Особенности гидравлической программы цементирования вертикальной скважины на Коробковской площади

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности гидравлической программы цементирования вертикальной скважины на Коробковской площади

Леушева Е.Л.

Научный руководитель - Логачев Ю.Л.

г. Ухта, Ухтинский государственный технический университет

Как известно, после закачки некоторого количества цементного раствора (при цементировании колонн большой протяженности даже при небольших объемах цементного раствора его длина в трубах может составлять тысячи метров) наступает “отрывное” течение с нулевым давлением на цементировочной головке. В начале процесса оно характеризуется увеличением расхода потока на выходе из скважины (по сравнению с расходом закачки), а затем в момент выхода цементного раствора в затрубье - его уменьшением [1,3].

В глубоких скважинах очень часто обсадные колонны большого диаметра (диаметром 244,5 мм и более) спускаются частями (секциями) на бурильных трубах, внутреннее сечение которых существенно меньше сечения обсадных труб. Вследствие этого разделительные пробки, как правило, не применяются, и потому управление замещением жидкостей в колонне и в затрубном пространстве осуществляется только “гидравлическими” средствами.

“Отрывное” течение характеризуется тем, что уровень в трубах находится ниже устья скважины, образуя участок с безнапорным течением, расстояние до которого изменяется во времени. Последовательный ряд жидкостей (бурового раствора, буферных жидкостей, цементного раствора и продавочной жидкости) находятся в состоянии неустановившегося течения.

Каждая из последующих вытесняет предыдущую, обладая отличающимися от соседних жидкостей реологическими параметрами и плотностью. Жидкости в общем случае проходят последовательно по трубному и кольцевому пространствам, площадь сечения которых меняется от секции к секции, а в кольцевом пространстве - еще и от степени кавернозности. “Оторвавшиеся” жидкости сначала движутся с ускорением, а затем с замедлением.

Основным отрицательным следствием появления отрывного течения является потеря контроля за расходом жидкости. В результате, например, вместо запланированного “пробкового” (структурного режима с достаточно большим диаметром структурного ядра) или турбулентного режима, при использовании которых обеспечиваются наилучшие режимы замещения жидкостей, можно оказаться в области ламинарного течения с наихудшими параметрами вытеснения. Расчеты показывают, что игнорирование “отрывного” течения, когда своенравное поведение “оторвавшегося” потока может ввести режим в невыгодную область, часто приводит к плачевным результатам: преждевременному выходу цемента на устье из-за чрезмерного проникновения вытесняющей жидкости в вытесняемую, возникновению больших объемов смесей цементного и бурового растворов с высокими СНС, ДНС, пластической вязкости, но с низкими прочностными показателями цементного камня. Могут образовываться пачки смесей бурового и цементного растворов со столь высокими структурно-механическими показателями (результат коагуляции бурового раствора), что потери давления сделают жидкость непрокачиваемой, вынуждая оставлять цементный раствор в трубах (весь объем или его часть).

Если рассмотреть движение жидкостей внутри одноразмерной (для простоты изложения) колонны в скважине, то для каждого фиксированного отрезка времени t _I справедливо уравнение:

отрывное течение цементирование скважина

,

Q_{н -} расход закачки (подача насосов);

Q_i - расход жидкости на выходе из скважины;

p _пот - суммарные гидравлические потери в циркуляционной системе;

_{ц -} плотность цементного раствора;

_{р -} плотность бурового раствора;

f_{т -} площадь сечения канала трубы.

Движение жидкостей за время t _i принимается за установившееся, а все движение - как сумму установившихся состояний с различными значениями расхода Q _i .[2]

Аналогично можно составить уравнения для случая закачки продавочной жидкости без вытеснения (или с вытеснением) цементного раствора в затрубное пространство.

В реальных вариантах все обстоит значительно сложнее. Кроме разноразмерности колонн и различия в свойствах жидкостей, имеет место скачкообразное изменение режима течения на различных участках циркуляционной системы скважины. В таких условиях гидравлические расчеты можно выполнить только путем организации вычислительной процедуры на базе компьютерных программ.[3]

На кафедре бурения Ухтинского государственного технического университета Осиповым П.Ф. и Логачевым Ю.Л. разработана программа расчета гидравлического режима цементирования скважин.

Программа применялась при разработке и расчете особенностей гидравлической программы цементирования обсадной эксплуатационной колонны диаметром 168 мм на 702 - П (поисковой) скважине Коробковской площади.

Исходные данные для расчета:

- длина секции - 1550 м;

- интервал расположения секции в скважине - 800...2350 м;

- применялись облегченный цемент с плотностью цементного раствора 1450...1500 кг/м³ и чистый цемент со средней плотностью раствора 1850 кг/м³; объемы растворов составили соответственно 44 и 8 м³.

- плотность бурового раствора и продавочной жидкости - 1080 кг/м³ .

- коэффициент кавернозности в интервале цементирования:

800 - 2170м - 1,28;

2170 - 2350м - 1,08

Предварительный расчет показывает, что для реализации турбулентного режима цементирования (рис. 3,4) необходимо 3 смесителя и 5 цементировочных агрегатов, а это вызывает технические сложности при поисково-разведочном бурении. При расчетном значении расхода (56л/с), происходит гидроразвыв слабого пласта (давление гидроразрыва 40МПа) на глубине 2310м. Высокие значения расхода, ограниченные технические возможности реализации турбулентных режимов вытеснения жидкостей требуют проведения гидравлических режимов ориентированных на «пробковый» режим замещения. Качество замещения при движении жидкостей в бурильных трубах и затрубном пространстве могло быть обеспечено применением в качестве буферной жидкости вязкоупругого разделителя.

В нашем случае начало закачки производиться двумя агрегатами (подача насосов 30 л/с), “пробковый” режим замещения (подача насоса 9 л/с) вводится в момент, когда цементный раствор достигает нижней части обсадной колонны, до выхода цемента в затрубное пространство (22-я мин). В дальнейшем весь процесс осуществляется с ограничением величины расхода жидкости (подачи насосов), в том числе и при продавке (рис.1,2).

Максимальный «отрыв» цементного раствора в колонне достигает 330 м. После начала отрывного течения наблюдается увеличение расхода на выходе из скважины на 20% (по сравнению с расходом на входе в колонну). По этой причине происходит увеличение расстояния от устья до жидкости в колонне, а после выхода цементного раствора в заколонное пространство и завершения закачки цемента расход на выходе из скважины становится меньше расхода закачки продавочной жидкости на 33%, и длина отрыва начинает уменьшаться. Для реализации этого варианта технологии цементирования обсадной колонны требуется чуть более 2 часов (127 мин.), что потребует введения замедлителей схватывания цементных растворов.

Рисунок 1.Графики изменения расходов в колонне, в заколонном пространстве и динамика «отрывного течения» во времени при «пробковом» режиме.

Рисунок 2.Графики изменения давлений и относительный размер «пробки» в процессе цементирования при «пробковом» режиме.

Введем понятие «относительный размер пробки», являющийся отношением радиуса «пробки» (структурного ядра) к сечению потока. Оно применяется для структурного режима течения и характеризует качество вытеснения жидкости. Для лучшего замещения жидкости при «пробковом» режиме этот коэффициент должен быть не менее 0,95…0,9.

На рисунке 3 приведены графики изменения расходов в колонне, в заколонном пространстве и длины отрывного течения во времени при турбулентном режиме. «Отрыва» не наблюдается, но как видим на рисунке 4, происходит гидроразрыв слабого пласта, что недопустимо.

Рисунок 3.Графики изменения расходов в колонне, в заколонном пространстве и динамика отрывного течения во времени при турбулентном режиме.

Рисунок 4.Графики изменения давлений в процессе цементирования при турбулентном режиме.

Эксплуатация программы для разработки регламентов цементирования различных колонн позволила сделать следующие выводы:

1. Расход жидкости на выходе из скважины может существенно отличаться от подачи насосов при закачке, что может перевести запланированный пробковый (или турбулентный) режимы в сторону развитого ламинарного режима. Степень замещения при этом резко уменьшится.

2. “Отрыв” жидкости достигает величин, соизмеримых с длинами секций обсадной колонны. Игнорирование величины отрыва приводит к недопустимым ошибкам в расчетах моментов времени прохождения границ жидкостей контрольных сечений в колонне.

3. Расходом жидкости на выходе из скважины можно управлять изменением расхода жидкости при закачке. При этом нужно иметь в виду, что первый расход реагирует на изменение второго с заметным запаздыванием.

4. Для расхода жидкости на выходе при цементировании разноразмерных колонн (или одноразмерных в сильно кавернозном стволе) характерно его непостоянство, за исключением случаев безотрывного течения. Колебание расхода зависит не только от подачи насосов, но и от размеров труб в колонне (при переходе, например, из бурильной трубы в обсадную колонну большого диаметра длина цементного столба уменьшается), от длины и размеров кавернозной части скважины. Наблюдается резкое уменьшение расхода на завершающем этапе (при заполнении цементом затрубного пространства), и оно не всегда связано с поглощением бурового раствора.

5. Для обеспечения реального управления процессом цементирования на этапе затворения и закачки цемента, когда при традиционной схеме приготовления цементного раствора изменить подачу насосов можно только подключив или, наоборот, отключив одну или несколько цементно-смесительных машин, необходимо иметь осреднительную емкость, размеры которой позволяли бы при необходимости накапливать избыточный объем цементного раствора (из-за разности в расходах затворения и закачки).

Компьютерное моделирование при разработке гидравлической программы цементирования обсадной эксплуатационной колонны диаметром 168 мм на 702 - П (поисковой) скважине Коробковской площади, позволило выявить особенности гидравлической программы:

- «отрывное течение» пробковом режиме;

- технологическую невозможность реализации турбулентного режима из-за возможного гидроразрыва слабого пласта и нехватки цементировочной техники.

- начальную стадию цементирования выполнять на более высокой подаче насоса, что сокращает время цементирования, а дальнейшее цементирование выполняется в «пробковом» режиме, что позволяет лучше вытеснить жидкость из скважины и улучшить качество цементирования.

В случае изменения объемов цементных растворов, их реологических характеристик, сечений затрубного пространства потребуется заново подобрать гидравлические режимы.

Библиографические ссылки

1. Об условиях существования напорного режима движения технологических жидкостей при цементировании скважин. Ашрафьен М.О., Нижняк А.Е., НТЖ. «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», №12 - М.. Изд. ОАО «ВНИИОЭНГ», 2008.

2. Проектирование гидравлического режима цементирования обсадных колонн в глубоких скважинах с учетом влияния «отрывного течения». Логачев Ю.Л., Осипов П.Ф. НТЖ, «Интервал» №12(47) - г. Самара, 2002.

3. Проектирование гидравлического режима цементирования обсадных колонн в глубоких скважинах с учетом влияния «отрывного течения» в трубах. Логачев Ю.Л., Мальковская О.Н., Осипов П.Ф., НТЖ, «Разведка и охрана недр», №7 Изд. Недра, 1996.

Размещено на Allbest.ru