Обоснование необходимой плотности тампонажного раствора

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

Р_тр≤ Р_погл (51)

= r_б.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; Р_погл. - давление разрыва пород на той же глубине, Па; L – глубина спуска обсадной колонны, м; L_n - 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 L_м в обсадной колонне можно найти из уравнения

L_м > , (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 (Р_кпз < Р_погл).

давление в кольцевом пространстве на забой скважины определяется

Р_кпз = Р_гскп + DР_кп + Р_укп ≤ Р_погл , (55)

где Р_скп, DР_кп – соответственно давление гидростатическое, гидродинамическое и на устье в кольцевом пространстве, Па;

Р_гскп = g·(r_б.р·h_б.р + r_буф.ж∙h_буф.ж+r_т.р·h_т.р + r_пцт·h_пцт), (56)

r_б.р, r_буф.ж, r_т.р, r_пцт – соответственно плотности бурового раствора, буферной жидкости, облегченного тампонажного и бездобавочного растворов, кг/м³;

h_б.р, h_буф.ж., h_т.р, h_пцт – соответственно высота подъема бурового раствора, буферной жидкости, облегченного и бездобавочного тампонажных растворов, м.

Принимается Р_укп = 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 (Re_кр)

Rе_кр = 2100 + 7,3 (Не)^0,58, (57)

где Не – число Хендстрема.

При течении в кольцевом пространстве:

Не_кп = , (58)

в трубах:

Не_тр = , (59)

где t_оi - динамическое напряжение сдвига i-прокачиваемой жидкости, Па;

r_i – плотность i - прокачиваемой жидкости, кг/м³;

h_i – пластическая вязкость i - прокачиваемой жидкости, Па×с;

d_r – диаметр кольцевого пространства, м.

d_г = к×d_д – d_н, (60)

где к = 1,1 – коэффициент кавернозности;

d_д – диаметр долота, м;

d_н – наружный диаметры обсадных труб, м;

Если Rе_кр > Rе = 2300 - режим течения турбулентный.

Критическая производительность насосов цементировочных агрегатов при этом будет равна

Q_кр = Rе_кр·F · η_i / (d_r·r_i), (61)

где Q_кр- 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 (d²_скв - d²_н) / 4 , (62)

где d_н – наружный диаметр обсадной колонны, м

d_скв – диаметр скважины, м. Определяется d_скв = К∙d_Д (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

DR_т =128×m_i××Q×l_i / p×d⁴_в , (63)

- вязких жидкостей в кольцевом пространстве

DR_кп =128×m_i××Q×l_i×f(б)/ p×d³_r×(Кd_Д-d_н), (64)

- вязкопластичных жидкостей в трубах

DR_т = 4t_oi×l_i / b_i×d_в , (65)

- вязкопластичных жидкостей в кольцевом пространстве

DR_кп = 4t_oi×l_i / b_i×(d_с-d_н) , (66)

f(б) = , (67)

δ = d_н / Кd_д , (68)

где m_i - динамическая вязкость, Па×с (ориентировочно для воды m_i = 0,01-0,02 Па×с)

β – коэффициент зависящий от числа Сен-Венана (Se)

Se – число Сен-Венана. При течении жидкости в трубах (Se_it)

Se_it = π · τ_oi · d_в/4 η_i · Q, (69)

в кольцевом пространстве (Se_iкп)

Se_iкп = τ_oi · F_кп · d_в/η_i · Q, (70)

Для 1 < Se_iкп < 100 Для 100 < Se_iкп < 1000

β_iкп = 0,06 + 0,35 lg Se β_iкп = 0,76 + 0,056 lg Se

Для 1 < Se_it < 60 Для 60 < Se_it < 1000

β_it = 0,1 + 0,036 lg Se β_it = 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,

l_i –длина кольцевого пространства на i-том участке;

- для вязких жидкостей при движении в трубах (λ_т)

, (73)

- при движении в кольцевом пространстве (λ_кп)

, (74)

где К_э – шероховатость элементов циркуляционной системы.

Для вязкопластичной жидкости определение коэффициента гидравлических сопротивлений производятся по формулам (λ_т), (λ_кп)

, (75)

, (76)

Шероховатость К_э новых стальных труб равна (1-2)·10^-5м, после несколь-ких лет их эксплуатации (15-30)·10^-5м в обсаженном заколонном участке ствола скважины К_э = 3·10^-4м, в необсаженном К_э = 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)

Таблица 44 - Физико-механические свойства тампонажного портландцементного раствора при различной температуре (S_уд = 300 м²/кг, В/Ц=0,5)

Таблица 45 - Физико-механические свойства тампонажных растворов с различными добавками в жидкость затворения

При планировании работ по цементированию скважин целесообразно реологические параметры рекомендуемых составов тампонажных растворов уточнять по результатам лабораторных исследований с учетом конкретных барометрических условий скважины.