книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

5.5.2. ПОДБОР РЕЦЕПТУР ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

(Slurry compositions)

При подборе рецептур для конкретных сква­ жин подлежат определению следующие свойства тампонажных растворов:

—плотность, в том числе плотность сухого цемента;

—растекаемость;

—время загустевания;

—реологические свойства — пластическая вязкость и ди­ намическое напряжение сдвига;

—водоотделение;

—водоотдача (для скважин с осложненными условиями);

—прочность цементного камня при изгибе и сжатии;

—начало схватывания после перемешивания тампонажно­ го раствора в консистометре по программе, имитирующей про­ цесс цементирования скважины по времени и термобариче­

ским условиям.

Плотность склонных к вспениванию тампонажных раство-

351

ров необходимо измерять двумя способами: традиционным под атмосферным давлением и под давлением до 1 МПа.

Практически при затворении цемента чистой водой (без ре­ агентов) за счет вовлечения воздуха замеренная плотность рас­ твора отличается от истинной на 20—30 кг/м3. При вводе хим­ реагентов замеренная без давления плотность раствора может отличаться от истинной на 20 кг/м3 и более.

При отсутствии прибора для определения плотности рас­ твора под давлением истинную его плотность определяют рас­ четным путем по формуле:

ГПц+ГПж,

рц — плотность сухого цемента, замеренная в лаборатории для конкретной партии цемента, кг/м3;

рж, — плотность жидкости затворения, кг/м3; | — водоцементное отношение.

Разница в плотностях цементного раствора, определенных под давлением и расчетным путем, не превышает 2%.

В анализе, выдаваемом лабораторией, необходимо указывать истинную (расчетную) плотность и замеренную прибором. При этом замере плотности в лаборатории должен использоваться тот же тип прибора, что и на буровой.

Растекаемость тампонажного раствора, характеризующая его способность к прокачиванию насосами, должна быть не менее 16 см; определяется по ГОСТ 26798.1.

Время загустевания тампонажного раствора должно опре­ деляться на консистометре при динамической температуре и среднем значении давления в цементируемом интервале.

Динамическую температуру у башмака колонны (муфты,

352

где Тдз —динамическая забойная температура, °С;

tQ— температура нейтрального слоя (температура на глу­ бине 3,2 м, кроме ММП), °С;

Т0 — статическая температура на забое, °С;

ty —температура выходящего из скважины бурового рас­ твора при промывке скважины перед цементированием, °С;

t4—температура затворяемого тампонажного раствора, °С; Н — глубина башмака колонны (муфты, стыка секций) по

-3Н

Динамическая температура при L > 2/3 Н принимается по­ стоянной и определяется по формуле (5.136),

Водоотделение и водоотдача тампонажного раствора опре­ деляются в тех случаях, когда эти свойства раствора регламен­ тированы.

Реологические параметры тампонажных растворов —струк­ турная вязкость и динамическое напряжение сдвига — опре­ деляют с помощью вискозиметра ВСН-3 или другого аналогич­ ного прибора по заявке бурового предприятия.

Прочность цементного камня при изгибе через 24 ч. твер­ дения тампонажного раствора определяется:

—при температуре размещения башмака (муфты, стыка секций) колонны;

—при температуре верхней точки подъема цементного рас­ твора;

—по указанию бурового предприятия прочность цемент­ ного камня может определяться и при других температурах по высоте подъема цемента.

Проницаемость тампонажного камня определяется на при­ боре типа ГК-5 или другом, имеющемся на вооружении лабо­ ратории.

При выборе исходной жидкости затворения тампонажного раствора рекомендуется пользоваться ориентировочными дан­ ными табл. 5.17 с последующим уточнением ее рецептуры в слу­ чае необходимости ввода химреагентов —регуляторов свойств с учетом термобарических условий цементирования.

При невозможности подбора рецептуры тампонажного раство­ ра, удовлетворяющей динамическим термобарическим условиям всего цементируемого интервала, а при применении двух типов цемента —для верхней порции, рассматриваются варианты:

—две рецептуры для данного типа цемента, но с условием применения не более трех рецептур, закачиваемых последова­ тельно в один прием;

—двух-, трехступенчатое цементирование колонны, спус­ каемой в один прием;

—двухступенчатое цементирование верхней, заранее за­ данной секции колонны.

5.5.3. РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА, ЖИДКОСТИ ЗАТВОРЕНИЯ, КОЛИЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ

(Volume determination of slurry, plugging materials and water)

Объем затворяемого тампонажного раствора V^, м3

где Vj —объем i-ro участка ствола скважины с поперечны­ ми размерами, мало отличающимися на данном участке, м3; D, d — наружный диаметр колонны и внутренний нижне­

го участка соответственно, м;

L —протяженность интервала цементирования, м; h —высота цементного стакана в колонне, м;

1 — количество рассматриваемых участков; К! —коэффициент потерь тампонажного раствора, 1,0—1,03.

Величины Vj должны выдаваться геофизическим предпри­ ятием по результатам интерпретации каверно-профилеграмм или рассчитываться по усредненному условному диаметру ство­

354

ла скважины с учетом опыта их расшифровки в данном райо­ не, Допускается расчет V, производить для однотипных усло­ вий бурения, кроме газовых и газоконденсатных скважин, по установленным в данном районе базовым данным.

Величина К, принимается равной 1,03 при затворении це­ мента без применения, как исключение, осреднительной ем­ кости; 1,01—1,03 — с применением осреднительной емкости; 1,0 — при затворении закрытым способом. По согласованию между подрядчиком и заказчиком коэффициент запаса может быть увеличен в случае бурения и цементирования скважин в условиях частичных поглощений.

Объем тампонажного раствора рассчитывается отдельно для каждой рецептуры, а также для каждой ступени цемен­ тирования.

Количество цемента, потребное для приготовления 1 м3 там­ понажного раствора G, кг/м3

Pip ~Ржз

та, раствора и жидкости затворения, кг/м3.

Общая масса цемента для приготовления расчетного объ­

где К2 — коэффициент запаса, учитывающий потери це­ мента на отсев при загрузке и распылении при загрузке и за­ творении, 1,01—1,05.

Для свежего цемента, хранящегося во влагонепроницае­ мой упаковке (таре), принимается К2 = 1,01.

Замеренный выход тампонажного раствора может дать за­ вышенное значение, если при затворении цемента раствор вспенивается за счет вовлечения воздуха при перемешивании раствора. В этом случае выход раствора следует определять расчетным путем.

Объем жидкости затворения Ужз, м3:

где К3 — коэффициент запаса жидкости затворения, при­ нимаемый 1,03—1,10.

Повышенное значение К3 принимается, если после зака­ чивания тампонажного раствора в скважину цементировоч­ ные агрегаты промываются остатками жидкости затворения. При использовании для обработки тампонажных растворов химических реагентов принимать минимальное значение К3, а промывку цементировочных агрегатов осуществлять тех­ нической водой.

Величина добавки химических реагентов задается, как пра­ вило, в % от массы цемента. Количество химического реаген­ та qxp в кг, содержащегося в 1 м3 жидкости затворения, опре­ деляется по формуле

5.6. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

(Hydraulic cementing of casing program)

5.6.1. СТРУКТУРА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПРОГРАММЫ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

печения режима течения тампонажного раствора в призабой­ ной зоне скважины в затрубном пространстве:

—турбулентного QT,

—пробкового Q„.

2.Рассчитать максимально допустимое забойное давление

356

[Р3] из условия предотвращения поглощений или гидроразры­ ва пород: [Р3] = 0,95РПГ

3. Принять для начала счета максимально возможную сум­ марную подачу ЦА тампонажного раствора Qua, откачиваемо­ го из осреднительной емкости в соответствии с технической схемой цементирования.

4.Рассчитать давление на БМ и забойное давление для Qua по буровому раствору, Рвм и Рэ.

5.Проверить выполнение условий:

где [Ру], [Рца] — допустимое давление на цементировочную головку (верхние трубы колонны) и ЦА соответственно.

6.При выполнении условий (5.144) и (5.145) принять QSH = Qua для начала закачивания тампонажного раствора.

Произвести закачивание всего объема тампонажного рас­ твора с подачей Q3H.

7.При невыполнении одного из условий (5.144) или (5.145)

рассчитать новое значение Q1H, снижая подачу ступенями 3 -5 л/с, до их выполнения.

Произвести закачивание всего объема тампонажного рас­ твора с наращиванием подачи от Q3Hдо Q4a, не превышая Рбм- 8. Рассчитать положение «головы» тампонажного раствора

по окончании закачивания всего объема.

8.1. Тампонажный раствор не вышел из башмака обсадной колонны.

8.1.1.Начать продавливание тампонажного раствора с пода­ чей Q4aдо башмака колонны.

8.1.2.Вычислить необходимый объем тампонажного раство­ ра vhpдля подъема выше кровли продуктивного горизонта (при его отсутствии — на 150—200 м от забоя общей высотой кг на

высоту 75—150 м.

8.1.3.Вычислить забойное давление РзЛгпри положении там­ понажного раствора на высоте h e и подаче Q r .

8.1.4.Проверить условия (5.145) и QT< Q3H.

8.1.4.1.При выполнении условий (5.145) и (5.146) продавить тампонажный раствор объемом Vk, с подачей QT.

8.1.4.2.При невыполнении условий (5.145) или (5.146) про­ давливание тампонажного раствора объемом Vhl произвести с подачей Q„« QT.

8.2.Тампонажный раствор вышел из башмака обсадной ко­ лонны. Произвести расчеты и операции по п.п. 8.1.1.—8.1.4.

357

9. Определить максимально возможную подачу Qh, при по­ ложении тампонажного раствора на высоте кг по условиям (5.144) и (5.145).

10. Определить максимально возможную подачу Q„p при подъеме тампонажного раствора до выравнивания уровня в трубах и затрубном пространстве и на проектную высоту hnp по условиям (5.144) и (5.145). Продавливание тампонажного рас­ твора произвести со снижением подачи по линейной зависи­ мости между контрольными точками.

11. Зафиксировать по всем контрольным точкам давление на БМ и объемы тампонажного раствора и продавочной жид­ кости для расчета графика-программы =№)■

Здесь Vи / —объемы порций закачиваемых жидкостей (там­ понажного и бурового растворов) и продолжительность их за­ качивания в расчетном режиме.

12. В случае невозможности реализации программы цемен­ тирования для подъема тампонажного раствора в один прием на высоту всего цементируемого интервала в связи с невозмож­ ностью выполнения условий (5.144) и (5.145) или из-за чрезмер­ ной длительности процесса принимается решение о ступенча­ том цементировании с составлением программы процесса для каждой ступени.

Реологические параметры

ихаракт ерист ики бурового

итампонаж ного раст воров

Реологические параметры бурового раствора принимаются из информации по процессу углубления скважи­ ны. В случае их отсутствия определяются лабораторным путем при подготовке к креплению скважины (см. ниже).

Реологические свойства бурового и тампонажного раство­ ров следует определять с использованием ротационного вис­ козиметра. Наиболее применим для рассматриваемой задачи двенадцатискоростной прибор VG; возможный вариант —ше­ стискоростной прибор.

Порядок измерений на приборе следующий:

1. Проба тампонажного (бурового) раствора перемешива­ ется в вискозиметре в течение 20 мин при 600 об/мин. и тем­ пературе, равной средней величине между динамической за­ бойной и устьевой.

2.Устанавливается 300 об/мин.

3.Через 60 с работы вискозиметра снимается показание прибора 0ЗОО, град.

4.Снижают ступенями 20 с обороты прибора до 3 об/мин.

иизмеряют показание прибора 03.

358

Скорость нисходящего потока в трубах определяют по фор­ муле

где р —плотность жидкости, кг/м3.

П р и м е ч а н и е . Здесь и ниже для случаев переменных параметров по длине канала, входящих в расчетные зависимости, расчеты производить по соответствующим участкам.

Для затрубного пространства

(5.151)

0,785 (D2-d 2) '

где D, d —соответственно диаметр ствола скважины и на­ ружный диаметр труб, м.

где р — плотность жидкости, кг/м3;

L — протяженность канала, м.

Гидравлические потери в затрубном пространстве при структурном (ламинарном) режиме:

359

Re3

Для турбулентного режима:

(5.155)

Минимальная подача для обеспечения турбулентного ре­ жима в затрубном пространстве

D - d

Для пробкового режима в затрубном пространстве (при этом Re = 100)

В формуле (5.156) величина ReKp — критическая величина числа Рейнольдса принимается из таблицы в зависимости от величины п:

5.6.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВОЧНЫХ АГРЕГАТОВ (ЦА) И ЦЕМЕНТНО­ СМЕСИТЕЛЬНЫХ МАШИН (СМН)

(Required quantity of cementing trucks and cement mixing units)

На практике часто возникает необходимость произвести предварительный расчет с целью определить ко­

360