо найти максимальное количество закачиваемой в скважину буферной жидкости из условия отсутствия выброса по формуле:

V_бж^макс = π /4• ((Д_с • К_к)²- Д²) • h_бж^макс, ()

где Д_с - диаметр скважины, м;

Д - наружный диаметр обсадной колонны, м;

К_к - коэффициент ковернозности (К_к= 1,25 согл. 1.1);

h_бж^макс -максимальная высота столба буферной жидкости в затрубном пространстве, м, определяется по формуле:

()

где L - глубина скважины, м;

Р_пл - пластовое давление, МПа;

γ_бр - плотность бурового раствора, кг/м³;

γ_бж - плотность буферной жидкости, кг/м³;

По формуле (33):

V_бж^макс = 3,14/4 • ((0,2159 • 1,25)²- 0,146²) • 6059 = 245 м³

Номинальный объём буферной жидкости должен находиться в пределах между минимальным и максимальным значением

V_бж^макс > V_бж > V_бж^мин, ()

V_бж = 0,2• (91+41,5) = 26,5 м³

Так условие () выполняется, то принимаем объём буферной жидкости V_бж = 26,5 м³.

 

Таблица – Параметры цементирования

Параметр	Объем, м3
Vзпцр (объём чистого цементного раствора в затрубном пространстве)
Vгц (объём гельцементного раствора в затрубном пространстве)
Vст (объём цементного стакана,)	0,34
Vmc (объём тампонажной смеси)	91,34
Vпж (объём продавочной жидкости)	41,5
Vбж (объём буферной жидкости)	26,5

 

Тип цементировочных агрегатов

Цементировочный агрегат должен обеспечивать следующее давление:

Р_ца ≥ Р_цг/0,8, ()

где Р_ца - давление, развиваемое цементировочным агрегатом, МПа;

Р_цг - максимальное давление на цементировочной головке, МПа;

 

Максимальное давление на цементировочной головке находится по следующей формуле:

Р_цг= ∆ Р_цг + Р_гд + Р_cm, ()

где ∆ Р_цг - гидростатическое давление, возникающее из - за разностей плотности жидкости внутри колонны и в затрубном пространстве, МПа;

Р_гд - давление, необходимое для преодоления гидравлических сопротивлений при движении жидкости внутри колонны и в ратрубном пространстве, МПа;

Р_cm- дополнительное давление возникающее при посадке продавочной пробки на "стоп" - кольцо (Р_cm = 2,5 МПа).

 

Разность давлений от составного столба жидкости за колонной Р_гс^зп и внутри колонны Р_гс^гр равна гидростатическому давлению ∆Р_гс и находится по формуле:

∆Р_гс - Р_гс^зп - Р_гс^тр = 0,01 • (L – h_бр - h_cm) • (γ_тс - γ_бр), ()

∆Р_гс = 0,01• (2700 - 810 - 25) - (1830 - 1080) = 14,8 МПа

 

Гидродинамические сопротивления Р_гд определяются по формуле:

Р_гд = Р_гд^тр + Р_гд^зп, ()

Р_гд= 6,18+ 1,37=7,55 МПа

 

Определяем максимальное давление на цементировочной головке по формуле ():

Р_цг = 14,8 + 7,55 =22,35 МПа

 

По формуле (36):

Р_ца ≥ 22,35/0,8 =27,9 МПа

 

Такое давление обеспечит цементировочный агрегат типа АЦ - 32У, который имеет следующие технические характеристики:

1. Полезная мощность, кВт - 108,0

2. Частота вращения вала двигателя, с^-1(об/мин) - 35(210)

3. Насос поршневой цементировочный НПЦ-32

-давление максимальное, МПа - 32

-подача максимальная, л/с - 23

4. Насос водяной ЦНС-38- 154

-давление максимальное, МПа - 15

-подача максимальная, л/с - 10

5. Двигатель привода водяного насоса ГАЗ - 52 - А 6,4

6. Ёмкость мерного бака, м³ - 6,4

7. Емкость бака для затворения цемента, м³ - 0,25

8. Габариты, мм - 10400x26500x3200

9. Масса, кг - 15230