Способ прямого двухступенчатого цементирования целесообразно использовать:
При наличии зон поглощений в нижележащих пластах.
При наличии резко различающихся температур в зоне подъема цементного раствора, вызывающих быстрое его схватывание в нижней части.
В случае невозможности одновременного вызова на буровую большого числа цементировочных агрегатов.
Использование двухступенчатого цементирования позволяет значительно снизить давление на горные породы и предотвратить их гидроразрыв.
Манжетное цементирование применяют на месторождениях с низким пластовым давлением или сильно дренированных, подверженных гидроразрыву пластов. При данном способе исключается загрязнение продуктивного горизонта, находящегося ниже спецмуфты, тампонажной смесью.
При обратном цементировании ускоряется процесс доставки тампонажной смеси в затрубное пространство и снижается давление на горные породы. Этот способ находит широкое применение при цементировании обсадных колонн, перекрывающих пласты большой мощности, подверженные гидроразрыву при небольших перепадах давления, а также рекомендуется для заливки колонн небольшой глубины.
Необходимость в цементировании "хвостовиков" или секций обсадных колонн возникает, если в конструкции скважины предусмотрен спуск колонны в виде "хвостовиков" или секций [2].
Выбираем простейший, наиболее технологичный и распространенный на данном месторождении и в Западной Сибири способ прямого цементирования, который предполагает доставку тампонажной смеси в затрубное пространство через башмак обсадной колонны.
Проведем расчет для определения возможности одноступенчатого цементирования [15]. Такая возможность определяется из условия гидроразрыва пород и минимально возможного удельного веса гельцементного раствора, то есть, возможность регулирования удельного веса гельцементного раствора лежит в пределах:
qГЦМИН < qГЦ < qГЦМАКС, (2.90)
где qГЦМИН - минимально возможный удельный вес гельцементного раствора Н/м3,qГЦМАКС - максимально возможный удельный вес гельцементного раствора, при которой ещё не произойдет гидроразрыв пород Н/м3.
Облегченный гельцементный раствор применяется для снижения гидростатического давления на горные породы. Практикой установлено, что достаточно удовлетворительные свойства цементного камня получаются при облегчении гельцементного раствора до удельного веса qГЦМИН=1,32×104 Н/м3.
Максимальный удельный вес гельцементного раствора, при которой ещё не произойдет гидроразрыв пород, определяется из выражения:
qГЦМАКС = (L×qСР - hБР×qБР - hЦР×qЦР) /hГЦ Н/м3, (2.91)
где qСР - допустимое средневзвешенное значение удельного веса жидкости за колонной, Н/м3;
hБР - расстояние от устья скважины до уровня тампонажной смеси в затрубном пространстве, м;
hГЦ - высота столба гельцементного раствора, м;
hЦР - высота столба чистого цементного раствора, м; принимается - 550 м;
qБР - удельный вес чистого цементного раствора из портландцемента и может быть принят 1,83×104 Н/м3.
Допустимое средневзвешенное значение удельного веса жидкости за колонной определяется из выражения:
qСР=РГР/ (L× [1+λЗП× (VЗП) 2/2×g× (DД - D) ×КК]) Н/м3, (2.92)
где РГР - давление гидроразрыва пород в призабойной зоне, МПа; λЗП - безразмерный коэффициент гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве; VЗП - скорость движения потока в затрубном пространстве, м/с; DC- диаметр скважины, м; D- наружный диаметр обсадных колонн, м; КК - коэффициент кавернозности. По формуле (2.92) получится:
qСР=52,18 / (3105× [1+0,035 × 1,52/2×9,8 × (0,2159 -0,146) ×1,7]) =1,68×104 Н/м3.
Таким образом, из выражения (2.91) получается:
qГЦМАКС = (3105×1,68×104 - 450×1,08×104 - 320×1,83×104) /2155=1,92×104 Н/м3.
Так как qГЦМАКC>qГЦМИН, то цементирование обсадной колонны в одну ступень возможно. При этом значение удельного веса гельцементного раствора может быть принято по условию (2.90) в пределах 1,32…1,92×104 Н/м3.
Рассчитывается объем буферной и продавочной жидкостей и тампонажной смеси.
Объем тампонажной смеси определяется объемом затрубного пространства, подлежащего цементированию, и объемом цементного стакана.
VТС=VЗП+VСТ м3, (2.93)
где VЗП - объемом затрубного пространства, м3; VСТ - объемом цементного стакана, м3. При цементировании затрубного пространства часто используется тампонажная смесь разного состава. В частности, интервал эксплуатационного объекта цементируют чистым цементным раствором, а вышележащий интервал - облегченной тампонажной смесью (гельцементом).
Тогда:
VЗП= VЗПЦР+VГЦ м3, (2.94)
где VЗПЦР - объем цементного раствора в затрубном пространстве, м3; VГЦ - объем гельцементного раствора, м3. Объем цементного раствора в затрубном пространстве составит:
VЗПЦР=p/4× (DД2 - D2) ×КК×hЦР м3, (2.95)
где D- наружный диаметр обсадной колонны, м;
hЦР - высота столба цементного раствора, м.
VЗПЦР=3,14/4× (0,21592 - 0,1462) ×1,1 ×320 =7 м3.
Интервал гельцементного раствора располагается одной частью в необсаженном стволе, а другой в обсаженном. Поэтому объем гельцементного раствора определяется по выражению:
VГЦ=p/4× [ (DД2 - D2) ×КК×hСГЦ + (DВ2 - D2) ×hОГЦ] м3, (2.96)
где hСГЦ - высота столба гельцемента в необсаженном стволе, м;
hОГЦ - высота столба гельцемента в обсаженном стволе, м;
DВ - внутренний диаметр предыдущей колонны, м.
По данным кавернограмм коэффициент кавернозности в интервале: 650 - 2785м К=1,7.
VГЦ=3,14/4× [ (0,21592 - 0,1462) ×1,7 ×2135 + (0,21692 - 0,1462) ×200] =77,2 м3.
Объем цементного стакана определяется внутренним объемом обсадной колонны в интервале от башмака до кольца "стоп" и находится по формуле:
VCT=p/4×dВ2×hCT м3, (2.97)
где dВ - внутренний диаметр обсадной колонны, м;
hCT- высота цементного стакана, м.
Ориентировочную высоту цементного стакана принимается равной 30 м, исходя из условия 10 м на каждые 1000 м ствола скважины.
VCT=3,14/4× 0,13062 ×30 =0,4 м3.
Общий объем цементного раствора составит:
VЦР = VЗПЦР + VCT м3. (2.98)
VЦР = 7+ 0,4=7,4 м3.
Общий объем тампонажной смеси:
VТС = VЦР + VГЦ м3. (2.99)
VТС = 7,4+77,2= 84,6 м3.
Рассчитывается удельный вес тампонажной смеси.
Компонентами чистого цементного раствора являются цемент и вода. В качестве цемента, согласно ГОСТ 1581-96 "Портландцементы тампонажные. Технические условия" используем портландцемент тампонажный бездобавочный для умеренных температур марки ПЦТ I- 100, так как облегчающих добавок не требуется, а температура на забое скважины составляет 940С. Удельный вес цемента равен 3,12×104Н/м3. В качестве жидкости затворения используем техническую воду, удельный вес которой 1,0×104Н/м3. Весовое отношение воды к цементу в растворе описывает водоцементное отношение m=0,5 [13, стр.14].
Исходная формула для расчета удельного веса цементного раствора:
qЦР= ( (1+m) ×qЦ×qВ) / (qВ+m×qЦ) Н/м3, (2.100)
где qЦ - удельный вес цемента, Н/м3;
qЦ - удельный вес технической воды, Н/м3.
По формуле (2.13.11) находим:
qЦР= ( (1+0,5) ×3,12 ×104×1,0 ×104) / (1,0 ×104+0,5×3,12 ×104) =1,82×104 Н/м3.
Компонентами гельцементного раствора являются цемент, вода, наполнитель (глинопорошок) и наполнитель (при необходимости). В качестве цемента используем портландцемент тампонажный ПЦТ I- 100, с удельным весом 3,12×104Н/м3, в качестве жидкости затворения используем техническую воду, удельный вес которой 1,0×104Н/м3. В роли наполнителя используем бентонитовый порошок с удельным весом 2,8 ×104Н/м3.
Ранее было определено, что значение удельного веса гельцементного раствора находится в приделах 1,32…1,92 ×104Н/м3. По табл.3.2.1 [13, стр.17] выбирается удельный вес гельцементного раствора равной 1,53×104Н/м3 и принимается значение глиноцементного отношения равным 0,33.
Водоцементное отношение находим по формуле:
М = 0,5+2,2 Б, (2.101)
где М - водоцементное отношение;
Б - глиноцементное отношение.
М = 0,5+2,2 ×0,33=1,23.
Окончательное значение удельного веса гельцементного раствора рассчитываем по формуле:
qГЦ= (М+1+Б) / (М/qВ+1/qЦ +Б/qН) Н/м3, (2.102)
где qН - удельный вес наполнителя.
Таким образом получаем:
qГЦ= (1,23+1+0,33) / (1,23/1×104+1/3,12 ×104+0,33/2,8 ×104) =1,53×104 Н/м3.
Определяется потребное количество составных компонентов для тампонажной смеси.
Для чистого цементного раствора необходимо найти количество цемента и воды. При принятом водоцементном отношении m количество цемента определяется следующим образом. В одном кубометре цементного раствора содержится цемента - rЦ; воды - m×rЦ, удельный вес 1 м3 раствора составляет - qР. Тогда расход цемента на 1 м3 раствора составит: