Обоснование плотности тампонажного раствора для цементирования вышележащих, относительно продуктивного пласта, интервалов производится из условия недопущения поглощения тампонажного раствора наиболее «слабым» пластом (определяется по давлению гидроразрыва из совмещенного графика давлений) и наиболее полного вытеснения буровой промывочной жидкости из затрубного пространства, которые записываются следующим выражением:
, (50)
плотность тампонажного раствора с учетом ограничения
Ртр≤ Рпогл (51)
= rб.р.+Dr . (52)
В частном случае из выражения (51)
. (53)
В приведенных выражениях: - плотность промывочной жидкости, верхний и нижний допустимые величины плотности тампонажного раствора, кг/м3; Dr - необходимое превышение плотности тампонажного раствора над плотностью вытесняемого бурового раствора, кг/м3; Рпогл. - давление разрыва пород на той же глубине, Па; L – глубина спуска обсадной колонны, м; Ln - глубина залегания подошвы наиболее «слабого» пласта, м; h – уровень тампонажного раствора от устья скважины, м.
Если буферная жидкость не применяется или высота столба ее в кольцевом пространстве мала, то рекомендуется принимать Dr »200¸250 кг/м3. При невозможности выполнения условия (51) необходимо прибегнуть к двухступенчатому цементированию с разрывом во времени. Глубину цементировочной муфты Lм в обсадной колонне можно найти из уравнения
Lм > , (54)
Возможное значение плотности тампонажного раствора ориентировочно принимается в пределах установленных границ (желательно ближе к верхней границе) и проверяется условие недопущения поглощения тампонажного раствора продуктивным пластом на момент окончания цементирования скважины (Ркпз < Рпогл).
давление в кольцевом пространстве на забой скважины определяется
Ркпз = Ргскп + DРкп + Рукп ≤ Рпогл , (55)
где Рскп, DРкп – соответственно давление гидростатическое, гидродинамическое и на устье в кольцевом пространстве, Па;
Ргскп = g·(rб.р·hб.р + rбуф.ж∙hбуф.ж+rт.р·hт.р + rпцт·hпцт), (56)
rб.р, rбуф.ж, rт.р, rпцт – соответственно плотности бурового раствора, буферной жидкости, облегченного тампонажного и бездобавочного растворов, кг/м3;
hб.р, hбуф.ж., hт.р, hпцт – соответственно высота подъема бурового раствора, буферной жидкости, облегченного и бездобавочного тампонажных растворов, м.
Принимается Рукп = 0.
Если условие выполняется, то выбранное значение плотности принимается за окончательное, если нет – то значение плотности снижают и повторно проверяют его выполнение. Операция завершается при достижении ее выполнимости.
Гидродинамическое давление зависит от режима движения прокачиваемой жидкости. При хорошем центрировании обсадной колонны и отсутствии больших каверн целесообразно процесс продавливания осуществлять при турбулентном режиме течения тампонажного раствора. Пробковый режим течения жидкости обеспечивается при скорости восходящего потока не более 0,4 м/с.
Расчет гидродинамических давлений производится по известным формулам для вязкопластичной и вязкой жидкости. К первым относятся дисперсионные системы – промывочные и продавочные жидкости на глинистой основе, тампонажные растворы и другие жидкости содержащие твердую фазу. Ко вторым – техническая вода, растворы солей, кислоты.
Режим течения вязкопластической жидкости определяется по критическому числу Рейнольдса (Reкр)
Rекр = 2100 + 7,3 (Не)0,58, (57)
где Не – число Хендстрема.
При течении в кольцевом пространстве:
Некп = , (58)
в трубах:
Нетр = , (59)
где tоi - динамическое напряжение сдвига i-прокачиваемой жидкости, Па;
ri – плотность i - прокачиваемой жидкости, кг/м3;
hi – пластическая вязкость i - прокачиваемой жидкости, Па×с;
dr – диаметр кольцевого пространства, м.
dг = к×dд – dн, (60)
где к = 1,1 – коэффициент кавернозности;
dд – диаметр долота, м;
dн – наружный диаметры обсадных труб, м;
Если Rекр > Rе = 2300 - режим течения турбулентный.
Критическая производительность насосов цементировочных агрегатов при этом будет равна
Qкр = Rекр·F · ηi / (dr·ri), (61)
где Qкр- критическая производительность насосов агрегатов, м3/с;
F - площадь поперечного сечения кольцевого пространства, м2;
l - коэффициент гидравлических сопротивлений; l = 0,025.
Величина F определяется из выражения:
F = π (d2скв - d2н) / 4 , (62)
где dн – наружный диаметр обсадной колонны, м
dскв – диаметр скважины, м. Определяется dскв = К∙dД (К - коэффициент кавернозности породы)
Гидродинамические давления, создаваемые в кольцевом пространстве скважины и в трубах при прокачивании различных жидкостей рассчитываются по формулам:
Для ламинарного режима течения:
- вязких жидкостей в трубах
DRт =128×mi××Q×li / p×d4в , (63)
- вязких жидкостей в кольцевом пространстве
DRкп =128×mi××Q×li×f(б)/ p×d3r×(КdД-dн), (64)
- вязкопластичных жидкостей в трубах
DRт = 4toi×li / bi×dв , (65)
- вязкопластичных жидкостей в кольцевом пространстве
DRкп = 4toi×li / bi×(dс-dн) , (66)
f(б) = , (67)
δ = dн / Кdд , (68)
где mi - динамическая вязкость, Па×с (ориентировочно для воды mi = 0,01-0,02 Па×с)
β – коэффициент зависящий от числа Сен-Венана (Se)
Se – число Сен-Венана. При течении жидкости в трубах (Seit)
Seit = π · τoi · dв/4 ηi · Q, (69)
в кольцевом пространстве (Seiкп)
Seiкп = τoi · Fкп · dв/ηi · Q, (70)
Для 1 < Seiкп < 100 Для 100 < Seiкп < 1000
βiкп = 0,06 + 0,35 lg Se βiкп = 0,76 + 0,056 lg Se
Для 1 < Seit < 60 Для 60 < Seit < 1000
βit = 0,1 + 0,036 lg Se βit = 0,78 + 0,056 lg Se
Для турбулентного режима движения жидкости на i-ом участке гидроди-намическое давление рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха:
- в кольцевом пространстве:
, (71)
- в трубах
(72)
где λ – коэффициент гидравлических сопротивлений,
li –длина кольцевого пространства на i-том участке;
- для вязких жидкостей при движении в трубах (λт)
, (73)
- при движении в кольцевом пространстве (λкп)
, (74)
где Кэ – шероховатость элементов циркуляционной системы.
Для вязкопластичной жидкости определение коэффициента гидравлических сопротивлений производятся по формулам (λт), (λкп)
, (75)
, (76)
Шероховатость Кэ новых стальных труб равна (1-2)·10-5м, после несколь-ких лет их эксплуатации (15-30)·10-5м в обсаженном заколонном участке ствола скважины Кэ = 3·10-4м, в необсаженном Кэ = 3·10-4м.
Шероховатость элементов циркуляционной системы можно в расчетах принимать λ = 0,02 - 0,03.
Реологические параметры некоторых тампонажных растворов приведены в таблицах 43- 45.
Таблица 43 - Физико-механические свойства тампонажного раствора при различном водосодержании, (температура 200С)
В/Ц | τ, мин | Dр, см | hпл, мПа×с | tо, Па |
Sуд = 350 м2/кг | ||||
0,40 | ||||
0,45 | ||||
0,50 | ||||
0,40 | ||||
0,45 | ||||
0,50 | ||||
Sуд=300 м2/кг | ||||
0,40 | ||||
0,45 | ||||
0,50 | ||||
0,40 | ||||
0,45 | ||||
0,50 | ||||
Облегченный цемент с добавкой 10% бентонита | ||||
1,0 | ||||
Облегченный цемент с добавкой 20% бентонита | ||||
1,25 |
Таблица 44 - Физико-механические свойства тампонажного портландцементного раствора при различной температуре (Sуд = 300 м2/кг, В/Ц=0,5)
t, оС | τ, мин | Dр, см | hпл, МПа×с | tо, Па |
Таблица 45 - Физико-механические свойства тампонажных растворов с различными добавками в жидкость затворения
Вид добавки | Доля добавки, % | В/Ц | t, оС | τ, мин | Dр, см | hпл, МПа×с | tо, Па |
NaCl | 2,0 | 0,45 | |||||
6,0 | 0,45 | ||||||
8,0 | 0,45 | ||||||
2,5 | 0,5 | 2,5 | |||||
5,0 | 0,5 | 2,5 | |||||
7,5 | 0,5 | ||||||
10,0 | 0,5 | ||||||
Na2CO3 | 0,45 | ||||||
0,45 | |||||||
0,45 | |||||||
0,45 | |||||||
CaCl2 | 0,45 | ||||||
0,5 | |||||||
0,5 | |||||||
0,45 | |||||||
0,45 | не течет |
При планировании работ по цементированию скважин целесообразно реологические параметры рекомендуемых составов тампонажных растворов уточнять по результатам лабораторных исследований с учетом конкретных барометрических условий скважины.
Дата: 2016-10-02, просмотров: 241.