Выбор и обоснование способа бурения нефтяных скважин

  максимально возможная плотность гельцементного раствора при которой не произойдет гидроразрыва пород, г/см³.

При применении гельцементного раствора, интервал заколонного пространства от забоя до глубины на 150 метров выше кровли продуктивного горизонта (3100–2890м) заполняется цементным  раствором нормальной плотности, а интервал 3100–500 м заполняется гельцементным раствором. Практикой установлено, что достаточно удовлетворительные свойства цементного камня получатся при облегчении гельцементного раствора до плотности г/см³

Максимально возможную плотность гельцементного раствора, при которой не произойдет гидроразрыв пород определяем по формуле:

 

,                                 (2.112)

        где  высота столба чистого цементного раствора, м;

высота столба тампонажной смеси, м;

 допустимое средневзвешанное значение плотности жидкости за колонной, г/см³;

плотность чистого цементного раствора,г/см³.

Допустимое средневзвешанное значение плотности жидкости за колонной определяем по формуле

                              (2.113)

где  ускорение свободного падения, м/с²;

       коэффициент кавернозности.

   По формуле  (2.113)

, г/см³

По формуле (2.112)

, г/см³;

Так как  г/см³  > г/см³, то цементирование обсадной колонны в одну ступень возможно.

 

 

 

2.5.4. Выбор состава тампонажной смеси

 

 

       В  качестве буферной жидкости используем  двухпроцентный водный раствор  триполифосфата натрия (ТПФН). Плотность  буферной жидкости составляет 1010 кг/м³.

Объем буферной жидкости зависит от времени контакта для  эффективной очистки затрубного пространства и определяется как произведение:

V_БЖ = S_К t                              (2.114)

где S_К = π (D²_СК K_K  - D²) / 4  – площадь затрубного (кольцевого)  пространства, м²;

              t  - время контакта, с (t=420-480 с);

V_БЖ=3,14∙(0,2159²∙1,7-0,146²)∙0,04∙480/4=8,84

 

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

, м³                                                 (2.115)

     Объем цементного  раствора в затрубном пространстве  составит

, м³                        (2.116)

м³

     Объем цементного  стакана определяется внутренним  объемом обсадной колонны в  интервале от башмака до кольца  «стоп» по формуле

, м                                             (2.117)                  

м³

 

Тогда по формуле (2.115)

м³

     Объем гельцементного раствора  в затрубном пространстве определяем  по формуле:

                           (2.118)

 м³

Тогда объем чистого  цементного раствора будет равен 7,81 м³.

    Продавочная  жидкость служит для вытеснения  тампонажной смеси  из обсадной  колонны в затрубное пространство  с помощью продавочной пробки. В качестве продавочной жидкости  применяют буровой раствор.

Расчёт необходимого количества продавочной жидкости V_ПР (м³) выполняем по формуле:

                    V_ПР = k_ПР∙ π∙( F² ∙ L -d_в² ∙ )/4                                              (2.119)

где: k_ПР - коэффициент, учитывающий сжатие продавочной жидкости (для глинистого раствора k_ПР = 1,03 – 1,05).

      F– средневзвешенный внутренний диаметр обсадной колонны, м.

V_ПР = 1,05∙3,14∙(0,127²∙3100-0,1246²∙30)/4=40,825

 

     В состав  цементного раствора  входят цемент  и вода. В качестве жидкости  затворения  используют техническую воду. В качестве вяжущего вещества используем портландцемент тампонажный бездобавочный для умеренных  температур марки ПЦТ – 1 – 100 (ГОСТ 1581 – 96), так как температура на забое скважины составляет 94˚С.

Расчет количества компонентов  сухой тампонажной смеси и жидкости для её затворения производят с учётом водотвёрдого (водоцементного) отношения рекомендуемого поставщиком и оптимальной плотности цементного раствора.

По значениям ρ_ЦР (в кг/м³) и выбранного (или подобранного в результате лабораторных испытаний) водотвёрдого отношения m предварительно определяют среднюю плотность твердой фазы ρ_Т. (в кг/м³) тампонажного раствора:

ρ_Т = ρ_ЦР / [1 – m (ρ_ТР / ρ_Ж – 1)]                                   (2.120)

где ρ_Ж - плотность жидкости затворения, определяемая в процессе подбора рецептуры (ρ_Ж = 1000 кг/м³).

  

ρ_Т = 1830 / [1 – 0,5 (1830 /1000 – 1)] =2600

 

       Для  чистого цементного раствора  необходимо найти количество  цемента и воды.

    

Масса тампонажного материала G (в кг), необходимая для приготовления  1 м³ раствора,

G =   ρ_Т (ρ_ЦР – ρ_Ж) / (ρ_Т – ρ_Ж)                                 (2.121)

G =   2600∙(1830-1000)/(2600-1000)=1348,75

      Количество цемента   требуемое для  приготовления   всего объема чистого цементного  раствора  определяется по формуле

G_СУХ  = K_Ц G V_ЦР,                         (2.122)

где К_Ц = 1,03÷1,05 - коэффициент, учитывающий потери тампонажного материала при погрузочно-разгрузочных работах. 

G_СУХ  =1,05 ∙1348,75∙7,81=11,06 т

Расход сухого цемента  на 1 м³ воды затворения (в кг):

G₁ = ρ_Т m                    (2.123)

G₁ =2600∙0,5=1300

   Потребное количество воды  для приготовления чистого цементного  раствора определяется по формуле ( в м³):

V_В=К_В G_СУХ / G₁                        (2.124)

где К_В = 1,08÷1,10 - коэффициент, учитывающий потери воды.  

V_В=1,1∙11,06/1,3=9,4

        Значение плотности гельцементного раствора находится в диапозоне   г/см³, принимаем плотность гельцементного раствора равной 1,40 г/см³.

Расход цемента на 1 м³ гельцементного раствора составит

                                               (2.125)

где М – водоцементное  отношение;

       Б  – глиноцементное отношение;

Глиноцементное отношение  принимаем равным 0,5.

Находим водоцементное  отношение по формуле

                                            (2.126)

Тогда по формуле (2.125)

т/м³ 

Расход воды на 1 м³ гельцементного раствора определяем по формуле

                                                  (2.127)

 т/м³ 

Расход глинопорошка на 1 м³ раствора определяем по формуле

                                                 (2.128)

 т/м³

Общее количество цемента  для приготовления гельцементной смеси находим по формуле:

                                           (2.129)

 т

Потребное количество воды для приготовления  гельцементного раствора определяется по формуле

, т                                         (2.130)

 т  

Количество наполнителя  находим по формуле:

                                                (2.131)

т

На весь объем цементированя  скважины сумарное количество цемента составит

                                            (2.132)

 т

Суммарное количество сухого порошка (цемент + наполнитель) находим  по формуле

                                        (2.133)

 т 

 

 

 

 

 

2.5.5. Расчет  параметров и технология цементирования

 

2.5.5.1 Выбор типа и  расчёт необходимого количества цементировочного

                                                               оборудования.   

 

     Цементировочные агрегаты характеризуются производительностью и давлением насоса. Поэтому технические возможности цементировочного насоса по давлению должны превышать максимальное гидравлическое сопротивление скважины при ее цементировании.

Р_ца ³ Р_цг /0,8,                           (2.134)

 

где   Р_ца – давление развиваемое цементировочным агрегатом, МПа;

         Р_цг – максимальное давление  на цементировочной головке, МПа;

Максимальное ожидаемое  давление на цементировочной головке  Р_ЦГ (в МПа)  рассчитывают по формуле:

Р_ЦГ = ∆ P_ГС + P_Т + P_К + P_СТ                                 (2.135)

где ∆ P_ГС - максимальная ожидаемая разность гидростатических давлений в затрубном пространстве и в трубах в конце процесса цементирования, МПа;

P_Т, P_К - гидравлические сопротивления соответственно в трубах и в затрубном пространстве при принятом значении v, МПа;  

P_СТ = 2,5 ÷ 3 МПа - давление момента “Стоп”.

Разность гидростатических давлений определяют по формуле:

∆ P_ГС =  g∙ [(L¹  - H¹) ∙ (ρ_БР - ρ_ПР) + (h¹_ЦР – h¹_СТ) ∙ (ρ_ЦР - ρ_ПР)+( h¹_ТС -h¹_ЦР) ∙(ρ_ГЦ - ρ_ПР)] 10^-6,  МПа    (2.136)

где L¹ - глубина скважины  по вертикали, м;

Н¹ - высота подъема тампонажного раствора от башмака колонны по вертикали, м;

h¹ - высота цементного стакана в колонне по вертикали, м;

g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

ρ_ПР - плотность продавочной жидкости кг/м³. 

∆ P_ГС =  9,81∙ [ (210 – 30) ∙ (1830-1080)+( 2170 -210) ∙(1400-1080)] ∙ 10^-6 =7,5МПа

Гидравлические сопротивления  внутри обсадной колонны Р_Т и в затрубном пространстве Р_К (в МПа) в конце продавки тампонажной смеси находят по формулам Дарси-Вейсбаха:

                 P_Т = 8,11 λ_Т ρ_ПР Q² L ∙10^-6/ d⁵_ОК         (2.137)

 P_К = 8,11 λ_К Q²( ρ_ЦР h_ЦР+ ρ_ГЦ h_ГЦ) ∙10^-6/ [(D_СК ∙K_К – D )³ (D_CК∙K_К + D)²]   (2.138)

где λ_{Т, К} - коэффициенты гидравлических сопротивлений внутри обсадной колонны и кольцевом пространстве, для практических расчетов принимаются равными 0,02 и 0,035 соответственно;

Q - производительность закачки раствора, м³/с;

d_ОК  - внутренний диаметр обсадной колонны, м;

 

        Производительность закачки цементного и  бурового растворов (в м³/с):

Q = 0,0785 (D²_СК∙K²_К – D²) V_ЗП                (2.139)

 

Q = 0,0785 ∙ (0,2159² ∙ 1,7²– 0,146²) ∙ 1,5=0,01335 м³/с

P_Т1 = 8,11∙ 0,02 ∙1080∙ 0,01335 ²∙800 ∙10^-6/ 0,1246⁵=0,83МПа 

P_Т2 = 8,11∙ 0,02 ∙1080∙ 0,01335 ²∙500 ∙10^-6/ 0,127⁵=0,47МПа 

P_Т3 = 8,11∙ 0,02 ∙1080∙ 0,01335 ²∙1800 ∙10^-6/ 0,129⁵=1,57МПа 

P_Т= P_Т1+ P_Т2+ P_Т3                                                      (2.140)

                                        P_Т= 0,83+0,47+1,57=2,87 МПа

По формуле (2.137):

P_К = 8,11∙0,035∙0,01335²∙( 1830∙210+1400∙2390) ∙10^-6/ [(0,2159 ∙1,7 – 0,146 )³ ∙ (0,2159∙1,7 +0,146)²] =0,066 МП0

Максимальное ожидаемое  давление на забое скважины Р_З (в МПа) равно:

P_З = P_ГС + P_К,                             (2.141)

где P_ГС – гидростатическое давление на забой со стороны составного столба тампонажного раствора, буферной жидкости и бурового растворов (в МПа):

P_ГС = g∙ [(L¹ – H¹) ∙ ρ_БР + h¹_ЦР∙ ρ_ЦР+ h¹_ГЦ∙ ρ_ГЦ]10^-6, МПа (2.142)

 

P_ГС = 9,81∙ [450 ∙ 1080 + 210∙ 1830+2170∙1400]10^-6=38,34 МПа

Тогда по формуле (2.141):

P_З = 38,34 + 0,066=38,406 МПа

По формуле (2.135):

Р_ЦГ =7,5+2,87+0,066+3=13,4 МПа

По формуле (2.134):

Р_ца ³ 13,4/0,8=16,75 МПа

При цементировании скважины  проектируем использовать  агрегат  ЦА-320А.

У агрегата     производительность на 2 – й скорости Q_ЦА = 5,1  л/с, при диаметре втулки 127 мм,  давление P_ЦА = 18,5 МПа, т.е. заданный режим по давлению обеспечится при использовании этого цементировочного агрегата.