Обоснование плотности тампонажных материалов.

Плотность тампонажного раствора определяется из условий недопущения гидроразрыва наиболее «слабого» пласта в процессе цементирования Ркп £ Ргр. Если не оговорены специальные условия, интервал продуктивного пласта и 300 – 500 м выше него должны цементироваться цементом раствором нормальной плотности (1800-1900 кг/м³).

При этом: Ргр – давление гидроразрыва наиболее слабого пласта (определяется по графику совмещенных индексов давлений);

Ркп – ожидаемое давление в кольцевом пространстве против «слабого» пласта на момент окончания цементирования.

Ркп = Рс_кп + DРпгд + Ру_кп, (9.1)

где: Ргст – гидростатическое давление составного столба жидкостей в кольцевом пространстве против «слабого» пласта на момент окончания цементирования;

Ргд – гидродинамическое давление в кольцевом пространстве против «слабого» пласта;

Ру_кп - противодавление на устье скважины в кольцевом пространстве (может задаваться в зависимости от принятой технологии цементирования для исключения разрыва сплошности потока цементного раствора в процессе его закачки).

Поскольку гидродинамическое давление зависит от плотности тампонажного раствора и его реологических характеристик, а последний в свою очередь определяется плотностью, то решение данной задачи целесообразно производить методом последовательных приближений. Для этого задается верхняя и нижняя границы возможных вариаций плотности тампонажного раствора.

(9.2)

где: - плотность промывочной жидкости, применяемой при вскрытии продуктивного горизонта, кг/м³;

- глубина залегания подошвы наиболее «слабого» пласта, м;

- уровень тампонажного раствора от устья, м;

P_гр – давление гидроразрыва, МПа.

Плотность тампонажного раствора выбирается в пределах установленных границ и проверяется на момент окончания цементирования условие Ркп £ Ргр. При этом следует учитывать, что чем меньше плотность тампонажного раствора, тем, как правило, хуже качество образующегося цементного камня (ниже прочность и коррозионная стойкость, выше проницаемость и т.д.) В случае отсутствия достаточно больших каверн (Dc £ 1,15_*Dд) и концентричном расположении труб в скважине процесс продавливания рекомендуется осуществлять при пробковом режиме движения жидкостей в кольцевом пространстве, а при значительной кавернозности (Dc > 1,15_*Dд) – при турбулентном. Пробковый режим движения жидкостей обеспечивается при скорости потока , а турбулентный при . При невыполнении условия Ркп£ Ргр расчетную плотность тампонажного раствора понижают на 100 кг/м³ и вычисления повторяют.

 

9.2. Обоснование потребного объема материалов.

9.2.1. Потребный объем тампонажных растворов для заполнения кольцевого пространства

(9.3)

и обсадной колонны ниже кольца «стоп»

(9.4)

где: l - длина столба высота тампонажного раствора в кольцевом пространстве, м;

Dc - диаметр скважины (с учетом коэффициента кавернозности)или внутренний диаметр предыдущей обсадной колонны;

- внутренний диаметр обсадной колонны, м;

L_стоп - глубина расположения кольца «стоп», м.

В случае применения тампонажных растворов различной плотности необходимо рассчитать объем каждого типа раствора

9.2.2. Потребное количество материалов (q) для приготовления единицы объема тампонажного раствора необходимой плотности r_тр определяется из уравнения

(9.5)

где: В/Ц - водоцементное (водотвердое) отношение;

При регламентированных (определенных экспериментально в лаборатории) значениях В/Ц, r_ж, r_тв количество цемента для приготовления 1 м³ цементного раствора может быть определена из уравнения

(9.6а)

Тампонажные растворы нормальной плотности получают из портландцемента при В/Ц = (0,45-0,50). Для получения утяжеленных или облегченных тампонажных растворов применяют утяжеляющие или облегчающие добавки в количестве 15-40% от массы сухой тампонажной смеси. Утяжеленные тампонажные растворы имеют В/Ц (В/Т) = (0,30-0,45), а облегченные 0,7-1,2. При расчетах по уравнению (9.6) значение r_тв должно учитывать плотность добавок, использованных для регулирования плотности получаемого тампонажного раствора. Характеристики наиболее широко применяющихся модифицирующих добавок приведены в [18, 20]. При выборе конкретных рецептур тампонажных растворов и определении их параметров рекомендуется использовать [2, 3, 4, 20, 21].

Количество материалов для приготовления 1 м³ тампонажного раствора с облегчающими или утяжеляющими добавками можно рассчитать, пользуясь следующею системой уравнений

9.6.б

q = q_c (1 - а), q_д = q_c^. а,

где: q_c, q, q_д - соответственно, общее количество тампонажного материала и отдельно цемента и добавки;

а - доля добавки в тампонажной смеси;

r_ц, r_д - плотность цемента и добавки;

В/Т - водотвердное отношение.

Массовая доля облегчающей или утяжеляющей добавки задается из соображений обеспечения седиментационной устойчивости или прокачиваемости тампонажного раствора и определяется обычно по данным лабораторных испытаний. Можно воспользоваться данными [4].

Общая масса тампонажного материала для приготовления тампонажных растворов

G_тм = Kт ^. (q_c) ^. V_тр , (9.7)

где: Кт = 1,03 – 1,06 – коэффициент, учитывающий потери цемента при транспортировке и затворении.

Вид тампонажного материала зависит от температуры в скважине, агрессивности пластовых флюидов и выбирается на основе экспериментальных данных. Если нет особых пожеланий к виду тампонажных материалов со стороны заказчика (руководителя проекта), то для выбора состава тампонажных материалов можно воспользоваться [2, 3, 4, 20, 21].

Количество жидкости для затворения каждого вида тампонажного раствора определится из выражения

G_ж = Kв ^. (B/Ц) ^. G_{тм ,} (9.8)

где Kв = 1,08 – 1, 10 – коэффициент, учитывающий потери воды.

Количество химических реагентов используемых при цементировании для регулирования свойств тампонажных растворов (тампонажного камня) рассчитывается в процентах по отношению к массе сухого тампонажного материала. Как правило, для этого используют результаты лабораторных исследований. Также можно воспользоваться [4, 20].

9.2.3. Необходимый объем продавочной жидкости будет равен внутреннему объему обсадной колонны без цементного стакана и объему манифольда.

Vпрод.ж = (Vман. + Vобс.кол - Vцем.ст)^. D (9.9)

где: Vман. - объем манифольда - трубопроводов, связывающих цементировочные агрегаты с цементировочной головкой, м³. Для практических расчетов Vман.» 0,5 м³.

D - коэффициент, учитывающий сжимаемость продавочной жидкости (принимается 1,02 – 1,04);

Vобс.кол - внутренний объем обсадной колонны;

Vцем. ст. – объем цементного стакана – количество цементного раствора, оставляемого внутри колонны.