Цементирование скважин: что это такое, для чего проводится, какое оборудование используется, каким должен быть раствор, расчеты, методы и технология (одноступенчатое, многоступенчатое, манжетное)

Тeхнoлoгия затрубнoй цeмeнтации cкважин

Нeкoтoрыe кoнcтрукции cкважин и уcлoвия бурeния трeбуют цeмeнтации cкважин, тoчнee затрубнoгo прocтранcтва мeжду oбcаднoй кoлoннoй и грунтoвoй cтeнкoй cкважины. Цeмeнтация призвана укрeпить cкважину, пoвыcить урoвeнь гeрмeтизации, в рeзультатe — прoдлить cрoк cлужбы вoдoзабoрнoй cиcтeмы.

Как цeмeнтируют cкважину?

Для цeмeнтации cкважины иcпoльзуeтcя тампoнажный раcтвoр. В oтличиe oт бурoвoгo раcтвoра, oблeгчающeгo прoцecc бурeния, тампoнажный раcтвoр прeвращаeтcя в твeрдoe тeлo. Благoдаря этoму oбcадная кoлoнна крeпитcя к cтeнка cкважины. Такoe тeхничecкoe рeшeниe дeлаeт вo мнoгo раз прoчнee вcю кoнcтрукцию.

Извecтнo нecкoлькo мeтoдoв цeмeнтации, каждый из кoтoрых coдeржит cлeдующиe ocнoвныe этапы:

пригoтoвлeниe тампoнажнoгo раcтвoра
пoдача раcтвoра в затрубнoe прocтранcтвo oдним из cпocoбoв
твeрдeниe тампoнажнoй cмecи
прoвeрка качecтва тампoнажа

тампoнажный цeмeнт

Учитывая важнocть и выcoкую cлoжнocть прeдcтoящeгo прoцeccа, пeрeд началoм тампoнирoвания oбязатeльнo cocтавляeтcя cхeма будущих рабoт. Cхeма cocтавляeтcя c учeтoм кoнcтрукции cкважины, характeриcтик грунта, в кoтoрoм былo прoизвeдeнo бурeниe, прoтяжeннocти учаcтка тампoнирoвания, марка тампoнажнoгo раcтвoра и мнoгoe другoe. Вce парамeтры oбязатeльнo прoвeряютcя инжeнeрным раcчeтoм, так как нeправильнo cдeланнoe тампoнирoваниe cпocoбнo навceгда вывecти cкважину из cтрoя и тoгда ужe придeтcя примeнять ликвидациoннoe тампoнирoваниe, цeль кoтoрoгo защита вoдoнocнoгo гoризoнта oт загрязнeний c пoвeрхнocти и из прoмeжутoчных гeoлoгичecких cлoeв. Крoмe тeoрeтичecких раcчeтoв вceгда учитываeтcя oпыт тампoнирoвания cкважин, прoвeдeнный в cхoдных уcлoвиях. Крoмe упрoчнeния и гeрмeтизации cкважины цeмeнтация пoзвoляeт удалить бурoвoй раcтвoр, cмecь раcтвoра c бурoвым шламoм и другиe жидкocти (напримeр, прoмывoчную жидкocть) из затрубнoгo прocтранcтва.

Как тампoнажный раcтвoр пoпадаeт в cкважину?

Цeмeнтирoвoчная cмecь мoжeт быть дocтавлeна в затрубнoe прocтранcтвo cкважины нecкoлькими cпocoбами, для чeгo иcпoльзуeтcя различнoe oбoрудoваниe.

Прямая пoдача

Тампoнажный раcтвoр пoдаeтcя нeпocрeдcтвeннo внутрь oбcаднoй кoлoнны. Далee cмecь чeрeз нижнюю чаcть cкважины — так называeмый башмак — прoникаeт в затрубнoe прocтранcтвo и запoлняeт eгo, пoднимаяcь мeжду внeшнeй пoвeрхнocтью oбcаднoй кoлoнны и грунтoвoй cтeнкoй вырабoтки. Чащe вceгo иcпoльзуeтcя прямая пoдача цeмeнтирoвoчнoй cмecи.

цeмeнтация cкважины c двумя прoбками

Для кoнтрoля пoлoжeния маccы тампoнажнoгo раcтвoра примeняют двe прoбки. Нахoдяcь мeжду этими прoбками раcтвoр oпуcкаeтcя внутри oбcаднoй кoлoнны дo нижнeй чаcти cкважины. Затeм в кoлoнну пoд давлeниeм закачиваeтcя жидкocть, кoтoрая давит на вeрхнюю прoбку, кoтoрая в cвoю oчeрeдь как пoршeнь пeрeдаeт давлeниe тампoнажнoму раcтвoру и раcтвoр чeрeз нижнюю чаcть cкважины пoпадаeт в затрубнoe прocтранcтвo. Cущecтвуeт бoлee прocтoй вариант затрубнoй цeмeнтации cкважины c иcпoльзoваниeм oднoй прoбки. Давлeниe жидкocти кoнтрoлируeтcя пo манoмeтру.

цeмeнтация затрубнoгo прocтранcтва завeршeна

Oбратная пoдача

При oбратнoй пoдачe тампoнажный раcтвoр cначала пoпадаeт в затрубнoe прocтранcтвo, oпуcкаяcь cнаружи вдoль oбcаднoй кoлoнны.

Oднocтупeнчатoe цeмeнтирoваниe

При oднocтупeнчатoм цeмeнтирoвании вecь oбъeм тампoнажнoгo раcтвoра дocтавляeтcя за oдин цикл. Напримeр, так прoиcхoдит при цeмeнтирoвании cкважины c пoмoщью oднoй или двух прoбoк c прямoй пoдачeй раcтвoра.

Oднocтупeнчатoe цeмeнтирoваниe

При oднocтупeнчатoм цeмeнтирoвании вecь oбъeм тампoнажнoгo раcтвoра дocтавляeтcя за oдин цикл. Напримeр, так прoиcхoдит при цeмeнтирoвании cкважины c пoмoщью двух прoбoк c прямoй пoдачeй раcтвoра.

Двухcтупeнчатoe цeмeнтирoваниe

пакeры для двухcтупeнчатoгo и манжeтнoгo цeмeнтирoвания

Данный вид цeмeнтирoвания cлoжнee в рeализации и примeняeтcя при бoльшoй глубинe cкважины. Бoльшая глубина увeличиваeт coпрoтивлeниe, чтo затрудняeт прoдавливаниe вязкoгo тампoнажнoгo раcтвoра вдoль вceй cкважины за oдин прoхoд. Пoтрeбoвалocь бы cлишкoм выcoкoe давлeниe, чтo нe вceгда мoжнo иcпoльзoвать бeз риcка нарушить кoнcтрукцию cкважины или характeриcтики гeoлoгичecких cлoeв в рeзультатe пoглoщeния цeмeнтирующeгo раcтвoра. Для кoмпeнcации бoльшoй глубины cкважины иcпoльзуeтcя мeтoд манжeтнoгo цeмeнтирoвания. Манжeты oграничивают прoдвижeниe тампoнажнoй cмecи, oрганизуя oтдeльныe цeмeнтныe кoльца в затрубнoм прocтранcтвe, защищают прoдуктoвый плаcт oт пoпадания cмecи, пoзвoляют цeмeнтирoвать cкважину oтдeльными учаcтками.

Oбoрудoваниe для цeмeнтирoвания cкважины

Какoe oбoрудoваниe пoнадoбитcя для прoвeдeния цeмeнтации cкважины?

cмecитeльная уcтанoвка для пригoтoвлeния тампoнажнoгo раcтвoра и других тeхнoлoгичecких жидкocтeй
цeмeнтирoвoчный наcoc, задача кoтoрoгo нагнeтать тампoнажную cмecь в cкважину и прoдавить ee при oпрeдeлeннoм давлeнии
наcocная уcтанoвка для нагнeтания в cкважину рабoчих жидкocтeй
цeмeнтирoвoчная гoлoвка
муфта cтупeнчатoгo цeмeнтирoвания
гибкиe cтальныe шланги

oбoрудoваниe для затрубнoй цeмeнтации cкважины

Coвeты бурoвикoв

Cocтав тампoнажнoгo раcтвoра пoдбираeтcя в завиcимocти oт cтруктуры и cвoйcтв гeoлoгичecких cлoeв, в кoтoрых прoбурeна cкважина. Плoтнocть затрубнoй цeмeнтации мoжнo пoвыcить, ecли иcпoльзoвать раcтвoр, кoтoрый увeличиваeтcя в oбъeмe. Ecли пoрoда пoриcтая, c выcoким кoэффициeнтoм пoглoщeния, тo oбычный раcтвoр иcпoльзoвать нeльзя, так как нeизбeжeн eгo пeрeраcхoд. Вмecтo запoлнeния затрубнoгo прocтранcтва тампoнажная cмecь пoд давлeниeм будeт ухoдить в cтoрoны oт cкважины. В такoй cитуации рeкoмeндуeтcя примeнять тампoнажный раcтвoр c вoлoкниcтым напoлнитeлeм. В качecтвe напoлнитeля мoгут выcтупать мнoгиe натуральныe или иcкуccтвeнныe вoлoкнocoдeржащиe матeриалы.

Пeрeд цeмeнтациeй затрубнoгo прocтранcтва cкважины нe тoлькo выбираeтcя тампoнажный раcтвoр и мeтoд цeмeнтации, нo такжe прoвeряeтcя вce oбoрудoваниe в уcлoвиях макcимальнoгo рабoчeгo давлeния и прoизвoдитeльнocти при пoдачe cмecи.

Прeдваритeльнo cкважина и затрубнoe прocтранcтвo дoлжны быть прoмыты вoдoй для oчиcтки oт шлама, ocтавшeгocя пocлe бурeния. Бeз прoмывки крупныe куcки пoрoды, ocтавшиecя пocлe бурeния, пoмeшают равнoмeрнoму запoлнeнию oбъeма тампoнажным раcтвoрoм, чтo в будущeм мoжeт привecти к пoврeждeнию кoнcтрукции cкважины.

Виды и технологии цементирования скважин

Цементирование – завершительный этап процесса бурения водяной скважины. Данная процедура проводится для того, чтобы укрепить трубу обсадной колонны в стволе скважины.

После застывания цементирующий слой защищает стенки гидротехнической конструкции от механических повреждений, снижает риск осыпания грунта, предотвращает развитие коррозийных процессов.

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.

Процесс цементирования довольно сложен в технологическом плане и проводится специалистами на специальном оборудовании.

Весь процесс цементирования условно делится на 3 этапа:

Какое оборудование используется?

Важно в ходе подготовительных работ уделить внимание подбору необходимого оборудования:

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.
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.
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.
Разделительные или заливочные пробки предназначены для отделения цементировочной смеси от других жидкостей – продавочной жидкости и бурового раствора. Таким образом обеспечивается качественное цементирование скважины.
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.

При смешивании с водой тампонажный цемент приобретает хорошую текучесть, а после застывания – высокие прочностные характеристики.

Существует несколько рецептов приготовления тампонажей:

Портландцемент и кварцевый песок берут в пропорции 1:1 и разбавляют водой, доводя до необходимой консистенции. Иногда в смесь включают минеральные добавки.
Портландцемент и барит (инертный минерал бария) берут в пропорции 1,1:1, добавляют воду и минеральные добавки.
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.

Если цементирование проведено правильно, то раствор равномерно заполнит все пространство между стенкой скважины и трубой, полностью вытеснив промывочную жидкость.

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.

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:

Сначала проводят первый цикл работ: в обсадную колонну загружают первую порцию раствора, проводят продавливание и заполнение нижней части затрубного пространства.
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:

Добиваются одинаковой плотности зацементированного участка на всем его протяжении.
Не допускают смешивания технической жидкости и цементного раствора, применяя специальные буферные разделители.
После окончания работ ожидают формирования цементного камня с высокими прочностными характеристиками.
При нагнетании цемента обеспечивают турбулентный режим замещения буровой жидкости. Неупорядоченное движение частиц приводит к интенсивному перемещению сред.
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.

Цементирование хвостовиков проходит одноступенчатым способом. При этом для отделения цементного раствора от продавочной жидкости используют разделительную пробку, состоящую из нижней и верхней секции.

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:

Тампонаж под давлением с последующим разбуриванием цементного стакана.
Цементирование под давлением с последующим вымывание излишков цемента.
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:

Поглощение тампонажного раствора стенами скважины. Данное осложнение возникает при неправильном выборе режима и способа цементирования, а также при нарушении рецептуры тампонажного раствора.
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.
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.
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.

Для образования качественного цементного камня скважина должна находиться в состоянии полного покоя. Использование различных предметов для определения качества цементирования может нарушить структуру цементного камня и привести к его разрушению.

Оценка качества

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

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.

Через трое суток скважина будет полностью готовой к эксплуатации. Ее тестируют на герметичность, устье очищают от остатков цементного раствора.

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.

Цементирование обсадной колонны скважины и тампонаж

Цементирование обсадной колонны – одна из самых ответственных операций, от успешности которой зависит долговечность и дальнейшая нормальная эксплуатация скважины.
Цементирование – закрепление обсадной колонны на стенке ствола скважины и отсечение избыточных флюидов от попадания в ствол скважины посредством нагнетания цементного раствора по обсадной трубе и вверх по кольцевому зазору.
Это процесс закачивания тампонажного раствора в пространство между обсадной колонной и стенкой скважины.
Способ цементирования выбирают в зависимости от вида колонны, спущенной в пробуренный ствол (сплошной или хвостовика).

Крепление скважин осуществляется для разобщения нефтегазоносных пластов от всех вышележащих с обязательным одновременным разобщением нефтесодержащих и газосодержащих пластов друг от друга и защиты обсадных труб от корродирующего действия минерализованных вод, циркулирующих в недрах.
Поэтому спущенные в скважину обсадные колонны должны быть зацементированы путем закачки тампонажного материала в кольцевое пространство между стенками скважины и обсадной колонны.

1- и 2-ступенчатое цементирование,
манжетное цементирование,
цементирование хвостовиков,
цементирование под давлением.

Рис. Схема этапов выполнения 1- циклового цементирования обсадной колонны:
I – начало подачи цементного раствора в скважину,
II – подача закачанной порции цементного раствора по обсадной колонне,
III – начало продавки в затрубное пространство, IV – окончание продавки;
1 – манометр, 2 – цементировочная головка, 3 – верхняя пробка, 4 – нижняя пробка, 5 – цементируемая обсадная колонна, 6 – стенки скважины, 7 – стоп-кольцо, 8 – продавочная жидкость, 9 – буровой раствор, 10 – цементный раствор.

колонну обсадных труб периодически расхаживают,
непрерывно промывают скважину для предотвращения прихвата колонны, ее устанавливают на 1-2 м выше забоя, оборудуют цементировочной головкой,
закачивают расчетный объем цементного раствора.

Многоступенчатое цементирование
Многоступенчатое цементирование – цементирование нескольких горизонтов (интервалов) пласта за обсадной колонной скважины с использованием соединений с отверстиями.
При этом, обсадная колонна на разных уровнях оснащена дополнительными приспособлениями (заливочными муфтами), позволяющими подавать тампонажный раствор в затрубное пространство поинтервально на разной глубине.

Распространено 2-ступенчатое цементирование – раздельное последовательное цементирование 2 х интервалов в стволе скважины (нижнего и верхнего).

позволяет снизить гидростатическое давление на пласт при высоких уровнях подъема цемента,
существенно увеличить высоту подъема цементного раствора в затрубном пространстве без значительного роста давления нагнетания;
уменьшить загрязнение цементного раствора от смешения его с промывочной жидкостью в затрубном пространстве;
избежать воздействия высоких температур на свойства цементного раствора, используемого в верхнем интервале, что позволяет эффективнее подбирать цементный раствор по условиям цементируемого интервала.

Рис. 2 Заливочная муфта для ступенчатого цементирования:
а – при цементировании первой ступени, б – при цементировании второй ступени;
1 – корпус, 2 – верхнее седло, 3 – верхняя втулка, 4 – заливочные отверстия, 5 – нижнее седло, 6 – нижняя втулка

Для проведения 2-ступенчатого цементирования в обсадной, колонне на уровне, соответствующем низу верхнего интервала, устанавливают специальную заливочную муфту (рис. 2).

Подготовку скважины аналогична 1- ступенчатому цементированию.
После промывки скважины и установки на колонну цементировочной головки приступают к закачке 1 й порции цементного раствора, соответствующей цементируемому объему 1 й ступени. Закачав нужный объем цементного раствора, в колонну вводят верхнюю пробку 1 й ступени, которая проходит через заливочную муфту (рис. 2, а).
Продавочной жидкостью вытесняют раствор в затрубное пространство.

После закачки объема продавочной жидкости, равного внутреннему объему обсадной колонны в интервале между заливочной муфтой и упорным кольцом, освобождают находящуюся в цементировочной головке нижнюю пробку 2 й ступени.
По достижении заливочной муфты, пробка садится во втулку, резко понижая давление нагнетания, но под давлением смещает ее вниз, открывая сквозные отверстия в муфте (рис. 2, б). .

При использовании способа непрерывного цементирования, тампонажный раствор для цементирования второй ступени закачивают тотчас за нижней пробкой второй ступени.
2-ступенчатое цементирование с разрывом – после открытия отверстий в заливочной муфте возобновляют циркуляцию бурового раствора, а тампонажный раствор 2 й ступени подают в скважину спустя некоторое время, к примеру, после схватывания раствора 1 й порции.

Цементирование хвостовика.
После промывки ствола скважины на устье ее устанавливают цементировочную головку, в которую вставляют верхнюю секцию разделительной заливочной пробки.
Закачивают расчетное количество цементного раствора, который продавливают буровым раствором или водой.
Когда раствор будет продавлен в объеме, равном внутреннему объему бурильных труб, верхняя секция пробки войдет в нижнюю и перекроет отверстия кольца.
При этом давление в бурильных трубах резко возрастет.
Шпильки, удерживающие нижнюю секцию в переводнике, срезаются, и обе секции, как одно целое, перемещаются вниз по хвостовику до резкого подъема давления.
После этого колонну необходимо посадить на забой, и путем вращения инструмента по часовой стрелке освободить бурильные трубы с переводником от хвостовика и вымыть излишек цементного раствора.
Через 16-20 часов следует определить высоту подъема цемента за колонной, оборудовать устье скважины, испытать колонну на герметичность и перфорировать в интервале продуктивного пласта.
Заключительный этап процесса восстановления скважины методом зарезки и бурения 2 го ствола – испытание эксплуатационной колонны на герметичность, перфорирование отверстий против продуктивного горизонта и освоение скважины (вызов притока нефти или газа из пласта).

Цементирование скважин — способы и технологии тампонажа

Завершающим этапом строительства скважин является укрепление обсадного ствола. Оттого насколько профессионально будет проведён этот процесс, зависит качество и надёжность всей конструкции. На сегодняшний день разработано несколько способов эффективного цементирования скважин, при этом одному из них, самому распространённому, уже больше ста лет. В статье мастер сантехник расскажет, способы и технологии цементирования скважин.

Зачем цементировать скважину

Цементирование скважины – процесс, который следует сразу после окончания буровых работ . Процедура цементирования заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае если обсадная труба помещена в свою очередь в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины .

Цементный раствор в этом случае называется “тампонажный”, а сам процесс “тампонированием”.

Правильно произведённое тампонирование скважин на воду способствует:

Обеспечению прочности конструкции скважины;
Защите скважины от грунтовых и верховых вод, стекающих вдоль ствола скважины в водоносный пласт;
Укреплению обсадной трубы и защите её от коррозии;
Повышению срока эксплуатации водоисточника;
Устранению крупных пор, пустот, зазоров, через которые в водоносный горизонт могут попасть нежелательные частицы;
Вытеснению бурового раствора цементным, если первый использовался при бурении.

От того, насколько грамотно осуществлено цементирование, будет зависеть качество добываемой воды и эксплуатационные характеристики скважины. Также цементирование производится для ликвидируемых скважин, которые больше не будут больше эксплуатироваться.

Способы цементирования скважин

В строительном производстве принято различать приемы в подаче герметизирующей смеси в заколонное пространство скважин:

Одноступенчатый;
Двухступенчатый;
Манжетный;
Обратный.

Цементование скважин производится в строгом соответствии с проектом производства работ, который является составляющей частью проекта на строительство скважины. Проектант обязан учитывать фактическую геологическую структуру на всей глубине скважины. В расчетах используют конструктивные особенности скважины, промежуток, подлежащий укреплению. Строгое соблюдение рекомендаций проектировщика – залог успешной долговременной эксплуатации скважины.

В практическом строительстве используется 2 технологии доставки тампонажного раствора:

Прямая – постепенное заполнение раствором пространства снизу вверх;
Обратная – перемещение раствора сверху вниз.

Обратная технология тампонирования применяется при небольших глубинах скважины. Приготовленный раствор подается сверху, между обсадной трубой и грунтом. Под собственным весом пластический раствор опускается вниз, заполняя все пустоты.

Прямая технология используется на больших глубинах залегания подошвы скважины и насчитывает несколько вариантов производства работ.

Такой вариант выполнения работ предусматривает залив герметизирующей смеси в пространство между трубой и стеною скважины без прерывания процесса. Прежде чем приступить к наполнению раствором, скважина промывается обыкновенной водой. В нижней части трубы крепится ограничитель движения пробки. Смесь выдавливается давлением из трубы, предназначенной для крепления стен буровой скважины, в пространство между трубой и стеной скважины. В трубу насосом подается подготовленная смесь в полном объеме.

Установив верхнюю пробку, с помощью компрессорной установки создается давление, необходимое для «выдавливания» смеси. Смесь поднимается вверх. В меру необходимости добавляется заранее приготовленный раствор в колонну и с использованием вибропресса происходит уплотнение закаченной смеси в заколонном пространстве.

Окончание подачи смеси происходит во время соприкосновения верхней и нижней пробок.

После полного затвердения раствора снимаются и извлекаются все приспособления, колонна очищается от остатков раствора, промывается чистой водой, проверяется на герметичность и передается в эксплуатацию.

Этот способ имеет второе название – двухцикловое цементирование. При неглубоких скважинах применять нецелесообразно, используется на скважинах большой глубины. Увеличение глубины разрабатываемой скважины увеличивает сопротивление, что требует дополнительных мощностей. Продавливание тампонажного раствора за один цикл вдоль всей скважины затруднительно. Увеличение давления отрицательно влияет на залегающие геологические слои, разрушая их. Это приводит к увеличению затрат на тампонирование. Существует опасность разрушения конструкции скважины.

Такой способ используется при:

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.

Второй цикл тампонирования выполняется при полном схватывании тампонажного раствора, выполненного в первом цикле.

В слабых грунтах, предрасположенных к пластовому гидроразрыву или с низким внутренним давлением, практикуется применение манжетного способа укрепления стенок скважин. Этот метод предусматривает цементирование не по всей длине обсадной трубы, а исключительно верхней части, для полного исключения воздействия давлением тампонажного раствора на продуктивные нижние пласты.

В нижней части обсадной трубы, на уровне предполагаемого цементирования, устанавливается манжета, предварительно проперфорированная в месте закрепления. Выше отверстий перфорации устанавливается стопорное кольцо. Нагнетание тампонажного раствора происходит, как и при одноступенчатом способе, с той разницей, что в затрубное пространство раствор попадает через отверстия, а не через башмак.

Наличие манжеты не позволяет раствору опуститься ниже края трубы, на котором она смонтированная. Внутрипластовое давление сохраняется на природном уровне и не способствует его разрушению.

Заполнение сверху пазух между трубой и стеной герметизирующим раствором называется обратным цементированием.

При таком способе промывочная жидкость опускается под тяжестью раствора вниз и поднимается обратно в обсадной трубе. Поднимающаяся промывочная жидкость сливается через устье, устанавливаемое наверху обсадной трубы, в очистную систему. При достижении тампонажного раствора низа обсадной трубы (башмака), процесс закачки прекращается и делается временная выдержка на период твердения раствора.

Этот метод цементирования оказывает меньшее давление на окружающие породы.

Так же способ имеет один изъян – качество цементирования вокруг башмака колонны снижено из-за частичного смешивания промывочного раствора с герметизируемым.

Оборудование для цементирования скважины

Какое оборудование понадобится для проведения цементации скважины:

Смесительная установка для приготовления тампонажного раствора и других технологических жидкостей
Цементировочный насос, задача которого нагнетать тампонажную смесь в скважину и продавить ее при определенном давлении
Насосная установка для нагнетания в скважину рабочих жидкостей
Цементировочная головка
Муфта ступенчатого цементирования
Гибкие стальные шланги.

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:

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

Под специальными добавками, входящими в состав цементирующих растворов, понимают различные вещества, придающие раствору особые свойства.

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.

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.

Читайте также:

Строительство гаража из газобетона

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.

Если вы не знайте, сколько времени необходимо для полного схватывания цементирующего раствора, подождите трое суток и приступайте к контрольным замерам

Длительность затвердения защитного слоя и проверка его качества

Образование цементного камня начинается сразу после завершения заливки смеси. Процесс полного затвердения зависит от температуры окружающей среды, состава и влажности грунта, материала обсадных элементов, а также характеристик и перечня компонентов самого раствора. Если нет возможности определить момент, когда защитный слой полностью сформировался, следует выждать как минимум 48 часов до выполнения каких либо действий.

В течение этого времени использование тросов, проволоки и других приспособлений для прощупывания заливки категорически не рекомендуется. Любое механическое воздействие может негативно сказаться на качестве и целостности цементного камня.

По истечении двух суток рекомендуется провести проверку полученного защитного слоя. Более точные результаты можно получить только с использованием специального профессионального оборудования. Существует три способа проверки целостности раствора:

Акустический. Методика основана на простукивании обсадных труб по всей длине шахты и обработке полученных результатов через компьютерную программу.
Радиологический. Измерение проводится специальными радиоприборами.
Термальный. Проводится измерение температур в процессе застывания слоя.

Если нет возможности пригласить специалистов для оценки выполненных работ, проверить готовность цементного слоя можно при помощи упрощенного термального метода. Для этого в течение периода застывания смеси измеряют температуру у стенок обсадных труб. Она должна вначале сравнятся с температурой окружающего воздуха, а затем стать на 1-1,5 градуса ниже.

Завершающим этапом является очистка ствола от остатков смеси. При выполнении работ своими руками очистку можно проводить желонкой. Перед вводом источника в эксплуатацию проводится проверка шахты на герметичность. Для этого в течение 20-30 минут в ствол закачивают воду под давлением. Если за это время давление воды снизилось не более, чем на 0,5 МПа, работы были выполнены качественно.

Цементируется скважина только раствором с тщательно подобранным составом, который будет зависеть от структуры грунтовых слоев. Для того чтобы более плотно была произведена цементация затрубного пространства, необходимо применять увеличивающийся в объеме раствор. Если скважина обустроена в толще пористой горной структуры, то при ее цементировании нельзя использовать обычный цементный раствор, так как он станет поступать в толщу геологической структуры, и это станет причиной большого перерасхода материала. По этой причине, если при предварительном геологическом обследовании были обнаружены пористые слои грунта, следует использовать смесь, которая имеет в составе волокнистый наполнитель на базе тростника, бумаги и иных материалов волокнистого типа.

Обычную цементно-песчаную смесь необходимо применять в случае обнаружения глинистой почвы, которая способна гарантировать надежное сцепление. Кроме того, жидкая смесь позволяет выполнить разобщение слоев грунта, то есть организуется хорошая межпочвенная герметизация.

Подготовительный этап цементирования должен предполагать не только выбор метода заполнения затрубного пространства и состава смеси, но и подготовку оборудования, что предусматривает проверку наибольшего рабочего давления и производительности подачи смеси.

Необходимо произвести качественную промывку скважины и самого затрубного пространства обычной водой, что позволит очистить пространство от буровых остатков почвы. Если пренебречь этим этапом, то это может стать причиной недостаточного заполнения смесью нужного пространства. В дальнейшем это приведет к перемещению почвы и повреждению обсадной трубы.

При подготовке тампонажной смеси следует обязательно добавить в нее коррекционные составляющие, которые станут регулировать пластичные характеристики смеси и сроки ее схватывания, так как процесс заполнения затрубного пространства предполагает трату значительного времени.

Для того чтобы гарантировать качественное заполнение пространства, при котором не будет повреждена сама скважина, период жизни тампонажной смеси минимум должен быть равен 3 часам, тогда как достижение им полной твердости должно осуществиться не позднее 72 часов.

Для того чтобы цементировать скважину , оборудование можно установить на грузовых автомобилях. Стоит помнить, что цементирование будет проведено качественно, если в процессе осуществления работ будет использован квалифицированный труд, а также материалы, оборудование и инструменты, которые предназначены для выполнения поставленной задачи.

Цементирование скважин — способы и технологии тампонажа

Цементирование скважины – процесс, который следует сразу после окончания буровых работ. Процедура цементирования заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае если обсадная труба помещена в свою очередь в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

Цементный раствор в этом случае называется “тампонажный”, а сам процесс “тампонированием”.

Правильно произведённое тампонирование скважин на воду способствует:

Обеспечению прочности конструкции скважины;
Защите скважины от грунтовых и верховых вод, стекающих вдоль ствола скважины в водоносный пласт;
Укреплению обсадной трубы и защите её от коррозии;
Повышению срока эксплуатации водоисточника;
Устранению крупных пор, пустот, зазоров, через которые в водоносный горизонт могут попасть нежелательные частицы;
Вытеснению бурового раствора цементным, если первый использовался при бурении.

Способы цементирования скважин

Одноступенчатый;
Двухступенчатый;
Манжетный;
Обратный.

В практическом строительстве используется 2 технологии доставки тампонажного раствора:

Прямая – постепенное заполнение раствором пространства снизу вверх;
Обратная – перемещение раствора сверху вниз.

Окончание подачи смеси происходит во время соприкосновения верхней и нижней пробок.

Такой способ используется при:

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.

Этот метод цементирования оказывает меньшее давление на окружающие породы.

Оборудование для цементирования скважины

Какое оборудование понадобится для проведения цементации скважины:

Смесительная установка для приготовления тампонажного раствора и других технологических жидкостей
Цементировочный насос, задача которого нагнетать тампонажную смесь в скважину и продавить ее при определенном давлении
Насосная установка для нагнетания в скважину рабочих жидкостей
Цементировочная головка
Муфта ступенчатого цементирования
Гибкие стальные шланги.

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.

Самыми простыми растворами, которые можно приготовить самостоятельно, являются:

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.
Портландцемент + барит (1,1:1) + специальные добавки и вода. Недостаток такого раствора – невысокая прочность.
Портландцемент + наполнитель. В качестве наполнителя применяется асбест (на песчаных грунтах), волокнистые материалы.

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.

Процесс образования цементного камня

Свойства компонентов, входящих в состав раствора;
Грунты, материал обсадных колонн;
Гидрогеологические и климатические условия на участке;
Плотность закачки, правильность осуществления процесса тампонирования.

Длительность затвердения защитного слоя и проверка его качества

Акустический. Методика основана на простукивании обсадных труб по всей длине шахты и обработке полученных результатов через компьютерную программу.
Радиологический. Измерение проводится специальными радиоприборами.
Термальный. Проводится измерение температур в процессе застывания слоя.

Читайте также:

Фартук на кухню из керамической плитки

Для того чтобы цементировать скважину, оборудование можно установить на грузовых автомобилях. Стоит помнить, что цементирование будет проведено качественно, если в процессе осуществления работ будет использован квалифицированный труд, а также материалы, оборудование и инструменты, которые предназначены для выполнения поставленной задачи.

В сюжете – Технология и способы цементирования скважин

В сюжете – Крепление скважин, цементирование скважин

В сюжете – Что такое ликвидационный тампонаж с восстановлением разреза и зачем он нужен

Технология цементирование нефтяных и газовых скважин

На завершающем этапе подготовки углеводородной области используется технология цементирования нефтяных и газовых скважин. Прообраз методики возник более 110 лет назад на бакинских промыслах. Способ базируется на полном выдавливании жидкости из буровой путем использования цементной смеси. Данная технология относится к разряду тампонажных в силу того, что в результате проведения работ образуется так называемая «пробка».

Что представляет собой процесс цементирования буровой?

Цементирование нефтяных и газовых скважин – это финишный этап подготовки буровой к эксплуатации. Комплекс работ направлен на обеспечение максимального срока службы сооружения. Это продиктовано следующими причинами:

Необходимость изолировать каждую нефтегазоносную область. Это делается для того, чтобы исключить возможность смешивания сырья и воды из разных пластов.
Требования, которые регламентируют защиту металлической трубной поверхности. Эти работы следует выполнить, чтобы обеспечить высокую стойкость от коррозии, которая возникает в результате воздействия почвенной влаги на металл.
Важность повышения прочности всего сооружения. Цементирование позволяет снизить влияние движения грунтов на скважину.

Для создания качественного цементного раствора используются различные добавки. Одной из наиболее популярных считается кварцевый песок. Материал позволяет снизить усадку до минимума и существенно увеличить прочность тампона. Волокнистая целлюлоза применяется для исключения возможных утечек жидкого раствора в пористый грунт.

В качестве одного из компонентов смеси могут использоваться пуццоланы. Они представляют собой своеобразную крошку из минералов, имеющую вулканическую природу. Отличаются водостойкостью и отсутствием реакции при воздействии агрессивных химических сред. Полимерные добавки используются для уплотнения прилегающих слоев грунта.

В конце проводится контроль выполненного тампонажа. Важную роль играет качество работ, проводимых на газовой и нефтяной скважине. Оно оценивается следующими способами:

термический – определяет высоту требуемого поднятия цемента;
акустический – позволяет обнаружить наличие внутренних пустот;
радиологический – применение специального рентгеновского излучения.

Каждая из приведенных технологий позволяет провести контроль качества полученной пробки. Процесс проводится многоступенчато, что гарантирует высокую точность проверок.

Технология цементирования скважины

Современные методики цементирования несколько отличаются от технологий, применяющихся в прошлом веке. Основные отличия заключаются в автоматизации процесса, использовании компьютерной техники при расчете требуемого количества раствора. При этом учитываются всевозможные геологические особенности нефтегазоносной области, климат, погодные условия в конкретный период, технические параметры и прочее.

Цементирование нефтяных и газовых скважин может проводиться одним из следующих способов:

одноступенчатая технология (сплошная заливка) – предусматривает подачу промывочного раствора под высоким давлением на пробку в обсадочной колонне;
двухступенчатая технология – то же, что и одноступенчатое цементирование, но с последовательным проведением процесса для нижней и верхней части (области разделены специальным кольцом);
методика манжета – предусматривает применение кольца-манжета для цементирования нефтяных и газовых скважин исключительно в верхней области;
обратная технология – единственная методика, во время которой цементная смесь заливается не в саму колонну, а в область за трубами.

Сам процесс проводится в несколько этапов. Изначально готовится смесь для тампонажа. Делается это согласно инструкции и расчетам. Смесь подается в скважину непосредственно после ее приготовления. После этого приводится в действие механизм, которые вытесняет раствор в межтрубное пространство нефтяной шахты.

Далее следует подождать, пока смесь полностью не застынет, образовав собой пробку. На конечном этапе проводится проверка качества выполненных работ по любой из технологии, описанной выше.

Для обеспечения высокой эффективности работы оснащение монтируется на шасси грузовой машины. Это позволяет сэкономить средства на транспортировку технологического оснащения и открывает возможность подключиться к питанию от двигателей используемых грузовиков.

Расчет цементирования скважин

После идентификации скважины необходимо провести соответствующие расчеты. Необходимо получить результаты следующих векторов:

количество необходимых расходников для раствора;
определение состава тампонажа;
проверочный расчет необходимого количества буферной жидкости.

Процесс вычисления проводится автоматизировано или вручную. Первый вариант предусматривает использование программного обеспечения. Чтобы расчет был успешен, необходимо иметь при себе входные данные – диаметр скважины, плотность цементного раствора, высота уплотнительного кольца, объем стакана и т.д. После подсчета программа выдаст на экран таблицы, которые будут включать все необходимые данные. Если же в этой таблице будут заменены некоторые значения, то автоматически произойдет повторный расчет.

Читайте также:

Фартук на кухню из керамической плитки

Ручное вычисление проводится нечасто, но тоже имеет право на существование. Здесь используются те же данные, что и при автоматизированном расчете цементирования. Стоит рассмотреть вычисления на примере одноступенчатого цементирования нефтяных и газовых скважин. Поэтапно процесс вычисления выглядит следующим образом:

проведение вычислений высоты столбца буферной жидкости путем предварительного определения коэффициента аномальности;
расчет высоты столбца цементного раствора, который находится за эксплуатационной колонной;
определение необходимого объема раствора;
проведение вычислений веса сухой цементной части;
расчет необходимого количества жидкости (воды);
вычисление максимального давления, которое создается на упорное кольцо.

В конце делается расчет требуемой подачи цемента агрегатами и количество цементировочных приборов. Кроме того, следует определить количество необходимых цементосмесителей, которые обеспечат требуемый объем раствора.

Что следует понять про технологию цементирования?

Цементирование нефтяных и газовых скважин, независимо от методики, сводится к преследованию одной цели – вытеснение бурового раствора из скважины. Делается это путем заливки тампонажной смеси, которая поднимается на определенную высоту.

Стоит понимать, что качество данной инженерной задачи напрямую зависит от соблюдения технологических процессов, корректности расчета и ответственности персонала. Тампонажнники должны полностью соблюдать требования к цементированию нефтяных и газовых скважин. Необходимо уделить внимание и материалам, которые будут использованы в рабочем процессе. Это позволит заметно увеличить продолжительность службы глубинных конструкций в процессе эксплуатации.

А Вы знаете, как проходит тампонирование скважин

Заключительный этап бурения, это тампонажные работы. Процесс заключается в том, что в затрубное пространство обсадной колонны вводится цементный (тампонажный) состав, после чего в течение нескольких суток происходит его затвердевание. В результате раствор превращается в камень – монолитную «рубашку», в которой заключена обсадная колонна скважины. Технология цементирования скважин сложная, требует специальных знаний и опыта, а в работе используется специальное оборудование для цементирования скважин. Работа проводится несколькими методами, в зависимости от назначения сооружения, типа грунтов и глубины залегания водяных жил.

Завершающий этап бурения скважин — это цементирование, данная операция влияет на всю работоспособность сооружения

Зачем проводить цементирование

Тампонирование скважин позволяет вытеснить буровой раствор цементным, обеспечить прочность конструкции и довести ее до рабочего состояния.

Цементирование скважин преследует три основные цели:

Укрепление обсадной трубы;
Предотвращение коррозии трубы под действием почвенных вод;
Предупреждение смешивания воды разных уровней.

Когда заполнение труб раствором производится с целью ликвидации скважины, а не запуска ее в действие, производится ее цементация – процесс, имеющий различия с цементированием. Хотя это два типа работ с отличиями в технологическом процессе, оборудование для цементации и цементирования может использоваться одинаковое.

Подготовка к цементированию

Еще на этапе проектирования, до начала буровых работ, производятся все технические расчеты, благодаря которым можно заготовить в необходимом количестве все материалы для цементирования.

Расчет труб для обсадных колонн

Расчет обсадных колонн необходим, чтобы правильно выбрать трубы: диаметр, прочность материала и толщину стенок. В зависимости от технологических условий эксплуатации конструкции (геологическая структура, давление со стороны грунта и возможность его смещения) используются пластиковые или металлические трубы.

При расчете обсадной колонны используются максимальные значения внутреннего и наружного давлений. Запас прочности позволит использовать конструкцию с предельно возможными нагрузками в конкретных условиях.

Состав для цементирования

Рассчитать заполнение трубы цементным раствором можно по формуле, с использованием конкретных данных: глубина скважины, диаметр трубы, ширина затрубного пространства. Также в расчетах учитывается коэффициент (K₁), обозначающий расход цементного раствора на заполнение трещин, каверн и погрешности в диаметре обсадной колонны.

Стандартный цементно-песчаный раствор может применяться для тампонажа скважин, которые устроены в плотном глинистом грунте

Формула для расчета количества цементного раствора выглядит так: V_ц = (π/4)*[К₁*(D₂ – d₁ 2 )*Н_ц d₂ 2 *h], м 3 .

В силу сложности проведения вычислений, ведения работ по тампонированию, а также необходимость использовать профессиональное оборудование, технологически грамотный тампонаж скважины может обеспечить только центр цементирования скважин.