Основні теоретичні положення. Тампонуванням (цементуванням) називаються операції з поділу (ізоляції) окремих горизонтів у свердловині
Тампонуванням (цементуванням) називаються операції з поділу (ізоляції) окремих горизонтів у свердловині. Розрізняють три види тампонування: постійне, тимчасове, ліквідаційне.
Постійне тампонування застосовується для ізоляції:
– пластів корисної копалини від проникнення підземних, розташованих вище, вод за період їх розробки;
– водоносного горизонту, який буде випробуватися й експлуатуватися окремо від водоносних горизонтів, що лежать вище;
– рідких, газоподібних корисних копалин, а також мінеральних солей від вищих пластів;
– водопоглинаючих порід;
– сипких порід, які можуть потрапляти в свердловину із позатрубного простору й зашламовувати її, навіть зумовлювати обвалення стінок свердловини під час буріння.
Постійне тампонування проводиться глиною або цементним розчином за такою схемою (рис. 5.1):
– перед розкриттям пласта, який буде випробуватися чи експлуатуватися, свердловина зупиняється у водонепроникній породі;
– в свердловину опускають колону обсадних труб із герметичними з’єднаннями (1), кільцевий простір між низом колони та водонепроникним пластом щільно заповнюється водонепроникним матеріалом (2);
– після перевірки надійності ізоляції свердловина заглиблюється меншим діаметром і розкривається продуктивний пласт.
Тимчасове тампонування застосовується при гідрогеологічних та інженерно-геологічних дослідженнях для здійснення відкачування або нагнітання води за допомогою тампонів (пакерів).
Рисунок 5.1 – Постійне тампонування свердловини
Для створення окремих дільниць свердловини для відкачування або нагнітання води застосовують пакери (тампони): простої дії, які поділяють свердловину навпіл; подвійної дії, які поділяють свердловину натроє.
Ліквідаційне тампонування, тобто повна постійна герметизація стовбура свердловини, призначається для запобігання проникненню води по свердловині під основу майбутньої споруди або в гірничі виробки при експлуатації родовища.
Залежно від геологічних умов і місця розташування стовбура свердловини її тампонують по всій глибині або тільки нижню частину стовбура. Для ліквідаційного тампонування в глинистих породах застосовують в’язку глину, а в скельних і напівскельних – бетон.
Тампонажний матеріал виготовляють із в’язкої глини з місткістю не більше ніж 5-6 % піску. Глину замочують, ретельно перемішують і звільняють від твердих частинок. Вологість тампонувального матеріалу має бути мінімальною, щоби його маса набухала в свердловині. З тампонажного матеріалу вручну готують кульки й кидають їх у свердловину безпосередньо крізь устя їхній діаметр на 30-40 мм менший за внутрішній діаметр труб (свердловини). Закидати кульки в свердловину треба з певними інтервалами, щоб уникнути створення пробки вище вибою. Після того, як свердловина заповниться кульками з глини на висоту 1-1,5 м, накидану глину трамбують. Такий спосіб ліквідаційного тампонування рекомендується застосовувати лише для неглибоких свердловин, сухих або з безнапірним водоносним горизонтом.
Для приготування бетону застосовують портланд-цемент, який у рівних частинах з піском і гравієм змішують і розводять водою до консистенції рідкого тіста.
Проводячи ліквідаційне тампонування, необхідно мати на увазі:
– в інтервалах свердловин з напірними водами в супісках, пісках тощо тампонування необхідно здійснювати матеріалом тих самих порід з наступним трамбуванням;
– у глибокі свердловини після очищення стінок від глиняної кірки закачують цементно-суглинистий розчин густиною 1,6-1,65 г/см3, співвідношення цементу до суглинка береться 1:2 або 1:3;
– при повному вбиранні промивальної рідини в ґрунті на покрівлі водопоглинаючого горизонту встановлюються тампонажні пробки; нижня –на 10 м нижче водопоглинаючого горизонту, а верхня – на утрамбовану тампонажну глину.
Постійне тампонування глиною застосовують у неглибоких свердловинах. Якщо на необхідній глибині лежить пласт жирної глини потужністю не менше ніж 2,5-3 м, то спочатку свердловину заглиблюють на 0,6-1 м, а потім башмак обсадної колони вдавлюють на глибину 0,8-2,0 м. У протилежному випадку в свердловині створюють штучну подушку із в’язкої глини потужністю 2,5-3,0 м шляхом порційного закидання до неї кульок глини з наступним трамбуванням, після чого обсадна колона вдавлюється в глину. Рекомендується в башмак колони перед спусканням її в свердловину вбити нижню дерев’яну пробку, завдяки якій глина витискується в затрубний простір. При подальшому бурінні пробка розбурюється.
Постійне тампонування цементним розчином застосовується при бурінні глибоких свердловин на нафту, газ, розсоли та воду. Тампонування цементним розчином здійснюють шляхом щільного заповнення кільцевого зазору між обсадними трубами та стінками свердловини цементним розчином, який добре тужавіє з породами та обсадними трубами. Для цементування беруть тампонажний цемент марок 400, 500, 600. При розвідувальному бурінні найчастіше користуються цементом для холодних свердловин (з температурою до + 40°С) з параметрами: ρ = 30,5-32кг/м3, початок тужавіння цементного розчину на прісній воді 3-3,5 год, закінчення тужавіння не пізніше ніж 3 год після початку; на солоній воді відповідно – 3-6 год і 3 год. Для тампонування розвідувальних свердловин беруть 50 %-й цементний розчин (100 кг цементу на 50 л води), при цементуванні свердловин – цементуючі агрегати. За допомогою цементуючих агрегатів у свердловину накачується цементний розчин, глинистий розчин, а також здійснюються промивальні, продавлювальні та пресувальні роботи.
Необхідна кількість тампонажного цементу і тиск для його продавлення визначають за розрахунком.
1. Потрібна кількість цементного розчину, м3 визначається за формулою
,
де D – діаметр свердловини, м; dH – зовнішній діаметр обсадних труб, м; Н1 – висота підйому цементного розчину поза колоною, м; k – коефіцієнт, який визначає можливе збільшення об’єму цементного розчину на заповнення розширень, каверн; його приймають рівним 1,1-1,3; dв – внутрішній діаметр обсадних труб, м; h – висота цементної пробки в колоні, м.
2. Густина цементного розчину визначається за формулою
,
ρ – густина цементного розчину, кг/м3; ρц – густина цементу, кг/м3; m –водоцементний фактор, його беруть рівним 0,5.
3. Кількість сухого цементу, кг, для виготовлення 1 м3 цементного розчину визначається за формулою
,
де q – кількість сухого цементу, т; ρц, ρв – густина цементу і води відповідно, кг/м3; m – водоцементний фактор.
4. Загальна кількість сухого цементу для цементування визначається за формулою
,
де Qц – кількість сухого цементу, кг; q – кількість сухого цементу на 1 м3 цементного розчину; β – коефіцієнт на витрати цементу при виготовленні розчину, беруть рівним 1,1-1,15
5. Кількість води (Vв, л), необхідної для приготування цементного розчину, визначається за формулою
Vв = Qц·m,
де Qц – кількість сухого цементу, кг; m – водоцементний фактор.
6. Кількість рідини для протискування цементного розчину визначається за формулою
,
де Vр – необхідна кількість глинистого розчину або води для продавлювання цементного розчину в затрубний простір, м3; dв – внутрішній діаметр труб, м; H – довжина колони обсадних труб, м; k – коефіцієнт, який визначає стиснення рідини, береться для глинистого розчину 1,05, для води 1,0.
7. Тиск необхідний для протискування цементного розчину визначається за формулою
,
де Р1 – тиск на подолання різниці питомих ваг рідини в трубах і поза трубами, МПа; Р2 – гідростатичний тиск наприкінці промивання свердловини, МПа,
,
де H1 – висота підйому цементного розчину поза трубами, м; h – висота установки стоп-кільця від башмака, м; ρц.р, ρр – густина цементного і глинистого розчинів, відповідно, т/м3;
,
де L – глибина свердловини, м.
Звідси
Час необхідний на цементування свердловини (tцем, хв.) визначається із співвідношення
,
де tдоп=10¸15 хв – час, який витрачається на допоміжні операції, Qц.а – продуктивність цементувального агрегату.
Вихідні дані
Методика виконання лабораторної роботи полягає в тому, що студент отримує індивідуальне завдання за одним з варіантів (додаток Г1) виданих викладачем. Типорозміри обсадних труб та доліт для буріння студенти визначають із довідників.
Завдання
Кожен студент згідно з отриманим завданням повинен розрахувати тампонування свердловини для зазначених у завданні умов:
Порядок виконання роботи
Розрахуємо цементування колони труб зовнішнього діаметра 273 мм, розвідувальної свердловини глибиною 65 м. При цьому діаметр долота для буріння під обсадну колону становить 346 мм, коефіцієнт розширення стінок свердловини 1,25, товщина стінки обсадних труб 11,5 мм, густина цементу 3150 кг/м3, густина глинистого розчину 1200 кг/м3.
1. Необхідна кількість цементного розчину становить
Vц.р=0,785·((0,3462·0,2732)·65·1,25 + 0,250·3) = 3,02 м3.
dв=0,273-2·0,0115=0,250
2. Густина цементного розчину
ρц.р=3150·1000(1+0,5)/(1000+0,5·3150)=1840 кг/м3 =1,84 т/м3.
3. Кількість сухого цементу, кг, для приготування 1 м3 цементного розчину
q=30150·1000/(1000+0,5·3150)=1230 кг = 1,23 т.
4. Загальна кількість сухого цементу
Qц=1230·3,02·1,15=4270 кг=4,27 т.
5. Кількість води, необхідної для приготування цементного розчину
Vв=4,27·0,5=2,13 м3.
6. Кількість рідини для протискування розчину
Vр=0,785·0,2502(65-3)·1,0 = 3,05 м3.
7. Тиск на головці колони в момент сходження цементуючих пробок
Р=(65–3)·(1,84–1,2)·0,01+0,001·65+0,8 = 1,26 МПа.
Тиск який розвиває насос НБ4-320/63 (додаток Г2) рівний 6,3 МПа (табл. 5.1), отже він задовольняє вимоги, що поставлені до цементувального агрегату в заданих умовах
8. Тривалість цементування
, хв.
Тривалість цементування має не перевищувати 75 % від часу початку тужавіння цементного розчину, який становить 3 год (180 хв). Дана умова виконується, тому вибраний для цементування буровий насос НБ4-320/63 забезпечить своєчасне цементування свердловини.
Оформлення звіту
Звіт про виконану роботу повинен містити пояснювальну записку, схему цементування з вирішеними завданнями.
Контрольні запитання
1. Дайте характеристику цементування свердловин.
2. Які види тампонування Вам відомі?
3. Дайте характеристику тимчасового тампонування.
4. Що таке рейсова швидкість буріння?
5. Охаратеризуйте ліквідаційне тампонування.
6. За якою схемою розраховують цементування розвідувальних свердловин?
Література
1. Альбов М.Н. Опробование месторождений полезных ископаемых / М.Н. Альбов. – М.: Недра, 1975. – 232 с.
2. Милосердина Г.Г. Задачник по геологоразведочному делу / Г.Г. Милосердина. – М.: Недра, 1968. – 212 с.
3. Вирвінський П.П. Геологорозвідувальна справа і техніка безпеки: навчальний посібник / П.П. Вирвінський, Ю.Л. Кузін, В.Л. Хоменко. – Д.: Національний гірничий університет, 2010. – 368 с.
4. Милосердина Г.Г. Сборник типовых задач по геологоразведочному делу / Г.Г. Милосердина, А.П. Прокофьев. – М.: Недра, 1976. – 151 с.
Лабораторна робота № 6
Документація свердловин та вибір інтервалів відбору проб
Мета і завдання
Метою роботиє оволодіння студентами методикою та навичками визначення основних параметрів виносу керну та документації свердловин.
При виконанні цієї роботи перед студентами ставиться завдання ознайомитися з теоретичними засадами виконання роботи, основними видами документації свердловин, правилами і послідовністю здійснення розрахунків та зображення викривленої свердловини за даними вимірювання її основних параметрів;
У процесі виконання роботи студенти повинні:
– ознайомитися з основними видами документації;
– вміти розраховувати визначати мінімально припустимий вихід керна для певного родовища;
– навчитися будувати проекцію викривленої свердловини.