Технология одноступенчатого цементирования эксплуатационной колонны и его расчет

    1. Технология одноступенчатого  цементирования эксплуатационной  колонны

    Цель  цементирования обсадной колонны —  получение прочного, концентрично расположенного в затрубном пространстве кольца цементного камня, надежно изолирующего вскрытые скважиной поглощающие, газо-, водо-, нефтепроявляющие горизонты.

    Для цементирования обсадных колонн применяют  цементные растворы, приготовляемые из тампонажных цементов и воды. При размешивании тампонажного цемента с водой получают жидкую и легкотекучую массу.

    Механические свойства свежих цементных растворов аналогичны свойствам глинистых растворов. С течением времени цементный раствор загустевает, теряет свою подвижность. Этот процесс, называемый схватыванием цементного раствора, происходит в течение нескольких часов после перемешивания цемента с водой. В конце схватывания раствора цементная масса упрочняется и образует цементный камень. Окончательное упрочнение, или затвердение цементной массы происходит в течение многих дней.

    Цемент, предназначенный для цементирования обсадной колонны, тщательно исследуют в лаборатории для выяснения его пригодности и уточнения рецептуры цементного раствора. Качество цементного раствора в значительной мере зависит от содержания в нем воды. Излишек воды приводит к получению пористого и непрочного цементного камня. Недостаток воды в цементном растворе вызывает его быстрое схватывание, что затрудняет проведение цементирования обсадных колонн.

    Для обеспечения нормальных условий  цементирования обсадной колонны рекомендуется при приготовлении цементного раствора добавлять воды 40 —50 % от массы цемента, т. е. на каждые 100 т цемента приходится 40 —50 т воды.

    О качестве цементного раствора, закачиваемого  в обсадную колонну, судят по его плотности, которая должна колебаться от 1750 до 1950 кг/м³.

    Качество  цементирования обсадной колонны зависит  также от начала и конца схватывания цементного раствора. Схватывание цементного раствора должно начинаться после окончания цементирования колонны. Следует добиваться, чтобы разница во времени между началом и концом схватывания цементного раствора была небольшой.

    Для цементирования обсадных колонн применяют  следующие тампонажные цементы:

    1) для «холодных» скважин с температурой  на забое до 40 °С;

    2) для «горячих» скважин с температурой  на забое до 75 °С;

    3) для глубоких скважин с температурой  на забое 100 —120 °С.

    Цемент  для «холодных» скважин, смешанный  с пресной водой (50 % от массы цемента), должен иметь начало схватывания от 3 до 7,5 ч с момента его затворения, конец схватывания — не более 3 ч после начала схватывания. Следовательно, при цементировании скважин с температурой на забое до 40 ° С необходимо закончить весь процесс не более чем за 2,5 ч.

    Цемент  для «горячих» скважин, смешанный  с пресной водой (50 % от массы цемента), должен иметь начало схватывания от 1 ч 45 мин до 2 ч 45 мин после затворения, конец схватывания — не более 1 ч 30 мин после начала схватывания. Таким образом, процесс цементирования с температурой на забое до 75 °С необходимо закончить за 1 ч.

    Цемент  для глубоких скважин получают в результате помола цементного клинкера с добавкой гипса. Начало схватывания такого цемента должно наступать не менее чем через 1 ч 15 мин с момента его затворения. Как видно, в глубоких скважинах процесс цементирования должен длиться менее 1 ч.

    Для цементирования кондукторов кроме  перечисленных тампонажных цементов выпускается специальный цемент с добавкой 25 — 30 % песка.

          Для особых условий  цементирования обсадных колонн выпускаются утяжеленные тампонажные цементы (при применении промывочной жидкости с плотностью до 2200 кг/м³), волокнистые тампонажные цементы (для уменьшения глубины проникновения цементного раствора в сильнопористые пласты), гель-цементы (для цементирования зон поглощения промывочной жидкости) и др.

    Подготовленный  и проверенный в лаборатории тампонажный цемент в необходимом количестве засыпают в специальные цементосмесительные машины и отправляют на буровую. К этому времени туда же доставляют и цементировочные агрегаты. В комплект последних входят насосы с большой подачей, способные создать необходимое давление для вытеснения из обсадной колонны в затрубное пространство цементного раствора. Цементировочные агрегаты и цементосмесительные машины обвязываются трубопроводами друг с другом и с цементировочной головкой, установленной на обсадной колонне.

    Перед началом цементирования скважину промывают  до тех пор, пока плотность закачиваемой в нее жидкости не станет равной плотности жидкости, выходящей из скважины. Наиболее распространены одноступенчатый и двухступенчатый способы цементирования обсадных колонн.

    Одноступенчатый способ цементирования обсадных колонн (рис. 1) заключается в следующем. До закачки цементного раствора в обсадную колонну опускают нижнюю цементировочную пробку 2, предназначенную для отделения цементного раствора от находящейся в колонне промывочной жидкости. Нижняя пробка 2 имеет отверстие, перекрытое резиновой перепонкой. После этого на колонну навинчивают головку 1 с верхней цементировочной пробкой, не имеющей сквозного отверстия.

    Затем цементный раствор закачивают в  обсадную колонну. Требуемый объем этого раствора определяется исходя из условия, чтобы к концу цементирования в обсадной колонне осталась небольшая порция цементного раствора (цементный стакан), а за обсадной колонной цементный раствор поднялся на заданную высоту. После окончания закачки цементного раствора в обсадную колонну проталкивают верхнюю (без отверстия) цементировочную пробку 4 и затем прокачивают промывочную жидкость. резкое повышение давления.

    Когда нижняя пробка дойдет до упорного кольца, она остановится. Давление над пробкой  повысится и резиновая перепонка лопнет. При дальнейшей закачке промывочной жидкости в колонну верхняя пробка подойдет к нижней и закроет отверстие в ней. Возникнет гидравлический удар. Манометр на цементировочной головке зафиксирует

    После этого краны цементировочной  головки закрывают и скважину оставляют в покое на 16 ч для затвердевания цементного раствора за кондуктором и на 24 ч — за промежуточной и эксплуатационной колоннами.

 

    2. Расчет одноступенчатого  цементирования эксплуатационной  колонны

    Таблица 1. Исходные данные

 
 

 

    

    Рис. 2. Схема размещения цементного раствора в конце продавки

 

1. Внутренний диаметр обсадной колонны:

d_вн = D_н -2δ =146 - 2· 8 = 130 мм = 0,13 м

    2. Объём цементного раствора:

    V_цр = 0,785 [(D²_скв – D²_н) H K_у + d²_внh] = 0,785× [(0,2159² – 0,146² ) 1700 × 1,4 + 0,13² × 20] = 47,5 м³

    3. Количество сухого цемента для  приготовления 1 м³ цементного раствора:

    q =  = = 1220 кг/м³

    4. Плотность цементного раствора:

    ρ_цр = (1 + m) q = (1 + 0,5) 1220 = 1830 кг/ м³

    5. Количество цемента и воды  для приготовления цементного  раствора:

    Q_ц’ = q V_цр = 1220 × 47,5 = 57,95 т

    Q_в = m Q_ц’ = 0,5 × 57,95 = 28,98 т

    6. Количество сухого цемента с учетом потерь при приговлении:

    Q_ц = K₁ Q_ц’ = 1,02 × 57,95 = 59,11 т

    7. Количество цементно-смесительных  машин:

    Ц = = шт,

    где М_ц.см – вместимость бункера цементно-смесительной машины ЦСМ-20

    8. Объём продавочной жидкости:

    V_пр = ∆ = 1,05 × = 31,76 м³

    9. Гидростатическое давление в  конце продавки:

    P_гс  = (H – h)(ρ_цр – ρ_р) 9,81 10^-6 = (1700 – 20)×(1830 – 1200)× 9,81× 10^-6 =  = 10,38 МПа

    Наибольшее  рабочее давление в конце цементирования определяют с учетом гидравлических сопротивлений при движении продавочной жидкости в трубах и цементного раствора в затрубном пространстве.

 

    Список  использованной литературы.

    1. Расчет цементирования скважин. Методические указания к выполнению курсового и дипломного проектов, СамГТУ, Сост. С.А. Волостнов , Самара, 1999.

    2. Середа Н.Г., Муравьев В.М. Основы нефтяного и газового дела. — М.: Недра, 1980.

    3. Антонова Е.О., Крылов Г.В., Прохоров А.Д., Степанов О.А. Основы нефтегазового дела: Учеб. для вузов. — М: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003.