способ цементирования обсадной колонны

Формула изобретения

Способ цементирования обсадных колонн, включающий закачку цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачку промывочной жидкости и продавливание цементного раствора в затрубное пространство, отличающийся тем, что перед процессом закачки цементного раствора рассчитывают минимальную величину объемного расхода закачки цементного раствора, которую определяют из выражения



где _c, _p - плотность цементного и бурового раствора, кг/м³;

h_с - высота столба цементного раствора, закачанного в обсадную колонну, м;

L - общая длина обсадной колонны, м;

D_v - внутренний диаметр обсадной колонны, м;

D - диаметр ствола скважины, в который спущена обсадная колонна, м;

d - наружный диаметр обсадной колонны, м;

d_c - внутренний диаметр обратного клапана, м,

и выбирают объемный расход закачки цементного раствора в обсадную колонну больше расчетной величины интенсивности перетока Ql(hx), которую определяют из выражения



где h_x - опорожненная часть внутритрубного пространства обсадной колонны, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к способам цементирования обсадных колонн.

Известен способ цементирования обсадных колонн, включающий спуск и цементирование обсадной колонны, при этом задаются значения скоростей подъема цементного раствора в затрубное пространство, а объемный расход закачки продавочной жидкости определяют с учетом заданных величин скоростей подъема цементного раствора в кольцевом пространстве /1/.

Однако данный способ не учитывает возможность разрыва столба цементного раствора в процессе его закачки и, как следствие этого, самопроизвольного увеличения объемного расхода при движении столба цементного раствора в обсадной колонне, что может привести к разрыву столба цементного раствора, а следовательно, к некачественному цементированию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ цементирования обсадной колонны, включающий спуск обсадной колонны, закачивание цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачивание промывочной жидкости и продавливание цементного раствора в затрубное пространство /2/.

Однако известный способ не предотвращает возможность разрыва столба цементного раствора в процессе его закачивания в обсадную колонну, а также самопроизвольное увеличение объемного расхода закачки цементного раствора в обсадную колонну, что приводит к некачественному цементированию и авариям.

Целью настоящего изобретения является повышение качества цементажа и предотвращение аварий при их выполнении путем предотвращения разрывов столба цементного раствора под действием гидростатического давления в процессе закачки цементного раствора в обсадную колонну на основе математического описания физического процесса перетока цементного раствора в затрубное пространство под действием перепада давления и количественной оценки интенсивности этого перетока, которая, в свою очередь, определяет необходимую величину объемного расхода закачки цементного раствора при цементаже.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе цементирования обсадных колонн, включающем спуск обсадной колонны, закачку цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачку промывочной жидкости и продавливание цементного раствора в затрубное пространство, согласно изобретению перед процессом закачки цементного раствора рассчитывают минимальную величину объемного расхода закачки цементного раствора в обсадную колонну, которую определяют из выражения:



где _c, _p - плотность цементного и бурового раствора, кг/м³,

h_с - высота столба цементного раствора, закаченного в обсадную колонну, м,

L - общая длина обсадной колонны, м,

D_v - внутренний диаметр обсадной колонны, м,

D - диаметр ствола скважины, в который спущена обсадная колонна, м,

d - наружный диаметр обсадной колонны, м,

dc - внутренний диаметр обратного клапана, м,

и выбирают объемный расход закачки цементного раствора в обсадную колонну больше расчетной величины интенсивности перетока Q1(hx), которую определяют из выражения:



где h_x- опорожненная часть внутритрубного пространства, м.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Во время закачки более тяжелого цементного раствора в обсадную колонну, по мере увеличения высоты его столба, создается перепад давления Р, определяемый следующей формулой:

P = (_c-_p)9,81h_c, Па, (1)

где _c и _p - плотности цементного и бурового растворов, кг/м³;

h_с - высота столба цементного раствора в трубах, м.

Давление закачки в это время снижается на величину создаваемого перепада.

Величиной перепада определяется интенсивность перетока раствора из трубного пространства в затрубное пространство скважины.

Во время промывки, при движении жидкости в скважине с определенным расходом, суммарные гидросопротивления P определяются следующим образом:

P = P_t+P_z,

где P_t - гидросопротивления в трубах,

P_z - гидросопротивления в затрубном пространстве.

где Q - расход жидкости при прокачке, м³/с,

- плотность жидкости, кг/м³,

L - длина колонны обсадных труб, м,

D_v - внутренний диаметр обсадных труб, м



где D - диаметр скважины, м,

d - наружный диаметр обсадных труб, м.

Суммарные гидросопротивления будут равны:



Следовательно, при прокачке жидкости в скважине с заданным объемным расходом Q₂ мы будем иметь определенные гидросопротивления P.

Или, говоря иначе, чтобы прокачать жидкость через скважину с заданным объемным расходом Q₂, необходимо создать давление, большее суммарных гидросопротивлений P.

Исходя из этого, задаваясь давлением P, из формулы (4) определим объемный расход закачки цементного раствора:



Переходя к нашим условиям задачи, имеем:

величина суммарных гидросопротивлений P приравнивается к перепаду давления , который возникает из-за разницы плотностей растворов в трубном и затрубном пространствах. Потери давления (гидросопротивления) в трубах определяются следующим образом:



где _ср - средняя плотность жидкости в трубах, кг/м³



где h_c - высота столба цементного раствора в трубах, м.

Подставляя _ср из формулы (6) в (5) и сокращая L, получаем:



Для затрубного пространства:



- при условии, что цементный раствор не вышел в затрубное пространство. Перепад давления будет равен гидросопротивлениям: P = P_t+P_z



Отсюда находим интенсивность перетока (обозначив ее Q₁) при известном перепаде P.

Подставляя выражение P из формулы (1) с учетом потерь давления в обратном клапане получим основную рабочую формулу для определения количественной оценки интенсивности перетока



где d_c - внутренний диаметр обратного клапана, м.

Если интенсивность перетока Q1 станет больше объемного расхода закачки Q2 и произведет разрыв столба цементного раствора, или после остановки циркуляции (например, во время сброса пробки) - в трубах возникает опорожненная часть внутритрубного пространства (при самопроизвольном движении раствора вниз). Обозначим эту величину h_x. По мере увеличения h_x перепад давления будет закономерно уменьшаться, за счет снижения гидростатики в трубном, до равновесия давлений в трубном и затрубном пространстве.

С учетом величины h_x, выражение для определения Q1 примет вид:



Ниже приведен пример расчета интенсивности перетока для реальных условий цементирования эксплуатационной колонны скважины, в зависимости от продолжительности остановки циркуляции и глубины уровня цементного раствора.

На фиг.1 представлен график зависимости объемного расхода перетока, цементного раствора от глубины его уровня; на фиг.2 -- зависимость во времени объемного расхода перетока цементного раствора; на фиг.3 - зависимость глубины уровня во времени, а именно с увеличением глубины уровня цементного раствора увеличивается время его закачки до равенства давлений в трубном и затрубном пространстве.

Полученные расчетные результаты (Q1=27,6 л/с) позволяют сделать однозначный вывод о том, что не учитывать данный фактор при расчете цементажей просто недопустимо. Объемный расход закачки цементного раствора и его продавки в затрубное пространство должен быть всегда больше интенсивности перетока.

Использование предлагаемого изобретения позволит повысить качество цементажа и предотвратить аварии при его выполнении.

Данный способ предотвращает разрыв столба цементного раствора.

Предлагаемый способ позволяет математически описать физический процесс перетока цементного раствора в затрубное пространство под действием перепада давления и дать количественную оценку интенсивности этого перетока, которая определяет необходимую величину объемного расхода закачки цементного раствора при цементирование скважин.

Источники информации

1. Иогансен К.В., Спутник буровика, М., Недра, 1990, с. 176.

2. Мищевич В.И. и др. Справочник инженера по бурению, М., Недра, 1973, с. 483.