Методы и технологии цементирования скважин: как правильно подготовить и залить тампонажный раствор

После завершения бурения скважины в рыхлых песчаных почвах наступает этап, который включает в себя укрепление обсадной колонны. Также требуется защитить ствол скважины от возможных повреждений, негативного влияния агрессивных грунтовых вод, коррозии и других неблагоприятных факторов. Этот процесс называется цементированием скважин.

Самостоятельно провести цементирование бывает достаточно сложно, но возможно, если есть соответствующие знания о необходимых технологиях. В этом материале мы рассмотрим, для чего нужна цементация и на какие аспекты следует обратить особое внимание при выполнении этих работ. В дополнение к тексту вы найдете иллюстрации и видеоматериалы.

Почему необходимо цементировать скважину?

Цементирование скважины — это процедура, выполняемая сразу после завершения буровых работ. Суть этого процесса заключается в том, что в затрубное или межтрубное пространство (если обсадная труба заключена в более широкую пластиковую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, превращаясь в единую конструкцию ствола скважины.

Такой раствор называется «тампонажным», а сам процесс — «тампонированием». Цементирование, являющееся сложной инженерной задачей, требует наличия определенных знаний и специализированного оборудования.

Во многих случаях возникает возможность выполнить цементирование скважин своими силами, что значительно сни寒ает затраты по сравнению с привлечением специалистов.

Цементирование представляет собой совокупность мероприятий, направленных на укрепление затрубного пространства и обсадной колонны, защищая их от разрушительного бокового давления горных пород и воздействия подземных вод.

При правильной реализации процесса тампонирования, можно добиться:

• Укрепления конструкции скважины;
• Защиты от воздействия грунтовых и верховых вод;
• Устойчивости обсадной трубы к коррозии;
• Увеличения срока службы водозабора;
• Устранения крупных пор, пустот и зазоров, через которые в водоносный горизонт могут проникнуть нежелательные частицы;
• Замены бурового раствора на цементный, если первый использовался в процессе бурения.

Качество добываемой воды и эксплуатационные характеристики скважины во многом зависят от грамотности проведения цементирования. Также цементирование выполняется для скважин, которые подлежат ликвидации и больше не будут использоваться.

Процесс цементирования необходим для кустовых водозаборных сооружений, которые обеспечивают водой населённые пункти. В частном секторе цементирование водозаборных точек осуществляется довольно редко.

Укрепление ствола скважины путём цементирования обязательно проводится, если бурение велось в неплотных рыхлых грунтах, которые не способны удерживать стенки обсадной колонны.

Затрубное пространство также подлежит цементированию в случае угрозы попадания паводковых и сточных вод, стекающих вдоль ствола в водоносный пласт.

Тампонирование скважины, т.е. заполнение её цементом, осуществляется, если она больше не будет эксплуатироваться.

Этапы цементирования водоисточника

Целый процесс цементирования состоит из нескольких этапов, каждый из которых обладает своими особенностями:

1. Приготовление тампонажного раствора для заполнения затрубного пространства.
2. Подача приготовленного раствора к скважине.
3. Заливка тампонажного раствора в затрубное пространство.
4. Период затвердевания цемента.
5. Контроль за качеством цементирования.

Каждый из этапов предполагает использование специализированных инструментов и оборудования. Лучше всего произвести расчеты нужных материалов до начала тампонажных работ, ведь процесс должен происходить непрерывно. Если, к примеру, не хватит цементного раствора, это негативно скажется на качестве выполненной работы. Рассмотрим ключевые этапы более подробно.

В редких случаях скважины не требуют цементирования, если их глубина проходит только в плотных глинистых грунтах.

Этап 1 — подготовка оборудования

Цементирование водозаборных скважин должно проводиться в строгом соответствии с установленными техническими нормами; нарушения могут привести к некачественному результату.

Начинать процесс тампонирования стоит осознанно, поскольку это необратимая процедура, и любые ошибки после подачи раствора будут невозможны. Поэтому важно тщательно подготовиться, особенно к приготовлению цементного раствора и выбору необходимого оборудования.

Самым удобным и эффективным вариантом является аренда оборудования на базе специализированной автохимии. Такой комплекс способен не только приготовить цементный раствор, но и под давлением подать его в скважину, используя мощный двигатель автомобиля как источник энергии.

Если нет возможности использовать специализированные агрегаты, вам понадобятся:

• миксер для приготовления цементного раствора;
• насос высокого давления для подачи раствора к скважине;
• цементировочная головка для закачки раствора внутрь скважины;
• заливные пробки (количество зависит от технологии цементирования);
• разнообразный мелкий инвентарь (шланги, ёмкости для замеров).

Опытные специалисты рекомендуют вместо стандартных ПНД труб диаметром 32 см использовать гибкий пожарный шланг. Он более тонкий и легче проходит в межтрубное пространство, обеспечивая лучшую подачу раствора.

Оборудование для цементирования скважин имеет значительные габариты и требует надежного источника питания, такого как компрессор, генератор или постоянный доступ к электросети.

Этап 2 — приготовление раствора

Тампонажный раствор для цементирования скважины должен соответствовать ряду требований и обладать следующими характеристиками:

• высокими адгезивными свойствами к любым поверхностям;
• значительной прочностью после затвердевания и устойчивостью к механическим воздействиям;
• пластичностью и хорошей текучестью для заполнения всех трещин и пустот;
• нейтральностью к химическому составу тампонируемых слоев грунта;
• стабильностью к вымыванию грунтовыми водами;
• отсутствием усадки при затвердевании.

Раствор должен иметь такую консистенцию, чтобы его можно было легко доставить к скважине и залить. Он не должен чрезмерно прилипать к оборудованию и иметь минимальные потери при транспортировке.

Процесс приготовления цементного раствора для тампонирования состоит в равномерном смешивании всех компонентов с последующим добавлением воды с растворёнными в ней специальными добавками.

Наиболее простыми смесями, которые можно сделать самостоятельно, являются:

1. Портландцемент + кварцевый песок (1:1) + специальные добавки и вода до получения нужной консистенции. Такая смесь имеет относительно низкую плотность, и её приготовление усложняется тем, что песок часто оседает, что затрудняет использование раствора.
2. Портландцемент + барит (1,1:1) + специальные добавки и вода. Недостаток этой смеси — недостаточная прочность.
3. Портландцемент + наполнитель. В качестве наполнителей применяются асбест (для песчаных грунтов) и волокнистые материалы.

Для наилучшего результата рекомендуется использовать тампонажный портландцемент, специализированный вид цемента на основе силикатов.

Хотя такой цемент может стоить дороже обычного портландцемента, его прочностные характеристики значительно выше. Барит, тяжёлый минерал, увеличивает плотность раствора, его можно купить в строительных магазинах, специализирующихся на сыпучих строительных материалах.

Специальные добавки, входящие в состав цементирующих смесей, выполняют различные функции, придавая раствору специфические свойства.

• ускорители схватывания цемента (хлористый кальций, кальцинированная сода и поташ), которые используются при низких температуру, обычно ниже +5 градусов;
• замедлители схватывания, помогающие избежать быстрого затвердения (это могут быть хлориды кальция или натрия, нитрит натрия и другие);
• пластификаторы для достижения оптимальной вязкости (например, полимерные модификаторы);
• морозостойкие добавки (кремнийорганические соединения вместе с пластификаторами);
• влагопоглощающие добавки (вещества, полученные из органических соединений, таких как лимонная или винная кислоты) и другие.

Все добавки предварительно смешиваются с водой, которая позднее используется для приготовления тампонажного раствора. Смешивание раствора желательно выполнять с помощью специализированных машин — миксеров. В некоторых случаях допустимо ручное замешивание, однако оно требует определённых умений и больших трудозатрат.

Цементный камень, образующийся после затвердевания портландцемента, отличается высокой прочностью и может выдерживать значительные нагрузки, механическое и физическое воздействие.

Этап №3 — заливка раствора в скважину

Существует несколько основных методов цементирования скважин:

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

Все указанные методы цементирования водозаборных скважин базируются на едином принципе — заполнении затрубного пространства тампонажным раствором. При этом выбор конкретной технологии зависит от ряда факторов: типа грунта, глубины скважины, материала обсадных труб, а также климатических и гидрогеологических условий данной местности.

Выбранная методология тампонирования водяной скважины должна гарантировать:

• полное заполняемость раствором всего объема скважины на всей глубине;
• тотальное вытеснение промывочной жидкости (если она использовалась);
• образование прочного цементного камня, который устойчив к физическим, механическим и химическим воздействиям;
• высокую адгезию со стенками скважины и обсадными трубами.

Для глубоких скважин рекомендуется применить сегментарное цементирование, при котором не весь объем скважины заполняется сразу, а обрабатываются отдельные сегменты.

Данный процесс достаточно сложен, и практика показывает, что осуществить его самостоятельно крайне сложно. Поэтому далее мы подробно рассмотрим технологии одно- и двухступенчатого, а также манжетного цементирования.

Одноступенчатое или сплошное цементирование

Этот метод чаще всего используют для цементирования малых водоносных скважин. При реализации данного процесса, цементный раствор подается в затрубное пространство.

Раствор закачивается под давлением с помощью специализированного оборудования, которое располагается на платформе специального автомобиля или стационарно рядом со скважиной. Благодаря собственной массе, цементный раствор перемещается к основанию обсадной колонны, заполняя все затрубные пространства.

Работы по одноступенчатому цементированию выполняются в один цикл без перерывов, поэтому необходима подготовка достаточного объема тампонажного раствора.

Перед началом цементирования проводится промывка скважины, затем устанавливают нижнюю пробку, которая будет выполнять роль ограничителя. Включается бетононасос, и начинается закачка тампонирующего раствора, после чего пробка опускается до «башмака» обсадной колонны.

По завершении закачки устанавливают верхнюю пробку и начинается уплотнение цементной смеси, пока верхняя пробка не сможет соприкоснуться с нижней. Это укажет на то, что раствор полностью заполнил затрубное пространство. Уплотнение выполняется с помощью вибропресса и дополнительной подкачки раствора бетононасосом.

После завершения цементирования скважина оставляется на 36-48 часов для полного застывания раствора. Данный способ подходит лишь для неглубоких, прямоходящих скважин. Однако его недостаток заключается в том, что невозможно отслеживать момент, когда раствор достигнет дна скважины.

Двухступенчатая система заливки

Этот метод цементирования был разработан специально для нефтяных скважин. Из-за необходимости применения мощного промышленного оборудования (как правило, высокопроизводительного бетононасоса), его редко используют при обустройстве водозаборных скважин. Двухступенчатое цементирование целесообразно в таких ситуациях:

• если цементный раствор слишком быстро застывает, и завершить процесс в одном цикле невозможно;
• если необходимо выделить два участка в затрубном пространстве, расположенных на значительном расстоянии друг от друга;
• при глубоком бурении скважины, когда провести все работы в одном цикле не представляется возможным.

В других случаях использование двухступенчатого подхода нецелесообразно из-за его длительности и экономической невыгодности.

Процесс двухступенчатого цементирования занимает больше времени, так как второй этап начинается лишь после полного затвердения первого.

Суть двухступенчатого цементирования заключается в том, что закачка цемента в затрубное пространство производится в два этапа.

Сначала загружается и продавливается первая порция тампонажного раствора. Устанавливается нижняя пробка, которая под действием раствора опускается на дно. Вторая порция раствора закачивается через 12-36 часов, после достижения окончательного затвердевания первой порции.

В практике глубокого бурения артезианских скважин, особенно в случае наличия поглощающих пластов в верхних слоях, также применяют двухступенчатое цементирование.

Использование манжетного метода

Данный метод цементирования используется, когда требуется укрепление только верхней части скважины. Первоначально определяется уровень, до которого будет производиться цементирование.

Этот уровень отмечается на обсадной трубе с помощью специального манжета. Нижняя часть во время процесса надежно защищена от попадания тампонажного раствора.

Сам процесс закачки раствора аналогичен одноступенчатому цементированию. Манжетный способ актуален в том случае, если верхняя часть скважины располагается на песчаных грунтах, а нижняя — на глинистых. Однако такие случаи являются достаточно редкими, поэтому данный метод не получил широкого распространения.

Процесс образования цементного камня

Формирование цементного камня начинается сразу после закачки тампонирующего раствора и продолжается от 12 до 36 часов. К основным факторам, которые влияют на длительность застывания раствора до получения состояния цементного камня, относятся:

• характеристики компонентов раствора;
• тип грунта, материал обсадных колонн;
• гидрогеологические и климатические условия участка;
• плотность закачки, корректность выполнения тампонирования.

На время затвердевания необходимо оставить скважину в неподвижном состоянии. Использование тросов, ломов, проволоки для контроля качества цементирования строго запрещено, так как это может нарушить целостность формирующегося цементного камня.

Если вы не уверены, сколько времени потребуется для полного схватывания цементирующего раствора, подождите три дня, прежде чем приступить к контрольным замерам.

Оценка качества цементирования

Важно заметить, что оценка качества цементирования водозаборных скважин представляет собой критически важный этап, и провести её самостоятельно не получится.

Для этого требуется специализированное лабораторное оборудование, которое встречается крайне редко, даже у компаний, занимающихся бурением.

Тем не менее, если вы хотите оценить качество выполненного тампонирования, вы можете воспользоваться одной из трёх предложенных услуг:

• акустический метод, основанный на прослушивании стенок обсадной колонны с последующей компьютерной обработкой данных;
• радиологический, при котором используются радиоприборы для измерений;
• термальный, основанный на измерении выделяемого тепла при застывании цементного раствора.

В рамках «домашних» условий можно применить упрощённый термальный метод, измерив температуру у стенок скважины. Когда температура сравняется с окружающей температурой воздуха и разница составит 0,5-1,5 градуса, это будет свидетельствовать о полном затвердевании. Тем не менее, рекомендуется подождать еще 2-3 дня перед тем, как приступать к эксплуатации скважины.

После завершения проверки устье скважины очищается от остаточного цементного раствора с помощью желонки. Затем осуществляется проверка герметичности: в трубку скважины закачивается вода под высоким давлением на протяжении 30 минут. Если давление снизилось на 0,3-0,5 МПа, это будет свидетельствовать о герметичности. Теперь скважина готова к эксплуатации.

Герметичность тампонирования способствует увеличению дебета скважины, продлевает срок службы обсадных колонн, защищая их от коррозии, а также сохраняет водоисточник.

Выводы и полезное видео по теме

Представленные ниже видеоролики посвящены скважинам в нефтегазовой отрасли, но технологии и принцип выполнения работ аналогичны тем, что применяются для водоносных скважин.

Процесс одноступенчатого цементирования:

Производственные нюансы манжетного цементирования:

Технологические особенности двухступенчатого цементирования:

Цементирование — это сложный процесс, требующий специализированной техники. Но это не означает, что произвести его самостоятельно невозможно. При правильном выборе и подготовке тампонажного раствора, а также наличии минимального набора оборудования, вполне реально справиться с этим процессом самостоятельно.

Тем не менее, эксплуатация скважины без цементирования её ствола не обеспечит долгосрочности, а расходы на бурение новой скважины все равно будут значительными.

Если после изучения данной информации у вас остались вопросы о правильном цементировании скважины после бурения или вы обладаете полезными знаниями по этому вопросу, пожалуйста, поделитесь ими в комментариях ниже.