В настоящее время в различных нефтегазовых районах применяют не­сколько отличающихся друг от друга технологических схем приготовления и нагнетания тампонажных растворов. Это отличие обусловлено специфи­кой геолого-технических, а иногда и климатических условий данного района, что определяет выбор конструкции скважины, способа цементи­рования и тампонажного материала для каждого конкретного района.

Отличие этих схем заключается в использовании различного числа цементировочных агрегатов и цементосмесительных машин, а также в применении специальных устройств или механизмов, повышающих качест­во раствора или цементирования в целом и улучшающих условия труда об­служивающего персонала. Схема обвязки оборудования при использовании 20 — 40 т сухого тампонажного материала для приготовления раствора при­ведена на рис. 14.6.

При использовании 40 — 60 т сухого материала для приготовления и на­гнетания тампонажного раствора применяют большее число агрегатов, по­зволяющих аккумулировать весь сухой материал в трех точках затворения. Если масса сухого материала превышает 60 т, то изменяется схема обвязки цементировочных агрегатов и цементносмесительных машин (рис. 14.7).

Во всех этих схемах, как правило, предусматривается такое соотноше­ние между численностью цементосмесительных машин и цементировочных агрегатов, при котором обеспечивается бесперебойное приготовление и нагнетание тампонажного раствора в скважину с заданным темпом. Обыч-

Рис. 14.6. Схема обвязки агрегатов при цементировании скважин с использованием 20—40 т сухого тампонажного материала:

1 — цементосмесительная машина 2СМН-20; 2 — цементировочный агрегат ЦА-320М; 3 — цементировочный агрегат ЗЦА-400А; 4 — блок манифольда 1БМ-700; 5 — станция контроля цементирования; 6 — цементировочная головка; штрихпунктир — движение продавочной жидкости; сплошная линия — движение тампонажного раствора

Рис. 14.7. Схема обвязки агрегатов при цементировании скважин с использованием более 60 т сухого материала.

Усл. обознач. см. на рис. 14.6

но с одной цементосмесительной машиной 2СМН-20 работают два цемен­тировочных агрегата, один из которых (имеющий водоподающий насос) подает жидкость на затворение в гидровакуумное смесительное устройство цементосмесительной машины, а второй (не имеющий водоподающего на­соса) вместе с первым нагнетает готовый раствор в скважину. При этом суммарная подача жидкости (по паспортным данным) двумя агрегатами не­сколько больше производительности цементосмесительной машины. Как правило, для продавливания верхней разделительной пробки используют агрегат ЗЦА-400А, который обвязывают с цементировочной головкой.

В различных районах страны в связи со специфическими условиями схемы обвязки оборудования несколько видоизменяются.

В б. Грознефти и Краснодарнефтегазе использовали осреднительные емкости, смонтированные на автомашине и имеющие перемешивающие устройства. Прежде чем подать раствор в скважину, его некоторое время перемешивают в этой емкости; благодаря этому повышается его однород­ность, что существенно улучшает качество цементирования. Представляет­ся целесообразным организовать серийное изготовление таких емкостей. На рис. 14.8 показана схема расстановки и обвязки оборудования при це­ментировании скважин облегченным тампонажным раствором с примене­нием осреднительнои емкости и использованием резервуара вместимостью 40 м3 для заготовки воды затворения.

Иногда для аккумулирования жидкости затворения используют пере-

Рис. 14.8. Схема обвязки агрегатов при цементировании облегченным раствором с использо­ванием осреднительной емкости и резервуара для заготовки жидкости затворения:

1 — цементосмесительная машина 2СМН-20; 2 — цементировочный агрегат ЦА-320М; 3 — цементировочный агрегат ЗЦА-400А; 4 — блок манифольда 1БМ-700; 5 — станция контроля цементирования СКЦ-2М; 6 — цементировочная головка; 7 — осреднительная емкость; 8 — резервуар; пунктиром обозначено движение жидкости затворения

движные емкости различной вместимости (рис. 14.9). Пунктирными линия­ми показано направление движения воды, сплошными — тампонажного раствора, штрихпунктирными — продавочной жидкости. При работе по этой схеме после приготовления и нагнетания тампонажного раствора при его продавливании смесительные машины и обвязанные с ними цементи­ровочные агрегаты могут быть отсоединены и отправлены на базу.

В б. ВНИИКРнефти разработана и внедрена специальная технологиче­ская схема приготовления и нагнетания тампонажного раствора (рис. 14.10), исключающая его потери (особенно при использовании вспениваю­щих реагентов) и позволяющая увеличить подачу насосов цементировоч­ных агрегатов за счет создания подпора на приеме.

В ЗапСиббурнефти для приготовления растворов из лежалых цементов иногда используют фрезерно-струйную мельницу, соединенную с оборудо­ванием по схеме, указанной на рис. 14.11 (разработана в б. ВНИИКРнеф­ти); используется также схема цементирования скважин с применением гидравлического способа активации цемента, при котором поток тампо-

ч   ч   ч

 

Рис. 14.9. Схема обвязки агрегатов с использованием двух емкостей для аккумулирования жидкости затворения вместимостью по 25 м3:

1 — цементосмесительная машина 2СМН-20; 2 — цементировочный агрегат ЦА-320М; 3 — цементировочный агрегат ЗЦА-400А; 4 — блок манифольда 2БМ-700; 5 — станция контроля цементирования СКЦ-2М; 6 — цементировочная головка; 7 — емкость

нажного раствора под большим давлением подается в устройство, где со­ударяется со стенкой или встречным потоком; в результате этого разруша­ются комкообразные включения и повышается степень гидратации.

С целью увеличения степени вытеснения бурового раствора из за-трубного пространства скважины при цементировании, а следовательно,

12 3 4     5     6 7 8 91011 12  13

/// ■/// /// /// /// /// /// /// /// /// /// /// /// /// /// ■ /// /// /// /// /// /// ///

Рис. 14.10. Технологическая схема приготовления и нагнетания вспененных растворов:

1 — бункер цементосмесительной машины; 2 — обратный клапан гидровакуумного смеси­тельного устройства; 3 — приемная воронка бункера цементосмесительной машины; 4 — гид­ровакуумное смесительное устройство; 5 — напорная труба; 6 — всасывающий коллектор насоса; 7 — трубопровод; 8 — клапан; 9 — приемная часть; 10 — гофрированный шланг; 11 — откидная крышка; 12 — уровнемер; 13 — насос цементировочного агрегата; 14 — сливной патрубок

Рис. 14.11. Технологическая схема приготовления и закачки тампонаж-ных растворов с применением фре-зерно-струйной мельницы:

1 — цементосмесительная машина 2СМН-20; 2 — цементировочный аг­регат ЦА-320М; 3 — фрезерно-струй-ная мельница; 4 — цементировочная головка

Рис. 14.12. Схема размещения и обвязки оборудования при цементировании скважины с расхаживанием колонны:

1 — цементосмесительная машина 2СМН-20; 2 — цементировочный агрегат ЦА-320М; 3 — цементировочный агрегат ЗЦА-400А; 4 — блок манифольда 1БМ-700; 5 — станция контроля цементирования; 6 — цементировочная головка; 7 — шарнирные звенья гибкого металличе­ского шланга; 8 — стояк

для повышения его качества были разработаны и внедрены способ приме­нения и комплекс устройств, позволяющих в процессе цементирования проводить осевое перемещение обсадной колонны.

На рис. 14.12 представлена схема расположения оборудования и от­дельных устройств, обеспечивающих расхаживание колонны в процессе нагнетания жидкости при цементировании.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПЕРВИЧНОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

Различными авторами предложен ряд методов расчета цементирования скважин. Применяемые методики расчета излагаются в одной и той же по­следовательности и описывают определение:

1) потребного количества цементного раствора, цемента и воды для
приготовления раствора;

2)      потребного количества бурового раствора для продавки цементного
раствора в затрубное пространство;

3)      давления на головке колонны к моменту окончания цементирова­
ния;

4)      количества цементного и бурового растворов, закачиваемых на раз­
личных скоростях агрегата;

5)      времени, потребного на цементирование скважины, а также коли­
чества агрегатов и цементосмесительных машин.

Расчет первых трех разделов весьма прост. Суть методики определе­ния количества жидкости, закачиваемой на различных скоростях агрегатов (по Т.Е. Еременко и А.А. Федорову) заключается в следующем.

Рассмотрим момент цементирования (рис. 14.13), когда уровни це­ментного раствора в колонне и за колонной выравнялись. К этому моменту в колонну должно быть закачано определенное количество бурового рас­твора.

Введем обозначения: угр
— плотность бурового раствора; уцр — плот­ность цементного раствора; р — допустимое давление агрегата на данной скорости; рг
— потери на преодоление гидравлических сопротивлений; Ло — высота цементного раствора в скважине; /0
— высота столба бурового раствора над верхней пробкой.

В момент выравнивания уровней цементного раствора в скважине давление на головке колонны, которое должен преодолеть насос цементи­ровочного агрегата, будет равно:

а) при одинаковой плотности глинистого раствора у’гр в колонне и у"р

за колонной (т.е. у’гр   =  у"р) — давлению на преодоление гидравлических сопротивлений, т.е. рг, которое определяется заранее;

6)  при неодинаковой плотности бурового раствора (т.е. у’гр
ф у"р)  —
некоторому давлению

При дальнейшей закачке бурового раствора в колонну высота столба его в колонне будет увеличиваться, цементного раствора — уменьшаться, а в кольцевом пространстве — возрастать. Давление на головке колонны бу­дет возрастать за счет создания разности высот столбов цементного и гли­нистого растворов в колонне и кольцевом пространстве. Давление на го­ловке колонны будет увеличиваться пропорционально снижению уровня цементного раствора в колонне (при условии постоянного внутреннего диаметра колонны и постоянного диаметра скважины), т.е. пропорциональ­но повышению столба бурового раствора над верхней пробкой.

Исходя из этого, можно составить уравнение для любого промежуточ­ного момента цементирования (рис. 14.14).

 

 

Рис. 14.13. Схема положения уровней в ко­лонне и скважине

Рис.  14.14. Схема промежуточного положе­ния уровней

При увеличении высоты столба бурового раствора в колонне от /0 до / давление на головке колонны возрастает от ро(рг) до р, т.е.

/ — l0 = a1(p — p0)                                                                                     (14.2)

или

/ — l0 = a1(p — pã).                                                                                     (14.3)

Из этого уравнения можно определить значение / при заданном р:
/ = l0 + a1(p — p0)                                                                                     (14.4)

ПРИ   Гг.р   * Гг.р ИЛИ

l= l0 + a1(p — pã)                                                                                  (14.5)

при у’г.р  =  у’;.р.

В формулах ai — коэффициент пропорциональности, показывающий, на сколько метров должен увеличиваться столб бурового раствора над верхней пробкой, чтобы давление на головке колонны возросло на 0,1 МПа. Коэффициент щ можно определить при использовании конечных значений р и /, исходя из следующих рассуждений: при увеличении столба бурового раствора в колонне от /0 до /к (конец цементирования, см. рис. 14.14) давление на головке колонны возрастает от р0
до рк. Подставив в уравнение (14.14) рк вместо р и /к вместо / и решив уравнение относительно щ, получим

à1 = (4 — l0)/(ðê – ð0).                                                                            (14.6)

Исходя из равенства столбов цементного и бурового растворов, заме­няем разность столбов бурового раствора разностью столбов цементного раствора

lê + h = l0 + h0,                                                                                        (14.7)

где Л — высота цементного стакана, оставляемого в колонне.

После подстановки получаем уравнение для нахождения аи
à1 = (h0 — h)/(ðê
— ð0)                                                                             (14.8)

(это при условии у"р Ф у’гр).

Для случая, когда у"р  =  у’гр (р0 = рг), величину а\ найдем следующим

образом. Из уравнения рк = ру + рг
получаем, что ру = рк — р0. После чего уравнение (14.8) примет вид

à1 = (h0 — h)/ðγ.                                                                                      (14.8à)

Подставляя в уравнения (14.4) и (14.5) значения pw, Pin, Рп и pi макси­мального давления, допускаемого при работе на IV, III, II, I скоростях агре­гата, определяем высоты столбов бурового раствора над верхней пробкой, при которых агрегат должен быть переключен на следующую (меньшую) скорость:

и ò.ä.                                                                        (14.9)

Для упрощения расчета можно вместо 7Ш, 1ц, h определять сразу Лш, Ли, Л1 — высоту столбов глинистого раствора, закачиваемого на III, II, I скоро­стях агрегата. Исходя из уравнений

Лщ = 1щ — lIV;  Ли = 1ц — lni,  hi = h — lII,

после подстановки и приведения в (14.9) находим

(14.10)

^i =al{pK—pll).

В общем виде расчет цементирования скважины по этой методике приведен ниже.

1.  Объем цементного раствора, подлежащего закачке в скважину, на­
ходим по формуле

Уцр = 0,785(k’Dl -£»н2)Нцр +0,785c£A                                                       (14.11)

где к’ — коэффициент, учитывающий увеличение объема скважины за счет образования каверн, трещин и пр. (величина его колеблется в диапазоне 1,05—1,3); Dh, DH, dBH — соответственно диаметр долота, наружный и внут­ренний диаметры колонны в мм; Нц.р — высота подъема цементного рас­твора за колонной в м; Л — высота цементного стакана в м.

2.  Потребное количество сухого цемента

где W — водоцементное отношение.

3. Потребное количество воды для затворения цемента

Vâ = WGö,                                                                                                                                       (14.13)

где VB — потребный объем воды в м3.

4.   Объем продавочной жидкости

Кр = Fò(L — h),                                                                                                                          (14.14)

где FT — площадь внутреннего сечения колонны в м3.

5.   Давление на головке колонны в конце цементирования (перед схож­
дением пробок), которое должен преодолеть насос цементировочного агре­
гата, состоит из двух величин:

ðê   =   ðã   +   ðγ

где рг — давление, затрачиваемое на преодоление гидравлических потерь; рг — давление, затрачиваемое на преодоление разности весов столбов бу­рового и цементного растворов в колонне и в затрубном пространстве.

Так как здесь движутся две жидкости — цементный и буровой рас­творы (в колонне и за колонной), то обычные формулы трубной гидравли­ки неприменимы. Для определения этой величины пользуются эмпириче­скими формулами.

6.       По величине рк выбирают цементировочный агрегат.

7.       Количество жидкости, закачиваемой на различных скоростях агре­
гата:

а)   для многих случаев (при pw > рг) весь цементный раствор может
быть закачан на IV скорости цементировочного агрегата; если pw < рг, то
столб цементного раствора, который должен быть закачан на III скорости
до переключения агрегата на IV скорость, может быть определен по фор­
муле

КР=(Рг-Рш)/(уц.Р-Уг.Р)д:                                                                                                            (14.15)

б)   высоты столбов глинистого раствора, которые могут быть закачаны
при работе агрегата на различных скоростях:

h0 = Vö.ð/(Fò + kIFê);   l0 = L — h0;   a1 = (h0 — h)/pγ;                                                             (14.16)

lw = l0 + a1(pIV — pã);  Лщ = a1(pIII — pIV)   è ò.ä.

в)   количество жидкости, закачиваемой на различных скоростях агрега­
та, равно

VIV = lwFT  è ò.ä.                                                                                                                        (14.17)

8.   Время цементирования при условии работы одного цементировоч­
ного агрегата

Òö = tw + fci + fe + h + t,                                                                                                    (14.18)

где tw, tm, tn, k — время работы агрегата на соответствующей скорости; t — время на отвинчивание стопорных болтов цементировочной головки для закладывания или освобождения пробок;

vw    vw                   vm     vm                   у„              у,

t      _  "ц.р т "г.р  .     .      _ "ц.р т "г.р .     .     _  "г.р .     .    _ "г.р tIV  =;г     tIII =; t     II =;г     tI =,1

Qw                                        Qm                                9п                       Qi

где giv; gim gm gi — производительность агрегата на соответствующей ско­рости.

9.   Потребное количество цементосмесительных машин:
а) по грузоподъемности

т = Gö/Gì,                                                                                                (14.19)

где GM — емкость бункера одной цементосмесительной машины в т; б) по производительности

IV,                                                                                                   (14.19à)

где Х?^а   ~~ суммарная производительность всех агрегатов при работе на

высшей скорости; дм  —  максимальная производительность одной цемен­тосмесительной машины.

Количество цементосмесительных машин, так же как количество агре­гатов, принимается большее из полученных при двух подсчетах.

Обратите внимание: