Объектом работы являются эксплуатационные скважины для освоения месторождений Западной Сибири

 

РIНИL≥26,3×1,2=31,56 МПа.

 

По табл.2.13. видно, что этому давлению соответствует трубы с толщиной стенки 7,7 мм, для которых Р1КР=34,2 МПа.

Длина 1-ой секции l1=110 м (60 м плюс 50 м выше кровли эксплуатационного объекта). Вес ее определяется по формуле:

 

Q i=q i × l i, (2.86)

 

где Q i - вес соответствующей i-ой секции, кН;

q i - вес 1м трубы соответствующей i-ой секции, кН;

l i - длина соответствующей i-ой секции, кН.

 

Q 1=0,265 × 110 =29,1 кН.

 

По эпюре (рис.2.5) находится давление РНИZ на уровне верхнего конца 1-ой секции на глубине 2990 м РНИZ=25,9 МПа. Следующая секция имеет толщину 7,0 мм для которых Р1КР =27,7 МПа. Определяется значения РКР2 для труб второй секции. Из условий двухосного напряжения с учетом растягивающих нагрузок от веса 1-ой секции по формуле:

 

PIКРi+1= PКРi+1× (1-0,3× (Q i/Q i+1)) МПа, (2.87)

 

где Q i - вес предыдущей секции, кН;

Q i+1 - растягивающая нагрузка при которой напряжения в теле трубы достигают предела текучести для определяемой секции, кН;

PКРi+1 - наружное избыточное давление на глубине установки определяемой секции, МПа.

 

PIКР2 = 27,7× (1-0,3× (29,1/983)) =27,45 МПа.

 

Глубина спуска 2-ой секции принимается равной 2990 м.

Толщина стенки труб 2-ой секции принимается 7,0 мм. Так как наружные избыточные давления к устью продолжают уменьшаться, то трубы с данной толщиной стенки их выдержат. Дальнейший расчет проводится из условия прочности на страгивающие нагрузки в резьбовом соединении. Длина секции определяется по формуле:

 

li= ([P] - ∑Qi-1) /qi м, (2.88)

 

qi - вес 1 м труб искомой секции, кН;

∑Qi-1 - общий вес предыдущих секций, кН;

[P] - допустимая нагрузка на растяжение, кН.

Допустимая нагрузка на растяжение определяется по формуле:

 

[P] =РСТ/nI3 кН, (2.89)

 

где РСТ - страгивающая нагрузка для соединений труб соответствующей секции, кН.

 

[P] =1019/1,3= 783,8 кН.

 

Длина 2-ой секции определяется по формуле (2.88):

 

l2= (783,8-29,1) /0,243=3105 м

 

Принимается длина 2-ой секции 2990. Тогда вес 2-ой секции по (2.86):

 

QI2=2990 × 0,243=726,6 кН.

 

Вес 2-х секций составит

 

∑QI= 29,1+726,6=755,7 кН.

 

Сводные данные о конструкции обсадной колонны приведены в табл.2.14.

 

Таблица 2.14 Сводные данные о конструкции обсадной колонн

№ п. п. секции	Группа прочности	Толщина стенки, мм	Длина секции, м	Вес, кН			Интервал установки
				секции	суммарный	1 м труб
I	E	7,7	110	29,1	29,1	0,265	3100 - 2990
II	E	7,0	2990	726,6	755,7	0,243	2990 - 0

 

 

 

2.12 Расчёт параметров цементирования

 

Расчёт параметров цементирования производится по методике изложенной в методическом пособии "Расчёт параметров цементирования обсадных колонн" под редакцией Редутиннског Л. С [13].

Обосновывается способ цементирования.

Под способом цементирования понимается схема доставки тампонажной смеси в затрубное пространство. Поэтому признаку выделяют несколько способов цементирования обсадных колонн: прямой одноступенчатый, прямой двухступенчатый, манжетный, обратный, цементирование "хвостовиков" и секций.

Среди перечисленных способов цементирования наилучшей технологичностью обладает способ прямого одноступенчатого цементирования, к тому же при этом способе можно получить наиболее высокое качество разобщения. Поэтому способ одноступенчатого цементирования всегда предпочтительнее других способов, если применение последних не вызывается необходимостью по горнотехническим условиям.

Способ прямого двухступенчатого цементирования целесообразно использовать:

При наличии зон поглощений в нижележащих пластах.

При наличии резко различающихся температур в зоне подъема цементного раствора, вызывающих быстрое его схватывание в нижней части.

В случае невозможности одновременного вызова на буровую большого числа цементировочных агрегатов.

Использование двухступенчатого цементирования позволяет значительно снизить давление на горные породы и предотвратить их гидроразрыв.

Манжетное цементирование применяют на месторождениях с низким пластовым давлением или сильно дренированных, подверженных гидроразрыву пластов. При данном способе исключается загрязнение продуктивного горизонта, находящегося ниже спецмуфты, тампонажной смесью.

При обратном цементировании ускоряется процесс доставки тампонажной смеси в затрубное пространство и снижается давление на горные породы. Этот способ находит широкое применение при цементировании обсадных колонн, перекрывающих пласты большой мощности, подверженные гидроразрыву при небольших перепадах давления, а также рекомендуется для заливки колонн небольшой глубины.

Необходимость в цементировании "хвостовиков" или секций обсадных колонн возникает, если в конструкции скважины предусмотрен спуск колонны в виде "хвостовиков" или секций [2].

Выбираем простейший, наиболее технологичный и распространенный на данном месторождении и в Западной Сибири способ прямого цементирования, который предполагает доставку тампонажной смеси в затрубное пространство через башмак обсадной колонны.

Проведем расчет для определения возможности одноступенчатого цементирования [15]. Такая возможность определяется из условия гидроразрыва пород и минимально возможного удельного веса гельцементного раствора, то есть, возможность регулирования удельного веса гельцементного раствора лежит в пределах:

 

q ГЦМИН < qГЦ < qГЦМАКС, (2.90)

 

где q ГЦМИН - минимально возможный удельный вес гельцементного раствора Н/м3,qГЦМАКС - максимально возможный удельный вес гельцементного раствора, при которой ещё не произойдет гидроразрыв пород Н/м3.

Облегченный гельцементный раствор применяется для снижения гидростатического давления на горные породы. Практикой установлено, что достаточно удовлетворительные свойства цементного камня получаются при облегчении гельцементного раствора до удельного веса q ГЦМИН=1,32×104 Н/м3.

Максимальный удельный вес гельцементного раствора, при которой ещё не произойдет гидроразрыв пород, определяется из выражения:

 

qГЦМАКС = (L×qСР - hБР×qБР - hЦР×qЦР) /hГЦ Н/м3, (2.91)

 

где qСР - допустимое средневзвешенное значение удельного веса жидкости за колонной, Н/м3;

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

hГЦ - высота столба гельцементного раствора, м;

hЦР - высота столба чистого цементного раствора, м; принимается - 550 м;

qБР - удельный вес чистого цементного раствора из портландцемента и может быть принят 1,83×104 Н/м3.

Допустимое средневзвешенное значение удельного веса жидкости за колонной определяется из выражения:

 

qСР=РГР/ (L× [1+λЗП× (VЗП) 2/2×g× (DД - D) ×КК]) Н/м3, (2.92)

 

где РГР - давление гидроразрыва пород в призабойной зоне, МПа; λЗП - безразмерный коэффициент гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве; VЗП - скорость движения потока в затрубном пространстве, м/с; DC - диаметр скважины, м; D - наружный диаметр обсадных колонн, м; КК - коэффициент кавернозности. По формуле (2.92) получится:

 

qСР=52,18 / (3105× [1+0,035 × 1,52/2×9,8 × (0,2159 -0,146) ×1,7]) =1,68×104 Н/м3.

 

Таким образом, из выражения (2.91) получается:

 

qГЦМАКС = (3105×1,68×104 - 450×1,08×104 - 320×1,83×104) /2155=1,92×104 Н/м3.

 

Так как qГЦМАКC>qГЦМИН, то цементирование обсадной колонны в одну ступень возможно. При этом значение удельного веса гельцементного раствора может быть принято по условию (2.90) в пределах 1,32…1,92×104 Н/м3.

Рассчитывается объем буферной и продавочной жидкостей и тампонажной смеси.

Объем тампонажной смеси определяется объемом затрубного пространства, подлежащего цементированию, и объемом цементного стакана.

 

VТС=VЗП+VСТ м3, (2.93)

 

где VЗП - объемом затрубного пространства, м3; VСТ - объемом цементного стакана, м3. При цементировании затрубного пространства часто используется тампонажная смесь разного состава. В частности, интервал эксплуатационного объекта цементируют чистым цементным раствором, а вышележащий интервал - облегченной тампонажной смесью (гельцементом).

Тогда:

 

VЗП= VЗПЦР+VГЦ м3, (2.94)

 

где VЗПЦР - объем цементного раствора в затрубном пространстве, м3; VГЦ - объем гельцементного раствора, м3. Объем цементного раствора в затрубном пространстве составит:

 

VЗПЦР=p/4× (DД2 - D2) ×КК ×hЦР м3, (2.95)

 

где D - наружный диаметр обсадной колонны, м;

hЦР - высота столба цементного раствора, м.

 

VЗПЦР=3,14/4× (0,21592 - 0,1462) ×1,1 ×320 =7 м3.

 

Интервал гельцементного раствора располагается одной частью в необсаженном стволе, а другой в обсаженном. Поэтому объем гельцементного раствора определяется по выражению:

 

VГЦ=p/4× [ (DД2 - D2) ×КК×hСГЦ + (DВ2 - D2) ×hОГЦ] м3, (2.96)

 

где hСГЦ - высота столба гельцемента в необсаженном стволе, м;

hОГЦ - высота столба гельцемента в обсаженном стволе, м;

DВ - внутренний диаметр предыдущей колонны, м.

По данным кавернограмм коэффициент кавернозности в интервале: 650 - 2785м К=1,7.

 

VГЦ=3,14/4× [ (0,21592 - 0,1462) ×1,7 ×2135 + (0,21692 - 0,1462) ×200] =77,2 м3.

 

Объем цементного стакана определяется внутренним объемом обсадной колонны в интервале от башмака до кольца "стоп" и находится по формуле:

 

VCT=p/4×dВ2×h CT м3, (2.97)

 

где dВ - внутренний диаметр обсадной колонны, м;

hCT - высота цементного стакана, м.

Ориентировочную высоту цементного стакана принимается равной 30 м, исходя из условия 10 м на каждые 1000 м ствола скважины.

 

VCT=3,14/4× 0,13062 ×30 =0,4 м3.

 

Общий объем цементного раствора составит:

 

VЦР = VЗПЦР + VCT м3. (2.98)

VЦР = 7+ 0,4=7,4 м3.

 

Общий объем тампонажной смеси:

 

VТС = VЦР + VГЦ м3. (2.99)

VТС = 7,4+77,2= 84,6 м3.

 

Рассчитывается удельный вес тампонажной смеси.

Компонентами чистого цементного раствора являются цемент и вода. В качестве цемента, согласно ГОСТ 1581-96 "Портландцементы тампонажные. Технические условия" используем портландцемент тампонажный бездобавочный для умеренных температур марки ПЦТ I - 100, так как облегчающих добавок не требуется, а температура на забое скважины составляет 940С. Удельный вес цемента равен 3,12×104Н/м3. В качестве жидкости затворения используем техническую воду, удельный вес которой 1,0×104Н/м3. Весовое отношение воды к цементу в растворе описывает водоцементное отношение m=0,5 [13, стр.14].

Исходная формула для расчета удельного веса цементного раствора:

 

qЦР= ( (1+m) ×qЦ×qВ) / (qВ+m×qЦ) Н/м3, (2.100)

 

где qЦ - удельный вес цемента, Н/м3;

qЦ - удельный вес технической воды, Н/м3.

По формуле (2.13.11) находим:

 

qЦР= ( (1+0,5) ×3,12 ×104×1,0 ×104) / (1,0 ×104+0,5×3,12 ×104) =1,82×104 Н/м3.

 

Компонентами гельцементного раствора являются цемент, вода, наполнитель (глинопорошок) и наполнитель (при необходимости). В качестве цемента используем портландцемент тампонажный ПЦТ I - 100, с удельным весом 3,12×104Н/м3, в качестве жидкости затворения используем техническую воду, удельный вес которой 1,0×104Н/м3. В роли наполнителя используем бентонитовый порошок с удельным весом 2,8 ×104Н/м3.

Ранее было определено, что значение удельного веса гельцементного раствора находится в приделах 1,32…1,92 ×104Н/м3. По табл.3.2.1 [13, стр.17] выбирается удельный вес гельцементного раствора равной 1,53×104Н/м3 и принимается значение глиноцементного отношения равным 0,33.

Водоцементное отношение находим по формуле:

 

М = 0,5+2,2 Б, (2.101)

 

где М - водоцементное отношение;

Б - глиноцементное отношение.

 

М = 0,5+2,2 ×0,33=1,23.

 

Окончательное значение удельного веса гельцементного раствора рассчитываем по формуле:

 

qГЦ= (М+1+Б) / (М/qВ+1/qЦ +Б/qН) Н/м3, (2.102)

 

где qН - удельный вес наполнителя.

Таким образом получаем:

 

qГЦ= (1,23+1+0,33) / (1,23/1×104+1/3,12 ×104 +0,33/2,8 ×104) =1,53×104 Н/м3.

 

Определяется потребное количество составных компонентов для тампонажной смеси.

Для чистого цементного раствора необходимо найти количество цемента и воды. При принятом водоцементном отношении m количество цемента определяется следующим образом. В одном кубометре цементного раствора содержится цемента - rЦ; воды - m × rЦ, удельный вес 1 м3 раствора составляет - qР. Тогда расход цемента на 1 м3 раствора составит:

 

rЦ = q ЦР / (1+m), т/м3. (2.103)

rЦ = 3,12×104/ (1+0,5) =2,08 т/м3.

 

Расход воды на 1 м3 раствора составит:

 

rВ =m × rЦ т/м3. (2.104), rВ =0,5 × 2,08=1,04 т/м3.

 

Потребное количество цемента для приготовления всего объема цементного раствора определяется по формуле:

 

GЦI =VЦР× rЦ ×K т. (2.105)

 

Где К - коэффициент неизбежных потерь цемента при затворении, принимается 1,05.

 

GЦI=7,4× 2,08 ×1,05= 16 т.

 

Потребное количество воды для приготовления всего объема цементного раствора определяется по формуле:

 

GВI = m × GЦI т. (2.106)

GВI= 0,5 × 16=8 т.

 

Для гельцементного раствора необходимо найти количество воды, цемента и наполнителя (глинопорошка). При принятых значениях водоцементного и глиноцементного отношений находим количество цемента. В одном кубометре раствора содержится: цемента - rЦ; воды - М × rЦ; глинопорошка - Б× rЦ.

Расход цемента на 1 м3 раствора составит:

 

rЦ = qГЦ/ (1+М+Б) т/м3. (2.107)

rЦ = 1,53×104/ (1+1,23 +0,33) =0,598 т/м3.

 

Расход воды на 1 м3 раствора составит:

 

rВ = М × rЦ т/м3. (2.108)

rВ =1,23 × 0,598 = 0,736т/м3.

 

Расход глинопорошка на 1 м3 раствора составит:

 

rН =Б · rЦ т/м3. (2.109)

rН =0,33 × 0,598 = 0, 197 т/м3.

 

Общее количество цемента определяется как:

 

GЦII=VГЦ× rЦ ×K т. (2.110)

GЦII =77,2× 0,598 ×1,05=48,5 т.

 

Общее количество воды определяется как:

 

GВII =М× GЦ т. (2.111)

GВII=1,23× 48,5= 60 т.

 

Общее количество наполнителя определяется как:

 

GН = Б × GЦII т. (2.112)

GН = 0,33 × 48,5=16 т.

 

На весь объем цементирования скважины суммарное количество цемента составит:

 

∑ GЦ =GЦI +GЦII т. (2.113)

∑ GЦ = 16 + 48,5 = 64,5 т.

 

Суммарное количество сухого порошка (цемента и наполнителя) составит:

 

∑ G = ∑ GЦ + GН т. (2.114)

∑ G = 64,5+16=80,5 т.

 

Рассчитывается объем продавочной жидкости.

Продавочная жидкость служит для вытеснения тампонажной смеси из обсадной колонны в затрубное пространство с помощью продавочной пробки.