Способы и технологии цементирования скважин

Как цементируют скважину?

Цементирование скважины — процесс, который следует сразу после окончания буровых работ. Процедура цементирования заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае если обсадная труба помещена в свою очередь в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

Цементный раствор в этом случае называется «тампонажный», а сам процесс «тампонированием». Сложный инженерный процесс, именуемый технологией цементирования скважин, требует определённых знаний и специального оборудования. В большинстве случаев источники воды можно тампонировать своими руками, что обходится гораздо дешевле, чем привлечение специалистов.

Цементирование скважин – комплекс мероприятий, направленный на укрепление затрубного пространства и обсадной колонны от разрушающего бокового давления горных пород и воздействия грунтовых вод

Правильно произведённое тампонирование скважин на воду способствует:

  • обеспечению прочности конструкции скважины;
  • защите скважины от грунтовых и верховых вод;
  • укреплению обсадной трубы и защите её от коррозии;
  • повышению срока эксплуатации водоисточника;
  • устранению крупных пор, пустот, зазоров, через которые в водоносный горизонт могут попасть нежелательные частицы;
  • вытеснению бурового раствора цементным, если первый использовался при бурении.

От того, насколько грамотно осуществлено цементирование, будет зависеть качество добываемой воды и эксплуатационные характеристики скважины. Также цементирование производится для ликвидируемых скважин, которые больше не будут больше эксплуатироваться.

В редких случаях водоносные скважины не нуждаются в цементировании, речь идёт о скважинах, вся глубина которых проходит в плотных глинистых грунтах

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.

Способы и технологии цементирования скважин

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.

Необходимость цементирования скважин

Цементация скважины – технологический процесс, направленный на замещение бурового состава заполняющим цементным раствором. Для этого он вводится в затрубное пространство скважины, превращаясь в монолит после полного затвердения.

Технология цементирования требует наличия особых знаний, навыков и привлечения специализированной техники. Частные скважины можно тампонировать самостоятельно, это позволит сэкономить семейный бюджет и получить необходимый практический опыт.

Цементирование гидросооружения позволяет решить следующие задачи:

  • обеспечить износостойкость и долговечность конструктивных элементов скважины;
  • защитить водозаборный ствол от негативного воздействия подземных вод и верховодок;
  • укрепить колонну, защитить от разрушения и коррозии, увеличить срок службы источника;
  • удалить образовавшиеся пустоты, зазоры и трещины, через которые в воду могут проникать загрязняющие элементы;
  • заполнить пространство вокруг колонны тампонажным укрепляющим раствором.

Качество водного источника и технические особенности гидросооружения напрямую зависят от того, насколько правильно был проведен цементаж.

Этапы цементирования источника воды

  • Приготовление тампонажного раствора для заполнения затрубного пространства.
  • Подача приготовленного цемента к скважине.
  • Закачка тампонажного раствора в затрубное пространство.
  • Период затвердевания цементного раствора.
  • Проверка качества цементирования.
  • Каждый этап требует использования определённых инструментов и спецоборудования. Расчёты необходимых материалов лучше произвести до начала тампонажных работ, т.к. процесс тампонирования должен длиться непрерывно и если вам, например, не хватает цементного раствора, то это самым негативным образом скажется на качестве цементирования. Важнейшие этапы рассмотрим более подробно.

    Период затвердевания цементного столба может варьироваться, в зависимости от состава раствора. Имеет значение и то, какая именно колонна тампонировалась.Для кондуктора, например, достаточно 16 часов, а для эксплуатационной колонны нужны сутки. По истечении этого срока, в скважину опускают электротермометр.Итак:

    • С его помощью, по изменениям температур, определяют высоту подъёма раствора в цементируемом пространстве. Максимальное выделение раствором тепла, происходит в течение нескольких часов после его затвердевания.
      Поэтому, для определения данного показателя, прибор должен быть спущен в скважину в течение суток после окончания тампонажа.

    Скважинный локатор

    • Для контроля качества цементирования широко применяют акустический зонд (скважинный локатор). Участки, не заполненные раствором, определяются по амплитудам звуковых колебаний. Если к качеству тампонажных работ претензий нет, начинают обвязку устья скважины.
      Затем, в неё спускают пикообразное долото либо желонку, с помощью которой разбуривают затвердевшие остатки раствора и заливочные пробки.

    Далее наступает черёд опрессовки ствола, то есть проверка его на герметичность. Для этого, в него закачивается вода под давлением, превышающим расчётное на 20%.Если спустя полчаса давление снижается не больше, чем на 0,5 мПа, и при этом не происходит выделение газа, и перелива воды, скважина считается герметичной.

    Технологический процесс цементирования гидросооружений

    Цементирование скважины предусматривает поэтапное выполнение следующих работ:

    • замешивание раствора для тампонажа затрубного пространства;
    • подача состава к гидросооружению;
    • закачивание смеси в пространство вокруг обсадной трубы;
    • затвердевание заполняющего раствора;
    • проверка полученного результата после завершения работ.

    До начала проведения тампонажных работ рекомендуется выполнить все необходимые расчеты на основе геологических изысканий, учитывая протяженность ствола, который требует цементирования, эксплуатационные параметры конструкции, а также ее техническое состояние.

    Кроме того, каждый отдельный этап работ требует применения специализированной техники и оборудования.

    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.

    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.

    Внимание!

    Следует использовать в процессе проведения расчетов и опыт осуществления таких работ в определенном районе.

    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.

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

    «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.

    Способы и технологии цементирования скважин

    Скважина может иметь скрытые колонны и секции, их цементирование можно выделить в отдельную группу.

    Важно!

    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.

    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.

    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.

    Читать далее:  Что делать, если засорился унитаз: способы устранения засора

    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.

    Способы и технологии цементирования скважин

    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.

    Совет!

    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.

    Процесс образования цементного камня начинается сразу после закачки тампонирующего раствора и длится от 12 до 36 часов. Основными факторами, влияющими на длительность затвердевания раствора до состояния цементного камня:

    • свойства компонентов, входящих в состав раствора;
    • грунты, материал обсадных колонн;
    • гидрогеологические и климатические условия на участке;
    • плотность закачки, правильность осуществления процесса тампонирования.

    В период затвердевания необходимо оставить скважину в состоянии покоя. Запрещается использовать тросы, ломы, проволоку для оценки качества цементирования, т.к. это может нарушить целостность образующегося цементного камня.

    Способы и технологии цементирования скважин

    Если вы не знайте, сколько времени необходимо для полного схватывания цементирующего раствора, подождите трое суток и приступайте к контрольным замерам

    Способы цементирования скважин

    Тампонажный раствор для цементирования скважины должен отвечать целому ряду требований и обладать:

    • высокими адгезивными свойствами с поверхностями любого типа;
    • высокой прочностью после застывания, устойчивостью к механическим воздействиям;
    • пластичностью и хорошей текучестью, чтобы заполнить все трещины и пустоты;
    • химической нейтральностью в отношении тампонируемых слоёв грунта;
    • устойчивостью к размыванию грунтовыми водами;
    • отсутствием усадки при затвердевании.

    Также раствор должен обладать такой консистенцией, чтобы его можно было без проблем доставлять к скважине и производить закачку. Раствор должен хорошо смываться с оборудования, не быть в отношении него химически агрессивным и иметь минимальный коэффициент потери при транспортировке к скважине.

    Используемый тампонажный раствор должен обладать достаточно жидкой структурой для осуществления перекачивания нагнетательным оборудованием и при этом иметь высокие прочностные характеристики

  • Портландцемент кварцевый песок (1:1) специальные добавки и вода до получения требуемой консистенции. Такой раствор имеет невысокую плотность, а его приготовление является сложным, т.к. песок, входящий в состав часто выпадает в осадок и применение раствора становится невозможным.
  • Портландцемент барит (1,1:1) специальные добавки и вода. Недостаток такого раствора — невысокая прочность.
  • Портландцемент наполнитель. В качестве наполнителя применяется асбест (на песчаных грунтах), волокнистые материалы.
  • Для приготовления цементирующей смеси лучше всего использовать тампонажный портландцемент, представляющий собой разновидность цемента на основе силикатов. Такой цемент, конечно, стоит дороже, чем обычный портландцемент, однако его прочностные характеристики намного выше, чем у обычного. Барит — тяжёлый минерал, повышающий плотность раствора. Приобрести барит можно в строительном магазине, торгующем сыпучими строительными материалами.

    Под специальными добавками, входящими в состав цементирующих растворов, понимают различные вещества, придающие раствору особые свойства. К ним относят:

    • ускорители схватывания цемента (хлористый кальций, кальцинированная сода, поташ), применяемые, если цементирование происходит при температуре ниже 5 градусов;
    • замедлители схватывания, используемые для предотвращения быстрого затвердения (это хлориды кальция или натрия, нитрит натрия и др.);
    • пластификаторы для получения оптимальной вязкости (полимерные модификаторы);
    • морозостойкие добавки (кремнийорганические соединения вкупе с пластификаторами);
    • влагопоглощающие добавки (вещества, полученные из соединений, относящихся к группам сахарной, лимонной, винной и тетраоксиадипиновой кислот) и др.

    Специальные добавки размешиваются в воде, которую в дальнейшем применяют для приготовления тампонажного раствора. Перемешивают раствор при помощи специальных машин — миксеров. Иногда допускается ручное замешивание, но оно требует определённой сноровки и больших трудозатрат.

    Цементный камень, образующийся при затвердевании портландцемента, обладает высокими прочностные свойствами, выдерживает нагрузки, механическое и физическое воздействие

    Основными способами цементирования скважин являются:

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

    Способы и технологии цементирования скважин

    Все способы цементирования водозаборных скважин основаны на одном принципе — закачке в затрубное пространство тампонажного раствора. При этом выбор технологии цементирования зависит от конкретных условий: типа грунта, глубины скважины, материала обсадных труб, климатических и гидрогеологических условий местности. Выбранная технология тампонирования скважины на воду должна обеспечить:

    • заполнение раствором всего створа скважины на всю глубину;
    • полностью вытеснить промывочную жидкость (при её наличии);
    • создание высокопрочного цементного камня, устойчивого к физическим, механическим и химическим воздействиям;
    • высокий показатель адгезии с грунтовыми стенками скважины, обсадными трубами.

    Для глубоких скважин применяют сегментарное цементирование, т.е. цементируется не весь створ скважины сразу, а только его отдельные сегменты. Этот процесс очень сложный и практика показывает, что выполнить его самостоятельно практически невозможно. Поэтому подробнее рассмотрим технологию одно- и двухступенчатого и манжетного цементирования.

    Этот способ наиболее часто применяют для цементирования бытовых водоносных скважин. При его реализации цементирующий раствор закачивается в затрубное пространство. Раствор закачивается под давлением при помощи оборудования, которое установлено на платформу спецавтомобиля или стационарно недалеко от скважины. Цементирующий раствор под своей тяжестью движется к основанию-«башмаку» обсадной колонны, заполняя все затрубные полости.

    Работы по одноступенчатому цементированию проводятся за один цикл без перерывов, поэтому необходимо позаботиться о достаточном количестве тампонажного раствора

    Перед началом работ по цементированию проводится промывка скважины, а затем вводится нижняя пробка, которая будет выполнять роль ограничителя. Включается бетононасос и начинается закачка тампонирующего раствора, под воздействием которого пробка опускается, пока не достигнет «башмака» обсадной колонны.

    После закачки раствора устанавливается верхняя пробка и начинается уплотнение цементной смеси, до тех пор, пока верхняя пробка не упрётся в нижнюю. Это будет означать, что раствор заполнил всё затрубное пространство. Уплотнение осуществляется вибропрессом при помощи подкачки раствора бетононасосом.

    Зацементированная скважина оставляется в покое на 36-48 часов для полного затвердевания раствора. Данный способ подходит только для неглубоких ровных по конфигурации скважин. Недостатком этого метода является невозможность отследить момент, когда цементный раствор достиг нижней точки створа скважины.

    Этот метод цементирования был разработан для скважин нефтяной промышленности. По причине того, что он требует использования серьёзного промышленного оборудования (мощного бетононасоса), в обустройстве скважин он применяется не часто. Двухступенчатое цементирование используют в следующих случаях:

    • цементный раствор схватывается настолько быстро, что нельзя закончить цементирование в один цикл;
    • когда требуется выделить два участка в затрубном пространстве, которые разделены значительным расстоянием;
    • при большой глубине скважины, когда провести работы в один цикл невозможно.

    В остальных случаях применение двухступенчатого способа нецелесообразно по причине длительности процесса и экономическим показателям.

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

    Принцип двухступенчатого цементирования основан на том, что закачка цемента в затрубное пространство осуществляется в два приёма. Первая порция тампонажного раствора загружается и продавливается. Опускается нижняя пробка, которая род действием раствора пробка опускается на дно. Вторая порция раствора закачивается через 12-36 часов, после окончательного затвердевания первой порции.

    В практике глубокого бурения артезианских скважин при наличии в верхней части геологического разреза поглощающих пластов и в других случаях применяют двухступенчатое цементирование

    Этот метод цементирования используется, если необходимо укрепить только верхнюю часть скважины. При этом первоначальной задачей будет определение уровня, до которого будет производиться цементирование. Уровень отмечается по обсадной трубе установкой специального манжета. Нижняя часть створа при этом надёжно защищена манжетой от проникновения тампонирующего раствора.

    Раствор закачивается точно так же, как и при одноступенчатом цементировании. Применяется манжетный способ в том случае, если верхняя часть скважины расположена на песчаных грунтах, а нижняя — на глинистых. Это встречается достаточно редко, поэтому данный способ не нашёл широкого применения.

    После бурения скважины в рыхлых песчаных грунтах наступает этап, направленный на укрепление труб обсадной колонны.

    Заодно следует защитить ствол от повреждения, агрессивного воздействия грунтовых вод, коррозии и прочих негативных явлений. Речь идёт о таком процессе, как цементирование скважин.

    Выполнить работу по цементированию самостоятельно достаточно сложно, но возможно, при наличии знаний о технологиях проведения мероприятия.

    Способы и технологии цементирования скважин

    Способ цементирования выбирается в зависимости от условия залегания, литологического состава, проницаемости и степени насыщенности продуктивных пластов. Существует несколько способов цементирования скважин:

    • 1. Одноступенчатый
    • 2. Двухступенчатый
    • 3. Манжетный

    Одноступенчатое цементирование наиболее распространенное и заключается в следующем (рисунок 73).

    После того, как обсадная колонна спущена в скважину, на устье устанавливают цементировочную головку и приступают к промывке до полного выравнивания плотности бурового раствора (плотность бурового раствора на входе в скважину должна равняться плотности на выходе).

    Перед началом цементирования все манифольдные линии от цементировочных агрегатов к цементировочной головке должны быть опрессованы на 1,5 кратное давление относительно рабочего в течение 3 минут.

    Перед закачиванием в скважину цементного раствора желательно в колонну закачать буферную жидкость (водный раствор солей NaCl, CaCl2 и др. или щелочь NaOН) для разжижения бурового раствора и уменьшения вязкости и статического напряжения сдвига.

    Читать далее:  Воздуховоды для вентиляции: виды, параметры, особенности монтажа самостоятельно пошагово

    Затем при помощи цементировочных агрегатов и цементосмесителей затворяют цементный раствор, который закачивают в обсадную колонну через цементировочную головку.

    Для того, чтобы расчетный объем цементного раствора выдавить в затрубное пространство, необходимо освободить цементировочную разделительную пробку, которая удерживается внутри цементировочной головки с помощью стопорного винта.

    Важно!

    Сверху цементировочной разделительной пробки в обсадную колонну закачивают продавочную жидкость.

    Технология проведения тампонирования скважины

    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

    Способы и технологии цементирования скважин

    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.

    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.

    В основной перечень технического оснащения для проведения работ включено следующее оборудование для цементирования скважин:

    • устройства для подачи цементного состава и его проталкивания в гидросооружение под высоким давлением;
    • агрегаты для замешивания цементной смеси;
    • головка для прочистки водозаборного ствола с последующим цементированием стен;
    • пробивные пробки для заливки цемента (используются при двухступенчатой системе тампонажа);
    • крановые установки высокого давления;
    • металлические шланги на гибкой основе;
    • агрегаты для распределения цементной смеси.

    Доступные способы цементирования скважин предусматривают единый принцип работы – подачу и распределение заполняющего раствора в затрубном пространстве. Правильный выбор технологии тампонажа определяется типом почвы, глубиной сооружения, материалом труб для обсадной колонны, климатическими и геодезическими условиями местности.

    Цементация скважины проводится следующими способами:

    • одноступенчатым (сплошным);
    • двухступенчатым;
    • манжетным.

    Способы и технологии цементирования скважин

    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.

    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.

    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.

    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.

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

     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.

    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

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

    Цементация глубоких скважин производится с учётом опыта прежних лет, с помощью современного оборудования и научных изысканий. Типовые схемы производства данных работ отработаны до мельчайших нюансов, и их грамотное выполнение очень важно.Во-первых, тампон препятствует воздействию напорных вод и плывунов на ствол скважины, не давая им размывать шахту. Во-вторых, застывший раствор жёстко фиксирует конструкцию, предупреждая смещение колонн.Итак:

    • Тампонируют скважины (см. Тампонаж скважин: для чего это нужно) не только в процессе строительства, но и при консервации и ликвидации – только технологии несколько отличаются. Хотя, абсолютно всё учесть невозможно, так как в каждом случае бывают разными условия работы: техническое оснащение, конструкция скважины, геологические условия, протяжённость цементного моста.
    Что должен обеспечить тампонаж
    1 Образование цементного камня с заданными свойствами
    2 Отсутствие пустот по всей протяжённости цементного моста
    3 Максимальное сцепление раствора с наружными стенками обсадных труб
    4 Полное вытеснение цементным раствором буровой жидкости из цементируемого отрезка
    5 Предупреждение попадания промывочной жидкости в тампонажный раствор
    • Чтобы соблюсти данные условия, необходимо контролировать и регулировать характеристики промывочной жидкости, с целью снизить её вязкость. Напомним, что промывка производится в процессе бурения, что позволяет размягчать грунт, и вымывать из проходки шлам.
      Цементный раствор нагнетается в затрубное пространство с такой скоростью, которая может обеспечить режим турбулентности.
    • В каждом конкретном случае рецептура раствора, подбирается индивидуально. Его свойства определяют как продолжительность тампонажных работ, так и режимы закачки и продавливания раствора.
      Кстати, обычный строительный цемент в данном случае не используется. Есть специально предназначенный для скважин сорт, который называется «гипсоглинозёмистый цемент».

    Он имеет свойство расширяться, а это в тампонажных работах самое главное. Раствор из такого цемента не впитывается в грунт, а заполняет все пустоты и мельчайшие трещины, закупоривая их по принципу тампона — отсюда и название технологии.При наличии в проходке больших пустот и плывунов, в гипсоглинозёмистый раствор добавляют доломитовую муку, бентонитовую глину, либо волокна асбеста или целлюлозы.

    При выполнении цементации данным способом, в нужном сегменте ствола, сначала устанавливается нижняя пробка. В ней есть канал для прохода раствора, который временно перекрыт диафрагмой.Далее, в верхней части колонны устанавливается головка, через которую осуществляется подача тампонажного раствора из смесителя. Верхняя пробка, удерживаемая шпильками, располагается на цементировочной головке.

    Смесительная установка

     Итак:

    • Когда в ствол, согласно расчёту, полностью закачан весь объём раствора, эту пробку освобождают, и начинают подачу жидкости для продавливания. Под высоким давлением, масса цементного столба, вместе с пробкой, продвигается вниз.
    • Попутно она вытесняет из ствола скважины буровую жидкость. Происходит это за счёт собственного веса тампонажного раствора, а так же его высокой плотности. В процессе вытеснения жидкости, уровень давления на головке, через которую нагнетается раствор, значительно снижается.

    Цементировочная головка

    Какое оборудование необходимо для выполнения тампонажа?

    Оборудование для тампонажа

    • Приготовление раствора для тампонажа, смешивание его компонентов, доведение массы до необходимой консистенции.
    • Подача раствора в скважину или непосредственно в пространство за обсадной трубой. При этом агрегаты должны обеспечивать подачу смеси под высоким давлением, величина которого может изменяться в зависимости от условий выполнения работ.
    • При выполнении работ в несколько этапов применяют специальные заиловочные пробки, которые позволяют отделить необходимый сегмент скважины.
    • Цементировочная головка, используемая для промывки ствола скважины от остатков бурового грунта (наличие таких включений существенно снижает качество цементирования).

    Работы по цементированию скважины отнесены к технологическим процессам, к которым предъявляются жесткие требования по соблюдению технологии. Только в этом случае можно обеспечить высококачественную герметизацию обсадной трубы. Работы такого назначения должны выполнять профессионально подготовленные исполнители.

    Чтобы предотвратить возможное повреждение конструкции вследствие негативного воздействия подземных вод, солей металлов и коррозий, предусмотрено цементирование скважин. В этом случае качество проведенных работ может повлиять на общий срок службы готового сооружения.

    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

    Способы и технологии цементирования скважин

    оборудование для затрубной цементации скважины

    Все работы по цементированию водоносных скважин должны выполняться строго в соответствии с техническими требованиями, нарушение которых приведёт к некачественному цементированию. Приступая к тампонированию скважины, вам стоит знать, что это необратимый процесс, исправить что-либо после начала подачи раствора в затрубное пространство скважины невозможно, поэтому подготовительным работам, а именно к приготовлению раствора для цементирования и выбору оборудования, нужно подойти максимально ответственно!

    Читать далее:  Как работает обратный осмос: схема и принцип действия

    Самый простой и эффективный способ — аренда оборудования на платформе автотехники. Такой комплекс сможет приготовить цементный раствор и под давлением перекачать его в скважину, при этом источником энергии для работы оборудования служит мощный автомобильный двигатель. Если использование агрегатов на базе спецавтомобиля невозможно, то вам потребуется:

    • миксер для приготовления цементного раствора;
    • насос высокого давления, осуществляющий подкачку раствора к скважине;
    • цементировочная головка для закачки раствора внутрь скважины;
    • заливочные пробки (количество зависит от способа цементирования);
    • различный мелкий инвентарь (шланги, мерные ёмкости).

    В качестве шланга многие специалисты рекомендуют вместо традиционных ПНД труб диаметром 32 см использовать гибкий пожарный шланг. Он плоский и отлично проходит в межтрубное пространство, обеспечивая эффективную подачу раствора.

    Оборудование для цементирования скважин имеет большие габариты и требует и мощного источника энергии, например компрессора, генератора, бесперебойного доступа к электросети

    Когда буровые работы полностью окончены и машина достигла забоя скважины, необходимо осуществить грамотное цементирование скважин.

    Такой процесс позволяет полностью вытеснить из ствола колодца весь буровой раствор, и укрепить трубу.

    Кроме того, цементирование скважин позволяет добиться и таких эффектов:

    • Объединение двух и более водоносных горизонтов, что способствует увеличению общего дебита рабочей скважины;
    • Усиление и укрепление обсадной трубы скважины. В результате затвердения цементного раствора в околоскважинном пространстве труба полностью защищена от природных смешений пластов грунта и выхода из строя трубы;
    • Защита обсадной трубы от коррозии в течение всего срока эксплуатации. Здесь стоит отметить, что слишком высокие затраты на проведение цементации полностью окупаются длительным сроком службы готового источника.

    Цементирование скважин должны проводить только опытные профессионалы

    В ходе выполнения всего процесса работ цементный раствор закачивается в околотрубное пространство, после чего вытесняет своей массой всю первичную буровую жидкость. В процессе застывания такой раствор принимает форму и крепость камня.

    Пример многоступенчатой скважины с цементными кондукторами

    В первую очередь после проведения расчетов необходимо подготовить нужное количество раствора.

    Для этого проводят установку специального смесителя и используют портландцемент.

    Именно это вещество является максимально прочным и устойчивым к различным механическим повреждениям после застывания.

    • Готовый раствор закачивается в околотрубное пространство непосредственно после приготовления, поскольку имеет высокий порог застывания (то есть очень быстро стынет).
    • Следующими этапом является затвердевание раствора. На это может уйти разное количество времени в зависимости от глубины скважины, толщины околотрубного пространства, марки и типа цементной смеси.
    • На конечном этапе выполняется проверка выполненных работ, и качество цементирования скважин, а именно — испытание застывшего раствора на прочность.

    Способы и технологии цементирования скважин

    В случае с водой, напомним, что большое её количество в растворе позволяет лучше заполнить все околотрубные пространства, но при этом скорость застывания цемента и его прочность оставляют желать лучшего. Поэтому так важен первичный расчет. А различные виды добавок позволяют усилить свойства готового цементного раствора, что также требует проведения глубокого анализа и расчета.

    Установка такого агрегата в непосредственной близости к скважине позволяет готовить раствор и подавать его к месту назначения в непрерывном процессе

    Для выполнения работ по вытеснению бурового вещества, контроля над  процессом работ и укрепления обсадной трубы различными способами применяется специальное оборудование для цементирования скважин. Машины чаще всего являются массивными и имеют крупные габариты. Поэтому все агрегаты располагаются на тяжёлой автомобильной платформе и работают от автомобильного двигателя.

    Установка такого агрегата в непосредственной близости к скважине позволяет готовить раствор и подавать его к месту назначения в непрерывном процессе.

    Составляющими агрегата являются:

    • Специальный растворосмеситель (миксер);
    • Насосное оборудование для перекачки готового раствора.

    Профессионалы при проведении цементации используют три основных способа работ, в зависимости от глубины и сложности скважины:

    • Сплошная или одноступенчатая цементация;
    • Двухступенчатое цементирование;
    • Цементация манжетного типа;
    • Обратная цементация.

    Все способы рассмотрим более подробно.

    Схема одноступенчатого цементирования скважины

    Способы и технологии цементирования скважин

    Такой способ цементирования еще называется сплошной. Особенностями данного метода заливки околоскважинного пространства являются:

    • В обсадную трубу устанавливается пробка, которая играет роль своеобразного моста-ограничителя для готового раствора;
    • При помощи установки насосного оборудования готовый состав под большим давлением закачивается непосредственно в обсадную трубу скважины;
    • Сверху на залитый цементный раствор производят установку верхней пробки, которую методом нажима опускают, заставляя всю цементную смесь достигнуть дна скважины и выйти в околотрубное пространство;
    • Благодаря высокому напору загруженная цементная смесь выталкивается из забоя скважины и поднимается наверх до самого устья;
    • Остаётся дать цементу застыть (а это требует дополнительного контроля со стороны специалистов).

    Подробнее о процессе выполнения работ смотрите на видео.

    В этом случае профессионалы используют двухступенчатый способ цементирования. Схема работ в этом случае выглядит так:

    • Скважина делится на два уровня при помощи специального кольца-моста. В результате получаются два участка.
    • Раствор заливается сначала в нижний отсек скважины. Затем — в верхний.

    Такая технология цементации используется, если температурные показатели на всей глубине скважины различаются существенно, а количества готового раствора не достаточно для единоразовой загрузки по всему периметру скважины.

    Манжетный способ

    Этот метод цементирования используется в тех случаях, когда необходимо закрепить только верхнюю часть обсадной трубы.

    Здесь на необходимой отметке трубы крепится специальный мост-манжета, который играет роль ограничителя для поступающего раствора.

    Способы и технологии цементирования скважин

    Важно: для использования такой технологии необходимо предусмотреть перфорацию в трубе для монтажа моста.

    Этот способ проведения работ не нашёл широкого применения в кругах профессионалов. Принцип работ прямо пропорционален однофазной цементации.

    Здесь раствор загружается непосредственно в околотрубное пространство, но даже самый тщательный контроль не позволяет установить качество выполненных работ и уровень крепости застывшего раствора.

    Подробнее о способе цементирования однофазном и его технологии вы можете узнать из фото и видео, приложенных в тексте.

    Одноступенчатая (сплошная) система цементирования

    Для быстрого и надежного укрепления обсадных стволов частных гидросооружений применяется сплошная система подачи смеси. Одноступенчатое цементирование скважин предусматривает закачку цементного состава в пространство вокруг трубы под высоким давлением при помощи спецоборудования, установленного на основу автосредства или вблизи сооружения.

    Раствор для тампонажа под собственным весом направляется к башмачному основанию колонны, тем самым заполняя все имеющиеся полости.

    Перед началом работ осуществляется тщательная промывка водозаборного ствола, далее устанавливается специальная пробка – ограничитель. Бетононасос осуществляет подачу смеси, под тяжестью которой пробка опускается на башмачное основание.

    После завершения закачки цемента закладывается еще одна пробка и выполняется трамбовка смеси до тех пор, пока обе пробки не упрутся друг в друга. Это гарантирует полное заполнение раствором пространства вокруг трубы.

    Для трамбовки смеси используется бетононасос, оснащенный вибропрессом. Полное затвердение цемента наступает через 48 часов.

    Сплошное цементирование используется для мелких скважин правильной конфигурации. Недостатком можно считать сложность проведения контроля над качеством трамбовки залитой цементной смеси.

    Подобная система разработана для глубоких скважин, используемых в тяжелой промышленности. Она требует применения специализированного и дорогостоящего оборудования (мощных бетономешалок и насосов), для обустройства частных питьевых скважин используется редко.

    Двухступенчатое цементирование скважин применяется:

    • когда цементная смесь застывает достаточно быстро, что не позволяет выполнить тампонаж за один рабочий цикл;
    • когда необходимо заполнить два отдельных участка в пространстве за обсадной трубой, расположенных на значительном расстоянии друг от друга;
    • когда скважина глубокая и все работы по тампонажу невозможно выполнить за один рабочий цикл.

    При других условиях использование двухступенчатой системы тампонажа нерационально и экономически не обосновано.

    Принцип работы заключается в подаче цементной смеси в обсадную колонну в два этапа. Первая часть цемента закачивается и сразу проталкивается, воздействуя на нижнюю пробку. Вторая часть подается только после полного застывания первой части.

    Цементирование с использованием манжета

    Подобный способ тампонажа гидросооружений применяется в случае, когда требуется укрепление верхней части конструкции. При этом следует определить, какой высоты должен быть цементный стакан – пространство в обсадной колонне, подвергающееся цементированию.

    Подобный уровень определяется монтажом манжета, когда нижняя часть конструкции защищается специальной вставкой, чтобы предотвратить проникновение раствора вглубь. Закачка цемента проводится по схеме, аналогичной сплошному цементированию.

    Манжетное тампонирование применяется для скважин, верхняя часть конструкции которых обустроена в песчаниках, а нижняя – в глинистых почвах.

    Цементирование гидросооружения напрямую зависит от качества материалов, оборудования и квалификации специалистов, привлеченных для решения подобной задачи.

    Оценка качества цементирования

    Стоит отметить: несмотря на то, что оценка качества цементирования водоносных скважин является очень важным этапом, провести её самостоятельно невозможно. Для её осуществления требуется специальное лабораторное оборудование, которое очень редко встречается даже у организаций, которые занимаются бурением. Если вы всё-таки намерены произвести оценку проведённого тампонирования, то можете заказать услугу контроля качества одним из трёх способов:

    • акустический, основанной на простукивании стенок обсадной колонны, с последующей обработкой полученных данных компьютерными программами;
    • радиологический, когда измерение при помощи радиоприборов;
    • термальный, основанный на принципе измерения выделяемого тепла при застывании цементного раствора.

    В «домашних» условиях вы можете использовать упрощённый термальный метод, измерив температуру у стенок скважины. Когда она сравняется с окружающей температурой воздуха и станет ниже на 0,5-1,5 градусов, тогда можно говорить о полном затвердевании. Однако даже после этого рекомендуется выждать 2-3 дня и только тогда осуществлять ввод скважины в эксплуатацию.

    После завершения проверки устье скважины прочищается от остатков цементного раствора при помощи желонки. Затем производится проверка герметичности, для чего в трубу скважины закачивается вода под высоким давлением в течение 30 минут. Критерием герметичности будет снижение давления примерно на 0,3-0,5 МПа. Теперь скважина полностью готова к использованию.

    Герметичность тампонирования повышает дебет скважины, увеличивает срок службы обсадных колонн, защищая их от коррозии, а также самого водоисточника

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    ManRem
    Adblock
    detector