Основные способы и технология проведения цементирования скважин

Технология проведения тампонирования

Тампонаж начинается с подготовки проекта и получения результатов необходимых анализов. После сбора пакета документов можно закупать материалы и приступать к работе.

Тампонирование выполняется несколькими методиками:

1. Цементирование обратного типа. В глубине скважины устанавливается пробка для разделения зон. Раствор подаётся в колонну, где из-за давления выводится за её пределы.
2. Подача цементно-песчаной смеси для заполнения полостей между шахтой и сооружением. Раствор самостоятельно всё заполняет. Качество заливки в этом случае низкое, но такой метод является простым и доступным.
3. Для глубоководных скважин работы разбиваются на этапы. Заливка происходит в несколько слоёв.
4. Применение глиняных цилиндров. Их монтируют непосредственно в проходку. Перед использованием глину замачивают, чтобы получилась густая смесь. При помощи насоса высокой мощности создаётся большое давление, из-за чего глиняные цилиндры прессуются.

Важно моментом является то, что тампонаж нужно выполнять до нижнего уровня водоносного пласта. Такой процесс осуществляется для защиты потребляемой воды от загрязнений

Довольно часто всё можно сделать своими руками. А вот ликвидационное тампонирование лучше будет доверить специалистам, у которых есть достаточный опыт и необходимое оборудование.

Понятие и типология скважин

С тем, что такое скважина, мы более-менее разобрались, и теперь понимаем под этим названием углубление цилиндрической формы в земле, защищенное от обрушения. Типология же требует детального изучения – здесь отличия касаются глубины.

Наименее глубоко расположена верховодка, поскольку уровень залегания воды зачастую не превышает 25 м. Здесь находится отфильтрованная грунтом талая, дождевая и сточная вода. В качестве питьевой эту воду лучше не использовать. Верховодные скважины принято бурить на дачных участках для полива огорода.

Для питья подходит скважина с уровнем залегания водоносного слоя от 40 до 90 м. Здесь присутствует достаточный объем чистой воды, залегающий на песке. Сюда легко опустить насос, который позволит перекачивать до одного кубического метра в час, что даст возможность нормально пользоваться системой водообеспечения. Скважина для воды предполагает наличие фильтра грубой очистки.

Здесь самая чистая вода, которая подается на поверхность с высоким давлением, является пригодной для питья, содержит большое количество минеральных солей, что делает ее полезной для человеческого организма. На выходе получается полноценная артезианская скважина на воду.

Зачастую услуги бурильщиков стоят дорого, поэтому возможно обустройство на 3–4 дома. В остальном типология может касаться формы трубопровода, где выделяют s-образные, ж-образные, и тангенциальные шурфы, зависящие от особенностей призабойной зоны скважины.

Применяемые машины, механизмы и материалы

• машина приготовления пластической герметизирующей смеси (цементосмесительная);
• агрегат закачки готовой смеси и продавливания в скважине;
• насос, подающий герметизирующую смесь в колонну;
• насос, подающий воду в смеситель приготовления смеси;
• головка промывки ствола скважины перед цементацией;
• пробки разделительные – только для двухступенчатой заливки;
• задвижки и вентили высокого давления;
• специальное распределительное устройство смеси;
• набор гибких рукавов, металлических шлангов;
• муфта ступенчатого цементирования;
• мерные баки для определения количества закачанной смеси.

• образование после затвердения высокопрочного цементного камня с высокой способностью противостоять агрессивным химическим воздействиям, повышенной прочностью к механическим перегрузкам;
• хорошую адгезию после затвердения с породами стенок скважины и обсадной трубой;
• качественное заполнение щелей, скосов и пазух в породе стен скважин;
• высококачественное твердение и приобретение проектной твердости раствора за указанный период времени.

• равномерное заполнение нагнетаемой смеси по длине и окружности скважины;
• защиту герметизируемой смеси от попадания промывочных остатков.

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.

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.

Смесительная установка

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.

ИЗОЛЯЦИЯ ВОДОПРИТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВУХПАКЕРНОЙ КОМПОНОВКИ

В технологиях изоляции водопритока используется пакерное оборудование, в частности, хорошие результаты дает применение двухпакерных систем. Есть опыт внедрения такой системы для ликвидации негерметичности боковых стволов ЭК диаметром 102 (114, 120) мм, негерметичности адаптера хвостовика (в переходе ЭК 146 мм в ЭК 102 мм или 114 мм), и негерметичности самих хвостовиков (102 мм). Для решения этих проблем в ЭК 146 мм был установлен гидравлический пакер, а в хвостовике ниже негерметичности — механический пакер. Проходной диаметр верхнего пакера составил 90 мм, нижнего пакера — 34 мм, использовалась межпакерная труба — НКТ 60 мм.

В настоящее время в разработке находится двухпакерная компоновка для ЭК 102, 114, 120 мм с внутренним диаметром нижнего пакера 50 мм. Равнопроходный диаметр двухпакерной компоновки позволит проводить геофизические исследования, перфорацию, промывки забоя с помощью колтюбинга, ОПЗ и другие операции без извлечения компоновки.

В другом случае для ликвидации негерметичности диаметром 146 (168) мм применялась двухпакерная компоновка с проходными диаметрами пакеров 60 мм (межпакерная труба НКТ-73) или 95 мм (межпакерная труба НКТ-102, 114 или 120). Были установлены верхний гидравлический пакер (проходной диаметр для ЭК 146 мм и ЭК 168 мм составил 90 мм) и нижний механический пакер (проходной диаметр — 58 мм для ЭК 146 мм и 60 мм — для ЭК 168 мм). Вся конструкция устанавливается за одну СПО. Протяженность отключаемого участка составляет до 1300 м.

Благодаря тому, что верхний бесплашечный пакер не прикипает к ЭК даже после пяти лет нахождения в скважине, достигается стопроцентная извлекаемость оборудования. Среди преимуществ технологии также можно отметить ее высокую эффективность (90–95%). Продолжительность подготовки скважины и установки двухпакерой компоновки составляет 140–180 часов

Немаловажно, что технологию с использованием двухпакерной компоновки можно применять для РИР сеноманских пластов: в ЭК 146 мм межпакерная безмуфтовая труба 120 мм позволяет спустить ЭЦН 103-го габарита. Депрессия на двухпакерную компоновку составляет 20,0 МПа

Рис. 5. Схема установки дополнительной колонны

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.

Зачем цементировать 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.

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.

Порядок действий

Существует несколько способов на цементирование, а именно:

1. Прямое введение раствора за пространственные участки обсадной трубы, при этом тампонажный наполнитель направляется сверху вниз под собственным напором. Способ легкий, но не всегда дает положительный результат.
2. Обратное цементирование. Технологический процесс обусловлен предварительной установкой заглушки или диафрагмы, закрывающей доступ к рабочему участку скважины.
3. Раствор заливается прямо в обсадный трубопровод, а затем с помощью специальной жидкой суспензии продавливается внутрь. В процессе продавливания тампонажная смесь выступает за пределы трубы и заполняет пространство между шахтой.
4. Скважины с предельной глубиной цементируются отдельно, несколькими слоями.
5. Тампонажной смесью должны быть заполнены все пространства за обсадными колоннами. Образование пустотелостей не допустимо, при этом раствор должен быстро схватываться.
6. Сцепление цемента должно иметь высокие технологические показатели, которые укажут на возможность выдержки напора грунтовых вод, в составе которых содержатся агрессивные взвеси.
7. Тамонажный раствор должен быть устойчив к глубинным нагрузкам, которые возможны под влиянием характерных каменистых пород.
8. Зона томпонирования должна исключить содержание продавливающей жидкости и быть вытесненной, так как ее остатки нарушают процесс цементирования и являются браком.

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.

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.

Инъектирование основания

Укрепление грунта под фундаментом инъектированием заключается в бурении скважин и закачке укрепляющего ремонтного состава через инъекционные приспособления. Под ленточным или столбчатым фундаментом скважины бурятся с поверхности земли наискосок, плитный просверливается сверху насквозь.

Ремсостав под давлением проникает во все прилегающие к скважине пустоты. Необходим постоянный контроль процесса, чтобы закачиваемый материал не ушел в глубину. На выбор конкретной технологии инъектирования влияет тип грунта, от которого зависит вид состава.

Способы инъектирования грунта:

1. Силикатизация. Для закачки используется жидкое стекло. Способ применяется для закрепления песчаных или лессовых грунтов и плывунов.
2. Смолизация. В скважины закачивают синтетические быстроотверждаемые смолы. Технология используется для укрепления водонасыщенных или сухих песков, лессов, супеси, суглинка.
3. Цементация. Скважины заливают растворной смесью на основе цемента с примешиванием глины, суглинка или песка. В крупные пустоты дополнительно закачивают горячий битум. Консистенцию раствора подбирают с учетом плотности грунта или размеров трещин в скальной породе. Технология с трудом осуществима в мелкозернистых песках и совсем непригодна для супеси, суглинка, глинистых или илистых грунтов.
4. Аммонизация. Метод предназначен для защиты от просадки лессовых грунтов. В грунтовое основание под фундаментом нагнетают газообразный аммиак, который вступает в химическую реакцию с породой.

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.

Укрепление грунта под фундаментом

Существует несколько технологий, чтобы укрепить грунт, увеличить его несущую способность:

самый распространенный способ – механический: трамбовка, уплотнение, создание подушек, погружение грунтовых свай;

цементация – нагнетание в землю жидкого раствора для связывания рыхлых почв (песка крупных и средних фракций);

• силикатизация и битумизация – аналогично, только с использованием силикатных и битумных составов;
• для песчаных и лессовых грунтов подойдет нагнетание связывающих химических растворов;
• для лесса подходит также термическое закрепление под воздействием раскаленных газов;
• инъекционный способ: бурение скважин с последующей закачкой в них жидкого стекла либо отвердителей;

• электроосмос – осушение грунта, перенаправление подземных вод под воздействием электрического поля. Используется для глинистых и других пучинистых грунтов;
• электромеханический метод – закачка растворов + воздействие электрического тока.

ТЕСТИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОВП

Каждый материал для ОВП проходит проверку по определенным параметрам. Так, отверждающие составы тестируются на эффективную вязкость, время схватывания (период прокачиваемости), прочность при сжатии на изгиб, адгезионную прочность, коэффициент расширения/усадки. Для гелеобразующих составов важна проверка на такие параметры, как эффективная вязкость, время гелеобразования (сшивания), предельное/статическое напряжение сдвига, остаточный фактор сопротивления, объем геля относительно объема геланта.

Полученные в ходе тестирования свойства материалов позволяют максимально точно подобрать их для проведения РИР на той или иной скважине (табл. 3).

Таблица 3. Свойства тампонажных материалов, применяемых для РИР

Выводы и полезное видео по теме

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

Процедура одноступенчатого цементирования скважины:

Специфика производства манжетного цементирования:

Технологические особенности двухступенчатого цементирования:

Цементирование – сложный процесс, требующий применения специализированной техники. Однако это не говорит о том, что провести его самостоятельно невозможно. Выбрав и правильно приготовив тампонажный раствор, используя минимальный набор агрегатов, с работой вполне можно справиться самостоятельно.

В любом случае эксплуатация скважины без укрепления ствола цементом не будет долгой, а затраты на бурение нового водоисточника будут ничуть не меньше.

Если после изучения материала у вас остались вопросы о том, как правильно зацементировать скважину после бурения, или вы обладаете ценными знаниями по данному вопросу, пожалуйста, оставляйте свои в расположенном ниже блоке.