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

Цементирование (тампонаж) нефтяной скважины

По мере увеличения глубины скважины требуется проводить цикл работ по укреплению стволового пути, включающий спуск обсадной колонны и тампонаж затрубного сектора. Так как в качестве тампонажного промывочного раствора обычно (но не всегда) применяются рабочие жидкости, содержащие цемент, этот технологический прием получил дублирующее название «цементирование скважины». Для дальнейшей успешной эксплуатации скважины процесс укрепления стенок цементированием и, в частности, качество образующегося цементного камня, играет первостепенную роль. Состав тампонажных промывочных растворов должен обеспечить:

• безпустотное, сплошное заполнение зоны между обсадной колонной и стволовыми стенками забоя;
• расчетную величину адгезии как со стенками обсадных труб, так и со стволовой поверхностью скважины;
• изоляцию и разобщение продуктивных и проницаемых пластов;
• защиту затрубного пространства от проникновения нефти и (или) газонефтяной смеси под воздействием избыточного пластового давления;
• укрепление обсадной колонны в толще разрабатываемой породы;
• антикоррозийную протекцию металлических частей обсадной колонны от окислительного разрушения межпластовыми водами;
• частичную разгрузку буровой колонны от экстернального давления.

Цементирование колонны включает в себя цикл работ по приготовлению промывочного тампонажного раствора и нагнетании его в скважину, в затрубный промежуток. Во время проведения работ ведется постоянный контроль за параметрами промывочного тампонажного раствора и его соответствия технологическим характеристикам. После проведения цементажа скважины, через время, требующееся для затвердевания раствора, проводится исследование качества выполненных работ и, при соответствии цементного камня расчетным технологическим параметрам, процесс цементирования объекта считается законченным.

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

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

Особенности тампонирования

Тампонаж скважины представляет собой процесс заполнения образующихся в грунте трещин с помощью цементного раствора. Желательно для таких целей брать цемент, способный затвердевать быстро, в противном случае достигнуть желаемого результата не получиться. Тампонаж артезианской скважины предотвращает просачивание внутрь пробуренной конструкции следующих примесей:

• грунтовая жидкость;
• твердых частиц пород;
• нефтяных компонентов.

Цементирование скважины способствует герметизации пространства, образующегося у стен проходки и обсадной колонны. Алгоритм указанного процесса выглядит как подача вяжущего раствора внутрь водозаборного ствола либо вокруг обсадной трубы. Теперь понятно каждому, что такое тампонаж и каково его назначение. На сегодняшний день различают следующие способы цементирования гидротехнических конструкций:

1. «Ликвидационный». При таком цементировании чаще всего избавляются от старой скважины, если она опасна либо грозит обрушением. Ликвидационный тампонаж помогает предотвратить вероятность заражения подземной жидкости опасными для здоровья частицами. С помощью ликвидационного тампонажа заброшенных водоскважин защищают от вероятного загрязнения расположенные поблизости артезианские источники, являющиеся резервуарами питьевых ресурсов.
2. «Защитный». Описанный способ тампонирования помогает предотвратить проникновение грунтовых вод внутрь родника либо скважинного ствола. Защитное цементирование помогает предотвратить просачивание внутрь водоскважины опасной для здоровья верховодки, которой очень много в период весеннего половодья.

После утверждения этой бумаги начинают тампонировать потрескавшиеся стенки скважины. Такую деятельность выполняют мастера специальных служб, имеющие соответствующую компетенцию и оборудование. Кстати, данные мастера могут дать рекомендации и относительно ликвидационного тампонажа гидротехнического сооружения, когда цементирование не может принести нужного результата.

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:

1. 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.
2. Портландцемент + барит (1,1:1) + специальные добавки и вода. Недостаток такого раствора – невысокая прочность.
3. 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.

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.

Что используется при тампонировании и как проводят работы

Процессу цементирования скважины предшествует еще процедура расчётов. Такой подход позволяет правильно рассчитать количество материалов, необходимых для проведения работы. Просчитывается также состав смеси, и каким образом будет осуществляться подача. При выполнении анализов, учитываются некоторые данные. Речь идет о глубине скважины, какое расстояние между обсадной колонны и стенками скважины. Рассматривают форму проходки, есть ли нарушения в конструкции, которые появились в процессе монтажа гидротехнического сооружения

Берут во внимание состав грунта, твердость

В том случае, если когда-нибудь в данной местности уже делали бурение скважин, то можно воспользоваться информацией из этого проекта. Если Вы грамотно проведете расчеты, то цементирование скважины пройдет максимально эффективно, расход материалов будет правильным (в данном случае сэкономите деньги). Также поможет правильно провести процедуру грамотное составление проекта.

Нужно понимать, что если Вы решили провести тампонирование скважины, то этот процесс необратимый, восстановить эксплуатацию скважины будет уже невозможно. Так же и невозможным будет исправить ошибки, допущенные в процессе. Именно поэтому лучше не осуществлять данную работу, если не уверенны в своих силах и знаниях, а доверить работу специалистам.

При осуществлении процедуры учитывают состав грунта. Это необходимо для того, чтобы правильно подобрать и рассчитать количество раствора. Самым распространенным является раствор из цемента и песка. Он лучше всего подходит для скважины, размещенной в плотном глинистом грунте. Основой в данном растворе будет портландцемент. Используется потому, что позволяет достигать отличную подвижность раствора, тем самым допускается подача с помощью насоса. Он очень быстро застывает и обладает высоким уровнем прочности.

Широкой популярностью пользуется асбест, бумага, а также другие волокнистые материалы при осуществления тампонирования в пористых грунтах. Если все же решитесь использовать обычный цемент и песок, то в процессе работы может получиться повышенный расход материала, что увеличит финансовые расходы на процедуру.

Неплохо добавить в смесь песок и гравий

Но этих материалов не должно быть очень много, важно, чтобы такой раствор оставался жидким. Чтобы продезинфицировать, добавляют сюда также хлорную известь

Подготовка

На подготовительном этапе готовят документы. Как мы уже говорили – это акт и проект. Проект нужно согласовать с санитарной службой. Вся ответственность лежит непосредственно на владельце. Он должен следить, чтобы все работы велись в соответствии с проектом. Вот почему каждый владелец скважины, который собирается провести тампонирование, должен знать, как это делается. В санитарную службу и коммунальное хозяйство подают акты и технические отчёты по окончании работ.

Процедура

На сегодняшний день есть несколько эффективных способов проведения тампонирования. Один из самых распространенных и простых – заливка раствора цемента и песка внутрь. Раствор опускается вниз и заполняет пространство. Но эффективность данного метода не самая лучшая. Существуют более эффективные, но сложные.

В случае обратного тампонирования, раствор подают в скважину. Она проникает через стенки и поднимается наверх. Данный способ более эффективный, но и сложнее. Он требует использование специальной жидкости, которая подается под давлением, чтобы раствор мог подниматься вверх. Если обычное тампонирование можно выполнять самому, если знаете точно технологию, то обратное должен выполнять только специалист.

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.

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.

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.

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.

Когда нужно тампонирование?

Перед тем как делать проект, решение о тампонировании принимается на основании следующих признаков:

• Ухудшилось качество воды в водозаборном сооружении. При этом восстановительные мероприятия не дадут должного эффекта либо вообще нецелесообразны.
• Дебет скважины уменьшился до минимума, и она больше не эксплуатируется.
• Небольшие временные гидротехнические сооружения больше не нужны, поскольку воду теперь подают из другого источника.
• Согласно акту обнаружены неустранимые дефекты в конструкции, которые привели к ухудшению качества воды или снижению производительности водозабора. То же самое делают, если устранение дефектов не выгодно по экономическим соображениям.
• Иногда согласно проекту выполняются пробные геолого-разведывательные или поисковые скважины. После получения нужной информации они в обязательном порядке подлежат тампонированию.
• Фонтанирующая скважина больше не эксплуатируется.
• Если поглощающие скважины угрожают заразить другие водоносные горизонты, их тампонируют.

Описание разновидностей тампонажа

Если более подробно рассматривать геологические причины, можно сказать, что в данном случае водозабор может попросту перестать выполнять свою роль, что довольно часто становится следствием геологических процессов. Технические причины – это тот случай, когда водозабор в течение длительного времени не поддерживался в рабочем состоянии.

В качестве альтернативного варианта может выступить нарушение технических норм во время бурения. Работы могли вестись с использованием несоответствующих материалов, долгое время не проводился ремонт, и не осуществлялось обслуживание. Тампонаж скважин осуществляется еще и в том случае, когда водозабор выстраивался для временного использования.

Консервация и ликвидация скважин

Тампонирование скважины при ликвидации – это наполнение пустых мест в породе цементом или глиной. Такая мера нужна для укрепления котлована, чтобы отделить слой водной почвы от загрязнений извне и талой воды. Изолирующим составом заполняются пустоты между почвой и обсадкой. Ликвидационный тампонаж различного назначения происходит по такому же принципу, только изолирующим составом наполняют не пустоты между почвой и обсадкой, а сам котлован.

В состав работ по ликвидации скважин входят следующие операции:

• 1Монтаж и демонтаж бурового агрегата.
• 2Устройство циркуляционной системы.
• 3Геофизическое обследование.
• 4Опытная откачка воды.
• 5Подготовка глинистого раствора.
• 6Извлечение посторонних предметов.
• 7Разбуривание песчаной пробки.
• 8Промывка водой.
• 9Дезинфекция.
• 10Песчаная или гравийная засыпка фильтровой части.
• 11Закачка цементно-глинистого раствора.
• 12Копка шурфа.
• 13Обрезка обсадных труб и приварка заглушки.
• 14Заливка дна шурфа.
• 15Обратная засыпка шурфа.

Правила ликвидации и консервации скважин

Тампонаж нужен, если водозаборная скважина сделана с нарушениями технологии или действующего законодательства о недропользовании. Государство четко регламентирует порядок и правила ликвидационного тампонажа буровых скважин.

Выполнение ликвидации может потребоваться при:

• ухудшении качества воды, когда меры по очищению водозабора не дадут результата или будут стоить дороже;
• понижении дебета водозабора до минимальных значений, при которых использовать его в дальнейшем буде невозможно;
• потери необходимости в использовании участка;
• появлении риска загрязнения всего водоносного слоя артезианского источника из-за неправильного обустройства.

Кроме аварийных, ликвидации подлежат безводные, разведочные, инженерно-геологические, скважины, по тем или иным причинам не достигшие расчетной глубины водоносного горизонта, указанной в проекте, либо не обнаружившие воду на расчетной глубине. Такие случаи могут происходить по форс-мажорным обстоятельствам (техногенное или природное воздействие), но чаще причиной является непрофессионализм бурового подрядчика.

Свидетельство о допуске СРО на 2021 год

Ликвидируются скважины, пробуренные на запретных территориях, брошенные или слишком долго простоявшие в состоянии консервации. Слишком долгая консервация скважины на воду может привести к тому, что за время длительного простоя без контроля с соответствующим техническим обслуживанием разрушаются конструкции с основными узлами. Различные виды коррозии разрушают металл, бетон или другие материалы, в результате снижается прочность конструкций, нарушается герметичность соединений.

Порядок работ при ликвидационном тампонаже

Тампонаж проводят только после нагнетания вод под установленный тампон. При проведении этих работ тампоны постепенно передвигают таким образом, чтобы в различных интервалах хорошо исследовать пласты.

Если же они продвигаются сверху вниз, производится углубление на интервал, по которому проводилось исследование. В верхнюю часть он перемещается по мере исследования интервалов.

Основное различие тампонов по принципу работы:

• Механические;
• Гидравлические;
• Пневматические.

Принцип их действия довольно прост и подразумевает использование резиновой расширяемой манжеты. За счет такого механизма зазор между стенками колонн обсадных труб и скважины уплотняется. От глубины опускания тампона изменяется и величина зазора, который необходимо уплотнить.

Достаточно часто используют механический принцип тампонажа

Упрощенная конструкция резинового тампона выглядит как две трубы, которые соединены патрубками между собой. С наружной стороны закреплена резиновая манжета. В процессе вращения колонн происходит ввинчивание в муфту трубы патрубка, за счет чего расширительная манжета хорошо уплотняет зазор, который существует между стенками колодца.

Пневматические одинарные тампоны приводятся в действие за счет нагрева сжатых воды или воздуха. Такой механический прибор состоит из нижней и верхней части, которые разделяются перфорированной трубой.

Консервация скважин на воду

Данное мероприятие проводится в следующих случаях:

— при несоответствии гелиотехнических условий на период утончения проектных показателей и создания нового техпаспорта строительства водозабора; — консервация определенной части ствола скважины, который защищен обсадной колонной в случае, когда работы проводятся сезонно – на срок до восстановления строительства; — разрушение подъездных дорог, вызванное стихийным бедствием.

На этапе использования водозабора мероприятия проводят по следующим причинам:

Увеличение пластового давления до момента восстановления показателей давления, при которых невозможна нормальная эксплуатация источника; — использование водозабора стало экономически не эффективным; — водозабор подлежит ликвидации, но в перспективе его можно использовать для разработки месторождений и пр.

При частичной или полной ликвидации или консервации необходимо привести скважину в состояние, которое будет безопасно для жизни и здоровья населения, а также гарантирует сохранность месторождения на весь период простоя.

Мероприятия должны проводиться в соответствии с проектом и быть согласованы с органами Ростехнадзора.

Водозаборные скважины с течением срока эксплуатации часто теряют свои технические характеристики и становятся непригодными к использованию. В этот период и происходит чаще всего законная ликвидация скважин.

Причинами прекращения деятельности водозаборного канала могут стать:

• Выход и строя внутренней трубы источника и возможность заражения воды химическими вбросами в жидкость (для определения качества воды берется образец из источника);
• Не по правилам проведенное геологическое исследование грунта;
• Отклонения от технологии в момент монтажа колодца;
• Расположение водозаборного канала в запрещенной контролирующими органами зоне.

Стоит отметить, что решение о ликвидации скважин может приниматься на разных этапах её существования:

• В период бурения канала (если образец воды подтвердил её непригодность к использованию или случились технические неполадки с оборудованием горизонта);
• В процессе возведения внутреннего канала скважины;
• Или в течение срока её эксплуатации.

• Ликвидация скважин — это мера, цель которой полное и безвозвратное прекращение деятельности водозаборного канала методом тампонажа по специальной технологии. В качестве сырья для формирования долговечного тампона используется крепкий бетонный раствор, не поддающийся разрушению с течением времени.
• Временная консервация скважин — такое мероприятие, позволяющее прекратить забор воды из подземного горизонта на некоторый период. Используется для переоборудования внутренней колбы канала или улучшения технических характеристик скважины. Благодаря консервации по специальной технологии использование источника можно временно прекратить и вернуться к нему через определенный промежуток времени.

Решение о закупоривании колодца может быть принято как относительно работающего канала, так и временно законсервированного, но более не позволяющего использовать ресурсы подземного горизонта.