Методы и технологии цементирования скважин: как создать и закачать тампонажный раствор

После завершения бурения скважины в рыхлых песчаных участках начинается важный этап, связанный с укреплением обсадной колонны. В этот момент также необходимо защитить ствол скважины от возможных повреждений, агрессивного воздействия подземных вод, коррозии и других вредных факторов. Здесь речь идет о процессе, называемом цементированием.

Выполнить цементирование в одиночку сложно, однако это возможно при наличии специальных знаний о технологиях данного процесса. Мы расскажем, почему цементирование так важно и на что следует обращать внимание на протяжении работ. Для большей наглядности материал включает в себя тематические фотографии и видеоролики.

Почему необходимо цементировать скважину?

Цементирование скважины — это процедура, которая выполняется сразу после завершения буровых работ. Во время этой процедуры цементный раствор вводится в затрубное или межтрубное пространство (если обсадная труба помещена в более широкую полиэтиленовую трубу), и со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

Тот цементный раствор, который используется в этих целях, называется «тампонажным», а сам процесс — «тампонированием». Данная процедура требует специальных знаний и оборудования, что делает ее достаточно сложной.

В большинстве случаев можно выполнить тампонирование водных источников самостоятельно, это обойдется намного дешевле, чем привлечение профессионалов.

Цементирование скважин представляет собой комплекс мероприятий, направленный на защиту затрубного пространства и обсадной колонны от разрушительного бокового давления горных пород и воздействия подземных вод.

Корректно выполненное цементирование водозаборной скважины способствует:

• повышению прочности конструкции скважины;
• защите от верховых и грунтовых вод;
• укреплению обсадной трубы и ее защите от коррозии;
• увеличению срока службы водоисточника;
• закрытию крупных пор и пустот, которые могут привести к попаданию нежелательных частиц в водоносный горизонт;
• замене бурового раствора на цементный, если последний использовался в процессе бурения.

Качество добываемой воды и эксплуатационные характеристики скважины во многом зависят от правильности цементирования. Этот процесс также используют для ликвидируемых скважин, которые больше не используются.

Процесс цементирования применяется для кустовых водозаборных сооружений, которые обеспечивают водой населенные пункты. В частных хозяйствах водозаборные точки цементируют довольно редко.

Если бурение проводилось в несвязных рыхлых грунтах, которые не способны удерживать стенки обсадной колонны, укрепление скважинного ствола путем цементирования обязательно.

Цементирование затрубного пространства осуществляется в случае, если существует риск проникновения паводковых и сточных вод, стекающих по стволу в водоносный пласт.

Процесс заполнения ствола цементом, то есть тампонирование, осуществляется, если водозабор больше не будет использоваться.

Этапы цементирования источника воды

Процесс цементирования состоит из нескольких этапов, каждый из которых имеет свои особенности:

1. Подготовка тампонажного раствора для заполнения затрубного пространства.
2. Подача приготовленного цемента к скважине.
3. Закачка тампонажного раствора в затрубное пространство.
4. Период затвердевания цементного раствора.
5. Контроль качества цементирования.

Каждый из этих этапов требует применения специфических инструментов и специального оборудования. Рекомендуется провести расчеты необходимых материалов заранее, поскольку процесс тампонирования должен протекать непрерывно, и недостаток цементного раствора может негативно сказаться на качестве цементирования. Рассмотрим ключевые этапы более подробно.

В редких случаях скважины на водоносный горизонт могут не потребовать цементирования, если весь их путь проходит сквозь плотные глинистые породы.

Этап №1 — подготовка оборудования

Работы по цементированию водоносных скважин должны выполняться в строгом соответствии с техническими требованиями, поскольку их нарушение может привести к плохому качеству цементирования.

Перед началом тампонирования скважины важно понимать, что это необратимый процесс, и внести изменения после начала подачи раствора в затрубное пространство не получится. Поэтому следует очень ответственно подойти к подготовительным работам, включая приготовление раствора для цементирования и выбор оборудования!

Наиболее простой и эффективный вариант — аренда оборудования на платформе автотехники. Такого комплекса достаточно для приготовления цементного раствора и его перекачки под давлением в скважину, при этом энергией для работы оборудования служит мощный автомобильный двигатель.

Если использование агрегатов на базе специального транспортного средства невозможно, то вам понадобятся:

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

Специалисты рекомендуют вместо традиционных ПНД труб диаметром 32 см использовать гибкий пожарный шланг в качестве шланга. Он плоский и отлично подходит для подачи раствора в межтрубное пространство.

Оборудование для цементирования скважин требует мощного источника энергии, например компрессора или генератора, и неперебойного доступа к электричеству.

Этап №2 — приготовление раствора

Тампонажный раствор, используемый для цементирования скважины, должен соответствовать ряду требований и обладать:

• высокими адгезивными свойствами к любым поверхностям;
• высокой прочностью после застывания и устойчивостью к механическим воздействиям;
• пластичностью и хорошей текучестью для заполнения всех трещин и пустот;
• химической нейтральностью по отношению к тампонируемым слоям грунта;
• сопротивляемостью к вымыванию подземными водами;
• отсутствием усадки при затвердевании.

Раствор также должен быть достаточно пластичным для легкой доставки к скважине и закачки, легко смываться с оборудования и не быть по отношению к нему химически агрессивным, а также иметь минимальные потери при транспортировке.

Тампонажный раствор должен быть жидким, чтобы его можно было перекачивать с помощью насосного оборудования и одновременно обладать высокими прочностными показателями.

Приготовление цементного раствора для тампонирования включает в себя равномерное смешивание всех компонентов с последующим добавлением воды, в которую предварительно растворены специальные добавки.

Наиболее простые растворы, которые можно приготовить самостоятельно, включают:

1. Портландцемент + кварцевый песок (1:1) + специальные добавки и вода до получения нужной консистенции. Этот раствор имеет небольшую плотность, его приготовление может быть сложным, так как песок иногда выпадает в осадок, и использование раствора становится невозможным.
2. Портландцемент + барит (1,1:1) + специальные добавки и воду. Однако прочностные характеристики этого раствора не очень высоки.
3. Портландцемент + наполнители. В качестве наполнителей можно использовать асбест (в песчаных грунтах) или волокнистые материалы.

При приготовлении цементирующей смеси лучшим идеальным вариантом станет использование тампонажного портландцемента, который представляет собой разновидность цемента на основе силикатов.

Хотя такой цемент стоит дороже обычного портландцемента, его прочностные характеристики значительно выше. Барит — это тяжелый минерал, который увеличивает плотность раствора; его можно приобрести в строительных магазинах, торгующих сыпучими строительными материалами.

Специальные добавки, входящие в состав цементирующих растворов, включают различные вещества, которые придают раствору особые свойства:

• ускорители затвердевания (например, хлористый кальций, кальцинированная сода, поташ), применяемые, если цементирование происходит при температурах ниже +5 градусов;
• замедлители затвердевания, препятствующие быстрому затверду, такие как хлориды кальциа или натрия, нитрит натрия и др.;
• пластификаторы для достижения оптимальной вязкости (полимерные модификаторы);
• морозоустойчивые добавки (кремнийорганические соединения вместе с пластификаторами);
• влагопоглощающие добавки (вещества, полученные из соединений сахарной, лимонной, винной и тетраоксиадипиновой кислот) и другие.

Специальные добавки предварительно размешиваются в воде, которая затем используется для приготовления раствора. Процесс перемешивания раствора осуществляется с помощью специальных машин — миксеров. Иногда допускается ручное замешивание, но оно требует навыков и значительных затрат времени.

Цементный камень, образующийся при затвердевании портландцемента, отличается выдающимися прочностными характеристиками и способен выдерживать нагрузки, механическое и физическое воздействие.

Этап №3 — заполнение скважины цементным раствором

Среди методов цементирования скважин выделяются следующие:

• сплошное (одноступенчатое);
• двухступенчатое;
• манжетное;
• обратное.

Все перечисленные методы цементирования водозаборных скважин основаны на одном и том же принципе — закачке тампонажного раствора в пространство между обсадными трубами. В то же время выбор конкретной технологии зависит от множества факторов: типа почвы, глубины скважины, материала обсадных труб, а также климатических и гидрогеологических условий региона.

Технология, выбранная для тампонирования водной скважины, должна обеспечить следующие условия:

• полное заполнение раствором диаметра скважины на всей глубине;
• вытеснение всех промывочных жидкостей (если таковые присутствуют);
• создание цементного камня, который будет обладать высокой прочностью и стойкостью к физическим, механическим и химическим воздействиям;
• достаточный уровень адгезии между цементом и грунтовыми стенками скважины и обсадными трубами.

Для выполнения цементирования глубоких скважин обычно применяют сегментарный метод, который подразумевает отделение закачки раствора по сегментам, а не за один раз.

Этот процесс достаточно сложен, и опыт показывает, что осуществить его самостоятельно бывает крайне непросто. Поэтому далее мы подробнее рассмотрим технологии одно- и двухступенчатого цементирования, а также манжетного метода.

Одноступенчатое цементирование

Данный метод является самым распространенным для цементирования водозаборных скважин. В ходе его применения цементный раствор закачивается в затрубное пространство.

Раствор подается под давлением с использованием специального оборудования, размещенного либо на специальной платформе, либо неподалеку от места бурения. Благодаря своей тяжести, цементный раствор движется к «башмаку» обсадной колонны, заполняя все затрубные пространства.

Работы по одноступенчатому цементированию проводятся непрерывно, в одном цикле, поэтому необходимо заранее позаботиться о наличии достаточного количества тампонажного раствора.

Перед цементированием скважину очищают от загрязнений, а затем устанавливается нижний ограничительный сегмент. После этого подключается бетононасос и начинается процесс закачки раствора, который под давлением опускает пробку до «башмака» обсадной колонны.

После завершения подачи раствора устанавливается верхняя пробка, и начинается уплотнение цементной массы до тех пор, пока пробки не соприкоснутся. Это указывает на то, что раствор полностью заполнил затрубное пространство. Уплотнение выполняется с использованием вибропресса и подкачки раствора.

После цементирования, скважину оставляют на 36-48 часов, чтобы раствор мог полностью затвердеть. Этот метод подходит для неглубоких и равномерных по форме скважин, однако его недостатком является невозможность наблюдать за моментом достижения цементного раствора максимально низкой точки.

Двухступенчатое цементирование

Эта технология цементирования была изначально разработана для нефтяных скважин. Поскольку она требует применения мощного специализированного оборудования, она используется значительно реже при оборудовании других видов скважин. Двухступенчатое цементирование применяется, когда:

• цементный раствор затвердевает слишком быстро для завершения процесса за один раз;
• необходимо зацементировать два отделенных участка в затрубном пространстве;
• скважина имеет большую глубину, что делает невозможным выполнение работ в одно мероприятие.

Во всех остальных случаях использование данного метода нецелесообразно из-за временных затрат и экономических аспектов.

Процесс двухступенчатого цементирования занимает больше времени, так как второй этап начинается только после полной затвердевания раствора первого.

Эта технология основана на закачке цемента в затрубное пространство в два этапа.

Первая порция тампонажного раствора подается и «прокачивается». Затем устанавливается нижняя пробка, которая, под действием раствора, опускается до дна. Вторую порцию раствора подкачивают через 12-36 часов, после полного схватывания первой.

В практике глубокого бурения артезианских скважин, когда в верхней части геологического профиля находятся поглощающие пласты, часто применяют двухступенчатое цементирование.

Манжетный метод цементирования

Эта техника используется, когда нужно укрепить только верхнюю часть скважины. Основная задача в этом случае — определить глубину, на которую будет производиться цементирование.

Глубина обозначается на обсадной трубе с помощью специального манжета, который надежно защищает нижнюю часть от попадания цементного раствора.

Процесс закачки раствора осуществляется так же, как и при одноступенчатом методе. Манжетный способ применяют в ситуациях, когда верхняя часть скважины осуществляется в песчаных грунтах, а нижняя — в глине. Такого рода ситуации встречаются редко, поэтому манжетный метод не слишком распространен.

Формирование цементного камня

Формирование цементного камня начинается сразу же после закачки тампонажного раствора и продолжается от 12 до 36 часов. Основные факторы, влияющие на скорость затвердевания раствора в цементный камень:

• состав используемых компонентов;
• свойства грунта и материала обсадных колонн;
• гидрогеологические и климатические условия в данной местности;
• плотность закачиваемого раствора и точность выполнения процесса тампонирования.

Во время затвердевания необходимо оставить скважину без вмешательства. Не рекомендуется применять инструменты, такие как тросы или ломы, для проверки качества цементирования, так как это может нарушить формировку цементного камня.

Если вы не уверены в необходимом времени для полного застывания раствора, лучше подождать три дня перед контролем его состояния.

Контроль качества цементирования

Необходимо отметить, что несмотря на важность контроля качества цементирования водозаборных скважин, осуществить его самостоятельно практически невозможно.

Для проведения такого контроля требуется специализированное лабораторное оборудование, которое встречается довольно редко, даже среди компаний, занимающихся бурением.

Тем не менее, если вы хотите проверить качество выполненного тампонирования, есть возможность заказать услугу контроля одним из следующих способов:

• акустический, при котором анализируются звукоперепадки стенок обсадной колонны на основе обработанных компьютерными программами данных;
• радиологический, включающий измерения с помощью радиоприборов;
• термальный, который основывается на измерении выделяемого тепла при затвердевании цементного раствора.

В условиях «домашнего» контроля вы можете использовать упрощённый термальный метод, измеряя температуру вокруг стенок скважины. Как только она перейдет на уровень окружающей температуры и станет ниже на 0,5-1,5 градусов, можно говорить о полном затвердевании. Однако все равно рекомендуется подождать еще 2-3 дня, прежде чем вводить скважину в эксплуатацию.

По завершении проверки, устье скважины очищается от остатков цементного раствора с помощью желонки. Затем проводится проверка герметичности: в трубу скважины под давлением закачивается вода на протяжении 30 минут. Если давление снизится примерно на 0,3-0,5 МПа, это будет свидетельствовать о герметичности. Теперь скважина полностью готова к использованию.

Герметичность тампонирования способствует увеличению дебита скважины, продлевает срок службы обсадных труб, защищая их от коррозии и сам водоисточник.

Заключение и полезные видеоматериалы

В приведенных ниже видео рассказывается о бурении скважин в нефтегазовом секторе, однако принципы технологии работ идентичны тем, что применяются для водозаборных скважин.

Процесс одноступенчатого цементирования скважины:

Особенности проведения манжетного цементирования:

Технологические нюансы двухступенчатого цементирования:

Цементирование представляет собой сложный процесс, предполагающий использование специализированного оборудования. Тем не менее, это не означает, что осуществить его самостоятельно невозможно. Правильный выбор и подготовка тампонажного раствора, а также минимальный набор агрегатов позволит успешно выполнить процесс самостоятельно.

Тем не менее, эксплуатация скважины без ее цементного укрепления не гарантирует долгосрочной работы, а затраты на бурение новой водоисточника окажутся сопоставимыми.

Если после изучения материала у вас остались вопросы по правильному цементированию скважины после бурения или вы располагаете ценным опытом в данном вопросе, оставляйте свои комментарии в разделе ниже.

Видео:

Как приготовить цементный раствор??//Быстро и легко