Способы и технологии цементирования скважин: как приготовить и залить тампонажный раствор

Основные способы и технология проведения цементирования скважин

На завершающем этапе буровых работ проводится цементирование скважин. От качества проведения данной операции зависит жизнеспособность всего сооружения. Главная цель, которая преследуется во время этого процесса, заключается в полном замещении бурового раствора цементным, который называют иначе тампонажным. Введенный раствор должен затвердеть в течение определенного временного интервала и превратиться в цементный камень. Разработано несколько методов осуществления цементирования скважин, при этом самому распространенному из них уже более ста лет. Способ прямого одноциклового цементирования обсадной колонны был разработан в 1905 году инженером А.А. Богушевским, проживающим в г. Баку. До сих пор данная технология с небольшими усовершенствованиями используется буровиками.

В данном видеоролике наглядно представлена схема сплошного цементирования затрубного пространства через башмак:

Составляющие технологического процесса

Процесс цементирования скважин состоит из пяти основных видов работ:

  • подготовка тампонажного раствора;
  • закачка подготовленного раствора в скважину;
  • подача цементного раствора выбранным способом в затрубное пространство;
  • период затвердения закачанного тампонажного раствора;
  • проверка качества проведения цементировочных работ доступными методами.

Важно! Перед началом работ составляется программа их проведения, которая опирается на технический расчет цементирования скважины. При этом учитываются горно-геологические условия, величина протяженности интервала, нуждающегося в укреплении, особенности конструкции ствола скважины и его состояния. При расчете опираются на опыт проведения подобных работ в данном районе, если таковой имеется.

Схемы подачи тампонажного раствора в затрубное пространство

Существующие способы цементирования скважин отличаются друг от друга методом подачи цементного (тампонажного) раствора в затрубное пространство, а также особенностями используемых для этого приспособлений. Существует два варианта организации подачи подготовленного раствора:

  • прямая схема, которая подразумевает закачку раствора внутрь обсадной колонны с дальнейшим его прохождением до башмака и последующим поступлением в затрубное пространство, заполняющимся снизу вверх;
  • обратная схема характеризуется подачей тампонажного раствора с поверхности в затрубное пространство, при этом закачиваемая смесь перемещается сверху вниз.

При бурении скважин в промышленных масштабах чаще всего применяется способ цементирования, осуществляемый по прямой схеме. При этом процесс цементирования может проводиться в один цикл, во время которого весь объем необходимого для тампонирования раствора продавливается сразу.

Схематичное изображение процесса одноступенчатого цементирования скважины:

I. Начало процесса подачи цементного раствора в ствол скважины.

II. Подача порции раствора, закачанного в скважину, вниз по обсадной колонне.

III. Начало процесса продавливания тампонажного материала в затрубное пространство.

IV. Завершение процесса продавливания тампонажного материала.

Схема одноступенчатого (одноциклового) цементирования скважин: 1 — Манометр для контроля давления; 2 — Головка цементировочная; 3 — Пробка верхняя; 4 -Пробка нижняя; 5 — Цементируемая обсадная колонна; 6 — Стены скважины; 7 — Стоп-кольцо; 8 — Жидкость для продавливания тампонажного материала; 9 — Раствор буровой; 10 — Цементный раствор

В очень глубоких скважинах прибегают к двухступенчатому цементированию. Весь фронт работ делится на интервалы, которые заполняются с помощью специального оборудования поочередно.

Наряду с перечисленными вариантами цементирования обсадных колонн существует также манжетный способ, при использовании которого часть ствола защищается от проникновения тампонажного раствора. С помощью манжеты происходит изоляция участка, расположенного в интервале продуктивного пласта.

В отдельную группу принято выделять способы цементирования потайных секций и колонн.

Важно! Все способы цементирования преследуют одну цель, заключающуюся в вытеснении из затрубного пространства скважины бурового раствора с помощью тампонажного раствора, который необходимо поднять на заданную высоту, согласно проведенным расчетам.

Выбранная технология цементирования должна обеспечить:

  • заполнение тампонажным раствором всего интервала ствола по всей длине его протяженности;
  • полное вытеснение промывочной жидкости цементным раствором в рамках цементируемого интервала;
  • защиту тампонажного раствора от попадания промывочной жидкости;
  • получение прочного цементного камня, обладающего высокой стойкостью к механическим и химическим воздействиям, способного к выдерживанию высоких нагрузок, которые испытывают стенки ствола на глубине;
  • хорошее сцепление затвердевшего цементного камня со стенками скважины и с поверхностью обсадной колонны.

Важно! Обеспечение качественного проведения процесса цементирования обсадных колонн позволяет заметно увеличить долговечность данных глубинных сооружений и срок добычи посредством их эксплуатации нужной продукции.

Виды оборудования которое может понадобиться

В перечень технического обеспечения проведения работ включают следующее оборудование для цементирования скважин:

  • цементировочные агрегаты, необходимые для затворения цемента и его продавливания в скважину под давлением;
  • цементно-смесительные машины используют в тех же целях, что и цементировочные агрегаты;
  • цементировочная головка необходима для проведения промывки скважинного ствола и последующего цементирования его стенок;
  • заливочные пробки применяются в том случае, если выбирается двухступенчатое цементирование скважин;
  • другие виды мелкого оборудования, включая краны высокого давления, гибкие металлические шланги, устройства для распределения раствора и др.

Оборудование, необходимое для цементирования скважин, может быть установлено на грузовых автомобилях

Важно! Чтобы обеспечить качество выполнения сложной инженерной задачи, необходимо неукоснительно следовать требованиям технологического регламента, разработанного специалистами для крепления скважинных стволов. Также тампонажная бригада, в состав которой входят лишь квалифицированные рабочие, должна соблюдать технологическую дисциплину. Большое внимание уделяют и качеству используемых тампонажных материалов.

Как видите, процесс цементирования скважин зависит от профессионализма людей, задействованных в работах, и от материалов, используемых для выполнения поставленной задачи.

Способы и технологии цементирования скважин: как приготовить и залить тампонажный раствор

После скважинные бурения в рыхлых песчаных грунтах приходит момент, идущий на укрепление труб обсадной колонны. Вместе с этим следует обезопасить ствол от повреждения, агрессивного влияния почвенных вод, коррозии и остальных отрицательных явлений. Речь идёт о таком процессе, как цементирование скважин.

Сделать работу по цементированию самостоятельно довольно сложно, но может быть, если есть наличие знаний о технологиях проведения мероприятия.

Для чего цементировать скважину?

Цементирование скважины — процесс, который нужно сразу после завершения буровых работ. Процедура цементирования состоит в том, что в затрубное или межтрубное (если например обсадная труба помещена со своей стороны в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится раствор из цемента, который на протяжении какого-то времени твердеет, образовывая монолитный ствол скважины.

Раствор из цемента в данном варианте зовется «тампонажный», а сам процесс «тампонированием». Трудный инженерный процесс, именуемый технологией цементирования скважин, требует конкретных знаний и особенного оборудования.

Во многих случаях водные источники можно тампонировать собственными руками, что обходится намного дешевле, чем привлечение экспертов.

Цементирование скважин – комплекс мероприятий, идущий на укрепление затрубного пространства и обсадной колонны от разрушающего бокового давления горных пород и влияния почвенных вод

Правильно выполненное тампонирование скважин на воду содействует:

  • обеспечению конструкционной прочности скважины;
  • защите скважины от грунтовых и верховых вод;
  • укреплению обсадной трубы и защите её от коррозийных процессов;
  • повышению эксплуатационного срока водоисточника;
  • устранению больших пор, пустых мест, щелей, через которые в горизонт воды могут попасть нежелательные частицы;
  • вытеснению бурового раствора цементным, если первый употреблялся при бурении.

От того, насколько правильно сделано цементирование, зависит качество добываемой воды и характеристики эксплуатации скважины. Также цементирование выполняется для ликвидируемых скважин, которые больше не будут больше использоваться.

Этапы цементирования водного источника

Общий процесс цементирования складуется из нескольких стадий, любой из них имеет собственные невидимые моменты:

  1. Приготовление тампонажного раствора для наполнения затрубного пространства.
  2. Подача приготовленного цемента к скважине.
  3. Закачка тампонажного раствора в затрубное пространство.
  4. Период отвердевания раствора из цемента.
  5. Проверка качества цементирования.

Любой этап требует применения конкретных инструментов и специального оборудования. Расчёты нужных материалов лучше сделать до начала тампонажных работ, т.к. процесс тампонирования должен продолжается постоянно и если вам, к примеру, не хватает раствора из цемента, то это самым отрицательным образом отобразится на качестве цементирования. Очень важные этапы будем детально рассматривать.

Иногда водоносные скважины не имеют нужды в цементировании, речь идёт о скважинах, вся глубина которых проходит в плотных грунтах глинистого происхождения

Грамотное приготовление раствора

Тампонажный раствор для цементирования скважины должен отвечать целому нескольким требованиям и владеть:

  • высокими адгезивными качествами с поверхностями разного типа;
  • хорошими качествами прочности после того как застынет, стойкостью к влияниям механики;
  • пластичностью и хорошей текучестью, дабы заполнить все трещины и пустоты;
  • химической нейтральностью в отношении тампонируемых грунтовых слоёв;
  • стойкостью к размыванию подземными водами;
  • отсутствием усадки при затвердевании.

Также раствор должен владеть такой консистенцией, дабы можно было его легко доставлять к скважине и делать закачку. Раствор должен отлично смываться с оборудования, не быть в отношении него агрессивным химическим и иметь самый маленький показатель потери при перевозке к скважине.

Применяемый тампонажный раствор должен владеть достаточно жидкой структурой для выполнения перекачивания нагнетательным оборудованием и при этом иметь большие характеристики прочности

Этап готовки раствора из цемента для тампонирования состоит в равномерном перемешивании элементов, входящих в его состав с дальнейшей заливкой в него воды, с заранее растворёнными в ней специализированными добавками.

Самыми примитивными растворами, которые можно подготовить собственными силами, считаются:

  1. Портландцемент + кварц (1:1) + специализированные добавки и вода пока не получится необходимой консистенции. Раствор такого типа имеет низкую плотность, а его приготовление считается трудным, т.к. песок, который входит в состав нередко выпадает в осадки и использование раствора будет невозможным.
  2. Портландцемент + барит (1,1:1) + специализированные добавки и вода. Недостаток подобного раствора — небольшая прочность.
  3. Портландцемент + наполнитель. Вместо наполнителя применяется асбест (на песчаных грунтах), волокнистые материалы.

Для приготовления цементирующей смеси наиболее оптимально применять тампонажный портландцемент, собой представляет разновидность цемента на основе силикатов.

Такой цемент, разумеется, обойдется намного дороже, чем обыкновенный портландцемент, но его характеристики прочности значительно выше, чем у простого. Барит — тяжёлый минерал, повышающий плотность раствора. Приобрести барит можно в магазине по продаже строительных материалов и инструментов, торгующем сыпучими материалами для строительства.

Под специализированными добавками, входящими в состав цементирующих растворов, знают разные вещества, придающие раствору специальные качества. К ним можно отнести:

  • ускорители высыхания цемента (хлористый кальций, кальцинированная сода, поташ), используемые, если цементирование происходит при температуре меньше +5 градусов;
  • замедлители высыхания, которые применяются для устранения быстрого отвердевания (это хлориды кальция или натрия, нитрит натрия и др.);
  • низкомолекулярные органические вещества для получения самой лучшей вязкости (полимерные модификаторы);
  • морозоустойчивые добавки (кремнийорганические соединения вместе с низкомолекулярными органическими веществами);
  • влагопоглощающие добавки (вещества, которые получены из соединений, относящиеся к группам сахарной, лимонной, винной и тетраоксиадипиновой кислот) и др.

Специализированные добавки размешиваются в воде, которую в последующем используют для приготовления тампонажного раствора. Перемешивают раствор с помощью спецмашин — миксеров. Порой разрешается ручное замешивание, но оно требует конкретной сноровки и больших затрат труда.

Цементный камень, который образуется при затвердевании портландцемента, владеет высокими прочностные качествами, выдержит нагрузки, механическое и физическое влияние

Нужное для работ оборудование

Все работы по цементированию водоносных скважин обязаны производится строго в согласии с техническими требованиями, нарушение которых приведёт к некачественному цементированию. Приступая к тампонированию скважины, вам нужно знать, что это необратимый процесс, поправить что-нибудь после начала подачи раствора в затрубное пространство скважины нереально, благодаря этому работам по подготовке, а конкретно к приготовлению раствора для цементирования и подбору оборудования, необходимо подойти очень серьезно!

Читайте также:  ТОП-12 центробежных насосов для скважины: рейтинг лучших + рекомендации по выбору оборудования

Самый обыкновенный и прекрасный способ — аренда оборудования на площадке автотехники. Такой комплекс сумеет подготовить раствор из цемента и под давлением перекачать его в скважину, при этом энергетическим источником для работы оборудования служит мощный двигатель автомобиля. Если применение агрегатов на базе спецавтомобиля нереально, то вам понадобится:

  • миксер для приготовления раствора из цемента;
  • насос большого давления, осуществляющий подкачку раствора к скважине;
  • цементировочная головка для закачки раствора в середину скважины;
  • заливочные пробки (кол-во зависит от способа цементирования);
  • разный мелкий инвентарь (шланги, мерные ёмкости).

В качестве шланга большинство экспертов сходятся в едином мнении взамен классических ПНД труб диаметром 32 см применять эластичный пожарный шланг. Он плоский и прекрасно проходит в пространство между трубами, обеспечивая эффективную подачу раствора.

Оборудование для цементирования скважин имеет большие размеры и требует и мощного энергетического источника, к примеру нагнетателя воздуха, генератора, бесперебойного доступа к электрической сети

Способы заливки раствора в скважину

Главными способами цементирования скважин считаются:

  • непрерывное или одноступенчатое;
  • двухступенчатое;
  • манжетное;
  • обратное.

Все способы цементирования артезианских скважин базируются на одном принципе — закачке в затрубное пространство тампонажного раствора. При этом подбор технологии цементирования зависит от определенных условий: типа грунта, глубины скважины, материала обсадочных труб, климатических и гидрогеологических условий местности.

Подобранная методика тампонирования скважины на воду должна обеспечить:

  • заполнение раствором всего створа скважины на всю глубину;
  • полноценно выдавить жидкость для промывки (при её наличии);
  • создание очень прочного цементного камня, устойчивого к физическим, механическим и влияниям химии;
  • больший коэффициент адгезии с грунтовыми стенками скважины, обсадными трубами.

Для глубоких скважин используют сегментарное цементирование, т.е. цементируется не весь створ скважины сразу, а исключительно его некоторые участки.

Этот процесс довольно непростой и практика демонстрирует, что сделать его своими силами как правило невозможно. Благодаря этому подробно рассмотрим технологию одно- и двухступенчатого и манжетного цементирования.

Одноступенчатое или непрерывное цементирование

Данный способ наиболее активно используют для цементирования бытовых водоносных скважин. При его реализации цементирующий раствор закачивается в затрубное пространство.

Раствор закачивается под давлением с помощью оборудования, которое установлено на платформу спецавтомобиля или стационарно недалеко от скважины. Цементирующий раствор под собственной тяжестью двигается к основе-«башмаку» обсадной колонны, наполняя все затрубные пустоты.

Работы по одноступенчатому цементированию проводятся за один цикл без перерывов, благодаря этому нужно побеспокоится о необходимом количестве тампонажного раствора

Перед началом работ по цементированию ведется промывание скважины, а потом вводится нижняя пробка, которая будет делать роль ограничителя. Включается бетононасос и начинается закачка тампонирующего раствора, под влиянием которого пробка опускается, пока не достигнет «башмака» обсадной колонны.

После закачки раствора ставится верхняя пробка и начинается уплотнение смеси цемента, до той поры, пока верхняя пробка не упрётся в нижнюю. Это означает, что раствор заполнил все затрубное пространство. Уплотнение выполняется станком вибропрессовки с помощью подкачки раствора бетононасосом.

Зацементированная скважина оставляется в покое на 36-48 часов для полнейшего отвердевания раствора. Этот способ подходит исключительно для неглубоких ровных по форме скважин. Недостатком такого способа считается невозможность проследить момент, когда раствор из цемента достиг нижней точки створа скважины.

Двухступенчатая система заливки

Данный метод цементирования был разработан для скважин нефтедобывающей промышленности. Из-за причины того, что он требует применения серьёзного оборудования которое применяется в промышленности (мощного бетононасоса), в оборудовании скважин он используется не часто. Двухступенчатое цементирование применяют в таких вариантах:

  • раствор из цемента схватуется настолько быстро, что нельзя окончить цементирование в один цикл;
  • когда потребуется выделить два участка в затрубном пространстве, которые разделены существенным расстоянием;
  • при приличной глубине скважины, когда совершить работы в один цикл нереально.

В других вариантах использование двухступенчатого способа нецелесообразно из-за причины продолжительности процесса и показателям в плане экономии.

Двухступенчатое цементирование более продолжительное по времени, так как второй этап начинают после полного отвердевания тампонажного раствора первой ступеньки

Принцип двухступенчатого цементирования построен на том, что закачка цемента в затрубное пространство выполняется в 2 приёма.

Первая часть тампонажного раствора загружается и продавливается. Опускается нижняя пробка, которая род воздействием раствора пробка опускается на днище. Вторая часть раствора закачивается через 12-36 часов, после окончательного отвердевания первой порции.

На практике глубокого бурения водозаборных скважин если есть наличие сверху геологического разреза поглощающих пластов и в остальных случаях используют двухступенчатое цементирование

Использование манжетного способа

Данный метод цементирования применяется, если нужно закрепить только верхнюю часть скважины. При этом начальной задачей станет определение уровня, до которого будет выполняться цементирование.

Уровень отмечается по обсадной трубе установкой особого манжета. Часть снизу створа при этом хорошо защищена манжетой от проникновения тампонирующего раствора.

Раствор закачивается точно также, как и при одноступенчатом цементировании. Применяется манжетный метод в случае если верхняя часть скважины расположена на песчаных грунтах, а нижняя — на глинистых. Это встречается весьма нечасто, благодаря этому этот способ не нашёл широкого использования.

Процесс образования цементного камня

Процесс образования цементного камня начинается сразу же после закачки тампонирующего раствора и продолжается от 12 до 36 часов. Главными факторами, которые влияют на продолжительность отвердевания раствора до состояния цементного камня:

  • свойства элементов, входящих в состав раствора;
  • грунты, материал обсадочных колонн;
  • гидрогеологические и условия климата на участке;
  • плотность закачки, безукоризненность выполнения процесса тампонирования.

Во время отвердевания следует оставить скважину в состоянии покоя. Не позволяется применять тросы, ломы, проволоку для оценки качества цементирования, т.к. это может нарушить целость образующегося цементного камня.

Если вы не знайте, какое количество времени нужно для полнейшего высыхания цементирующего раствора, подождите три дня и нужно приступить к контрольным замерам

Оценка качества цементирования

Нужно отметить: не обращая внимания на то, что оценка качества цементирования водоносных скважин считается важнейшим этапом, провести её собственными силами нереально.

Для её выполнения требуется специализированное лабораторное оборудование, которое не часто встречается даже у организаций, которые занимаются бурением. Если всё-таки Вы намерены сделать оценку проведённого тампонирования, то можете заказать услугу контроля качества одним из трёх способов:

  • звуковой, основанной на простукивании стенок обсадной колонны, с дальнейшей обработкой обретенных данных компьютерными программами;
  • радиологический, когда измерение с помощью радиоприборов;
  • термальный, который основан на принципе измерения выделяемого тепла при застывании раствора из цемента.

В «домашних» условиях вы можете применить очень простой термальный способ, померяв температуру у скважных стен. Когда она сравняется с находящейся вокруг температурой воздуха и станет ниже на 0,5-1,5 градусов, тогда можно говорить о полном затвердевании. Но даже потом рекомендуется выждать 2-3 дня и собственно тогда воплощать в жизнь ввод скважины в эксплуатирование.

После окончания проверки устье скважины прочищается от останков раствора из цемента с помощью желонки. Потом выполняется проверка герметичности, зачем в трубу скважины закачивается вода под большим давлением на протяжении 30 минут. Параметром герметичности будет снижение давления приблизительно на 0,3-0,5 МПа. Сейчас скважина абсолютно готова к применению.

Непроницаемость тампонирования увеличивает дебет скважины, повышает служебный срок обсадочных колонн, защищая их от коррозийных процессов, а еще самого водоисточника

Нужное видео по теме

В ниже предоставленных видеороликах речь идёт о скважинах в нефтегазовой отрасли, но принцип технологии выполнения работ такой же, как для водоносных скважин.

Процедура одноступенчатого цементирования скважины:

Характерность производства манжетного цементирования:

Инновационные специфики двухступенчатого цементирования:

Цементирование — процесс не из легких, требующий использования специальной техники. Но это не говорит про то, что провести его своими силами нереально. Подобрав и правильно приготовив тампонажный раствор, применяя самый маленький комплект агрегатов, с работой действительно можно управиться собственными силами.

При любых обстоятельствах работа скважины без укрепления ствола цементом не будет длительной, а расходы на бурение нового водоисточника будут совсем не меньше.

Забор, который не выпирает после зимы. (В комментах — минимизация затрат)

Технология цементирования скважин

Цементирование скважин является обязательной процедурой при бурении. Пренебрегать ей нельзя. Цель цементирования заключается в защите ее от попадания грязи сверху вниз.

Технологии тампонирования

Способы цементирования скважин, которые применяются в настоящее время, имеют между собой различия в подаче цементирующих (тампонажных) смесей в пространство, находящееся за обсадной колонной, и в применяемом технологическом оборудовании.

Имеются следующие схемы закачки готовых смесей:

  1. Прямая схема. В ходе закачки по такой схеме подача смеси осуществляется непосредственно внутрь обсадной колонны, которая опускается до «башмака», выходит в затрубное пространство и заполняет его снизу до верха скважины.
  2. Обратная схема. Цементаж подается непосредственно в затрубное пространство, заполнение происходит сверху вниз.

В ходе масштабного бурения наиболее часто используется прямая схема, и сама процедура выполняется за один цикл, при котором подается все необходимое количество тампонажной смеси.

Оборудование для тампонирования

Оборудование для цементирования скважин должно быть таким:

  • агрегат цементировочный, обеспечивающий затворение растворов и их подачу внутрь скважин под давлением;
  • смесительный агрегат аналогичного назначения, что и цементировочный;
  • головка цементировочная, при помощи которой промывают ствол скважин и тампонируют его стены;
  • заливочные пробки, которые используют в качестве ограничителей в случае выполнения двухступенчатого процесса цементации;
  • прочее оборудование, такое как распределительные устройства для подачи смеси, металлорукава, краны высокого давления.

Одноступенчатое тампонирование

Одноступенчатое цементирование скважин получило большое распространение при цементировании водяных скважин бытового назначения. При этом тампонажная смесь с избыточным давлением подается в затрубное пространство агрегатами, установленными на грузовое автомобильное шасси или стационарную платформу, расположенную на близком расстоянии. Тампонажная смесь движется вниз по колонне, достигает дна и затем заполняет все затрубное пространство.

Есть определенная технология цементирования скважин. Перед цементированием они промываются, и в ствол обсадной колонны проводится крепление нижней пробки в качестве ограничителя. Затем с помощью бетонного насоса производится подача смеси. Опускаясь по стволу, смесь давит на пробку, продвигая ее до «башмака» колонны. После этого в колонну ставят верхнюю пробку и начинают процесс уплотнения смеси при помощи вибропресса с одновременной подкачкой дополнительного количества смеси внутрь скважины.

В момент касания верхней пробки нижней считается, что процесс уплотнения раствора завершен и что весь поданный раствор наполнил пространство за обсадной колонной. По завершении процесса цементирования раствору дают до 48 часов для полного застывания. Одноступенчатый тампонаж применяется для скважин небольшой глубины, имеющих простую геометрию ствола. Главный недостаток данного метода состоит в том, что нельзя определить время достижения раствором «башмака» колоны.

Двухступенчатое или двухцикловое цементирование

Двухступенчатое цементирование скважин было специально создано для тампонирования нефтеносных источников. Требуя наличия технологического оборудования большой мощности, этот метод тампонирования используется редко.

Читайте также:  Как подобрать хороший насос для полива огорода водой из пруда, бочки или водоема

В основном способ применяется при таких условиях:

  • когда тампонажная смесь застывает за такое короткое время, что невозможно за 1 раз заполнить пространство за обсадной колонной;
  • необходимо пространство за обсадной колонной разделить на несколько участков;
  • большая глубина, что не дает провести тампонирование из-за очень высокого давления, требуемого для подачи смеси.

В другом случае двухступенчатая цементация скважин нецелесообразна по временным критериям, а также по величине материальных затрат.

Метод двухступенчатого тампонирования состоит в том, что подачу тампонажной смеси выполняют в два цикла. В ходе первого цикла закачивается количество смеси, которое заполняет только определенную часть затрубного пространства. После застывания смеси, по истечении не менее 13 часов, подается оставшееся требуемое количество смеси для полного заполнения затрубного пространства.

Проверка качества проведенной цементации

Проверить качество выполненных работ по тампонированию возможно только с привлечением сторонних специалистов. Самому это сделать не представляется возможным, так как для проверки требуется особые приборы, так называемые дефектоскопы, которые зачастую имеются только в специализированных лабораториях. В этих лабораториях необходимо заказывать услугу по оценке качества цементирования при помощи следующих методов:

  1. Акустического, в ходе которого при помощи ультразвука проверяется отсутствие полостей в затрубном пространстве. Метод использует свойства звуковой волны менять свои характеристики при прохождении сред с разной плотностью.
  2. Радиологического, основанного на измерении степени рассеивания ионизирующего излучения, издаваемого радиоизотопным источником.
  3. Термального, основанного на изменении температуры застывающего раствора.

Результатом проверки является презентация, которую вам предоставляют сотрудники лаборатории.

Термальным методом проверить качество работ можно и самостоятельно, для чего достаточно замерить температуру стен скважины. Если температура стен равна температуре воздуха, то это свидетельствует о том, что тампонажная смесь застыла полностью. Но и после этого требуется, чтобы скважина отстоялась в течение 2 дней.

По истечении этого времени выполняется очистка устья скважины от остатков тампонажной смеси. После этого скважина проверяется на герметичность в течение 30-40 минут высоким избыточным давлением воды. Величина падения давления в течение указанного времени не должна превышать установленного значения.

После выполнения этих процедур считается, что скважина готова к эксплуатации.

Методы цементирование скважин

В тех случаях, когда бурение скважины проводилось в легких песчаных грунтах, требуется дополнительная защита обсадных труб от смещения и коррозии. Укрепить шахту и продлить срок службы источника поможет такой метод как цементация скважины.

Как проводится цементирование

Суть процесса заключается в том, чтобы после установки и закрепления обсадных элементов заполнить затрубное пространство цементным раствором. Если ствол состоит из внутренней и внешней трубы, раствором заполняют межтрубное пространство. После застывания раствор образует прочный монолитный слой, который предохраняет шахту от повреждения и разрушения.

Подобная обработка ствола после бурения называется тампонированием. Для ее проведения необходимы определенные навыки и знания, а также специализированное оборудование для закачки раствора. При соблюдении технологических требований удается не только укрепить ствол шахты, а и устранить все пустоты и поры, через которые в обсадную трубу проникают различные примеси и абразивные частицы, ухудшающие качество воды и способствующие быстрому изнашиванию насосного оборудования.

Скважины также цементируют в тех случаях, когда они больше непригодны к эксплуатации.

Последовательность проведения работ

Цементация скважин проводится в несколько последовательных этапов. Вначале рассчитывается количество цементного раствора, необходимого для полного заполнения пространства между грунтом и наружными стенками обсадных труб. Поскольку тампонирование должно идти непрерывно, очень важно точно подсчитать и подготовить достаточные объемы цемента.

Схема цементации скважины

Далее готовый раствор подается к шахте и закачивается между трубами и грунтом. После застывания цемента проводится проверка качества выполненных работ.

Какие растворы используют для тампонирования

При тампонаже скважин применяются цементные смеси, отвечающие целому ряду требований. Консистенция готового раствора должна быть такой, чтобы его можно было легко доставить к месту проведения работы. От пластичности и текучести смеси зависит, насколько качественно будут заполнены все полости и пустоты. Кроме этого, приготовленный раствор должен обладать:

  • хорошей адгезией к поверхности труб и грунту;
  • повышенными прочностными характеристиками после окончания процесса затвердевания;
  • химической нейтральностью;
  • устойчивостью к воздействию грунтовых вод;
  • отсутствием усадки во время затвердения.

При самостоятельном выполнении работ приготовление цементировочной смеси проводят на основе специального тампонажного портландцемента. Стоимость его несколько выше, чем у обычного цемента, однако особые силикатные добавки позволяют значительно повысить устойчивость застывшего раствора к различным внешним воздействиям.

В качестве дополнительного компонента может использоваться песок, барит или асбест. Кроме этого в состав должны входить специальные добавки:

  1. Вещества, ускоряющие застывание раствора или, наоборот, замедляющие его схватывание. Выбор веществ зависит от температуры воздуха в момент проведения заливки.
  2. Пластификаторы, обеспечивающие вязкость и текучесть готовой смеси.
  3. Добавки, повышающие устойчивость к низким температурам и перепадам температурного режима.
  4. Поглотители влаги.

Смешивание можно проводить вручную, однако при больших объемах раствора для тщательного перемешивания всех компонентов лучше привлечь специальную технику.

Какое оборудование потребуется для проведения работ

Качественное цементирование шахты возможно при полном соблюдении всех требований технологического процесса. Прерывание заливки цементной смеси существенно снизит прочность защитного слоя. Лучший вариант — взять в аренду спецоборудование, которое выполняет полный комплекс работ от смешивания раствора до подачи его в затрубное пространство и полного заполнения всех полостей. В крупных городах (таких, как Москва, областные и региональные центры) найти такую технику не составит труда.

Если же арендовать такой агрегат нет возможности, необходимо найти и подготовить следующее оборудование для цементирования скважин:

  • миксер для перемешивания компонентов раствора;
  • насосное оборудование, способное подкачивать готовую смесь под высоким давлением;
  • специальную цементировочную головку для подачи раствора в шахту;
  • определенное количество заливочных пробок (зависит от метода выполнения заливки);
  • шланг для подачи смеси (лучше всего выполнять работы с использованием гибкого пожарного шланга);
  • мерная емкость.

Выбор метода заливки цементной смеси

Перед тем, как выбрать один из методов цементации скважины, необходимо учесть свойства грунта, глубину ствола, расстояние до водоносного слоя и уровень сезонного подъема грунтовых вод, тип материала, из которого изготовлены обсадные трубы.

Для самостоятельного выполнения работ подходят следующие способы цементирования скважин:

  • одноступенчатое;
  • манжетное;
  • обратное цементирование.

Для глубинных скважин используется так называемая сегментарная заливка. Это довольно трудоемкий способ, который требует обязательного привлечения специалистов.

Сплошная цементация

Одноступенчатое цементирование скважин — наиболее распространенный способ для укрепления ствола неглубоких шахт. Перед подачей цементирующей смеси скважину промывают и вводят нижнюю пробку. При подаче смеси пробка начинает опускаться вниз под весом столба. После того, как весь подготовленный раствор окажется в стволе, а нижняя пробка опустится к основанию колонны, устанавливается верхняя пробка и начинается продавливание тампонажной смеси в пространство между трубой и грунтом. По мере опускания верхней пробки раствор продавливается и поднимается снизу вверх.

В момент, когда обе пробки окажутся на дне шахты, работу можно считать оконченной. Для полного затвердевания достаточно 1,5-2 суток.

Манжетный способ

Манжетное цементирование применяется в тех случаях, когда следует создать монолитный слой только вокруг верхнего участка обсадной трубы. Обычно такая заливка требуется для скважин, часть которых находится в сыпучих грунтах, а часть — в глинистых или суглинках.

Манжетный способ цементирования скважин

Первым этапом является установление границ участка, на котором требуется дополнительное укрепление. Далее в этом месте на обсадную трубу устанавливается специальная манжета. Заливка раствора проводится так же, как и в предыдущем случае, только тампонажный раствор будет проникать в межтрубное пространство на определенном участке.

Наличие разных по плотности пластов при разработке скважин встречается не очень часто, поэтому данный метод цементирования не получил широкого распространения.

Обратная цементация

Этот метод также применяется достаточно редко в связи с невозможностью контроля качества защитного слоя в области основания колонны. Суть метода заключается в том, что смесь подается сразу в просвет между трубами или между трубой и грунтом. Под своим весом раствор стекает до самого основания шахты, заполняя свободное пространство.

Несмотря на относительную простоту подачи раствора, данный способ не рекомендуется к использованию при заливке глубинных скважин. Это связано с тем, что на большой глубине очень сложно установить плотность раствора, а также установить момент, когда цементная смесь достигнет основания стола.

Длительность затвердения защитного слоя и проверка его качества

Образование цементного камня начинается сразу после завершения заливки смеси. Процесс полного затвердения зависит от температуры окружающей среды, состава и влажности грунта, материала обсадных элементов, а также характеристик и перечня компонентов самого раствора. Если нет возможности определить момент, когда защитный слой полностью сформировался, следует выждать как минимум 48 часов до выполнения каких либо действий.

В течение этого времени использование тросов, проволоки и других приспособлений для прощупывания заливки категорически не рекомендуется. Любое механическое воздействие может негативно сказаться на качестве и целостности цементного камня.

По истечении двух суток рекомендуется провести проверку полученного защитного слоя. Более точные результаты можно получить только с использованием специального профессионального оборудования. Существует три способа проверки целостности раствора:

  • Акустический. Методика основана на простукивании обсадных труб по всей длине шахты и обработке полученных результатов через компьютерную программу.
  • Радиологический. Измерение проводится специальными радиоприборами.
  • Термальный. Проводится измерение температур в процессе застывания слоя.

Если нет возможности пригласить специалистов для оценки выполненных работ, проверить готовность цементного слоя можно при помощи упрощенного термального метода. Для этого в течение периода застывания смеси измеряют температуру у стенок обсадных труб. Она должна вначале сравнятся с температурой окружающего воздуха, а затем стать на 1-1,5 градуса ниже.

Завершающим этапом является очистка ствола от остатков смеси. При выполнении работ своими руками очистку можно проводить желонкой. Перед вводом источника в эксплуатацию проводится проверка шахты на герметичность. Для этого в течение 20-30 минут в ствол закачивают воду под давлением. Если за это время давление воды снизилось не более, чем на 0,5 МПа, работы были выполнены качественно.

Технологический процесс цементирования скважин

Заключительный этап проведения буровых работ сопровождается процессом, который предполагает цементирование скважин. От того, насколько качественно будут проведены эти работы, зависит жизнеспособность всей конструкции. Основная цель, преследуемая в процессе проведения данной процедуры, заключается в замещении бурового раствора цементным, который имеет еще одно название — тампонажный раствор. Цементирование скважин предполагает введение состава, который должен затвердеть, превратившись в камень. На сегодняшний день существует несколько способов осуществления процесса цементирования скважин, наиболее часто используемому из них более 100 лет. Это одноступенчатое цементирование обсадной колонны, явленное миру в 1905 году и используемое сегодня лишь с некоторыми доработками.

Схема цементирования с одной пробкой.

Читайте также:  Станции для повышения давления воды: рейтинг популярных моделей + советы покупателям

Процесс цементирования

Технология осуществления цементирования скважин предполагает проведение 5 главных видов работ: первый — замешивание тампонажного раствора, второй — закачивание состава в скважину, третий — подача смеси выбранным методом в затрубное пространство, четвертый — затвердевание тампонажной смеси, пятый — проверка качества осуществленных работ.

Перед стартом работ должна быть составлена схема цементирования, которая имеет в основе технические расчеты процесса. Важно будет при этом взять во внимание горно-геологические условия; протяженность интервала, которому необходимо укрепление; характеристики конструкции скважинного ствола, а также его состояние. Следует использовать в процессе проведения расчетов и опыт осуществления таких работ в определенном районе.

Особенности нагнетания

Рисунок 1. Схема процесса одноступенчатого цементирования.

Цементирование допустимо производить разными методами подачи смеси в затрубное пространство, более того, могут быть применены в процессе проведения работ и различные приспособления. Цементирование скважин может предполагать прямую подачу смеси, такая схема предполагает поступление цемента во внутреннее пространство обсадной колонны с последующим его прохождением непосредственно до башмака и дальнейшим поступлением в затрубное пространство, при этом поступление раствора производится снизу вверх. При обратной схеме закачка производится в обратном порядке, сверху вниз.

Если упоминать промышленные масштабы, то процесс цементирования, как правило, осуществляется с использованием прямой схемы.

Осуществление цементирования скважин при этом может производиться в один подход, в ходе которого требуемый объем для тампонирования смеси продавливается за один раз.

На рис. 1 можно увидеть изображение схем процесса одноступенчатого цементирования. «I» — старт подачи смеси в ствол. «II» — это подача смеси, нагнетаемой в скважину, когда раствор перемещается вниз по обсадной колонне, «III» — это старт продавливания тампонажного состава в затрубное пространство, «IV» — это заключительный этап продавливания смеси. На схеме 1 — манометр, который отвечает за контроль уровня давления; 2 — цементировочная головка; 3 — пробка, расположенная сверху; 4 — нижняя пробка; 5 — обсадная колонна; 6 — стены скважины; 7 — стоп-кольцо; 8 — жидкость, предназначенная для продавливания тампонажной смеси; 9 — буровой раствор; 10 — цементная смесь.

Схема цементирования с двумя пробками.

Двухступенчатое цементирование применяется, когда скважина имеет значительную глубину. Технологический процесс делится на поочередное заполнение отдельных интервалов посредством применения оборудования. Манжетное цементирование, в отличие от вышеперечисленных способов, предполагает защиту части ствола от прохождения тампонажной смеси. Манжета позволяет изолировать участок, располагающийся на протяженности продуктивного пласта. Скважина может иметь скрытые колонны и секции, их цементирование можно выделить в отдельную группу.

Осуществление цементирования скважин, независимо от выбранного метода проведения работ, преследует цель изгнания из затрубного пространства раствора, образованного бурением, что возможно путем помещения туда тампонажного раствора. Цементирование обеспечивает полное заполнение тампонажной смесью интервала ствола; устранение промывочной жидкости посредством проникновения цементной смеси в рамках интервала, предназначенного для цементирования; защиту тампонажной смеси от проникновения промывочной жидкости; образование цементного камня, который характеризуется значительной устойчивостью к разного рода воздействиям в виде глубинных нагрузок; отличное сцепление цементного камня со стенами скважины и с поверхностью обсадной колонны.

Если скважину качественно зацементировать, то это позволит во много раз увеличить долговечность глубинных сооружений и срок их эксплуатации. Цементирование можно произвести только при наличии специального оборудования.

Инструменты и материалы

Схема цементировочной головки.

  • цементировочные агрегаты, предназначенные для проведения затворения смеси и ее последующего продавливания под значительным давлением;
  • цементно-смесительное оборудование;
  • цементировочная головка для осуществления промывки ствола и дальнейшего цементирования его стен;
  • заливочные пробки для двухступенчатого цементирования;
  • краны высокого давления;
  • стальные гибкие шланги;
  • устройства, предназначенные для проведения распределения раствора.

Рекомендации специалистов

Цементируется скважина только раствором с тщательно подобранным составом, который будет зависеть от структуры грунтовых слоев. Для того чтобы более плотно была произведена цементация затрубного пространства, необходимо применять увеличивающийся в объеме раствор. Если скважина обустроена в толще пористой горной структуры, то при ее цементировании нельзя использовать обычный цементный раствор, так как он станет поступать в толщу геологической структуры, и это станет причиной большого перерасхода материала. По этой причине, если при предварительном геологическом обследовании были обнаружены пористые слои грунта, следует использовать смесь, которая имеет в составе волокнистый наполнитель на базе тростника, асбеста, бумаги и иных материалов волокнистого типа.

Схема заканчивания скважины открытым забоем.

Обычную цементно-песчаную смесь необходимо применять в случае обнаружения глинистой почвы, которая способна гарантировать надежное сцепление. Кроме того, жидкая смесь позволяет выполнить разобщение слоев грунта, то есть организуется хорошая межпочвенная герметизация.

Подготовительный этап цементирования должен предполагать не только выбор метода заполнения затрубного пространства и состава смеси, но и подготовку оборудования, что предусматривает проверку наибольшего рабочего давления и производительности подачи смеси.

Необходимо произвести качественную промывку скважины и самого затрубного пространства обычной водой, что позволит очистить пространство от буровых остатков почвы. Если пренебречь этим этапом, то это может стать причиной недостаточного заполнения смесью нужного пространства. В дальнейшем это приведет к перемещению почвы и повреждению обсадной трубы.

При подготовке тампонажной смеси следует обязательно добавить в нее коррекционные составляющие, которые станут регулировать пластичные характеристики смеси и сроки ее схватывания, так как процесс заполнения затрубного пространства предполагает трату значительного времени.

Для того чтобы гарантировать качественное заполнение пространства, при котором не будет повреждена сама скважина, период жизни тампонажной смеси минимум должен быть равен 3 часам, тогда как достижение им полной твердости должно осуществиться не позднее 72 часов.

Для того чтобы цементировать скважину, оборудование можно установить на грузовых автомобилях. Стоит помнить, что цементирование будет проведено качественно, если в процессе осуществления работ будет использован квалифицированный труд, а также материалы, оборудование и инструменты, которые предназначены для выполнения поставленной задачи.

Технология затрубной цементации скважин

Некоторые конструкции скважин и условия бурения требуют цементации скважин, точнее затрубного пространства между обсадной колонной и грунтовой стенкой скважины. Цементация призвана укрепить скважину, повысить уровень герметизации, в результате — продлить срок службы водозаборной системы.

Как цементируют скважину?

Для цементации скважины используется тампонажный раствор. В отличие от бурового раствора, облегчающего процесс бурения, тампонажный раствор превращается в твердое тело. Благодаря этому обсадная колонна крепится к стенка скважины. Такое техническое решение делает во много раз прочнее всю конструкцию.

Известно несколько методов цементации, каждый из которых содержит следующие основные этапы:

  • приготовление тампонажного раствора
  • подача раствора в затрубное пространство одним из способов
  • твердение тампонажной смеси
  • проверка качества тампонажа


тампонажный цемент

Учитывая важность и высокую сложность предстоящего процесса, перед началом тампонирования обязательно составляется схема будущих работ. Схема составляется с учетом конструкции скважины, характеристик грунта, в котором было произведено бурение, протяженности участка тампонирования, марка тампонажного раствора и многое другое. Все параметры обязательно проверяются инженерным расчетом, так как неправильно сделанное тампонирование способно навсегда вывести скважину из строя и тогда уже придется применять ликвидационное тампонирование, цель которого защита водоносного горизонта от загрязнений с поверхности и из промежуточных геологических слоев. Кроме теоретических расчетов всегда учитывается опыт тампонирования скважин, проведенный в сходных условиях. Кроме упрочнения и герметизации скважины цементация позволяет удалить буровой раствор, смесь раствора с буровым шламом и другие жидкости (например, промывочную жидкость) из затрубного пространства.

Как тампонажный раствор попадает в скважину?

Цементировочная смесь может быть доставлена в затрубное пространство скважины несколькими способами, для чего используется различное оборудование.

Прямая подача

Тампонажный раствор подается непосредственно внутрь обсадной колонны. Далее смесь через нижнюю часть скважины — так называемый башмак — проникает в затрубное пространство и заполняет его, поднимаясь между внешней поверхностью обсадной колонны и грунтовой стенкой выработки. Чаще всего используется прямая подача цементировочной смеси.


цементация скважины с двумя пробками

Для контроля положения массы тампонажного раствора применяют две пробки. Находясь между этими пробками раствор опускается внутри обсадной колонны до нижней части скважины. Затем в колонну под давлением закачивается жидкость, которая давит на верхнюю пробку, которая в свою очередь как поршень передает давление тампонажному раствору и раствор через нижнюю часть скважины попадает в затрубное пространство. Существует более простой вариант затрубной цементации скважины с использованием одной пробки. Давление жидкости контролируется по манометру.


цементация затрубного пространства завершена

Обратная подача

При обратной подаче тампонажный раствор сначала попадает в затрубное пространство, опускаясь снаружи вдоль обсадной колонны.

Одноступенчатое цементирование

При одноступенчатом цементировании весь объем тампонажного раствора доставляется за один цикл. Например, так происходит при цементировании скважины с помощью одной или двух пробок с прямой подачей раствора.

Одноступенчатое цементирование

При одноступенчатом цементировании весь объем тампонажного раствора доставляется за один цикл. Например, так происходит при цементировании скважины с помощью двух пробок с прямой подачей раствора.

Двухступенчатое цементирование


пакеры для двухступенчатого и манжетного цементирования

Данный вид цементирования сложнее в реализации и применяется при большой глубине скважины. Большая глубина увеличивает сопротивление, что затрудняет продавливание вязкого тампонажного раствора вдоль всей скважины за один проход. Потребовалось бы слишком высокое давление, что не всегда можно использовать без риска нарушить конструкцию скважины или характеристики геологических слоев в результате поглощения цементирующего раствора. Для компенсации большой глубины скважины используется метод манжетного цементирования. Манжеты ограничивают продвижение тампонажной смеси, организуя отдельные цементные кольца в затрубном пространстве, защищают продуктовый пласт от попадания смеси, позволяют цементировать скважину отдельными участками.

Оборудование для цементирования скважины

Какое оборудование понадобится для проведения цементации скважины?

  • смесительная установка для приготовления тампонажного раствора и других технологических жидкостей
  • цементировочный насос, задача которого нагнетать тампонажную смесь в скважину и продавить ее при определенном давлении
  • насосная установка для нагнетания в скважину рабочих жидкостей
  • цементировочная головка
  • муфта ступенчатого цементирования
  • гибкие стальные шланги


оборудование для затрубной цементации скважины

Советы буровиков

Состав тампонажного раствора подбирается в зависимости от структуры и свойств геологических слоев, в которых пробурена скважина. Плотность затрубной цементации можно повысить, если использовать раствор, который увеличивается в объеме. Если порода пористая, с высоким коэффициентом поглощения, то обычный раствор использовать нельзя, так как неизбежен его перерасход. Вместо заполнения затрубного пространства тампонажная смесь под давлением будет уходить в стороны от скважины. В такой ситуации рекомендуется применять тампонажный раствор с волокнистым наполнителем. В качестве наполнителя могут выступать многие натуральные или искусственные волокносодержащие материалы.

Перед цементацией затрубного пространства скважины не только выбирается тампонажный раствор и метод цементации, но также проверяется все оборудование в условиях максимального рабочего давления и производительности при подаче смеси.

Предварительно скважина и затрубное пространство должны быть промыты водой для очистки от шлама, оставшегося после бурения. Без промывки крупные куски породы, оставшиеся после бурения, помешают равномерному заполнению объема тампонажным раствором, что в будущем может привести к повреждению конструкции скважины.

Ссылка на основную публикацию
×
×