rЦ = qЦР / (1+m), т/м3. (2.103)
rЦ = 3,12×104/ (1+0,5) =2,08 т/м3.
Расход воды на 1 м3 раствора составит:
rВ =m×rЦ т/м3. (2.104), rВ =0,5 × 2,08=1,04 т/м3.
Потребное количество цемента для приготовления всего объема цементного раствора определяется по формуле:
GЦI =VЦР×rЦ ×K т. (2.105)
Где К - коэффициент неизбежных потерь цемента при затворении, принимается 1,05.
GЦI=7,4×2,08×1,05= 16 т.
Потребное количество воды для приготовления всего объема цементного раствора определяется по формуле:
GВI = m×GЦI т. (2.106)
GВI= 0,5 × 16=8 т.
Для гельцементного раствора необходимо найти количество воды, цемента и наполнителя (глинопорошка). При принятых значениях водоцементного и глиноцементного отношений находим количество цемента. В одном кубометре раствора содержится: цемента - rЦ; воды - М ×rЦ; глинопорошка - Б×rЦ.
Расход цемента на 1 м3 раствора составит:
rЦ = qГЦ/ (1+М+Б) т/м3. (2.107)
rЦ = 1,53×104/ (1+1,23 +0,33) =0,598 т/м3.
Расход воды на 1 м3 раствора составит:
rВ = М ×rЦ т/м3. (2.108)
rВ =1,23 × 0,598 = 0,736т/м3.
Расход глинопорошка на 1 м3 раствора составит:
rН =Б ·rЦ т/м3. (2.109)
rН =0,33 × 0,598 = 0, 197 т/м3.
Общее количество цемента определяется как:
GЦII=VГЦ×rЦ ×K т. (2.110)
GЦII =77,2×0,598×1,05=48,5 т.
Общее количество воды определяется как:
GВII =М×GЦ т. (2.111)
GВII=1,23×48,5= 60 т.
Общее количество наполнителя определяется как:
GН = Б ×GЦII т. (2.112)
GН = 0,33 × 48,5=16 т.
На весь объем цементирования скважины суммарное количество цемента составит:
∑ GЦ =GЦI +GЦII т. (2.113)
∑ GЦ = 16 + 48,5 = 64,5 т.
Суммарное количество сухого порошка (цемента и наполнителя) составит:
∑ G= ∑ GЦ + GН т. (2.114)
∑ G= 64,5+16=80,5 т.
Рассчитывается объем продавочной жидкости.
Продавочная жидкость служит для вытеснения тампонажной смеси из обсадной колонны в затрубное пространство с помощью продавочной пробки.
В качестве продавочной жидкости используется буровой раствор, объем которого определяется по формуле:
VПЖ = (∑ (p×d I2/4×l I)) ×KIм3, (2.115)
где dI- внутренний диаметр соответствующей секции обсадной колонны;
lI- длина соответствующей секции (без учета цементного стакана);
КI- коэффициент, учитывающий сжатие пузырьков воздуха в продавочной жидкости и деформацию обсадной колонны (КI= 1,03).
VПЖ = ( (3,14×0,13062/4×110) + (3,14×0,1322/4×2990)) ×1,03=43,2 м3.
Определяем тип и объем буферной жидкости.
Буферная жидкость закачивается в обсадную колонну перед тампонажной смесью и выполняет следующие функции:
Отделяет в затрубном пространстве тампонажную смесь от вышерасположенного бурового раствора, что препятствует их смешению. В противном случае при смешивании тампонажного и бурового растворов часто образуется трудно прокачиваемая смесь.
Очищает стенки скважины от глинистой корки, что в дальнейшем улучшает контакт цементного камня с породой.
Облегчает процесс вытеснения бурового раствора, обеспечивая большую степень замещения бурового раствора цементным.
Применение буферных жидкостей значительно повышает качество цементирования.
В качестве буферной жидкости используется двухпроцентный водный раствор триполифосфата натрия, удельный вес буферной жидкости составит 1,0×104Н/м3.
Объем буферной жидкости должен обеспечить выполнение вышеперечисленных функций. Практикой установлено, что минимально необходимая высота столба буферной жидкости в затрубном пространстве должна ориентировочно составлять 100 м на каждые 1000 м цементируемого интервала. Тогда минимальный объем буферной жидкости составит:
VБЖМИН=p/4× (DД2 - D2) ×K×hБЖМИН м3. (2.116)
где hБЖМИН -минимально необходимая высота столба буферной жидкости, м.
VБЖМИН=3,14/4× (0,21592 - 0,1462) ×1,7 ×3100/100=1,05 м3
Так как qБР >qБЖ, то с увеличением столба буферной жидкости снижается гидростатическое давление и может произойти выброс. Поэтому находится максимальное количество закачиваемой в скважину буферной жидкости из условия отсутствия выброса:
VБЖМАКС=p/4× (DД2 - D2) ×K×hБЖМИАКС м3, (2.117)
где hБЖМАКС - максимальная высота столба буферной жидкости в затрубном пространстве, м. Максимальная высота столба буферной жидкости в затрубном пространстве находится по формуле:
hБЖМАКС = (10-6×Н×qБР - PПЛ) / (10-6× (qБР -qБЖ) м. (2.118)
hБЖМАКС= (10-6×2825×1,08×104 - 28,5) / (10-6× (1,08×104 - 1,0×104) =2512 м.
По формуле (2.117) находится максимальный объем закачиваемой в затрубное пространство буферной жидкости:
VБЖМАКС=3,14/4× (0,21592 - 0,1462) ×1,7 ×2512=87м3.
Номинальный объем буферной жидкости должен находится в пределах между минимальным и максимальным значениями:
VБЖМИН<VБЖ<VБЖМАКС м3. (2.119)
Ориентировочно номинальный объем буферной жидкости может быть найден из выражения:
VБЖ =p/4× (DД2 - D2) ×K×hБЖм3. (2.120)
где hБЖ - высота столба буферной жидкости и находится по выражению:
hБЖ= V×t м, (2.121)
где V-скорость восходящего потока равная 2 м/с;
t- время контакта буферной жидкости со стенками скважин равное 600 секунд.
Тогда по формулам (2.121) и (2.120):
hБЖ= 2× 600=1800м
VБЖ =3,14/4× (0,21592 - 0,1462) ×1,7 ×1800=61 м3
По условию (2.119)
1,05 < 61< 87, м3.
Так как условие (2.119) выполняется, то принимается объем буферной жидкости равным 61 м3.
Выбирается тип и количество цементировочного оборудования.
При цементировании обсадных колонн в качестве основных технических средств используются цементировочные агрегаты, предназначенные для доставки тампонажной смеси в затрубное пространство, и смесительные машины для ее приготовления. В качестве дополнительных средств используются станции контроля цементирования СКУПЦ - К, блок манифольдов, в зимнее время так же используются парогенераторная установка. Их характеристики представлены ниже [14].
Установка блока манифольдов УМК - 70К:
Максимальное давление, МПа:
в напорном коллекторе 70;
в раздающем коллекторе 2,5.
Количество отводов:
на напорном коллекторе 6;
на раздающем коллекторе 8;
на отходящих к устьевой головке 2.
Номинальный диаметр отводов, мм 50.
Гидроманипулятор, подъемный момент, кН·м 75.
Масса, кг 16600.
Парогенирирующая установка МПУ - 05/07:
На базе автомобиля КамАЗ - 43101 и Урал - 4320.
Производительность по пару, кг/час 500.
Температура пара, 0 С 170.
Давление пара, МПа 0,7.
Габаритные размеры, мм 8270х2500х3500.
Масса не более, кг 15100.
Определяем тип цементировочного агрегата.
Цементировочный агрегат должен обеспечить следующее давление:
РЦА ≥РЦГ/0,8 МПа, (2.122)
где РЦА - давление, развиваемое цементировочным агрегатом, МПа;
РЦГ - максимальное давление на цементировочной головке, равное гидравлическим сопротивлениям при цементировании обсадной колонны, МПа.
Максимальное давление на цементировочной головке можно записать в виде выражения:
РЦГ =DРГС +РГД+РСТ МПа, (2.123)
где DРГС - гидростатическое давление, возникающее из-за разности плотностей жидкости внутри колонны и затрубном пространстве, МПа;
РГД - давление, необходимое для преодоления гидродинамических сопротивлений при движении жидкости внутри колонны и затрубном пространстве, МПа;
РСТ - дополнительное давление, возникающее при посадке продавочной пробки на кольцо "стоп" (РСТ=2,0 МПа).
Разность давлений от составного столба жидкости за колонной РГСЗП и внутри колонны РГСТР равна гидростатическому давлению DРГС:
DРГС=10-6× (3105-450-30) × (1,53×104 - 1,08×104) =11,6 МПа
DРГС = РГСЗП - РГСТР =10-6× (L-hБР-hСТ) × (qТС-qБР) МПа. (2.124)
Гидродинамические сопротивления РГД определяется суммой сопротивлений при движении жидкости внутри обсадной колонны и в затрубном пространстве:
РГД =РГДТР+РГДЗП МПа, (2.125)
где РГДТР - гидродинамические сопротивления при движении жидкости внутри обсадной колонны, МПа;
РГДЗП - гидродинамические сопротивления при движении жидкости в затрубном пространстве, МПа.
По формуле Дарси - Вейсбаха:
РГДТР= 10-6×lТР×qТР×VТР2/ (2×g) ×L/d МПа. (2.126)
РГДЗП= 10-6×lЗП×qЗП×VЗП2/ (2×g) ×L/ (DД-D) ×K МПа, (2.127)
где lТР и lЗП - соответственно коэффициенты гидравлических сопротивлений в трубах и затрубном пространстве (lТР =0,02; lЗП=0,035);
qТР и qЗП - соответственно плотности прокачиваемой жидкости внутри колонны и в затрубном пространстве (qТР = qБР;qЗП = qСР), Н/м3;
VТР и VЗП - соответственно: скорости движения потока жидкости внутри труб и в затрубном пространстве (VЗП =1,5 м/с), м/с;
SЗП и SТР - соответственно площади затрубного пространства и внутренней полости трубы, м2;