Технология цементирования скважин

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.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН

Заключительный этап проведения буровых работ сопровождается процессом, который предполагает цементирование скважин. От того, насколько качественно будут проведены эти работы, зависит жизнеспособность всей конструкции. Основная цель, преследуемая в процессе проведения данной процедуры, заключается в замещении бурового раствора цементным, который имеет еще одно название — тампонажный раствор. Цементирование скважин предполагает введение состава, который должен затвердеть, превратившись в камень. На сегодняшний день существует несколько способов осуществления процесса цементирования скважин, наиболее часто используемому из них более 100 лет. Это одноступенчатое цементирование обсадной колонны, явленное миру в 1905 году и используемое сегодня лишь с некоторыми доработками.

ПРОЦЕСС ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

Технология осуществления цементирования скважин предполагает проведение 5 главных видов работ: первый — замешивание тампонажного раствора, второй — закачивание состава в скважину, третий — подача смеси выбранным методом в затрубное пространство, четвертый — затвердевание тампонажной смеси, пятый — проверка качества осуществленных работ.

Перед стартом работ должна быть составлена схема цементирования, которая имеет в основе технические расчеты процесса

Важно будет при этом взять во внимание горно-геологические условия; протяженность интервала, которому необходимо укрепление; характеристики конструкции скважинного ствола, а также его состояние. Следует использовать в процессе проведения расчетов и опыт осуществления таких работ в определенном районе

ОСОБЕННОСТИ НАГНЕТАНИЯ

Цементирование допустимо производить разными методами подачи смеси в затрубное пространство, более того, могут быть применены в процессе проведения работ и различные приспособления. Цементирование скважин может предполагать прямую подачу смеси, такая схема предполагает поступление цемента во внутреннее пространство обсадной колонны с последующим его прохождением непосредственно до башмака и дальнейшим поступлением в затрубное пространство, при этом поступление раствора производится снизу-вверх. При обратной схеме закачка производится в обратном порядке, сверху вниз.

Осуществление цементирования скважин при этом может производиться в один подход, в ходе которого требуемый объем для тампонирования смеси продавливается за один раз.

Двухступенчатое цементирование применяется, когда скважина имеет значительную глубину. Технологический процесс делится на поочередное заполнение отдельных интервалов посредством применения оборудования. Манжетное цементирование, в отличие от вышеперечисленных способов, предполагает защиту части ствола от прохождения тампонажной смеси. Манжета позволяет изолировать участок, располагающийся на протяженности продуктивного пласта. Скважина может иметь скрытые колонны и секции, их цементирование можно выделить в отдельную группу.

Осуществление цементирования скважин, независимо от выбранного метода проведения работ, преследует цель изгнания из затрубного пространства раствора, образованного бурением, что возможно путем помещения туда тампонажного раствора. Цементирование обеспечивает полное заполнение тампонажной смесью интервала ствола; устранение промывочной жидкости посредством проникновения цементной смеси в рамках интервала, предназначенного для цементирования; защиту тампонажной смеси от проникновения промывочной жидкости; образование цементного камня, который характеризуется значительной устойчивостью к разного рода воздействиям в виде глубинных нагрузок; отличное сцепление цементного камня со стенами скважины и с поверхностью обсадной колонны.

ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ:

• цементировочные агрегаты, предназначенные для проведения затворения смеси и ее последующего продавливания под значительным давлением;
• цементно-смесительное оборудование;
• цементировочная головка для осуществления промывки ствола и дальнейшего цементирования его стен;
• заливочные пробки для двухступенчатого цементирования;
• краны высокого давления;
• стальные гибкие шланги;
• устройства, предназначенные для проведения распределения раствора.

Одноступенчатая (сплошная) система цементирования

Для быстрого и надежного укрепления обсадных стволов частных гидросооружений применяется сплошная система подачи смеси. Одноступенчатое цементирование скважин предусматривает закачку цементного состава в пространство вокруг трубы под высоким давлением при помощи спецоборудования, установленного на основу автосредства или вблизи сооружения.

Раствор для тампонажа под собственным весом направляется к башмачному основанию колонны, тем самым заполняя все имеющиеся полости.

Перед началом работ осуществляется тщательная промывка водозаборного ствола, далее устанавливается специальная пробка – ограничитель. Бетононасос осуществляет подачу смеси, под тяжестью которой пробка опускается на башмачное основание.

После завершения закачки цемента закладывается еще одна пробка и выполняется трамбовка смеси до тех пор, пока обе пробки не упрутся друг в друга. Это гарантирует полное заполнение раствором пространства вокруг трубы.

Для трамбовки смеси используется бетононасос, оснащенный вибропрессом. Полное затвердение цемента наступает через 48 часов.

Сплошное цементирование используется для мелких скважин правильной конфигурации. Недостатком можно считать сложность проведения контроля над качеством трамбовки залитой цементной смеси.

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.

Технология цементирования

Есть два варианта подачи раствора в пространство вокруг обсадной трубы — прямой и обратный способ. Их главное отличие заключается в технологии заливки цемента:

• прямой способ закачки тампонажного раствора в пространство вокруг обсадной трубы подразумевает подачу цементной смеси сверху вниз. Таким образом, она опускается на дно скважины под тяжестью своего веса и заполняет все пустоты. Такой метод считается наиболее простым и эффективным;
• обратный метод подачи смеси выглядит несколько иначе. Смесь заливается прямо в обсадную трубу, на дне которой установлена пробка или диафрагма. Затем происходит продавливание раствора специальной жидкостью, которая подаётся под высоким давлением, и цементирующий раствор проходит снизу вверх.

Во время бурения скважин в промышленных масштабах наиболее востребованным является прямой метод подачи цементного раствора, так как он не требует больших затрат. При этом весь процесс заливки может иметь один цикл, а необходимый объём раствора подаётся сразу. В очень глубоких скважинах используется двухступенчатое цементирование. Такой процесс проходит несколькими этапами на отдельных участках скважины.

Реже всего используется манжетный метод, поскольку он очень затратный. В этом случае часть ствола закрывается манжетой, которая уберегает его от проникновения цементирующего раствора, а также с его помощью происходит изоляция участка, находящегося в районе продуктивного пласта.

Также при выборе метода подачи раствора необходимо принимать во внимание то, что в итоге нам необходимо получить такие результаты:

• тампонажный цемент должен абсолютно заполнить всё пространство между трубой и стенами скважины, поскольку наличие воздушных карманов при создании конструкции не допускается. Готовое покрытие должно иметь превосходное сцепление со всеми типами поверхностей;
• после полного застывания смеси образуется цементный камень. В процессе эксплуатации скважины он должен выдерживать воздействие грунтовых вод, а также хорошо переносить значительные нагрузки, возникающие на большой глубине под давлением земляных пород;
• вся промывочная жидкость из участка проведения работ должна быть полностью устранена, поскольку её наличие в готовом массиве является браком.

Инъектирование основания

Укрепление грунта под фундаментом инъектированием заключается в бурении скважин и закачке укрепляющего ремонтного состава через инъекционные приспособления. Под ленточным или столбчатым фундаментом скважины бурятся с поверхности земли наискосок, плитный просверливается сверху насквозь.

Ремсостав под давлением проникает во все прилегающие к скважине пустоты. Необходим постоянный контроль процесса, чтобы закачиваемый материал не ушел в глубину. На выбор конкретной технологии инъектирования влияет тип грунта, от которого зависит вид состава.

Способы инъектирования грунта:

1. Силикатизация. Для закачки используется жидкое стекло. Способ применяется для закрепления песчаных или лессовых грунтов и плывунов.
2. Смолизация. В скважины закачивают синтетические быстроотверждаемые смолы. Технология используется для укрепления водонасыщенных или сухих песков, лессов, супеси, суглинка.
3. Цементация. Скважины заливают растворной смесью на основе цемента с примешиванием глины, суглинка или песка. В крупные пустоты дополнительно закачивают горячий битум. Консистенцию раствора подбирают с учетом плотности грунта или размеров трещин в скальной породе. Технология с трудом осуществима в мелкозернистых песках и совсем непригодна для супеси, суглинка, глинистых или илистых грунтов.
4. Аммонизация. Метод предназначен для защиты от просадки лессовых грунтов. В грунтовое основание под фундаментом нагнетают газообразный аммиак, который вступает в химическую реакцию с породой.

Процесс инъектирования происходит без задействования крупногабаритного оборудования, не требует частичной разборки или приостановки эксплуатации здания. Дополнительное преимущество инъекционной технологии состоит в возможности приподнять и вернуть в изначальное положение осевший фундамент. Помимо укрепления основания под фундаментом создается противофильтрационная завеса для поднимающихся грунтовых вод.

Цементация затрубного пространства скважин

Последний вид работы и самый значимый в процессе сооружения скважины – наполнение свободного затрубного пространства быстро расширяющимися цементными растворами. Этот вид работы требует исполнения с высоким качеством. Правильный подбор составляющих раствора, технологии подачи с учетом геологического строения среза ствола скважины позволит провести надежную герметизацию затрубного пространства.Особую роль в таком подборе играет правильный выбор марки расширяющегося цемента, что позволит избежать перерасхода материалов.В пористой геологической породе не применяют обыкновенный цементно-песчаный раствор. В таких случаях прибегают к использованию растворов с волокнистым цементом (с использованием бумаги, тростника), предопределяя значительное сокращение расходуемого материала.В глинистых проходах используют обыкновенный цементно-песчаный раствор, который обеспечивает надежную герметизацию за счет отличного межпочвенного сцепления.Цементный раствор, введенный в ствол затрубного пространства, затвердевает в строго определенный промежуток времени, образует цементный камень, который заполняет все микротрещины, устойчивый к различным водо- и химвоздействиям, обеспечивает хорошую адгезию и обладает повышенной долговечностью.

Современная инженерия и технический прогресс нашли применение так называемым вспенивающимся смесям со свойством при затвердевании увеличиваться в объеме, полностью заполняя ниши, трещины и пазухи заколонного пространства

Типы спецоборудования для проведения тампонажа

В основной перечень технического оснащения для проведения работ включено следующее оборудование для цементирования скважин:

• устройства для подачи цементного состава и его проталкивания в гидросооружение под высоким давлением,
• агрегаты для замешивания цементной смеси,
• головка для прочистки водозаборного ствола с последующим цементированием стен,
• пробивные пробки для заливки цемента (используются при двухступенчатой системе тампонажа),
• крановые установки высокого давления,
• металлические шланги на гибкой основе,
• агрегаты для распределения цементной смеси.

Доступные способы цементирования скважин предусматривают единый принцип работы – подачу и распределение заполняющего раствора в затрубном пространстве. Правильный выбор технологии тампонажа определяется типом почвы, глубиной сооружения, материалом труб для обсадной колонны, климатическими и геодезическими условиями местности.

Цементация скважины проводится следующими способами:

• одноступенчатым (сплошным),
• двухступенчатым,
• манжетным.

Приемы цементования скважин

• одноступенчатый;
• двухступенчатый;
• манжетный;
• обратный.

• прямая – постепенное заполнение раствором пространства снизу вверх;
• обратная – перемещение раствора сверху вниз.

Обратная технологияПрямая технология1. Способ одноступенчатый.

2. Двухступенчатый способ.

• необходимости разделить затрубное пространство на несколько участков;
• время схватывания тампонажной смеси меньше, чем время завершения полного цикла;
• необходимости многократного увеличения давления подаваемой смеси, требующего дополнительного энергоемкого оснащения.

3. Манжетное цементирование.

4. Обратное цементирование.

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.

Используемые растворы и особенности метода

Водозаборные сооружения строятся по проекту, в котором предусматриваются действия по ремонту и ликвидации скважин посредством тампонирования. Выбор компонентов раствора и типа вяжущего вещества осуществляется с учетом геолого-технических условий на месте расположения скважины. Выполняются расчеты потребности в материалах, планируются способы подачи к нужной точке ствола.

На выбор состава укрепляющей смеси влияют такие факторы:

• технические нарушения в конструкции;
• удаленность забоя выработки от земной поверхности;
• зазор между обсадной колонной и стенками ствола;
• форма и обстоятельства проходки: дефекты, возникающие во время бурения;
• физические свойства и характеристики пересекаемых горных пород.

Схема цементирования.

Особенность метода тампонирования состоит в том, что этот процесс необратимый и чреват потерей водоотдачи скважины. Растворы из смеси портландцемента с песком рекомендуются для выработки, расположенной в глинистых породах. В пористых слоях грунта в состав добавляют волокнистые наполнители: бумагу, асбест, целлюлозу — они способствуют снижению расхода тампонажной смеси. Для запечатывания пустот в песчано-цементный раствор добавляют гравий.

В качестве вяжущего вещества применяют также глину, расплав пластика, вспенивающие составы, а для дезинфекции — хлорную известь. Подача скрепляющей массы в скважину осуществляется насосом через заливочную трубу. Для ремонта и ликвидации водозаборов используют специальный портландцемент, он называется тампонажным.

Процесс одного или сплошного цементирования

Данный вариант нередко используют для проведения процедуры цементирования бытовых скважин воды, закачивая в затрубное пространство приготовленный раствор. Он должен закачиваться под давлением с помощью оборудования, которое устанавливается на платформу специального автомобиля или стационарного вблизи от скважины. Цемент под своим тяжелым грузом продвигается к обсадной колонне, при этом заполняет все зазоры и пустоты затрубной полости.

• Стоит иметь ввиду, что перед началом проведения работы следует провести промывочные работы скважины, а уже потом ввести нижнюю пробку для выполнения ее роли ограничителя.
• Далее бетононасосом происходит закачивание раствора, под влиянием которого она опускается, пока не настигнет определенной цели обсадной колонны.
• Когда закачка цемента закончена, следует установить верхнюю пробку, где уже начнется уплотнять цементную смесь до того времени, пока верхняя пробка не уткнется в нижнюю, цементный раствор заполнит все пространство скважины.
• Далее проводятся уплотнительные работы с помощью вибропресса бетононасоса.
• Уже проведенное цементирование следует оставить на время в течении 3 дней для полного затвердевания цемента.

Этот вариант является самым наилучшим для скважин, которые обладают неглубоким объёмом и ровной по конфигурации поверхности. Однако этот метод не обходится без нюансов – отрицательным моментом является то, что нельзя отслеживать тогда, когда цемент достигает нижнего места створа скважины.

Способы цементирования скважин

На сегодняшний день используют 4 основных способа цементирования скважин:

• одноступенчатое, или сплошное (после заливки цементной смеси в обсадную колонну, последняя заглушается пробкой, на которую под избыточным давлением подают промывочный раствор – в результате чего происходит вытеснение цемента в затрубное пространство)
• двухступенчатое (технологически идентичное первому способу, но производящееся последовательно и отдельно для нижней части, а затем для верхней – при этом оба отдела разделяются специальным кольцом)
• манжетное (также использующее сплошное кольцо-манжету – но уже для возможности провести цементирование скважин только в их верхней части)
• обратное (единственный метод с заливкой раствора не в колонну, а сразу в затрубное пространство – с вытеснением буровых либо очистных растворов в колонную полость)

Оборудование для цементирования

Технологический процесс невозможно провести без специализированного оборудования. Это громоздкие механизмы, которые имеются в распоряжении центра цементирования скважин.

Оборудования для тампонажных работ:

• Смесительные машины для замешивания раствора;
• Цементировочные механизмы для продавливания раствора в ствол;
• Цементировочная головка для промывки ствола;
• Заливочные пробки.

Кроме этого, используются другие инструменты и приспособления, выполняющие подсобную, но не менее важную роль в цементировании. К ним относятся шланги, манометр и краны высокого давления, вибраторы и прочее. Оборудование транспортируется на платформах грузового автотранспорта, а для его запуска и работы с ним используется двигатель машины.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Защита фундамента цементацией

Траншея для усиления основания

Технология укрепления ленточного основания методом цементации, может применяться на фундаментных опорах с сохранившейся несущей способностью.

Метод цементации (усиление) фундаментов наиболее подходит для укрепления ленточного основания из кирпича или бутового камня, которые возведены из прочных основных материалов (бут, кирпич). В этом случае обычно наблюдается ослабление конструкций из-за разрушений связующего цементного раствора.

Появляются пустоты в кладке, которые ослабляют несущую способность ленточного фундамента. Усиление фундаментной опоры цементацией проводится без укрепления грунтов, на которые опирается конструкция.

Технология работ

Перед началом работ по укреплению ленточного фундамента из кирпича или бутового камня, требуется по периметру здания, изнутри и снаружи, отрыть шурфы. Шурфы роют вручную, в шахматном порядке, с расстоянием между ямами в 1 метр.  Если ленточный фундамент выложен из крупных валунов, шаг между отдельными шурфами может составлять до 2 м. При укреплении бутовых фундаментов, следует отрыть сплошные траншеи по периметру несущей конструкции, ширина траншей предусматривается размером 1 м, независимо от грунтов.

Посмотрите видео, как правильно укреплять основание с помощью бетонирования.

https://youtube.com/watch?v=4zYIOTom-bI

Учитывая, что проблемными местами конструкции ленточных фундаментов являются ослабленные швы кладки, именно в них просверливаются отверстия для заполнения цементным раствором. Количество необходимых инъекционных отверстий определяется проектным расчетом. В приготовленные отверстия в фундаментных конструкциях устанавливаются инъекторы, в которые под давлением нагнетается цементно-песчаный раствор.

Технология приготовления цементно-песчаного раствора допускает использовать следующие соотношения ингредиентов: 1:1; 1:1,5; 1:2. Заполнение отверстий раствором продолжается до полного насыщения ленточного основания. В зданиях с подвалом, принято выполнять работы по цементации опорного пояса изнутри.

Цементация грунтов

Технология цементации грунтовых оснований, позволяет выполнить усиление грунтов любого типа, повысить прочность и устойчивость к возникновению деформаций в различных опорных конструкциях.

Рекомендуем посмотреть видео, рассказывающее о технологии укрепления грунтов с помощью цемента.

В основе струйной цементации лежит инновационный метод одновременного разрушения и перемешивания ослабленных грунтов, на которые опирается здание, направленной струей цементного раствора, подающегося под высоким давлением. Нагнетание раствора под высоким давлением, приводит к образованию в грунтовых основаниях колоннообразных цементных элементов (колонн), которые укрепляют состав грунтов, повышая их несущую способность.

Метод струйной цементации при закреплении грунтов способен достичь положительных результатов даже на илистых и лессовых породах, природная несущая способность которых достаточно мала. Еще на стадии проекта расчетом определаются необходимые итоговые характеристики укрепленных грунтов, включая прочность основания и заданную несущую способность.