5. Расчет установки цементного моста в открытом стволе скважины

По методике ВНИИКрнефти расчет заключается в определении (рис.5) объемов тампонажного раствора для цементировании моста и порций буферной жидкости, прокачиваемой перед тампонажным раство­ром и вслед за ним, а также объема продавочной жидкости.

Объем тампонажного раствора

(35)

Объемы прокачиваемых порций буферной жидкости: перед тампонажным раствором

(36)

вслед за тампонажным раствором

(37)

Объем продавочной жидкости

(38)

Здесь Sс,Sк,Sт, - соответственно площади поперечного сечения сква­жины на участке установки цементного моста, кольцевого пространства между стенками скважины и колонной труб, по которой прокачивают ука­занные жидкости в том же участке и внутреннего проходного канала ко­лонны, м²; h_m- высота моста, м; k₁, k₂ k₃ k₄ - эмпирические коэффициенты (табл. 6); Vт- внутренний объем колонны труб, м³.

Таблица 6

Продавочная жидкость закачивается до момента выравнивания уров­ней столбов тампонажного раствора в кольцевом пространстве и колонне труб (а также уровней столбов буферных жидкостей). После этого колон­на приподнимается на 20-30 м выше верхней границы моста.

При использовании устройства УЦМ-140 объем тампонажного рас­твора, транспортируемого в заданный участок скважины по колонне НТК между двумя разделительными пробками,

(39)

6 Технологическое тампонирование

Технологическое тампонирование выполняется в процессе сооруже­ния скважины. В назначение и функции его при бурении скважин, кроме закрепления обсадных колонн и стенок скважины, создания мостов вхо­дит изоляция интервалов залегания полезного ископаемого (при геолого­разведочном бурении), ликвидация поглощений и водопроявлений.

Расчеты объемов тампонажного раствора (тампонажной смеси) при тампонировании поглощающих зон, наименования рецептур и конкрет­ные составы быстросхватывающихся смесей даны в разделе 17 настояще­го пособия.

7. Ликвидационное тампонирование

Ликвидационное тампонирование, как одна из мер по охране недр проводится с целью: предотвращения загрязнения и засорения водонос­ных горизонтов и залежей полезных ископаемых через скважину; смеше­ния вод различного качества после окончания бурения геологоразведоч­ных скважин. Если скважина вскрыла зоны поглощений и водогазопрояв-лений, то ствол скважины полностью или частично заполняется тампо­нажной смесью.

Ликвидация нефтяных и газовых скважин без эксплуатационной ко­лонны в зависимости от горно-геологических условий вскрытого разреза производится путем установки цементных мостов в интервалах залегания высоконапорных минерализованных вод с коэффициентом аномальности Ка>1,1 и слобопродуктивных, не имеющих промышленного значения за­лежей углеводородов. Высота цементного моста должна быть на 20 м ниже кровли каждого такого горизонта. Над кровлей верхнего пласта с ми­нерализованной водой, а также на границе залегания пластов с пресными и минерализованными водами (если они не перекрыты промежуточной колонной) устанавливается цементный мост высотой 50 м.

Цементный мост устанавливается также: в башмаке последней про­межуточной колонны с перекрытием его не менее, чем на 50 м; интерва­лах перфорации и смятия эксплуатационной колонны на 20 м ниже и не 100 м выше этих интервалов.

Изоляционно-ликвидационные работы в скважинах, строящихся на месторождениях и подземных хранилищах, в продукции которых содер­жатся агрессивные и токсичные компоненты, в концентрациях, представ­ляющих опасность для жизни людей, должны проводиться в соответствии в инструкцией («Инструкция о порядке ликвидации, консервации скважин и оборудовании их устьев и стволов». М, 2001. РД 08-347-00 Госгортех­надзор России).

Для приготовления смесей используются следующие материалы: це­мент, глина, песок, суглинок, отходы бурения, ускорители схватывания и добавки для регулирования свойств тампонажных смесей. Тип цемента выбирается с учетом минерализации и агрессивности подземных вод, температуры окружающей среды (ТОС) в скважине.

При выборе рецептуры тампонажных составов необходимо в первую очередь учиты вать агрессивность подземных вод.

Характеристика объекта ликвидаци­онного тампонирования	Рекомендуемый тип тампонажного мате­риала и метод тампонирования
Агрессивные сульфатные и мягкие подземные воды; ТОС<10°С	Пуццолановый сульфатостойкий порт­ландцемент с ускорителем схватывания
Агрессивные магнезиальные под­земные воды; ТОС до 100°С	Шлакопортландцемент
Агрессивные воды отсутствуют; ТОС свыше 100 °С	Портландцемент тампонажный с активны­ми добавками (кварцевый песок)
Сероводородная агрессия при ТОС до250°С	Шлакопесчаный цемент
Агрессивные сульфатные подзем­ные воды то же при наличии соле-носных пород	Сульфатостойкий портландцемент то же с ускорителем схватывания
Характеристика объекта ликвидаци­онного тампонирования	Рекомендуемый тип тампонажного мате­риала и метод тампонирования
Соленосные отложения	Магнезиальный цемент (на основе каусти­ческого магнезитового порошка), затво­ряемый на насыщенном растворе MgCl2
Небольшая глубина скважины при наличии малых водопритоков	Глина с песком (до 6%) в виде шариков, забрасываемая (после просушки) в сква­жину
Скважины с большим водопритоком самоизливающиеся с напором до 1,5 м	Ствол скважины в пределах водоносного горизонта заполняется промытым песком или гравием; в подошве и кровле геологи­ческого объекта устанавливаются цемент­ные мосты с гидроизолирующей глиняной перемычкой из шариков в пределах мощ­ности водоупоров; скважина до устья за­полняется густым отработанным глини­стым раствором с вводом наполнителей (шлама песка, местных глин и т.п)

Общее количество исходных материалов для ликвидационного там­понирования определяется, исходя из общего объема раствора V_тр, тре­бующегося для тампонирования скважин (в м³),

где К₃ - коэффициент запаса объема, величина которого принимается в зависимости от состояния стенок скважины; при наличии каверн разме­ром до 1,5 номинального диаметра скважины К₃=1,1 при наличии каверн до 2 номинальных диаметров скважины К₃=1,2; Кп - коэффициент потерь раствора при одном цикле закачки (на разбавление смеси продавочной жидкости, в заливочных трубах, при приготовлении раствора и т.д), Кп=0,08-1,15, причем большая величина берется для скважин диаметром менее 76 мм; H - глубина скважины, м; l_ц - величина разового интервала тампонирования, м; (H/l_ц - число циклов тампонирования); Dc - диаметр скважины по данным кавернометрии, м.

Объем тампонажного раствора на установку цементного моста, уста­навливаемого в стволе скважины

(41)

где k =1,2-4,3 - коэффициент, учитывающий дополнительный расход рас­твора на заполнение расширений в скважине; h_ц.м. - высота цементного моста.

Если в скважине предусматривается установить несколько цемент­ных мостов, то их высота суммируется.

Количество цемента на приготовление тампонажного раствора для создания цементных мостов рассчитывается по формуле

(42)

где k =1,05+1,1 - коэффициент, учитывающий потери цемента при приго­товлении раствора; рц=3050-3200 кг/м3 - плотность цемента; рв - плотность воды; m=0,4-0,6.

Зная общий объем тампонажного раствора принятой рецептуры, можно определить требуемое количество каждого компонента. Например, при использовании цементно-суглинистого раствора, компоненты которо­го находятся в соотношении цемент: суглинок: вода= 1:0,5:0,6, с 3% хло­ристого кальция получим необходимое количество исходных материалов (в т): цемента V_тр, суглинка 0,5 V_тр, воды 0,6 V_тр , хлористого кальция 0,03 V_тр.

Если ликвидационное тампонирование проектируется проводить в скважине, имеющей два диаметра, то объем тампонажного раствора

(43)

где Н- высота тампонирования, м; Dcр - средний диаметр скважины

(44)

где D₁ и D₂ - соответственно диаметры нижнего и верхнего интервалов тампонирования; h₁ и h₂ - высоты нижнего и верхнего интервалов; H= h₁+h₂

Если для проведения ликвидационного тампонирования предусмот­рен глиноцементный раствор, то плотность тампонажной смеси рассчи­тывается по формуле

(45)

где n₁ - количество частей цемента; n₂ - количество частей глины;

Количество цемента для приготовления тампонажной смеси

(46)

где n=n₁ +n₂ - общее количество частей в тампонажной смеси.

Количество глины для приготовления тампонажной смеси

(47)

Количество продавочной жидкости, нагнетаемой за один цикл, в об­щем случае (в м³)

(48)

где d- внутренний диаметр заливочных труб, м; h_б.т. - глубина погружения нижнего конца заливочных (бурильных) труб, м.

Если плотность продавочной жидкости при близких реологических параметрах с тампонажным раствором значительно меньше плотности тампонажного раствора, возможно ее вытеснение через верхний конец заливочных труб при отсоединении вертлюга-сальника. В этом случае объем продавочной жидкости на каждый цикл тампонирования прибли­женно определяется по формуле

(49)

где h - расчетная глубина уровня тампонажного раствора после заверше­ния очередного цикла закачки, м.

Пример 8. Определить количество цемента и ускорителя схваты­вания на установку цементного моста в стволе скважины D=93 мм на высоту 15 м.

Решение. По формуле (41)

Количество цемента по формуле (42)

Количество ускорителя схватывания при Kу=0,03

Пример 9. Проектом на ликвидационное тампонирование скважи­ны, имеющей два интервала - нижний высотой h₁=240 м диаметром D₁=76 мм и верхний высотой h₂=160 м диаметром D₂=93 мм, в качестве тампонажной смеси предусмотрен глиноцементный раствор (в соотношении 1 часть цемента две части глины). Рассчитать количество цемента и глины для приготовления тампонажной смеси. Водотампонажное отношение принять равным m=0,5, а плотность глины р_гл=2000 кг/м3.

Решение. Найдем средний диаметр скважины [см.выражение (44)]

Тогда по формуле (43)

Плотность тампонажной смеси по формуле (45)

Количество тампонажной смеси составит

Количество цемента для приготовления тампонажной смеси

Количество глины

Q_гл =3120-1040 = 2080 кг.

Список литературы

1. Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементиро­вания скважин. М.,Недра, 1991.

2. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые промы­вочные и тампонажные растворы. Учебное пособие. М., Недра, 1999.

3. Булатов А.И., Сухенко Н.И. Тампонажные работы при проводке скважин в условиях поглощения бурового растора. М. ВНИИОЭНГ, 1982.

4. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. Кн4. М., Недра, 1996

5. Боголюбский К.А., Соловьев Н.В., Букалов А.А. Практикум по курсу промывочные жидкости и тампонажные смеси с основами гидрав­лика. Учебное пособие М.,МГРИ, 1991.

6. Вагин Н.А. и др. Новые технологии и технические средства для сооружения и ликвидации гидрогеологических скважин (нормативные докумены) МПР РФ, Геоинформмарк 1999.

7. Волков А.С.; Тевзадзе Р.Н. Тампонирование геологоразведочных скважин. М., Недра, 1986.

8. Ганджумян Р.А. Практические расчеты в разведочном бурении. 2-е изд. перераб и доп.М., Недра, 1986.

9. Ивачев Л.М. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин., М., Недра, 1982.

10. Ивачев Л.М. Промывка, тампонирование геологоразведочных скважин. -М.: Недра, 1989.

11. Иогансен К.В. Спутник буровика: Справочник. 3-е изд., перераб и доп. М., Недра, 1990.

12. Калинин А.Г., Ошкордин О.В., Питерский В.М., Соловьев Н.В. Разведочное бурение: Учеб. для вузов. - М., ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.

13. Калинин А.Г., Левицкий А.З., Мессер А.Г., Соловьев Н.В. Прак­тическое руководство по технологии бурения скважин на жидкие и газо­образные полезные ископаемые, /под.ред. А.Г.Калинина М., Недра, 2001.

14. Руденко А.П. Тампонирование и крепление скважин при алмаз­ном бурении. Л.:Недра, 1978.

15. Рудометов Ю.Г., Измайлова РА. Временная инструкция по про­ведению ликвидационного тампонирования геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые ВИТР. С-Петербург, 1993.

16. Соловьев Н.В. Промывочные жидкости и тампонажные смеси. Учебно-методическое пособие. М., МГТА, 2000.

17. Соловьев Н.В., Демин Н.В., Ганджумян Р.А. Охрана окружающей среды при бурении скважин. Учебное пособие. М., Ml I У 2005.