Одноступенчатое цементирование скважин

Одноступенчатый способ цементирования скважин наиболее распространен. При этом способе в заданный интервал подается тампонажный раствор за один прием.

Если возникает необходимость делить интервал цементирования на две части, то используют двухступенчатое цементирование. При этом на границе раздела устанавливают специальную разделительную муфту. Способ применяют в следующих случаях: поглощение тампонажного раствора в нижних пластах или при большой высоте его подъема за колонной, когда расчетные давления при прокачивании тампонажного раствора больше давления, развиваемого цементировочными агрегатами; наличие резко отличающейся температуры в нижней и верхней зонах интервала подъема тампонажного раствора; невозможность доставки на буровую нужного количества тампонажной техники; возможность возникновения больших давлений в процессе продавливания тампонажного раствора.

Манжетное цементирование применяют, когда нет необходимости цементировать эксплуатационную колонну в зоне продуктивного горизонта. При расчете одноступенчатого цементирования определяют: количество сухого тампонажного материала; количество воды для затворения; объем продавочной жидкости; максимальное давление в конце процесса цементирования; необходимое число смесительных машин и цементировочных агрегатов; время, необходимое для проведения всего процесса цементирования.

Для повышения качества цементирования необходимо предусмотреть использование при цементировании буферной жидкости, которая выполняет следующие функции:

• отделяет тампонажный раствор от промывочной жидкости и предотвращает образование густых трудно прокачиваемых смесей;
• увеличивает полноту замещения промывочной жидкости тампонажным раствором;
• способствует разрушению фильтрационных глинистых корок на стенках скважины;
• способствует лучшему сцеплению тампонажного раствора с горными породами, слагающими стенки скважины.

В качестве буферной жидкости широко используются воды и водные растворы солей (NaCI, CaCl и т.д.), щелочей (NaOH) и ПАВ (сульфонол). Виды буферных жидкостей приведены в табл. 11.4.

Таблица 11.4 Вилы буферных жидкостей

Вид	Область применения
Вола	В устойчивых породах, не подверженных набуханию при кратковременном воздейсгвии потока воды
Нефть и нефтепродукты	При бурении с промывкой нефтеэмульсионными растворами или когда ствол скважины цементируется нефтеэмульсионными тампонажными растворами
Утяжеленные (на солевой и полимерной основах)	Когда применение больших объемов легких жидкостей связано с опасностью выброса или обвалами и осыпями; при наличии сильно кавернозных зон в стволе скважины.
Водные растворы солей	В разрезах с наличием соляных куполов
Раствор кислот	Для удаления фильтрационной корки и остатков бурового раствора со стенок скважины в интервале продуктивного пласта.
Аэрирование	При наличии в разрезе зон поглощений, затрудняющих цементирование при больших коэффициентах уширения ствола
Эррозийные (водопесчаные)	При наличии в стволе больших каверн, стенки которых сложены глинистыми породами
Незамерзающие	В зонах многолетнемерзлых пород
С низкой водоотдачей	На месторождениях с низкими градиентами пластовых давлений; при наличии в разрезе поглощающих пластов или малопрочных пропластков, склонных к осыпям и обвалам
Вязкоупругий разделитель	В суженных и расширенных частях ствола скважины для обеспечения вытеснения бурового раствора (имеет ограниченное применение из-за ряда недостатков).

Известно, что эффективность вытеснения промывочной жидкости водными растворами (буферной жидкостью) возрастает с увеличением плотности этих растворов.

В случае применения буферной жидкости с меньшей плотностью, Чем у бурового раствора (ρ_б>ρ_р), объем этой жидкости выбирается из условия, чтобы гидростатическое давление столба в заколонном пространстве несколько превышало пластовое. Из этого условия находят, что высота столба буферной жидкости в заколонном пространстве описывается соотношением:

    (11.14)

где ρ_р, ρ_в, ρ_б - плотность соответственно бурового раствора, пресной воды и буферной жидкости; k_a - коэффициент аномальности,

     (11.15)

z_пл - расстояние от поверхности до продуктивного горизонта; ρ_пл - пластовое давление, МПа.

Если расчетное значение высоты столба буферной жидкости по формуле (11.14) будет больше расстояния от устья скважины до уровня цементного раствора в заколонном пространстве, то необходимо плотность буферной жидкости выбирать из соотношения

ρ_р<ρ_б<ρ_ц.р.     (11.16)

Плотность цементного раствора ρц.р выбирается на 200-250 кг/м3 больше плотности бурового раствора ρр. Плотность буферной жидкости регулируется путем изменения концентрации водорастворимых солей. Высота столба буферной жидкости в заколонном пространстве hб обычно принимается равной 150-220 м, что оказывается вполне достаточным для обеспечения хорошего качества цементирования. Расчетная схема одноступенчатого цементирования показана на рис. 11.4. Рис. 11.4. Схема цементирования обсадной колонны.

Высота столба бурового раствора за колонной:

h_p=H-(H_ц+h_б).               (11.17)

Требуемый объем цементного раствора:

       (11.18)

где К₁ - коэффициент заполнения каверн, К₁=1,15; d₁ - наружный диаметр обсадных труб; d₂ - внутренний диаметр обсадных труб.

Требуемая масса сухого цемента

            (11.19)

где m - водоцементное отношение; К₂ - коэффициент, учитывающий потери.

При цементировании скважин используются цементные растворы с m=0,4÷0,5. Водоцементное отношение для получения цементного раствора заданной плотности определяется из выражения

               (11.20)

Количество воды для приготовления расчетного объема цементного раствора

V_в=q_вG_ц                (11.21)

Требуемый объем продавочного раствора

        (11.22)

где Δ- коэффициент сжимаемости бурового раствора, Δ=1,04; V_м - вместимость манифольда.

Если обсадная колонна составлена из труб с различной толщиной стенок, то объем продавочной жидкости находят как сумму объемов интервалов обсадных труб с одинаковой толщиной стенок.

Максимальное давление перед посадкой верхней пробки на упорное кольцо.

Р_max=Р₁+Р₂.       (11.23)

где Р₁ - давление, создаваемое за счет плотности жидкости в затрубном пространстве и в трубах

                (11.24)

Р₂ - давление, необходимое для преодоления гидравлических сопротивлений, находится по формуле Шищенко-Бакланова

P₂=0,001H+1,6 МПа (при глубине скважины до 1500 м);

P₂=0,001H+0,8 МПа (при глубине скважины более 1500 м).          (11.25)

Далее находят число цементировочных агрегатов из условия обеспечения определенной скорости течения цементного раствора в кольцевом пространстве v_в:

• если в скважине возможно поглощение, то скорость восходящего потока v_в принимается равной скорости течения бурового раствора в кольцевом пространстве за УБТ в процессе последнего рейса;
• если поглощение отсутствует, то v_в за кондукторами и промежуточными колоннами берется равной не менее 1,5 м/с, а для эксплуатационных колонн не менее 1,8-2,0 м/с.

Требуемая подача цементировочных агрегатов

Q=F₃v_в

где F₃ - площадь затрубного пространства, м2

     (11.27)

Подача и давление, развиваемые цементировочными агрегатами, приводятся в табл. 11.5

Таблица 11.5 Подача и давление, развиваемые цементировочными агрегатами

Тип агрегата	Скорость	Диаметр втулки, мм
		100	110	115(120)	125	140
ЦА-320М	I	1,4/40	-/-	1,7/32	2,3/24	-/-
	II	2,5/32	-/-	3,2/26	4,3/19	-/-
	III	4,8/16	-/-	6,0/14	8,7/10,7	-/-
	IV	8,679	-/-	10,7/8	14,5/6	-/-
ЗЦА-400А	I	-/-	6,6/40	-/-	8,8/30	11,2/23
	II	-1-	9,5/27	-/-	12,6/21	16,1/16
	III	-1-	14,1/18	-/-	18,6/14	23,8/11
	IV	-/-	19,5/13	-/-	23,4/10	33,0/8
4АН-700	I	6,0/70	-/-	9,/47	-/-	-/-
	II	8,3/51	-/-	12,3/34	-/-	-/-
	III	11,6/36	-/-	17,3/24	-/-	-/-
	IV	14,6/29	-/-	22,0/19	-/-	-/-
Примечание. В числителе-подача Qв дм3/с, в знаменателе — давление р в МПа

Тогда число требуемых цементировочных агрегатов

           (11.28)

где Q_i - производительность цементировочного агрегата на i-й скорости (так как продавливание, как правило, начинается на максимально возможной скорости), дм /с.

Находят необходимое число цементосмесительных машин

           (11.29)

где ρ_н - насыпная масса цемента, т/м3; V_бун - вместимость бункера цементосмесительной машины 2СМН-20, техническая характеристика которой приводится ниже

Транспортная грузоподъемность, т	8-9
Вместимость бункера, м3	14,5
Производительность при изготовлении цементного раствора, л/с	20
Плотность приготовляемого раствора, г/см3    цементного    цементно-песчаного    цементно-бентонитового    глинистого    утяжеленного глинистого	1,7-2,1 1,9-2,3 1,4-1,6 1,02-1,4 1,35-2,3
Давление жидкости в линии к смесителю, МПа	0,8-1,5
Смесительное устройство.	Вакуумно- гидравлическое

Определяется продолжительность цементирования по формуле

(11.30)

• Расчет одноступенчатого цементирования скважин