Расход цемента при цементации затрубного пространства

Обновлено: 17.05.2024

При расчете цементирования скважин определяют: 1) количество сухого цемента; 2) количество воды для затворения цементного раствора; 3) количество продавочной жидкости; 4) возможное максимальное давление к концу цементирования; 5) допустимое время цементирования; 6) число цементировочных агрегатов и цементосмесительных машин.

Пример: Так как плотность бурового раствора 1,1г/см 3 , а пластовая температура 90°С принимаем цементный раствор ПЦГ с плотностью 1,83г/см 3 и водоцементным отношением 0,5.

Объем цементного раствора, подлежащего закачке в скважину, определяют по формуле:

где К₁ – коэффициент, учитывающий увеличение объема цементного раствора, расходуемого на заполнение каверн, трещин, и увеличение диаметра скважины против расчетного (номинального).

Значение коэффициента К₁ определяется по квернограмме для каждой конкретной скважины. Обычно К₁ изменяется от 1,1 до 2,5. В нашем случае принимаем К₁ = 1,15.

Цементирование направления и кондуктора будет осуществляться с использованием чистого портландцемента.

Для лучшей прокачивамости тампонажной смеси и для того, чтобы поднять цементный раствор на проектную высоту (до устья), а также с целью экономии портландцемента, эксплуатационная колонна в интервале 0 – 3170 м будет цементироваться раствором плотностью 1,83 г/см 3 . В отношение m = 0,5. Интервал 1500 – 3160 м будет цементировать раствором чистого портландцемента плотностью 1,85 г/см 3 ; водоцементное отношение m = 0,5.

Для колонны диаметром …..мм:

V_ц = 0,785*[1,15*(…… 2 – …… 2 )*….. + …. 2 *20] = …. м 3

Расчет количества сухого цемента

Количество сухого цемента для приготовления цементного раствора определяют из выражения:

где m – водоцементное отношение; ρ_ц – плотность цементного раствора, кг/м 3

Для колонны диаметром …. мм:

Количество сухого цемента, которое необходимо заготовить с учетом потерь при затворении цементного раствора, вычислим по формуле:

где К₂ – коэффициент, учитывающий наземные потери при затворении цементного раствора. Если затворение производится без цементно-смесительных машин, К₂ = 1,054-5-1,15, при использовании цементно-смесительных машин К₂ = 1,01. В нашем случае К₂ = 1,15.

Для колонны диаметром …. мм:

Расчет количества воды

Необходимое количество воды для приготовления цементного раствора 50%-ной консистенции находится из выражения:

Для колонны диаметром ….мм:

Расчет количества продавочной жидкости

Потребное количество продавочной жидкости (в качестве которой часто используют буровой глинистый раствор) определяется по формуле:

где Δ – коэффициент, учитывающий сжатие глинистого раствора (Δ = 1,03 – 1,05).

Подставив значения, получим:

Для колонны диаметром …. мм:

Расчет давления при закачке

Максимальное давление перед посадкой верхней пробки на упорное кольцо определяется из уравнения:

где Р₁ – давление, необходимое для преодоления сопротивления, обловленного разностями плотностей жидкости в трубах и затрубном пространстве;

Р₂ - давление, необходимое для преодоления гидравлических сопротивлений.

Величину Р₂ обычно находят по эмпирическим формулам. Наиболее распространенной является формула Шищенко-Бакланова; для скважин глубиной более 1500 м:

Для колонны диаметром …. мм:

Расчет количества цементировочных агрегатов

Число цементировочных агрегатов определяю, исходя из условия получения скорости подъема цементного раствора в кольцевом пространстве у башмака колонны в момент начала продавки (не менее 15 м/с для кондуктора и промежуточных колонн инее менее 1,8 – 2,0 м/с для эксплуатационных колонн); это условие вытекает из предположения, что увеличение скорости движения цементного раствора в затрубном пространстве способствует более полному вытеснению глинистого раствора и замещению его цементным.

Часто ствол скважины искривлен, имеет локальные расширения, а колонна не строго сцементирована в нем. В подобных случаях целесообразно цементный раствор вытеснять из колонны, поддерживая небольшую скорость подъема цементного раствора в затрубном пространстве (ω = 0,1-0,4 м/с). Так же следует поступать и в том случае, если колонна хорошо центрирована, но создать турбулентный режим течения цементного раствора в затрубном пространстве невозможно. Так как продавка почти всегда начинается на высшей скорости (как правило, на IV), то количество агрегатов из условия обеспечения скорости (м. v/c) подъема цементного раствора в затрубном пространстве определяют по формуле:

где Q IV – производительность цементировочного агрегата на IV скорости, м 3 /с.

Выбираем цементировочный агрегат типа ЦА-320М с установленными в его насосе 9Т цилиндровыми 127-мм втулками (с этими втулками можно работать при р_max в конце цементирования). Максимальная производительность при этом 0,9 м 3 /мин при давлении 6,1 МПа.

Для колонны диаметром 127 мм:

n_ц.а = [0,785*1,2*(…. 2 – …. 2 )*1,5/0,09] + 1 = ….(например - 2 агрегата.)

5.2.1 Основные технологические параметры для устройства грунтоцементного элемента по струйной технологии должны обеспечивать заданные в проекте геометрические габариты и прочностные показатели свойств грунтоцемента.

5.2.2 Для определения технологических параметров производства работ в проекте должны указываться следующие данные:

5.2.3 Расход цемента зависит от решаемой задачи, типа грунта, необходимой прочности и может составлять для струйной цементации от 450 до 600 укрепленного грунта в песчаных грунтах и от 560 до 800 - в глинистых грунтах.

В слабых органических грунтах (илы, торфы) расход цемента должен составлять от 800 до 1000 для почти полного замещения грунта цементным раствором. Кроме того, в таких грунтах может выполнять предварительный размыв грунта водой с добавлением 1% - 5% технической соды.

Для глубинного перемешивания расход цемента может назначаться по таблицам Е.1 и Е.2 и подтверждаться результатами лабораторных и опытных работ.

5.2.4 Давление нагнетания раствора определяет энергию струи и радиус ее действия. Предел достигаемого давления ограничен мощностью используемых насосов и герметичностью линии.

5.2.5 Водоцементное отношение раствора рекомендуется применять в диапазоне от 0,8 до 1,2 для регулирования времени набора прочности и размыва грунта для струйной цементации и 0,5-0,7 - для глубинного перемешивания. Допустимо применение химических добавок для регулирования вязкости раствора.

5.2.6 При наличии фильтрационных течений, которые могли бы размыть новообразованный грунтоцементный элемент, необходимо применять добавки, ускоряющие схватывание раствора (например, жидкое стекло или кальций хлор). Рекомендуемый объем добавок составляет 1% - 2% от массы цемента и уточняется на этапе опытных работ.

5.2.7 Обычно устройство грунтоцементных элементов по методу струйной цементации сопровождается выходом грунтоцементной пульпы на поверхность. Объем пульпы зависит от свойств грунта, расхода цемента и времени размыва грунта и составляет 30% - 70% от объема закаченного раствора для однокомпонентной технологии и 70% - 90% для двухкомпонентной технологии.

В проекте следует указывать требования о необходимости постоянного обеспечения выхода грунтоцементной пульпы на поверхность в ходе производства работ. Следует учитывать, что в случае отсутствия выхода пульпы на поверхности она может заполнить существующие полости в грунте (старые коммуникации или подвалы старых зданий) и привести к вертикальным или горизонтальным гидроразрывам.

5.2.8 При применении струйной технологии устройства ГЦЭ в проекте рекомендуется проанализировать необходимость применения комплексных химических добавок.

Примечание - В отдельных случаях применение добавок позволяет увеличивать эффективный диаметр получаемого грунтоцементного элемента на 10% - 15%, повышать однородность грунтобетона и снижать водоцементное отношение раствора с 1,0 до 0,7-0,8 при неизменном применяемом оборудовании и обычных режимах его работы.

6.1.1 Расчет армированных грунтоцементных конструкций должен быть выполнен в соответствии с ГОСТ 27751, СП 24.13330 и СП 22.13330 по предельным состояниям:

в) по потере общей устойчивости усиленных оснований при их расположении на склонах или при устройстве ограждений котлованов.

6.1.2 Расчет армированных грунтоцементных конструкций должен проводиться с использованием апробированного и сертифицированного программного обеспечения на основании математических моделей, описывающих механическое поведение укрепленного массива. Допускается прямое определение усилий в армирующих элементах, если в расчетную область армирующие элементы и грунтоцемент введены раздельно.

6.1.3 При составлении расчетной модели должны учитываться грунтовые условия площадки строительства и ее гидрогеологический режим. Расчетная модель должна учитывать особенности механического поведения укрепленного массива. Допускается описывать механическое поведение грунтоцемента как линейными, так и нелинейными моделями.

6.1.4 Расчет армированных грунтоцементных конструкций по несущей способности необходимо выполнять на основные и особые сочетания нагрузок, по деформациям - на основные сочетания.

6.1.5 Расчет неармированных грунтоцементных конструкций по прочности материала выполняется по СП 63.13330 с учетом формулы (5.6) как для неармированных бетонных конструкций. При этом принимается расчетное сопротивление на сжатие, определенное для грунтоцемента. Расчетное сопротивление на растяжение принимается равным нулю.

6.1.6 При расчете армированных грунтоцементных конструкций в качестве геометрических параметров должны использоваться: отметки и уклоны поверхности грунта, уровней подземных вод, слоев грунта, котлованов и выемок в грунте; размеры грунтоцементных конструкций и элементов и их положение. При устройстве постоянных грунтоцементных конструкций следует учитывать, что отклонения геометрических размеров элементов, выполняемых по струйной технологии, фактически могут существенно отличаться от заданных проектом значений.

6.1.7 Армированные грунтоцементные конструкции рассчитывают по прочности на действие изгибающих моментов, продольных сил, поперечных сил, крутящих моментов. Расчеты проводятся на основании требований раздела 6.9 СП 22.13330.2016 и СП 63.13330.

6.1.8 При использовании метода струйной цементации на этапе проектирования в качестве предварительной оценки расхода цемента для достижения проектной прочности грунтоцемента допустимо использовать диаграммы, приведенные на рисунке 6.1. Для точной оценки прочностных свойств на опытном участке следует выполнять предварительные исследования характеристик укрепленного грунта в зависимости от содержания цемента.


797 × 1042 пикс. Открыть в новом окне


1170 × 679 пикс. Открыть в новом окне

1 Прочность на сжатие грунтоцемента при расходе цемента более 500 определяется только на основании опытных работ.

2 Прочность грунтоцемента, получаемого по двухкомпонентной технологии, следует принимать на 10% - 15% меньше значений, указанных на графике.

6.1.9 До выполнения опытно-производственных работ значение требуемой прочности на одноосное сжатие цементогрунта допускается назначать по расчетному расходу цемента на 1 по графикам, приведенным на рисунке 6.1.

, (6.1)

где - коэффициент перехода от содержания цемента в грунтоцементе к расходу цемента для получения материала с заданным содержанием цемента (значение прочности по проекту), принимается на этапе проектирования равным 1.1-1,33 для струйной цементации грунтов и 1,0 - для глубинного перемешивания;

- проектное содержание цемента в грунтоцементе для получения требуемой прочности, принимаемое на этапе проектирования по графикам на рисунке 6.1 и уточняемое по результатам лабораторных и опытно-производственных работ, . При проектировании грунтоцементных элементов в слабых, агрессивных, заторфованных и иных грунтах, а также при необходимости полного замещения грунта проектное содержание цемента следует задавать по объему замещаемого грунта, а при неполном замещении, но повышенных требованиях по прочности, - по результатам лабораторных работ с корректировкой по результатам опытных работ.

При креплении водозаборных скважин металлическими, пластиковыми трубами затрубное пространство обязательно цементируется.

Цементирование затрубного пространства производится с целью изоляции водоносных горизонтов друг от друга, борьбы с поглощением промывочного раствора и обрушениями стенок скважины, а также предохранения обсадных труб от коррозионного влияния подземных вод.

От высокого качества цементирования обсадных колонн зависит срок службы и дебит скважины.

Для направления и кондуктора подъем цементного раствора в затрубном пространстве производят от башмака до устья.

В практике бурения при сооружении скважины глубиной более 200 м наиболее распространен способ одноступенчатого цементирования с двумя пробками [19, с.542].

Контроль качества цементирования осуществляется двумя способами.

Первый способ применяют в том случае, когда тампонажная колонна наполнена жидкостью. Через цементировочную головку в колонну труб нагнетают воду и поднимают давление до 4÷6 МПа. Если в течение 30 мин давление упадет не более чем на 0,5 МПа, то герметичность считается удовлетворительной.

Второй способ заключается в следующем. Промывочную жидкость откачивают из труб, понижая уровень не менее чем на 2/3, и, закрыв скважину, оставляют ее в покое на сутки. Если в течение 24 часов уровень жидкости поднимется не более чем на 1м, герметичность считается удовлетворительной.

Рисунок 26. Схема к расчету цементирования

Требуется провести расчет цементирования эксплуатационной колонны диаметром D=245мм, спущенной в скважину, глубиной L=270 м. Диаметр ствола скважины по всей длине равен =295 мм. Высота подъема цемента за трубами =180 м. Высота цементного стакана в трубах =10м (рис.26). плотность цемента =3100 кг/м³; водоцементное отношение m=0,5; плотность воды =1000 кг/м³; плотность продавочной жидкости =1200 кг/м³.

1. Определим объем цементного раствора, который необходимо закачать в скважину из уравнения:

, м, (31)

где - объем цементного раствора за трубами высотой в м³;

- объем цементного раствора в трубах высотой в м³;

- 1,2÷1,4 – коэффициент, учитывающий заполнение каверн, трещин;

- диаметр скважины в м;

- наружный диаметр обсадных труб в м;

- внутренний диаметр обсадных труб в м;

2. Потребное количество сухого цемента .

Для приготовления 1 м³ цементного раствора с водоцементным отношением m определим из уравнения:

, кг/м³, (32)

3.Определим количество сухого цемента для приготовления цементного раствора объемом, равным из формулы:

,кг, (33)

где =1,05÷1,15 – коэффициент, учитывающий потери цемента;

4. Необходимый объем воды для приготовления цементного раствора составит:

, м³, (34)

5. Определим объем продавочной жидкости.

м,

где: =1,03÷1,05 – коэффициент, учитывающий сжимаемость продавочной жидкости;

L - длина обсадной колонны в м.

6. Определим максимальное давление в конце цементирования.

, МПа,

где - потери давления на гидравлические сопротивления;

- плотность продавочной жидкости в кг/м³,

L – длина обсадной колонны в м;

, МПа,

7. Выбираем по максимальному давлению цементировочный агрегат ЦА-300, который при давлении 7 МПа развивает подачу (прокачивает цемент) 10,3л/с = 10,3·3600/1000 м³/ч = 37,08 м³/ч.

8. Определим продолжительность цементирования из:

, мин,

где – производительность цементировочного агрегата, м³/ч

(15 мин.)*- время, необходимое на установку верхней пробки.

9. Время начала загустевания цементного раствора должно быть больше продолжительности цементирования

, мин.,

где =10÷20мин. – резерв времени.

Тогда минимально необходимый срок начала загустевания цементного раствора составит:

Применяемый при бурении цемент имеет начало схватывания, т.е. начинает терять подвижность, не ранее 2ч после затворения раствора. За период от затворения и до начала схватывания цементного раствора необходимо произвести его закачивание в скважину.

Нормами предусматривается цементирование затрубного пространства производить с помощью цементировочных агрегатов, а в случае отсутствия их можно использовать буровые насосы.
Предусматривается при одноколонной конструкции скважины цементировать затрубное пространство до устья (высота подъёма цементного раствора в затрубном пространстве намечается проектом и может уточняться при помощи термокаротажа).
Предусматривается также при подбашмачной цементации опускать в скважину в желонке (с откидывающимся наружу клапаном) густое цементное тесто в таком количестве, чтобы верхняя кромка цементной пробки оказалась на 1,5-2 м выше башмака колонны.
Предусматривается поверх пробки засыпка слоя щебня и утрамбовка его сильными ударами, выход трамбовки за башмак колонны не допускается, если при первой закладке цемент «уйдет» быстро, загружается следующая порция цементного теста до тех пор, пока «уход» цемента будет происходить с большим трудом.

При подбашмачной цементации

1. Приготовление цементного теста (по объёму на 1,5-2 м глубины скважины).
2. Загрузка цементного теста в скважину желонкой,
3. Навертывание и спуск трамбовки в скважину.
4. Трамбование цементной пробки слоями до 0,5 м с замером глубины скважины.

При цементации затрубного пространства цементировочным агрегатом

1. Навертывание заливочной головки и присоединение к ней нагнетательной линии агрегата.
2. Проверка параметров заготовленного цементного раствора.
3. Закачка цементного раствора в колонну.
4. Отвертывание крышки головки, спуск пробки в скважину, завертывание крышки.
5. Закачка в скважину глинистого раствора или воды и продавливание цементного раствора в затрубное пространство, закрытие крана и отсоединение нагнетательной линии от заливочной головки.

При цементации затрубного пространства буровым насосом

1. Приготовление цементного раствора.
2. Навертывание заливочной головки на колонну труб.
3. Присоединение напорного шланга насоса к заливочной головке.
4. Закачка цементного раствора в колонну.
5. Отвертывание крышки головки, спуск пробки и завертывание крышки.
6. Продавка цементного раствора в затрубное пространство водой или глинистым раствором.
7. Закрытие крана и отсоединение нагнетательной линии от заливочной головки.

где D_с - диаметр бурения, м;

D_к - наружный диаметр обсадной колонны, м;

L - длина интервала затрубной цементации, м;

d_к - внутренний диаметр обсадной колонны, м;

h - высота цементного стакана, остающегося внутри обсадной колонны после цементации, м;

g_ц - масса цемента в т, необходимая для приготовления 1 м 3 раствора ==1,23

k - коэффициент, учитывающий увеличение объема цементного раствора за счет каверн и трещин (в расчетах, исходя из опыта работ, принимается k = 1,3)

n – количество скважин.

Q₁ = 0,785∙1,23[1,3(0,395 2 - 0,325 2 )10 + 0,305 2 ∙5]х2 = 2,82 т

Q₂= 0,785х1,23 [1,3 (0,295 2 - 0,219 2 )10 + 0,2095 2 х5]х2 = 1,44 т

Кроме этого, для защиты водоносных горизонтов от загрязнения с поверхности необходимо произвести цементацию приустьевой части скважины. Количество цемента, необходимого для выполнения этой работы, определяется по формуле:

где V - объем приустьевого шурфа (1,2х1,2х0,5 = 0,72 м 3 ),

значения g_ц и k указаны выше

Q₃ = 0,785∙1,23∙1,3∙0,72 = 0,9 х 2=1,8 т

Общее количество сухого цемента, необходимого для цементации обсадной колонны и приустьевой части скважин, составит 6,06 т.

Оборудование скважин оголовком

Герметизация устья скважин обеспечивается устройством специального оголовка, предотвращающего посторонний доступ в стволы скважин и попадание загрязнения в водоносный горизонт.

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В СКВАЖИНЕ

Геофизические исследования в первой скважине проводятся для уточнения геологического разреза, определения интервалов установки фильтра, установления эффективной мощности водоносных горизонтов и величины допустимого понижения уровня воды при эксплуатации.

В данной скважине предусматривается выполнение стандартного комплекса каротажа, который включает следующие методы:

Геофизические исследования будут выполняться каротажной станцией. Кривые регистрируются в масштабе глубин 1:200. По окончании работ каротажная диаграмма и ее интерпретация с заключением прилагаются к паспорту скважины.

ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАБОТЫ

В сложных гидрогеохимических условиях при бурении разведочно-эксплуатационных скважин рекомендуется проводить фильтрационное и гидрогеохимическое опробование целевого водоносного горизонта.

По окончании бурения и оборудования скважины выполняется комплекс гидрогеологических работ, включающих проведение прокачки и пробной откачки.

Прокачка скважин

Прокачка скважины, как и ее разглинизация, входит в комплекс работ по восстановлению естественной проницаемости пород в прискважинной зоне. Перед прокачкой скважина промывается водой. Продолжительность прокачки определяется временем осветления откачиваемой воды и прекращением незакономерных колебаний уровня и дебита. По опыту предыдущих работ ООО «Татарстангеология» продолжительность прокачки принимается равной 1 бр/см. В процессе прокачки производятся замеры уровня и дебита, для определения оптимальной глубины установки насоса при проведении пробной откачки, ведутся наблюдения за осветлением воды. Для повышения эффективности прокачка проводится в режиме «пуск-остановка» для лучшей разглинизации ствола скважины и улучшения водопритока. После полного осветления воды прокачку прекращают. Далее необходимо провести наблюдения за уровнем подземных вод до полного его восстановления. Исходя из опыта работ, уровень воды после прокачки восстанавливается в течение 0,5 бр/см. Прокачку рекомендуется выполнить эрлифтом с одним компрессором. Глубина загрузки смесителя 55 м.

Данные прокачки используются для предварительной оценки водообильности водоносного горизонта.

Пробная откачка

Пробная откачка проводится с целью ориентировочной оценки величины водопроводимости и гидрогеохимического опробования.

Продолжительность пробной откачки определяется временем получения исходных данных для обоснования оптимального режима эксплуатации и выполнения представительного гидрохимического опробования для оценки качества подземных вод. Пробная откачка выполняется в течение 3 бр/см. Согласно рекомендациям Л.С.Язвина /1 / периодичность замеров в процессе собственно откачки и восстановление уровня следующая:

Для замера динамического уровня в оголовке скважины необходимо предусмотреть отверстие для спуска пьезометрических трубок диаметром 25 мм, глубина спуска которых составляет 65 м. Замеры уровня проводятся электроуровнемером, дебита - с помощью мерной емкости и секундомера. При эксплуатации скважины в качестве расходомера применяется турбинный водомер, который устанавливается на горизонтальном участке водовода (рис. 6.1).

После окончания пробной откачки необходимо провести наблюдение за уровнем подземных вод до полного его восстановления. Исходя из опыта работ, уровень воды после откачки восстанавливается в течение 1 бр/см. В конце откачки отбирается проба воды.

Отвод откачиваемых вод

В процессе откачки предполагается отвод откачиваемых вод за границы первого пояса зоны санитарной охраны (ЗСО) для защиты подземных вод от загрязнения с поверхности. Протяженность водовода должна составлять не менее 50 м.

Читайте также: