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

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.

Содержание статьи:

• Зачем цементировать скважину
• Этапы цементирования источника воды
• Грамотное приготовление раствора
• Необходимое для работ оборудование
• Способы заливки раствора в скважину
  • Одноступенчатое или сплошное цементирование
  • Двухступенчатая система заливки
  • Применение манжетного способа
• Процесс образования цементного камня
• Оценка качества цементирования
• Видео о цементировании скважин

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.

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

Этапы цементирования источника воды

Весь процесс цементирования складывается из нескольких этапов, каждый из которых имеет свои нюансы:

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.

Грамотное приготовление раствора

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

Процесс приготовления цементного раствора для тампонирования заключается в равномерном перемешивании компонентов, входящих в его состав с последующей заливкой в него воды, с предварительно растворёнными в ней специальными добавками. Самыми простыми растворами, которые можно приготовить самостоятельно, являются:

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

Необходимое для работ оборудование

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!

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

Способы заливки раствора в скважину

Основными способами цементирования скважин являются:

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

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.

Одноступенчатое или сплошное цементирование

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.

Двухступенчатая система заливки

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

Применение манжетного способа

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.

Процесс образования цементного камня

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.

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

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

Видео о цементировании скважин

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.