Разработка вопросов совершенствования технологии безамбарного бурения на Шершнёвском месторождении

Gоэц = 1,97 · 36,36 = 71,6  кг

GNaCl = 49,4 · 36,36 = 1,796  т

цементного раствора нормальной плотности:

GNaCl = 61,15 · 10,11 = 0,6  т

Объем технической  воды для затворения:

облегченного  цементного раствора:

VН2О = 0,606 · 36,36 = 22,09  м³

цементного раствора нормальной плотности:

VН2О = 0,546 · 10,11 = 5,47  м³

Объем продавочной  жидкости:

Vпр2 =  kсж · 0,785 · D²в эк  · Lм

Vпр2 =  1,04 · 0,785 · 0,1534²  · 1740 = 33,43 м ³

Объем буферной жидкости:

V  бж min = 0,785 · lбж · [ (Ку · Dд)²- Dнэк ² ];

V  бж min = 0,785 · 152 · [ (1,1 · 0,2159)²- 0,168² ] = 3,36 м³ 
 

2.4.4.2. Гидравлический расчет цементирования эксплуатационной колонны I ступени.

  Цель расчета – выбор цементировочной техники, режимов ее работы на отдельных этапах цементирования, определение продолжительности цементирования, проверка ствола скважины на гидроразрыв.

Тип цементировочных  агрегатов выбирают по максимальному  давлению, которое будет на устье в конце продавки цементного раствора в затрубное пространство:

Рmax = Рст + Рдин,

где Рст –  разница гидростатического давления в затрубном пространстве и в колонне обсадных труб при конечном положении уровня цементного раствора в затрубном пространстве, МПа;

Рдин – суммарные  гидравлические потери, возникающие  в трубах и затрубном пространстве при закачке продавочной жидкости в конце цементирования, МПа.

Гидростатическая  составляющая давления для I ступени цементирования рассчитывается следующим образом:

             -6

Рст =   10  g (ρцр1  (Нэк – Нм) + ρбж · hбж + ρбр  (Нм – hбж) - ρцр1 · hст – ρпр · (Нэк – Нм – hст) – ρбр · Нм ];

             -6

Рст =   10 * 9,81 *(1830*  (2191 – 1740) + 1400 * 150 + 1160* (1740 – 150) – 1830* 10 – 1160 * (2191 – 1740 – 10) – 1160 *1740) = 3,42 МПа

Гидродинамическое давление при цементировании обсадной колонны I ступени определяется потерями давления на преодоление гидравлических сопротивлений в трубах, кольцевом пространстве и в обвязке устья:

Рдин = Ртр + Ркn + Роб

При турбулентном режиме течения жидкости потери давления в трубах и кольцевом пространстве составят: 

                                               -6

Ртр = 8,26 λтр · ρпр LQ² · 10   ;

                         5

                       Dв

                                              -6

Ртр = 8,26 λкп · ρцр LQ² · 10   ;

                         5

         (Dс – Dн)³ (Dс + Dн)²

где λтр , λкп  – соответственно коэффициенты гидравлических сопротивлений в трубах (λтр = 0,025) и кольцевом пространстве (λкп = 0,035);

Q – расход, обеспечивающий хорошее вытеснение бурового раствора тампонажным, л/с;

Dc, Dн, Dв – см;

ρпр,  ρцр –  г/см³;

Q = 0,785 [ (Dд · Ку)² - D²эк ] · υ; 

где υ – скорость движения жидкости в кольцевом пространстве, м/с.

υ = 1,8 – 20 м/с

Q = 0,785 [ (1,1 · 0,2159)² - 0,168² ] · 1,8 = 39 л/с

Ртр1  = 8,26 · 0,025 · 1,83· 10 · 39² = 0,024 МПа

                                            15,34

   

Ртр2  = 8,26 · 0,025 · 1,13· (2191-10) · 39² = 1,63 МПа

                                            15,34      

                              

Суммарные потери давления в трубах:

Ртр = Ртр1 + Ртр1

Ртр = 0,024+1,63 = 1,654 МПа

Потери давления в кольцевом пространстве складываются из потерь давлений в интервале тампонажного раствора, буферной жидкости и бурового раствора (в обсаженной и необсаженной части ствола):

Ркп1  = 8,26 · 0,035 · 1,83 · (2191– 1740) · 39² = 1,03  МПа

           (1,1 · 21,59 – 16,8)³ (1,1 · 21,59 + 16,8)² 

Ркп2    =    8,26 · 0,035 · 1,40 · 152 · 39²                 = 0,268  МПа

            (1,1 · 21,59 – 16,8)³ (1,1 · 21,59 + 16,8)²

Ркп3  = 8,26 · 0,035 · 1,16 · (1740 – 152 - 700) · 39² = 1,30  МПа

               (1,1 · 21,59 – 16,8)³ (1,1 · 21,59 + 16,8)² 

Ркп4   =    8,26 · 0,035 · 1,16 · 700 · 39²     = 1,021  МПа

                (22,72  – 16,8)³ (22,72  + 16,8)² 

Суммарные потери давления в кольцевом пространстве:

Ркп= Ркп1 + Ркп2 + Ркп3 +Ркп4 ;

Ркп = 1,03 +0,268+1,30+1,021 = 3,62 МПа

Потери давления в наземной обвязке принимаем  равным 0,75 МПа.

Рдин = 1,654+3,62+0,75 = 6,02 МПа

Тогда максимальное давление, которое будет на устье  в конце продавки цементного раствора в затрубке  пространство:

Рmax = 3,42+6,02 = 9,44 МПа

В соответствии с максимальным давлением выбираем типы цементировочного агрегата, режим  его работы (диаметр втулок и номер  передачи для преодоления этого  давления).

Выбираем цементировочный  агрегат типа ЦА-320, диаметр втулок 100 мм, 4 скорость, подача 9,0 л/с, давление 9 МПа.

Количество цементировочных  агрегатов, участвующих в продавке цементного раствора, определяется из выражения:

nца = Q  ;

        qца 

nца = 39/9 = 4.3 → 4 агрегата

Количество цементосмесительных  машин должно отвечать двум условиям:

размещение расчетного количества тампонажного материала (цемента) в бункерах машин с учетом его объема и насыпной массы:

nца = Qц  ;

          Qб

nсм = 10,11/20 = 0,50 → 1 цементосмесительная машина

обеспечение необходимого режима работы цементировочного агрегата при закачке раствора в колонну:

nсм = n'ца· q'ца / qсм

В том случае, когда объем цементного раствора меньше объема колонны, количество цементосмесительных машин можно выбирать только из условия размещения тампонажного материала в бункерах машин.

Vк = 0,785 · D² в эк · Lэк;

Vк = 0,785 · 0,1534²  · 2191 = 40,4 м³

Vцр = 10,11 м³

То есть Vк > Vцр, следовательно, количество цементосмесительных машин выбираем, исходя из первого условия.

Окончательное количество цементировочных агрегатов  из условия рациональной обвязки цементировочной техники при приготовлении и закачке тампонажного раствора выбираем n'ца/nсм = 2:1 Цементировочный агрегат, участвуя в закачке тампонажного раствора будет работать на высшей скорости (IV скорость) при подаче   9 л/с. В продавке цементного раствора будет участвовать четыре цементировочных агрегата. Для выдвижения верхней разделительной пробки из цементировочной головки и плавной посадки ее на «стоп»-кольцо или обратный клапан в схеме обвязки предусматриваем дополнительный цементировочный агрегат типа ЦА-320 с режимом работы на II скорости. 

 

2.4.4.3. Расчет времени процесса цементирования I ступени

Длительность процесса цементирования складывается из времени закачки цементного раствора в колонну (Т3), продавки его в затрубное пространство (Тпр) и времени на выполнение технологически необходимых операций (Ттно).

Тц = Т3 + Тпр + Ттно

При закачке  всего объема цементного раствора используется одна скорость работы цементировочного агрегата, поэтому время закачки определяется так:

Т3 = Vцр1 · 10³   ;

        n'ца· q'ца · 60 

Т3 =    10,11 · 10³    = 4,68 мин

          4· 9,0 · 60

Продавку цементного раствора в затрубное пространство начинаем на той же скорости, на которой и вели процесс закачки цементного раствора. Затем, по мере подъема уровня цементного раствора в затрубном пространстве, давление на устье растет и возникает необходимость переключения на понижение скорости работы цементировочных агрегатов.

Глубина уровня продавочной жидкости, на которую  ее можно закачать на четвертой скорости, определяется следующим образом:

                                                6

l4 = Fкn · Lскв + 10    · Fкn (Рца – Рдин)  + Lскв  · Fтр - Vцр1

       Fтр + Fкп     g(Fтр + Fкп) (ρцр – ρр)            Fтр + Fкn 

Fкп = 0,785 ( (Ку · Dд)² - D²н эк ); 

Fкп = 0,785 ( (1,1 · 0,2159)² - 0,168² )  = 0,022 м² 

Fтр = 0,785 · D²в эк ; 

Fтр = 0,785 · 0,1534² = 0,0185 м² 

Тогда

                                        6

l4 =  0,022 · 2189  +    10  · 0,022 (8 – 6,02)             +   2189  · 0,0185 – 10,11 =

       0,0185+0,022      9,81(0,0185+0,022)(1830–1160)      0,0185 + 0,022

= 2103 м

Объем продавочной  жидкости, закачиваемой на IV скорости составит: 

Vпр = Fтр · l4;

Vпр = 0,0185 · 2103 = 38,9 м³

Время работы цементировочного агрегата на IV скорости при продавке цементного раствора:

tпр = Vпр · 10³  ;

            nца · qца · 60

     

tпр = 38,9 · 10³  = 17,59 мин

·            4·9 · 60 
 
 

Время на посадку  пробки рассчитываем по формуле:

           

tстоп = Vстоп · 10³  ;

              qца min · 60 

tстоп = 1,0 · 10³  = 5,7 мин

              2,9· 60 

Общее время  продавки цементного раствора в затрубное  пространство составит:            

Tпр = tпр  + tстоп  ;

Тпр = 17,59 + 5,7 = 23,33 мин.

Время на технологически необходимые операции составляет 15 мин. 
 

Общее время  цементирования первой ступени эксплуатационной колонны составит:

Тц = 4,68+23,33+15 = 43,0 мин

Общее время  цементирования должно отвечать условно:

Тц ≤ 0,75 Тнз,

где Тнз –  время загустевания тампонажного раствора:

Тц ≤ 0,75 · 120

Тц ≤ 90

43 < 90 (мин)

Данное условие  выполняется 

2.4.4.4. Проверка ствола скважины на гидроразрыв (I ступень)

Проверке должен подлежать наиболее слабый к гидроразрыву пласт, имеющийся в стволе. Слабый пласт залегает на глубине 1800 м.

Наибольшее давление на стенки скважины возникает в период окончания подъема цементного раствора в затрубное пространство на заданную высоту:

Рскв = Рст + Рк'п                   

            -6          

Рст = 10   g [ρр  Нпл]

            -6          

Рст = 10   9,81 [1160 · 1800 ] = 18,1 МПа;

Р'кп   =    8,26 · 0,035 · 1,16 · 700 · 39²       = 0,957  МПа

                (22,72  – 16,8)³ (22,72  + 16,8)²

Р'кп   =     8,26 · 0,035 · 1,16 · 449 · 39²             = 0,323  МПа

                (1,1 · 21,59  – 16,8)³ (1,1 · 21,59 + 16,8)² 

Тогда    Рскв = 18,1+0,957+0,323 = 19,38 МПа

Давление гидроразрыва пласта Ргрп  21,7 МПа.

Проверяем условия:

Рскв ≤ Ргрп / Кб:

19,38 <24,5/1,05;

19,38 < 23,66 (МПа)

Данное условие  выполняется, что говорит о правильности выбора технологии цементирования.