Расчет цементирования обсадных колонн

Направление, кондуктор, эксплутационные колонны и хвостовик цементируются прямым способом. Наиболее трудоемкий и сложный в техническом отношении цементирование технических колонн.

Цементирование осуществляется тампонажным портландцементом для «холодных» скважин по ГОСТ 1581-78. Свойства цемента приведены в таблице 4.14.1.

Таблица 4.14.1 - Свойства тампонажного портландцемента.

Вид цемента	Температура затворения, ºС	Предел прочности при изгибе, кгс/см2	Начало схватывания, ч-мин	Конец схватывания, ч-мин	Плотность цемента, кН/м3
Для «холодных скважин»	22±2	27	2-00	10-00	31,5

При цементировании направления и кондуктора принимается водоцементное отношение В/Ц = 0,5.

Плотность цементного раствора определится по формуле.

,

где γ_Ж – плотность жидкости затворения, г/см³;

  γ_Ц – плотность цемента, г/см³.

Цементный раствор содержит СаСL₂ для предотвращения замерзания цемента в зоне вечной мерзлоты.

Динамическое сопротивление сдвига, дм/см²............................................................................................ 100-300

Растекаемость, см................................................................................................................................................... 18-25

Структурная вязкость.......................................................................................................................................... 0,1-0,5

Необходимые данные для цементирования обсадных колонн ствола скважины № 215 приведены в таблице 4.14.2.

Таблица 4.14.2 – Общие сведения о цементировании обсадных колонн

Название колонны	Способ цементирования	Данные по раздельно спускаемой части колонны				Данные о каждой ступени цементирования
		Номер части колонны	Интервал установки, м		Глубина установки МСЦ, м	Номер ступени	Высота цем . стакана	Название порции раствора	Интервал глубин цементиро-вания
			от	до					от	до
Направление	Прямой	1	0	50	-	1	5	Тампонаж Продавочная	0 0	50 45
Кондуктор	Прямой	1	0	460	-	1	15	Тампонаж Буферная Продавочная	0 400 0	460 445 400
Эксплуата-ционная	Прямой	1	0	2180	-	1	20	Тампонаж Буферная Продавочная	300 2120 0	2180 2160 2120
Хвостовик	Прямой	1	2080	2450	-	1	10	Тампонаж Буферная Продавочная	2080 2120 0	2450 2160 2120

 

Цементаж направления

Цементирование направления осуществляется в одну ступень, с применением верхней и нижней разделительных пробок. В связи с небольшой величиной интервала цементирования буферная жидкость не используется.

Исходные данные:

D = 0,394 - диаметр скважины, м;

d _н = 0,324 - наружный диаметр обсадных труб, м; 

d _в = 0,305 - внутренний диаметр труб обсадной колонны, м;

H _ц = 50 - интервал цементирования, м;

h _{ц с}= 5 - высота цементного стакана, оставляемого в колонне, м.             

Потребное количество материалов

Необходимое количество тампонажного раствора для цементирования обсадной колонны определяется по формуле:

где       k _р = 1,1 - коэффициент резерва;

Количество сухой тампонажной смеси, необходимое для приготовления заданного объема тампонажного раствора:

где k _ц = 1,05 – коэффициент, учитывающий потери цемента при погрузочно-

             разгрузочных работах;

    m = 0,5 – соотношение вода/цемент;

Необходимое количество жидкости затворения:

где k _в = 1,1 – коэффициент, учитывающий потери воды при выполнении

                      операций цементирования.

Объем продавочной жидкости.

Гидравлический расчет

Для успешного выполнения цементирования должны выполняться следующие условия:

         (1),                   , (2)                    (3)

где Р₁, [Р₁] - соответственно расчетное и допустимое давления на цементировочной головке ГУЦ 324-340х100 ([Р₁] = 10 МПа);

Р₂, [Р₂] - соответственно расчетное и допустимое давления на насосах цементировочных агрегатов ЦА-320М ([Р₂] = 32 МПа);

Р₃, [Р₃] - соответственно расчетное давление на забое скважины и давление гидроразрыва пород ([Р₃] = 0,38 МПа).

Давление на цементировочной головке в конечный момент цементирования:

где r _ц = 1840 – плотность тампонажного раствора, кг/м³;

r _р = 1050 – плотность бурового раствора, кг/м³.

Гидравлические сопротивления в момент окончания продавливания продавочной жидкости в трубах.

где Q – подача насосов в конечный момент продавливания, м³/с.

Гидравлические сопротивления в момент окончания продавливания продавочной жидкости в затрубном пространстве.

 

Условие (1) соблюдается.

Давление на цементировочном агрегате , следовательно, условие (2) также соблюдается.

Давление на забое в конечный момент цементирования:

Условие (3) также соблюдается.

Подача насосов при продавливании тампонажного раствора (для обеспечения скорости восходящего потока в кольцевом пространстве 0,5м/с) определится по формуле:

Исходя из значений Р₁ и Q согласно принимается диаметр втулок насоса ЦА320М равный 125 мм, при этом Р_IV = 6 МПа – максимальное давление на четвертой скорости, Q_IV = 14,5 л/с – максимальная подача на четвертой скорости.

Подача при закачивании определяется из условия, что при затворении смеси плотностью 1830 кг/м³ производительность 2СМН-20 q _п=17,3 л/с. Тогда число 2СМН-20, одновременно затворяющих тампонажный раствор определится по формуле.

где V_БУН – объем бункера 2СМН-20;

γ_Н = 1800  - насыпная масса цемента кг/м³;  

Таким образом, принимается 1 машина 2СМН-20.

Тогда подача насосов при закачивании тампонажного раствора.

Число цементировочных агрегатов определится из условия их подачи при продавливании.

Принимается 3 агрегата ЦА-320М.

Продолжительность закачивания тампонажного раствора.

Продолжительность процесса продавливания.

Общее время цементирования:

Условие t _ц £ 0,75t _нач.сх  выполняется.

Цементирование направления предполагается произвести по способу прямой и обратной заливки при следующих условиях: прямой заливкой закачать 2,0 м³ цементного раствора плотностью 1,83 г/см³ с добавлением 3 % СаСl₂. После 6 часов ОЗЦ произвести две заливки с устья в затрубье 0,57 м³ цементного раствора плотностью 1,83 г/см³ с добавлением 5 % асбеста и 10 % опилок.

Цементаж кондуктора

Цементирование кондуктора осуществляется в одну ступень, с применением верхней и нижней разделительных пробок, а также с применением буферной жидкости.

Исходные данные:

D = 0,295 - диаметр скважины, м;

d _н = 0,245 - наружный диаметр обсадных труб, м; 

d _в = 0,227 - внутренний диаметр труб обсадной колонны, м;

H _ц = 460 - интервал цементирования, м;

h _цс = 15 - высота цементного стакана, оставляемого в колонне, м.          

Потребное количество материалов

Минимальный объем буферной жидкости для обеспечения качества цементирования.

Объем буферной жидкости принимается из условия: V_{БУФ. MIN}≤ V_БУФ≤ V_БУФ.КР.

Принимается объем буферной жидкости V_БУФ = 6 м³.

Необходимое количество тампонажного раствора для цементирования обсадной колонны определяется по формуле:

где k _р = 1,1- коэффициент резерва.

Количество сухой тампонажной смеси, необходимое для приготовления заданного объема тампонажного раствора:

Необходимое количество жидкости затворения:

Объем продавочной жидкости.

Гидравлический расчет

Для успешного выполнения цементирования должны выполняться следующие условия:

       (1),                  , (2)                   (3)

где Р₁, [Р₁] - соответственно расчетное и допустимое давления на цементировочной головке ГУЦ 219-245х320 ([Р₁] = 32 МПа);

Р₂, [Р₂] - соответственно расчетное и допустимое давления на насосах цементировочных агрегатов ЦА-320М ([Р₂] = 32 МПа);

Р₃, [Р₃] - соответственно расчетное давление на забое скважины и давление гидроразрыва пород ([Р₃] = 2,9 МПа).

Давление на цементировочной головке в конечный момент цементирования:

Гидравлические сопротивления в момент окончания продавливания продавочной жидкости в трубах.

Гидравлические сопротивления в момент окончания продавливания продавочной жидкости в затрубном пространстве.

Условие (1) соблюдается.

Давление на цементировочном агрегате , следовательно, условие (2) также соблюдается.

Давление на забое в конечный момент цементирования:

Условие (3) соблюдается.

Подача насосов при продавливании тампонажного раствора (для обеспечения скорости восходящего потока в кольцевом пространстве 1м/с) определится по формуле:

Исходя из значений Р₁ и Q согласно принимается диаметр втулок насоса ЦА320М равный 127мм, при этом Р_V = 20 МПа – максимальное давление на пятой скорости, Q_V = 23 л/с – максимальная подача на пятой скорости.

Подача при закачивании определяется из условия, что при затворении смеси плотностью 1830 кг/м³ производительность 2СМН-20 q _п=17,3 л/с. Тогда число 2СМН-20, одновременно затворяющих тампонажный раствор определится по формуле.

Таким образом принимается 1 машина 2СМН-20.

Тогда подача насосов при закачивании тампонажного раствора.

Число цементировочных агрегатов определится из условия их подачи при продавливании.

 Принимается 2 агрегата ЦА-320М.

Продолжительность закачивания тампонажного раствора.

Продолжительность процесса продавливания.

Общее время цементирования:

Условие t _ц £ 0,75 t _нач.сх  выполняется.

Расчет цементирования эксплуатационной колонны

Цементирование колонны осуществляется в одну ступень, с применением верхней и нижней разделительных пробок, а также с применением буферной жидкости.

Исходные данные:

D = 0,216 - диаметр скважины, м;

d_н = 0,178 - наружный диаметр обсадных труб, м; 

d_в = 0,161 - внутренний диаметр труб обсадной колонны, м;

H_ц = 2180 - интервал цементирования, м;

h_цс = 20 - высота цементного стакана, оставляемого в колонне, м.

Цементирование эксплуатационной колонны осуществляется цементным раствором, приготовленным из облегченного цемента (ОЦГ) для холодных скважин со следующими параметрами

Насыпная масса цемента г/см³.............................................................................................................................. 2,5

Водоцементное отношение (В/Ц).......................................................................................................................... 0,8 

Плотность цементного раствора определится:

Проектом предусматривается интервал 2180 – 1946 м (234 м) зацементировать цементным раствором с плотностью ρ_цр = 1,83 г/см³; интервал 300 – 1946 м (1646 м) – облегченным цементным раствором с плотностью ρ_оцр = 1,45 г/см³; интервал 0 – 300 м. цементироваться не будет .