Тампонирование скважин. Цементирование скважин: способы и технологии

Дата: 17.10.2019

Цементирование скважин, или как его ещё называют тампонаж, является одним из наиболее важных этапов их строительства, и касается это не только нефтяных, но и водозаборных сооружений.
Суть данной операции состоит в том, что пространство, образовавшееся между стенками трубы и проходки, должно быть заполнено цементным раствором. Вот об этом мы и поговорим в данной статье.

Всё о тампонаже

Цементация глубоких скважин производится с учётом опыта прежних лет, с помощью современного оборудования и научных изысканий. Типовые схемы производства данных работ отработаны до мельчайших нюансов, и их грамотное выполнение очень важно.
Во-первых, тампон препятствует воздействию напорных вод и плывунов на ствол скважины, не давая им размывать шахту. Во-вторых, застывший раствор жёстко фиксирует конструкцию, предупреждая смещение колонн.
Итак:

Тампонируют скважины (см. ) не только в процессе строительства, но и при консервации и ликвидации – только технологии несколько отличаются. Хотя, абсолютно всё учесть невозможно, так как в каждом случае бывают разными условия работы: техническое оснащение, конструкция скважины, геологические условия, протяжённость цементного моста.

Поэтому, технологии нередко уточняются по ходу производства работ, и это нормально.
Главное, чтобы данный процесс обеспечил следующие требования:

Чтобы соблюсти данные условия, необходимо контролировать и регулировать характеристики промывочной жидкости, с целью снизить её вязкость. Напомним, что промывка производится в процессе бурения, что позволяет размягчать грунт, и вымывать из проходки шлам.
Цементный раствор нагнетается в затрубное пространство с такой скоростью, которая может обеспечить режим турбулентности.
В каждом конкретном случае рецептура раствора, подбирается индивидуально. Его свойства определяют как продолжительность тампонажных работ, так и режимы закачки и продавливания раствора.
Кстати, обычный строительный цемент в данном случае не используется. Есть специально предназначенный для скважин сорт, который называется «гипсоглинозёмистый цемент».

Он имеет свойство расширяться, а это в тампонажных работах самое главное. Раствор из такого цемента не впитывается в грунт, а заполняет все пустоты и мельчайшие трещины, закупоривая их по принципу тампона — отсюда и название технологии.
При наличии в проходке больших пустот и плывунов, в гипсоглинозёмистый раствор добавляют доломитовую муку, бентонитовую глину, либо волокна асбеста или целлюлозы.

Тампонирование одноцикловое, с двумя пробками

При выполнении цементации данным способом, в нужном сегменте ствола, сначала устанавливается нижняя пробка. В ней есть канал для прохода раствора, который временно перекрыт диафрагмой.
Далее, в верхней части колонны устанавливается головка, через которую осуществляется подача тампонажного раствора из смесителя. Верхняя пробка, удерживаемая шпильками, располагается на цементировочной головке.

Итак:

Когда в ствол, согласно расчёту, полностью закачан весь объём раствора, эту пробку освобождают, и начинают подачу жидкости для продавливания. Под высоким давлением, масса цементного столба, вместе с пробкой, продвигается вниз.
Попутно она вытесняет из ствола скважины буровую жидкость. Происходит это за счёт собственного веса тампонажного раствора, а так же его высокой плотности. В процессе вытеснения жидкости, уровень давления на головке, через которую нагнетается раствор, значительно снижается.

Столб тампонирующей смеси движется по стволу вместе с пробкой, установленной на нижней отметке. И как только она натыкается на упорное кольцо, происходит резкое усиление давления.
В результате чего диафрагма-перемычка, которой перекрыто отверстие, разрушается. После этого раствор беспрепятственно поступает в затрубные пазухи.
Объём жидкости, продавливающей цементную пробку, непрерывно контролируется, и когда остаются последняя пара кубов, интенсивность закачки снижается. Как только пробки, отсекающие интервал, входят в контакт, о чём говорит резко увеличивающееся давление, нагнетание тампонажной смеси прекращается.

Двухцикловое цементирование

Этим способом последовательно тампонируют сразу два интервала. По сравнению с одноцикловым цементированием, данный метод имеет некоторые преимущества.
При этом значительно уменьшается вероятность попадания промывочной жидкости в цементный раствор, и снижается давление на грунт в процессе его подъёма. Что немаловажно, высота подъёма может быть значительно увеличена, даже если давление не повышается.
Итак:

Подготовительные работы, предшествующие тампонированию, производится по той же схеме, что упоминалась выше. Только теперь, в нижней части того сегмента обсадной колонны, который готовится к тампонажу, устанавливается заливочная муфта.
По окончании промывки, производится установка головки, и начинается закачка того объёма цементной смеси, который необходим для заполнения первой ступени.

На следующем этапе, в ствол, через заливочную муфту вводят промежуточную пробку, которая завершает первый цикл, и, под воздействием продавочной жидкости, продвигает закачанную смесь вглубь. Её количество, при этом, равно объёму того отрезка обсадной колонны, который находится между упорным кольцом и заливочным клапаном. Затем, нижнюю пробку второго сегмента, которая находится в теле цементировочной головки, освобождают и продавливают.
Под воздействием давления пробку прижмёт к муфте, она сядет на втулку, и, смещаясь вниз, откроет сквозной проход. Дальнейшие действия могут иметь два варианта.
В одном из них, после окончания цементации первой ступени, сразу же приступают ко второму циклу. Этот метод представляет собой процесс непрерывного цементирования.

Второй вариант называется: двухцикловой тампонаж с разрывом. При этом заливка второго отрезка колонны производится только после схватывания уже закачанной цементной смеси.
На этот период, в заливочном клапане поддерживают циркуляцию бурового раствора. Данный вариант позволяет регулировать уровень динамического давления, возникающего в затрубных пазухах, и, соответственно, улучшить качество тампонирования.

Как только подача расчётного объёма тампонажной смеси, предназначенной для второго сегмента, закончена, в колонну устанавливается и продавливается жидкостью последняя, верхняя пробка. Теперь она, смещаясь вниз вместе с втулкой, перекроет проходное отверстие.

Способы манжетной и обратной цементации

Решение в пользу манжетного метода, принимается в тех случаях, когда цементируется пласт с низким давлением, или нужно предупредить попадание раствора в фильтрующую колонну. Суть его в том, что на нижней отметке тампонируемого сектора, в устанавливается муфта с отверстиями для прохождения раствора, и брезентовой манжетой.
Итак:

Чуть ниже муфты размещается клапан, перекрывающий раствору доступ внутрь колонны. А манжета, в процессе нагнетания раствора, перекрывает затрубное пространство так, что цементный столб может продвигаться только вверх.
Есть ещё вариант, при котором цементация производится в обратном направлении (снизу вверх). Если коротко, делается это так: обсадная колонна по нижнему периметру перекрывается специальным башмаком; раствор, по специальному рукаву, закачивается непосредственно в затрубное пространство.
При этом, находящийся там буровая жидкость вытесняется, и, по обсадным трубам, выходит на поверхность.

Данный способ привлекает буровиков, но для цементирования сверхглубоких скважин он не подходит. Причиной тому ряд технических сложностей.
Например, трудно контролировать момент достижения тампонажного раствора нижней отметки обсадной колонны. Соответственно, невозможно и оценить качество цементации – а эта часть ствола скважины наиболее ответственная.

Завершающий этап цементирования

Период затвердевания цементного столба может варьироваться, в зависимости от состава раствора. Имеет значение и то, какая именно колонна тампонировалась.
Для кондуктора, например, достаточно 16 часов, а для эксплуатационной колонны нужны сутки. По истечении этого срока, в скважину опускают электротермометр.
Итак:

С его помощью, по изменениям температур, определяют высоту подъёма раствора в цементируемом пространстве. Максимальное выделение раствором тепла, происходит в течение нескольких часов после его затвердевания.
Поэтому, для определения данного показателя, прибор должен быть спущен в скважину в течение суток после окончания тампонажа.

Для контроля качества цементирования широко применяют акустический зонд (скважинный локатор). Участки, не заполненные раствором, определяются по амплитудам звуковых колебаний. Если к качеству тампонажных работ претензий нет, начинают обвязку устья скважины.
Затем, в неё спускают пикообразное долото либо желонку, с помощью которой разбуривают затвердевшие остатки раствора и заливочные пробки.

Далее наступает черёд опрессовки ствола, то есть проверка его на герметичность. Для этого, в него закачивается вода под давлением, превышающим расчётное на 20%.
Если спустя полчаса давление снижается не больше, чем на 0,5 мПа, и при этом не происходит выделение газа, и перелива воды, скважина считается герметичной.

ТАМПОНИРОВАНИЕ скважин (а. well plugging, well grouting, well cementation; Н. Abdichtung der Воhrungen, Zementierung der Воhrungen; ф. bouchage des puits, tamponnage de sondages; и. tamponamiento de perforaciones, tamponamiento de agujeros) — нагнетание в специальных тампонажных растворов с целью ликвидации осложнений при в зонах поглощения, водопритоков, кавернозных и трещиноватых участках разреза .

Тампонирование производится в основном закачиванием раствора через бурильную колонну , спущенную на глубину изолируемого интервала. В случаях расположения проницаемых пластов на небольшой глубине (200-500 м) тампонажные растворы закачивают по стволу с продавливанием их буровым раствором в зоны поглощения. Когда при бурении встречаются проницаемые породы с крупной трещиноватостью, в этот интервал, как правило, закачиваются вязкопластичные составы на основе цемента, глинопорошка и полимерных добавок (1-5% гипана, метаса, полиакриламида). Наиболее широко применяются быстросхватывающиеся смеси, на основе цемента, в которые добавляют ускорители схватывания (например, 5-8% хлористого кальция).

Тампонирование карстовых полостей, сильно кавернозных проницаемых пород иногда производят с помощью глинолатексных смесей, состоящих из глинистого раствора , приготовленного из бентонитового порошка и латекса марки СКС-50 КГП или СКИ-3 (в объёмном соотношении 2:1), которые при контакте с пластовой водой превращаются в резиноподобную массу за счёт коагуляции латекса. При вскрытии нескольких зон поглощения изоляционные работы, как правило, ведут с использованием гидромеханического пакера, установленного на конце бурильной колонны. При тампонировании непоглощающих кавернозных интервалов обычно применяется цементный раствор. Для полного заполнения каверн цементным раствором в скважину спускаются бурильные трубы с открытым концом, установленным ниже кавернозного участка. Цементный раствор заполняет каверны от подошвы вверх. После заполнения каверн цементным раствором бурильные трубы поднимаются. Скважина оставляется в покое на время затвердения цементного раствора. Затем разбуривают образовавшийся столб цемента и ствол приобретает номинальный диаметр. Эффективность тампонирования проницаемых пластов, особенно трещиноватых, усиливают путём добавки в тампонажный раствор наполнителей (кордное волокно, резиновая крошка, опилки и т.д.). Размер частиц применяемых наполнителей колеблется от 1 до 7 мм при закачке тампонажного раствора через бурильную колонну с открытым концом и от 7 до 20 и более мм при закачке его по стволу скважины.

Тампонирование пород и нарушений в обсадных колоннах , спущенных в скважину, чаще всего производят с помощью смол, проникающая способность которых в малые каналы (менее 1 мм) намного выше, чем тампонажных растворов на основе цемента. Широко используются составы на основе органических материалов (феноло- и резорцино-формальдегидные термореактивные смолы ТСД-9, ТСД-10 и производных полиакриловых кислот — гипан и т.д.). Для тампонирования водопритоков, разобщения водоносных и нефтяных пластов применяется алкилрезорциновая эпоксифенольная смола (ГТМ — гидрофобный тампонажный материал). При тампонировании цементным или другим тампонажным раствором обычно используется цементировочный агрегат (ЦА) с 2 поршневыми насосами и смесительная машина (СМ) с бункером , заполненным сухим цементом. Для приготовления цемента один насос ЦА подаёт воду к специальному перемешивающему устройству в СМ. К нему же подаётся с помощью шнеков цемент из бункера СМ. В скважину цементный раствор закачивается вторым насосом ЦА. Иногда для ликвидации поглощений используют тампоны , устанавливаемые непосредственно в интервале зоны поглощения.

Тампоны представляют собой контейнеры, наполненные сухим тампонажным веществом (цемент, гипс , глинопорошок и т.д.). При разбуривании эта смесь смачивается буровым раствором и образует вязкопластичную перемычку в проницаемом интервале приствольной части скважины. Тампонирование проницаемых пластов специальными тампонажными растворами в бурящихся скважинах позволяет эффективно ликвидировать поглощения, сокращать в 2-3 раза затраты времени и материалов на борьбу с поглощениями буровых растворов при бурении скважин. Тампонирование водопритоков в эксплуатирующихся нефтяных месторождениях обеспечивает добычу безводной нефти и увеличивает сроки эксплуатации скважин.

Тампонирование скважины - комплекс работ по гидроизоляции отдельных ее интервалов.

Цели тампонажа:

1) разделение и изоляция водоносных и других горизонтов;
2) укрепление стенок скв;
3) ликвидация водопроявлений;
4) устранение поглощения промывочной жидкости;
5) защита подземных вод от загрязнения.

Проектом предусматривается затрубный цементный тампонаж.

Цементом называется вяжущее вещество, которое, будучи замешано с пресной водой в тесто, твердеет как в воздухе, так и в воде. Цемент изготавливают путем тонкого измельчения клинкера (обожженной до спекания смеси известняка и глины) совместно с гипсом в количестве, необходимом для регулирования сроков схватывания и твердения. (Воздвиженский,1979)

Тампонаж производится в интервалах зоны поглощения и самого нижнего слоя представленного песком, т.е. где установлены обсадные трубы с целью гидроизоляции:

устья скважины в интервале 0,0 - 5,0м;

зоны поглощения в интервале 90 - 130м.

Схема тампонирования скважины

Проектом выбрана схема тампонирования двумя пробками. Тампонаж по способу «с двумя пробками» наиболее надежный, но и наиболее сложный способ, при котором процесс цементации распадается на два этапа.

Первый этап.

Подготовка забоя скв, заключающаяся в его очистке, а в некоторых случаях - и расширении. Для очистки скв обсадные трубы поднимаются с забоя на 0,5-1,0м. На верх колонны обсадных труб навинчивают специальную головку для цементации и присоединяют шланг промывочного насоса, при помощи которого промывочную жидкость нагнетают в обсадные трубы. Под давлением насоса промывочная жидкость вытесняется из обсадных труб в затрубное пространство и поднимается до устья скв. Такую промывку затрубного пространства производят для того, чтобы облегчить проникновение в него цементного раствора.

Второй этап.

После промывки затрубного пространства колонна обсадных труб остается подвешенной над забоем, головку для цементации свинчивают с обсадных труб, а в трубы опускают нижнюю пробку, которую при помощи штанг подталкивают на некоторое расстояние. Сверху этой пробки наливают (специальным насосом) цементный раствор, поверх которого вновь вставляют верхнюю пробку. Таким образом, цементный раствор становится зажатым меду двумя пробками. На верхнюю пробку нагнетают промывочную жидкость, которая проталкивает обе пробки и раствор между ними к забою скв. Закачку промывочной жидкости продолжают до тех пор, пока верхняя пробка не встретится с нижней, которая по выходе из труб останавливается на забое, а цемент выжимается в затрубное пространство. Как только прекратится заталкивание пробки, немедленно прекращается подача промывочной жидкости, освобождаются хомуты простых труб и колонна под действием собственного веса или при применении добавочного давления опускается на забой. СКВ в таком состоянии оставляют в течение 1-3 суток, что зависит от качества цемента и др. условий. Для тампонажных работ при бурении скв используют специальный сорт цемента - тампонажный. Техническими условиями предусматриваются сроки начала и окончания схватывания цементного раствора. (Рис. 1.2.)

Рис. 1.2.

а - начало закачки цемента;

б - конец закачки цемента;

в - начало подъема цемента в затрубное пространство;

г - конец цементации.

1 - запорный кран, 2 - манометр, 3 - головка для цементации, 4 - верхняя часть пробки, 5 - резиновые манжеты, 6 - нижняя часть пробки, 7 - обсадная труба, 8 - верхняя проб ка, 9 - нижняя пробка

Расчет количества тампонирующего раствора

D - диаметр скв;

d- наружный диаметр обсадных труб;

H - высота зоны тампонажа.

Интервал 0,0 - 5,0м

D = 93мм = 0,093м;

d = 89мм = 0089м;

V цр =0,002 м 3 для одной скв

2* V ц.р. = 2*0,006 = 0,0047 м 3 для двух скв

Интервал 90 - 130м

D = 76мм = 0,076м;

d = 73мм = 0,073м;

V цр =0,0314 для одной скв

2* V ц.р. = 2*0,0314 = 0,0628 м 3 для двух скв

Тампонирование скважины в частном доме

Тампонаж скважины проводят в процессе строительства, но иногда применяют его и при ликвидации. По этой причине у владельцев таких водозаборов возникают вопросы о том, какой же порядок действий должен быть при проведении работ и какие материалы необходимо применять. Именно поэтому важно знать рекомендации специалистов при проведении тампонажа.

Тампонаж представляет собой цементирование водоносного разобщенного пласта. Работа будет зависеть от геологического разреза пород, когда между обсадной колонной и стволом цементируется вся затрубная полость.

В качестве смеси можно использовать:

Цементный раствор;
Густые глинистые растворы;
Жидкие пластмассы.

Тампонирование необходимо в двух случаях – либо ликвидации скважин, либо их реабилитации. Связано это с тем, что обсадные трубы имеют свой эксплуатационный срок. По истечении времени появляется коррозия, которая становится причиной ухудшения качеств воды.

Тампонажу, как правило, подлежат бездействующие артезианские скважины

К скважинам, подлежащим тампонажу, относят:

Вышедшие из строя водозаборные колодцы, реанимация которых считается нецелесообразной с технической или санитарной точки зрения;
Бездействующие артезианские;
Колодцы, которые имеют малую глубину и необходимости в которых больше нет;
Поглощающие и, как следствие, загрязненные некачественной водой;
Геологоразведочные и поисковые, срок эксплуатации которых истек.

Важно понимать, что скважины и линзы в них имеют межпластовую связь, что является нежелательным с точки зрения экологии.

Серьезные пробелы в пространстве устраняются одновременно с возможными перепадами вод в пластах.

При проведении работ тампонажу обязательно подвергают затрубные зазоры.

Типы тампонажных работ

Пробуренная готовая скважина представляет собой выработку, имеющую небольшой диаметр, который проходит через несколько водоносных горизонтов в почве. Для того чтобы порода не осыпалась внутри скважины, ее стенки нужно укрепить обсадными трубами НПВХ или стали.

Процесс тампонирования включает в себя несколько производственных этапов:

Штамповые испытания;
Подготовка оборудования;
Выбор способа закачки и подачи раствора.

Кроме того, выделяют два типа тампонажа. К первому относят временный, который заключается в использовании различных тампонов и глины. Данный тип применим только в тех случаях, когда скважина проходит испытание и необходимо полностью изолировать все водоносные горизонты.

Второй тип называют постоянным, и в этом случае происходит ее заливание цементным раствором. Постоянный тампонаж производят всегда на длительный срок. Глиняный же способ можно использовать только в том случае, если водоносные горизонты находятся на небольшой глубине.

При необходимости разделить источник на ограниченное время используют особые тампоны, которые именуют пакерами. Их также применяют для исследования горных пористых пород, а также тех, которые имеют удельное высокое водопоглощение.

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 двигать тампоны снизу вверх, то ранее изученный интервал заполняют цементом или глиной.

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.

Подбашмачный тампонаж применяется при роторном бурении.

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.

Тампонирование трубопроводов и скважин

Основная смесь, которая используется при тампонировании, – портландцемент. При смешивании этого сырья с водой получается подвижный раствор, который легко прокачивается насосом и при этом довольно быстро затвердевает.

Цементную смесь необходимо готовить очень быстро, чтобы можно было проводить перекачку ее насосом. Раствор закачивается в скважину или трубопровод при помощи заливной трубы, высота которой должна составлять 3 метра.

В тампонажную смесь необходимо добавлять гравий и песок — столько, чтобы вышла жидкая консистенция. Готовый раствор поставляют к устью и закачивают на всю глубину. Если происходит движение пластов, то обсадная колонна должна оставаться на месте.

Эффективное тампонирование канализации при помощи глиняного столбика:

Его помещают колонковым снарядом в забой;
Под давлением насоса столбик выдавливают из трубы;
Для сброса лишнего давления используют отверстия.

Если вы решили затампонировать канализационные трубы или старую скважину, то нужно соблюдать специальные правила и понимать принцип действия тампонажа. Сам процесс происходит на глубине залегания наиболее нижнего водоносного слоя.