Виды и технологии цементирования скважин

Что это такое, для чего проводится?

Цементирование стенок водяной скважины проводится по окончании буровых работ и заглубления обсадной трубы в тело скважины до водоносных слоев грунта.

Определенное количество тампонажа нагнетается в обсадную трубу, после чего продавливается в затрубное пространство и поднимается вверх по кольцевому зазору. После затвердевания цемент вместе с обсадной трубой образуют монолитный ствол скважины.

Весь процесс цементирования условно делится на 3 этапа:

1. Проводят все необходимые расчеты, готовят оборудование и материалы, чтобы процесс цементирования мог проходить непрерывно.

   Любая остановка отрицательно отразится на качестве результатов.

2. Осуществляют непосредственно цементирование. Для этого заранее приготовленный цементный раствор подают непосредственно к скважине, после чего закачивают в пространство между трубой и стенкой.
3. Заключительный этап – это период ожидания пока цементный раствор схватится и станет достаточно прочным. После этого производят оценку качества проведенных работ по цементированию водяной скважины.

Какое оборудование используется?

Важно в ходе подготовительных работ уделить внимание подбору необходимого оборудования:

1. Цементировочный агрегат (ЦА) служит для подачи тампонажа к скважине, закачки внутрь обсадной трубы и продавливания в затрубное пространство. ЦА включает поршневой насос высокого давления (для закачки цементного раствора), ротационный насос (для подачи воды в цементосмесительную машину), замерные баки, позволяющие отмерить нужное количество воды, двигатель, осуществляющий работу насоса.
2. Цементосмесительная машина позволяет приготовить тампонаж. Главным ее элементом является гидровакуумный смеситель, где и происходит замешивание цемента. Вода в машину подается под давлением при помощи ротационного насоса ЦА, а цемент – через специальное окно в корпусе.
3. Цементировочная головка позволяет промыть скважину, после чего произвести цементирование. Закачивается раствор при помощи коллектора высокого давления, подсоединенного к нижнему отводу, а закачка продавочной жидкости – с помощью коллектора низкого давления, подсоединенного к верхнему отводу.
4. Разделительные или заливочные пробки предназначены для отделения цементировочной смеси от других жидкостей – продавочной жидкости и бурового раствора. Таким образом обеспечивается качественное цементирование скважины.
5. Шланг для подачи раствора в межтрубное или затрубное пространство.

Каким должен быть раствор?

Для качественного цементирования скважины заранее готовят тампонаж – специальный цементный раствор. Для того, чтобы тампонажная смесь после затвердения могла выполнять все возложенные на нее функции, она должна отвечать ряду требований:

• содержать определенное количество вяжущих добавок;
• быть достаточно пластичной и текучей, чтобы заполнить все пустоты и трещины;
• обладать химической инертностью;
• иметь высокие адгезивные свойства (то есть плотно ложиться на поверхности при нанесении);
• не размываться грунтовыми водами;
• не давать усадки после затвердевания.

Основой для приготовления защитных составов для скважины является тампонажный цемент ПТЦ (портландцемент) с высокими вяжущими характеристиками. Это специфическое вещество состоит из измельченного клинкера (80%), гипса (2%) и минеральных добавок.

Существует несколько рецептов приготовления тампонажей:

1. Портландцемент и кварцевый песок берут в пропорции 1:1 и разбавляют водой, доводя до необходимой консистенции. Иногда в смесь включают минеральные добавки.
2. Портландцемент и барит (инертный минерал бария) берут в пропорции 1,1:1, добавляют воду и минеральные добавки.
3. Портландцемент смешивают с наполнителем, повышающим плотность смеси (волокнистые материалы, асбест), разводят водой.

Состав минеральных добавок может быть различным, в зависимости от того, какие свойства необходимо придать тампонажу:

• хлористый кальций и кальцинированная сода при добавлении к портландцементу ускоряют его схватывание;
• нитрит натрия замедляет схватывание, делает состав более текучим;
• полимерные модификаторы улучшают показатели вязкости;
• кремнийорганические соединения делают раствор более морозостойким;
• сахарная, лимонная, винная, кислоты при добавлении в состав улучшают влагопоглощение.

Использование данных рецептов дает возможность получить высокопрочный, химически инертный тампонаж, способный выдержать большое физическое и механическое воздействие при затвердевании.

Необходимые расчеты

Перед началом работ проводят расчеты показателей цементирования. Среди основных величин: объем цементного раствора, плотность цементного раствора, количество сухого цемента, количество воды для приготовления цементного раствора.

Объем цементного раствора

Формула: Vцр=0,785·[k1·(D²–Dтр²)·Hц+dтр²·h], где:

• D и Dтр – соответственно, диаметр долота (инструмент для бурения скважины) и диаметр обсадной колонны внешней;
• k1 – коэффициент, учитывающий расход цемента на заполнение трещин и неровностей;
• Hц – высота, на которую поднимается раствор в затрубном пространстве при полном выдавливании;
• dтр – диаметр внутренней обсадной колонны;
• h – высота установки стоп-кольца.

Плотность ЦР

Формула: Pцр= ((1+m)·Pсц·Pв)/(Pв+m·Pсц), где:

• m – водоцементное отношение (отношение массы воды к массе цемента). Минимальное значение m равно 0,25.
• Pсц, Pв – плотность сухого цемента и плотность воды в кг/м³.

Количество сухого цемента

Vц=(1/1+m)·Pцр·Vцр. Умножив полученное значение на коэффициент потерь при смешивании цементного раствора, получим уточненную величину сухого цемента: Vц1= Vц·k2.

Объем воды

Формула для расчета количества воды зависит от того, какой концентрации раствор необходимо получить. Так, для расчета количества воды, необходимого для получения тампонажа 50% консистенции применяют следующую формулу: Vв=0,5·Vц.

Методы цементирования колонны

Методы цементирования водяных скважин различаются способом подачи тампонажного раствора в затрубное пространство, видом применяемого оборудования.

Имеют значение также:

• тип грунта,
• характеристики скважины,
• гидрогеологические условия местности.

Одноступенчатое

Данный вид цементирования применяют для обустройства бытовых скважин, имеющих небольшую глубину. На этапе подготовки промывают ствол скважины, затем в него вводят нижнюю секцию разделительной пробки, придавая ей роль ограничителя.

Тампонажный раствор подают в ствол скважины при помощи насоса. Под собственной тяжестью он опускается вниз, пока нижняя пробка не достигнет башмака обсадной колонны.

Затем тампонажный раствор начинают продавливать в затрубное пространство. Двигаясь вверх, он заполняет его, включая все полости и трещины. Продавливание заканчивается, когда верхний сегмент заливочной пробки коснется нижнего. Для равномерного распространения раствора по затрубному пространству и уплотнению используют вибропресс.

Работы по одноступенчатому цементированию проводят за один рабочий цикл, остановка может привести к существенному снижению качества цементирования. Очень важно, чтобы расчет необходимого количества цементного раствора был произведен тщательно.

Схема:

Многоступенчатое

Это более сложный метод, требующий применения профессионального и мощного оборудования. Данный метод применяют в тех случаях, когда проводить цементирование в один цикл нецелесообразно: слишком высокая сила давления может способствовать разрушению геологических слоев грунта, включая водоносный слой.

Применяют:

• при цементировании глубоких скважин;
• когда цементирующий раствор имеет слишком высокие схватывающие свойства;
• при наличии двух отдельных затрубных пространств.

Данный метод является более продолжительным по времени, поскольку второй цикл цементирования проводят после полного отвердевания цемента по окончании предыдущего цикла:

1. Сначала проводят первый цикл работ: в обсадную колонну загружают первую порцию раствора, проводят продавливание и заполнение нижней части затрубного пространства.
2. После его полного застывания проводят вторую ступень работ: в трубу загружают и продавливают вторую порцию раствора, заполняя верхнюю часть затрубного пространства.

Многоступенчатое цементирование возможно в том случае, если обсадная труба оборудована дополнительными заливочными муфтами. Делается это для заполнения участков, находящихся на различной высоте.

Манжетное

Манжетное цементирование проводят в том случае, если в фиксации нуждается только верхний отдел скважины, находящийся на сыпучем песчаном слое. Нижний отдел, расположенный на глинистом грунте, не нуждается в укреплении.

Преимущество данного метода в том, что при его использовании исключается давление раствора на нижние водоносные слои.

Манжет устанавливают на обсадную колонну, фиксируя уровень, до которого будет производиться цементирование. При этом нижняя часть трубы защищается манжетом от проникновения тампонирующего раствора.

Порядок работ аналогичен порядку работ при одноступенчатом цементировании. В затрубное пространство раствор попадает через специальные заливочные отверстия.

Обратное

Обратное цементирование представляет собой закачивание цементного раствора сверху, непосредственно в затрубное пространство.

Это делают через подпревенторные выкидные линии. Опускается раствор за счет собственного веса, равномерно распределяясь по всему объему затрубного пространства.

При этом, находящаяся в пространстве буровая жидкость, выталкивается через обратный клапан в пространство трубы. После того, как весь раствор будет закачан, обратный клапан закрывается. Буровой раствор вымывается из трубы прямым или обратным способом.

Данный метод обеспечивает щадящее воздействие на водоносные породы, что лучшим образом влияет на качество воды. Есть и недостаток: внизу, у башмака, цемент смешивается с технической жидкостью, что ухудшает качество цементирования в данной области.

Тампонаж

Тампонаж представляет собой заполнение затрубного пространства специальным цементным раствором для защиты скважины от агрессивных элементов горных пород.

Для обеспечения качественного тампонажа решают следующие задачи:

1. Добиваются одинаковой плотности зацементированного участка на всем его протяжении.
2. Не допускают смешивания технической жидкости и цементного раствора, применяя специальные буферные разделители.
3. После окончания работ ожидают формирования цементного камня с высокими прочностными характеристиками.
4. При нагнетании цемента обеспечивают турбулентный режим замещения буровой жидкости. Неупорядоченное движение частиц приводит к интенсивному перемещению сред.
5. Подачу цемента в затрубное пространство проводят, одновременно вращая трубу.

Цементирование хвостовика

Хвостовик – это труба особой конструкции, расположенная у забоя скважины. Верхний конец такой трубы находится не на поверхности скважины, а расположен на глубине и соединяется внахлест с нижним концом обсадной трубы специальными подвесками.

Таким образом, хвостовик защищает пространство скважины в непосредственной близости к забою, поскольку именно там зачастую пролегают водоносные пласты.

Нижняя часть размещается между бурильными трубами и хвостовиком, а верхняя – во внутреннем пространстве бурильной трубы.

Цементирование начинают с промывки трубы, после чего закачивают в нее необходимое количество цемента. Затем, используя верхнюю секцию разделительной пробки и продавочную жидкость, проталкивают тампонажный раствор вниз, до соединения с нижней секцией.

После соединения обеих секций, пробка продолжает движение вниз до упорного башмака, постепенно продавливая цемент в затрубное пространство. После того как бурильные трубы будут отсоединены от хвостовика, проводят вымывание излишков раствора и ждут его застывания.

В скважинах под давлением

Цементирование обводненных скважин под давлением проводят с целью перекрыть доступ воды из одной скважины в другую. Делают это через отверстия фильтра при помощи цементного раствора. По окончании цементирования проводят испытание обеих скважин.

Чтобы обеспечить эффективную изоляцию скважин, тампонаж проводят путем медленного продавливания цементного раствора под высоким давлением.

Основные методы таковы:

1. Тампонаж под давлением с последующим разбуриванием цементного стакана.
2. Цементирование под давлением с последующим вымывание излишков цемента.
3. Комбинированное цементирование, когда скважина находится под давлением до окончания застывания цемента. После продавливания цемента скважину оставляют герметически закрытой вплоть до затвердения цемента.

Установка цементного моста

Цементным мостом называют конструкцию, полностью перекрывающую устье скважины, в месте удаленном от забоя. Цель установки цементного моста – укрепление и изоляция пластов грунта, залегающих на различной высоте и устранение риска просачивания пластовой жидкости. Также мост служит опорой при обустройстве боковых стволов скважины.

Перед тем, как начать установку моста, на участке, расположенном ниже, монтируют разбуриваемый пакер (пробку), который предотвратит протекание раствора под мост и проседание конструкции. Затем делают промывание скважины.

После промывания, в колонну закачивают часть буферной жидкости, затем часть цементного раствора. Сверху закачивают вторую часть буферной жидкости равную объему, вытесненному в затрубное пространство и часть продавочной жидкости. Вынимают бурильную колонну, промывают скважину, после чего ожидают затвердения цемента.

Осложнения

Осложнения цементирования скважин, как правило, связаны с нарушениями технологического процесса при проведении работ:

1. Поглощение тампонажного раствора стенами скважины. Данное осложнение возникает при неправильном выборе режима и способа цементирования, а также при нарушении рецептуры тампонажного раствора.
2. Повышение давления в период вытеснения цементного раствора в затрубное пространство. При выдавливании раствора в затрубное пространство следует контролировать давление. Резкий перепад может явиться причиной обезвоживания тампонажного раствора и образования на стенках толстой цементной корки.
3. Поступление воды в ствол скважины, не предусмотренное технологией. Возникает из-за неправильно выбранной плотности цементного раствора. Для того чтобы предотвратить данный процесс, устанавливают пакеры (пробки) на обсадной трубе или используют способ ступенчатого цементирования.
4. Короткие сроки схватывания цементного раствора ведут к неполному заполнению затрубного пространства. К тому же, какое-то количество раствора остается внутри обсадной трубы.

Процесс образования цементного камня

Время затвердевания цементного раствора по окончании тампонажных работ составляет от 12 до 36 часов (в зависимости от состава раствора).

Это время зависит также от следующих факторов:

• состав пластов грунта и материала обсадных колонн;
• климатические и гидрогеологические условия данной местности;
• тщательность следования технологическому процессу.

Оценка качества

Оценка качества цементирования проводится специалистами станций контрольного цементирования с помощью ряда лабораторных методов:

1. Акустический. Стенки трубы простукивают, фиксируя характер звуков.

   Проводят оценку качества цементирования при помощи специальных компьютерных программ.

2. Радиологический. Оценку тампонажа проводят с применением специализированной радиоаппаратуры.
3. Термальный. Фиксируют температуру застывания раствора и оценивают качество цементного камня при помощи специальных термометрических таблиц.

Чтобы устранить риск отрицательного воздействия на свойства водоносного пласта, очень важно добиться низкой водоотдачи тампонажного раствора.

Существует упрощенный метод для оценки качества цементирования в домашних условиях, который заключается в проведении замеров температуры стенок скважины.

Дождавшись, когда температура стенок сравняется с температурой окружающей среды и станет на полтора градуса ниже, делают вывод о полном затвердении цемента.

Видео по теме статьи

Технология и способы цементирования скважин рассмотрены в видео:

Заключение

Цементирование водяных скважин — технически сложный процесс. Но, разобравшись с техникой проведения работ, правильно приготовив раствор и приобретя минимум необходимого оборудования можно выполнить тампонаж неглубокой скважины самостоятельно, не обращаясь к помощи специалистов.