Обоснование числа смесительных машин и цементировочных агрегатов при закачивании и продавливании тампонажных растворов

Для приготовления тампонажного раствора выбирается тип и определяется число смесительных машин n_см [3, 4]

, (134)

где m_i - насыпная масса сухой тампонажной смеси, кг/м³, для облегченной тампонажной смеси m_о = 1200 кг/м³, для бездобавочной m_б = 1400 кг/м³,

V_бун - емкость бункера смесительной машины, м³.

Процесс закачивания тампонажного раствора должен осуществляться с максимальной производительностью. При этом производительность цементировочных агрегатов должна примерно соответствовать производительности смесительных машин.

Число цементировочных агрегатов в этом случае определяем соотношением

, (135)

А их общая производительность

, (136)

где q_см - производительность одной смесительной машины, м³/с,

Q_ЦА - суммарная производительность цементировочных агрегатов, м³/с,

q_ЦА - максимальная производительность цементировочного агрегата, м³/с.

В свою очередь производительность одной смесительной машины определяем по формуле

, (137)

где Q_в - производительность водяного насоса цементировочного агрегата,

V_i - объем i-го тампонажного раствора, м³,

M_i - масса i-го тампонажного материала, т.

Производим расчет.

По справочнику [11] выбираем смесительные машины УС6-30 и цементировочные агрегаты ЦА-320М, характеристики которых приведены в таблицах 9.27, 9.28, 9.33, 9.34 справочника [11].

Для «бездобавочного» тампонажного раствора

.

Принимаем .

Для «облегченного» тампонажного раствора

.

Принимаем .

Находим производительность одной смесительной машины для каждого раствора.

Для «бездобавочного» тампонажного раствора

Для ЦА-320М Q_в = 0,013 м³/с [11, таблица 9.27].

м³/с.

Для «облегченного» тампонажного раствора

м³/с.

Определяем суммарную производительность цементировочных агрегатов для каждого тампонажного раствора.

Для «бездобавочного» тампонажного раствора

м³/с.

Для «облегченного» тампонажного раствора

«Облегченный» тампонажный раствор решено закачивать в 3 этапа, чтобы избежать резких снижений и увеличений расхода, сначала закачаем первую половину объема V_о, затем вторую, во время закачивания второй порции цементного раствора третья смесительная машина занимает место первой. Таким образом

м³/с,

м³/с,

м³/с.

Рассчитываем необходимое число цементировочных агрегатов.

Согласно техническим характеристикам [3, 6] ЦА-320М при диаметре цилиндровых втулок 127 мм максимальная производительность равна q_ЦА = =0,0151 м³/с.

Для «бездобавочного» тампонажного раствора

.

Принимаем .

Для «облегченного» тампонажного раствора

.

Принимаем .

.

Принимаем .

При закачивании продавочной жидкости число цементировочных агрегатов увеличиваем на один агрегат, что связано с необходимостью продавливания разделительной пробки. А также берется еще один агрегат для подачи воды на цементировочные агрегаты, участвующие в приготовлении тампонажного раствора, и для подачи продавочной жидкости.

В процессе закачивания тампонажного раствора или продавочной жидкости возможны следующие осложнения:

· поглощения тампонажного раствора из-за превышения гидростатического давления составного столба жидкостей совместно с гидродинамическими давлениями в заколонном пространстве над пластовым давлением,

· разрыв сплошности потока закачиваемых жидкостей из-за повышенной плотности тампонажного раствора по сравнению с плотностями промывочной и продавочной жидкостями.

Для предупреждения этих осложнений и обоснования режима закачивания и продавливания тампонажного раствора строят зависимости [3]

Р_цг = f (Q_i, V_жi), (138)

Р_кпз = f (Q_i, V_жi), (139)

где Р_цг и Р_кпз - соответственно давления на цементировочной головке и в кольцевом пространстве в интервале продуктивного пласта (на забой скважины), МПа,

Q_i - производительность цементировочных агрегатов, м³/с,

V_жi - объем закачиваемой жидкости, м³.

Р_цг = Р_кпс – Р_т + ΔР_т + ΔР_кп , (140)

Р_кпз = Р_кпс + ΔР_кп , (141)

где Р_кпс , Р_т - соответственно гидростатические давления составных столбов жидкостей в кольцевом пространстве и в трубах, МПа,

ΔР_кп , ΔР_т - соответственно гидродинамические давления, обусловленные движением жидкостей в кольцевом пространстве и в трубах, МПа.

ΔР_кп будем находить по формуле (105) пункта 2.18 данного дипломного проекта. ΔР_т будет находиться по этой же формуле, только вместо d_r будем подставлять d_вн , а вместо F_кп - F_Т . F_Т - площадь поперечного сечения трубного пространства, м².

Для вязкопластичных жидкостей коэффициент гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве λ_кп будем рассчитывать по формуле (106) пункта 2.18 данного курсового проекта. А коэффициент гидравлических сопротивлений в трубах λ_Т в учебнике [3] предлагают рассчитывать по формуле

(142)

Для вязких жидкостей принимаем λ_кп = 0,03, λ_Т = 0,02.

Построение зависимостей производим, задаваясь несколькими значениями объема закачиваемых буферной жидкости, тампонажного раствора и продавочной жидкости.

V₁ = 0, (143)

V₂ = V_буф , (144)

V₃ = V_буф + V_о , (145)

V₄ = V_буф + V_о + V_б , (146)

V₅ = V_буф + V_o + V_б + 1/2·V_пр.ж., (147)

V₆ = V_буф + V_o + V_б +2/3 ·V_пр.ж., (148)

V₇ = V_буф + V_o + V_б + (V_пр.ж. – 1,5), (149)

V₈ = V_буф + V_о + V_б + V_пр.ж.. (150)

Таким образом, на каждый момент определяется распределение жидкостей в кольцевом пространстве и в обсадной колонне по формулам

, (151)

. (152)

При принятой производительности цементировочных агрегатов определяют значения Р_цг и Р_кпз. Изменяют режим работы цементировочных агрегатов, проводятся аналогичные вычисления. Таким образом, для различных режимов работы определяются давления на цементировочной головке и забое в кольцевом пространстве, результаты заносят в таблицу 61 и в виде графиков (рисунки 7.1, 7.2), куда также наносятся значения давления гидроразрыва и допустимого давления на насосах цементировочных агрегатов.

По формулам (143) - (150) определяем значения объемов V_i жидкостей, закачиваемых в эксплуатационную колонну

V₁ = 0 м³,

V₂ = 6,15 м³,

V₃ = 6,15 + 52,09 = 58,24 м³,

V₄ = 6,15 + 52,09 + 8,12 = 66,36 м³,

V₅ = 6,15 + 52,09 + 8,12 + ½ · 28,97 = 80,85 м³,

V₆ = 6,15 + 52,09 + 8,12 + 2/3 · 28,97 = 85,67 м³,

V₇ = 6,15 + 52,09 + 8,12 + (28,97 – 1,5) = 93,83 м³,

V₈ = 6,15 + 52,09 + 8,12 + 28,97 = 95,33 м³.

Распределение жидкостей в кольцевом пространстве и в обсадной колонне для каждого объема рассчитывается по формулам (151) и (152) и приводится в таблице 60.

При объеме V₁ = 0 (перед закачкой буферной жидкости) скважина заполнена только промывочной жидкостью, гидродинамические составляющие давлений Р_цг и Р_кпз отсутствуют, в скважине действуют только гидростатические составляющие давлений.

Расчет производится для четвертой, третьей и второй скоростей цементировочных агрегатов, поскольку закачка жидкостей на первой скорости не производится.

Для примера приведем расчет давлений Р_цг и Р_кпз при объеме V₃ = 58,24 м³, закачиваемом на четвертой скорости при производительности Q = 0,0302 м³/с.

Значения , берем из пункта 3 данного проекта и рассчитываем λ_Т .

Для «облегченного» тампонажного раствора

,

,

.

МПа.

Таблица 60 - Распределение жидкостей в кольцевом пространстве и в обсадной колонне

 

Объем прокачивае-мых жидкостей, м3	Распределение прокачиваемых жидкостей, м
в обсадной колонне	в кольцевом пространстве
буровой раствор	буферная жидкость	облегченный тампонажный раствор	бездобавочный тампонажный раствор	продавочная жидкость	буровой раствор	буферная жидкость	облегченный тампонажный раствор	бездобавочный тампонажный раствор
V1 = 0		-	-	-	-		-	-	-
V2 = 6,15			-	-	-		-	-	-
V3 = 58,24	-	-		-	-				-
V4 = 66,36	-	-			-				-
V5 = 80,85	-	-							-
V6 = 85,67	-	-							-
V7 = 93,83	-	-	-
V8 = 95,33	-	-	-	2,17	2039,83

 

L = 2042 м, V_буф.ж. = 6,15 м³, V_о = 52,09 м³, V_б = 8,12 м³, V_пр.ж. = 28,97 м³.

МПа.

МПа,

МПа,

МПа,

МПа.

МПа.

МПа.

Аналогично определяем Р_цг и Р_кпз для третьей скорости и для второй скорости ЦА для различных объемов закачиваемых и продавливаемых жидкостей. Причем следует учитывать, что объем V₂ закачиваем одним цементировочным агрегатом, V₃ и V₄ закачиваем двумя агрегатами, а V₅ , V₆ , V₇ продавливаем четырьмя агрегатами. Последние 1,5 м³ (V₈) продавливаем двумя агрегатами. Здесь суммарная производительность будет зависеть от количества работающих агрегатов при закачке и продавке соответствующего объема.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 61.

Из графиков определяем момент снижения давления на цементировочной головке и необходимую величину противодавления на устье.

Режим продавливания определяется из условий

Р_кпз < Р_гр , (153)

Р_цг < [Р_н] . (154)

[Р_н] берем из таблицы 9.33 справочника [11]. На IV скорости [Р_н]₄ = 6,1 МПа, на III скорости [Р_н]₃ = 9,5 МПа, на II скорости [Р_н]₂ = 18,2 МПа. Р_гр = 31,84 МПа.

При проектировании режима продавливания следует учитывать, что последние 1,0…1,5 м³ продавочной жидкости в целях предупреждения нарушения сплошности колонны и герметичности элементов ее оснастки вследствие возможности гидравлического удара при посадке верхней разделительной пробки на упорное седло пакера («стоп»), следует закачивать с наименьшей производительностью.

Анализируя графики (рисунок 7) определяем, что на 4-й скорости можно закачать 72,5 м³ жидкости, на 3-й скорости закачиваем 18,5 м³, на 2-й скорости закачиваем 4,33 м³, причем последние 1,5 м³ закачиваем на 2-й скорости двумя агрегатами.

Перед началом цементирования в колонну опускается нижняя продавочная пробка ПДМ.070.-02 и двумя агрегатами продавливается до седла нижней втулки пакера. После посадки пробки срезаются винты и открываются цементировочные окна. Скважину промывают и приступают к цементированию.

 

Таблица 61 - Результаты расчетов Р_цг и Р_кпз

 

Объем прока-чиваемой жидкости, м3	Рт, МПа	Ркпс, МПа	IV передача, Q = 0,0151 м3/с	III передача, Q = 0,0098 м3/с	II передача, Q = 0,0051 м3/с
ΔРт, МПа	ΔРкп, МПа	Рцг, МПа	Ркпз, МПа	ΔРт, МПа	ΔРкп, МПа	Рцг, МПа	Ркпз, МПа	ΔРт, МПа	ΔРкп, МПа	Рцг, МПа	Ркпз, МПа
V1 = 0	22,34	22,34				22,34				22,34				22,34
V2 = 6,15	22,14	22,34	0,44	0,19	0,84	22,53	0,19	0,08	0,47	22,42	0,05	0,02	0,27	22,36
V3 = 58,24	29,52	24,24	2,77	0,83	-1,68	25,07	1,17	0,35	-3,76	24,59	0,32	0,09	-4,87	24,33
V4 = 66,36	31,15	24,98	2,93	0,85	-2,39	25,83	1,23	0,36	-4,58	25,34	0,33	0,1	-5,74	25,08
V5 = 80,85	27,23	26,26	7,74	3,59	10,36	29,85	3,26	1,51	3,8	27,77	0,88	0,41	0,32	26,67
V6 = 85,67	25,97	26,69	6,41	3,65	10,79	30,34	2,7	1,54	4,96	28,23	0,73	0,42	1,87	27,11
V7 = 93,83	22,15	27,8	3,59	3,83	13,07	31,63	1,51	1,61	8,77	29,41	0,41	0,44	6,5	28,24
V8 = 95,33	22,14	27,87	-	-	-	-	-	-	-	-	0,1	0,11	5,94	27,98

 

Примечание: расчет для цементировочного агрегата ЦА - 320М производится при диаметре втулок 127 мм.

Рисунок 7 - Зависимости давлений в кольцевом пространстве на забое скважины (а) и на цементировочной головке (б) от производительности цементировочных агрегатов и объема закачиваемых жидкостей.