Основные способы цементирования скважин

Методы цементирование скважин

В тех случаях, когда бурение скважины проводилось в легких песчаных грунтах, требуется дополнительная защита обсадных труб от смещения и коррозии. Укрепить шахту и продлить срок службы источника поможет такой метод как цементация скважины.

Как проводится цементирование

Суть процесса заключается в том, чтобы после установки и закрепления обсадных элементов заполнить затрубное пространство цементным раствором. Если ствол состоит из внутренней и внешней трубы, раствором заполняют межтрубное пространство. После застывания раствор образует прочный монолитный слой, который предохраняет шахту от повреждения и разрушения.

Подобная обработка ствола после бурения называется тампонированием. Для ее проведения необходимы определенные навыки и знания, а также специализированное оборудование для закачки раствора. При соблюдении технологических требований удается не только укрепить ствол шахты, а и устранить все пустоты и поры, через которые в обсадную трубу проникают различные примеси и абразивные частицы, ухудшающие качество воды и способствующие быстрому изнашиванию насосного оборудования.

Скважины также цементируют в тех случаях, когда они больше непригодны к эксплуатации.

Последовательность проведения работ

Цементация скважин проводится в несколько последовательных этапов. Вначале рассчитывается количество цементного раствора, необходимого для полного заполнения пространства между грунтом и наружными стенками обсадных труб. Поскольку тампонирование должно идти непрерывно, очень важно точно подсчитать и подготовить достаточные объемы цемента.

Схема цементации скважины

Далее готовый раствор подается к шахте и закачивается между трубами и грунтом. После застывания цемента проводится проверка качества выполненных работ.

Какие растворы используют для тампонирования

При тампонаже скважин применяются цементные смеси, отвечающие целому ряду требований. Консистенция готового раствора должна быть такой, чтобы его можно было легко доставить к месту проведения работы. От пластичности и текучести смеси зависит, насколько качественно будут заполнены все полости и пустоты. Кроме этого, приготовленный раствор должен обладать:

• хорошей адгезией к поверхности труб и грунту;
• повышенными прочностными характеристиками после окончания процесса затвердевания;
• химической нейтральностью;
• устойчивостью к воздействию грунтовых вод;
• отсутствием усадки во время затвердения.

При самостоятельном выполнении работ приготовление цементировочной смеси проводят на основе специального тампонажного портландцемента. Стоимость его несколько выше, чем у обычного цемента, однако особые силикатные добавки позволяют значительно повысить устойчивость застывшего раствора к различным внешним воздействиям.

В качестве дополнительного компонента может использоваться песок, барит или асбест. Кроме этого в состав должны входить специальные добавки:

1. Вещества, ускоряющие застывание раствора или, наоборот, замедляющие его схватывание. Выбор веществ зависит от температуры воздуха в момент проведения заливки.
2. Пластификаторы, обеспечивающие вязкость и текучесть готовой смеси.
3. Добавки, повышающие устойчивость к низким температурам и перепадам температурного режима.
4. Поглотители влаги.

Смешивание можно проводить вручную, однако при больших объемах раствора для тщательного перемешивания всех компонентов лучше привлечь специальную технику.

Какое оборудование потребуется для проведения работ

Качественное цементирование шахты возможно при полном соблюдении всех требований технологического процесса. Прерывание заливки цементной смеси существенно снизит прочность защитного слоя. Лучший вариант — взять в аренду спецоборудование, которое выполняет полный комплекс работ от смешивания раствора до подачи его в затрубное пространство и полного заполнения всех полостей. В крупных городах (таких, как Москва, областные и региональные центры) найти такую технику не составит труда.

Если же арендовать такой агрегат нет возможности, необходимо найти и подготовить следующее оборудование для цементирования скважин:

• миксер для перемешивания компонентов раствора;
• насосное оборудование, способное подкачивать готовую смесь под высоким давлением;
• специальную цементировочную головку для подачи раствора в шахту;
• определенное количество заливочных пробок (зависит от метода выполнения заливки);
• шланг для подачи смеси (лучше всего выполнять работы с использованием гибкого пожарного шланга);
• мерная емкость.

Выбор метода заливки цементной смеси

Перед тем, как выбрать один из методов цементации скважины, необходимо учесть свойства грунта, глубину ствола, расстояние до водоносного слоя и уровень сезонного подъема грунтовых вод, тип материала, из которого изготовлены обсадные трубы.

Для самостоятельного выполнения работ подходят следующие способы цементирования скважин:

• одноступенчатое;
• манжетное;
• обратное цементирование.

Для глубинных скважин используется так называемая сегментарная заливка. Это довольно трудоемкий способ, который требует обязательного привлечения специалистов.

Сплошная цементация

Одноступенчатое цементирование скважин — наиболее распространенный способ для укрепления ствола неглубоких шахт. Перед подачей цементирующей смеси скважину промывают и вводят нижнюю пробку. При подаче смеси пробка начинает опускаться вниз под весом столба. После того, как весь подготовленный раствор окажется в стволе, а нижняя пробка опустится к основанию колонны, устанавливается верхняя пробка и начинается продавливание тампонажной смеси в пространство между трубой и грунтом. По мере опускания верхней пробки раствор продавливается и поднимается снизу вверх.

В момент, когда обе пробки окажутся на дне шахты, работу можно считать оконченной. Для полного затвердевания достаточно 1,5-2 суток.

Манжетный способ

Манжетное цементирование применяется в тех случаях, когда следует создать монолитный слой только вокруг верхнего участка обсадной трубы. Обычно такая заливка требуется для скважин, часть которых находится в сыпучих грунтах, а часть — в глинистых или суглинках.

Манжетный способ цементирования скважин

Первым этапом является установление границ участка, на котором требуется дополнительное укрепление. Далее в этом месте на обсадную трубу устанавливается специальная манжета. Заливка раствора проводится так же, как и в предыдущем случае, только тампонажный раствор будет проникать в межтрубное пространство на определенном участке.

Наличие разных по плотности пластов при разработке скважин встречается не очень часто, поэтому данный метод цементирования не получил широкого распространения.

Обратная цементация

Этот метод также применяется достаточно редко в связи с невозможностью контроля качества защитного слоя в области основания колонны. Суть метода заключается в том, что смесь подается сразу в просвет между трубами или между трубой и грунтом. Под своим весом раствор стекает до самого основания шахты, заполняя свободное пространство.

Несмотря на относительную простоту подачи раствора, данный способ не рекомендуется к использованию при заливке глубинных скважин. Это связано с тем, что на большой глубине очень сложно установить плотность раствора, а также установить момент, когда цементная смесь достигнет основания стола.

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.

Источник

Способы цементирования скважин

Способ цементирования выбирается в зависимости от условия залегания, литологического состава, проницаемости и степени насыщенности продуктивных пластов. Существует несколько способов цементирования скважин:

Одноступенчатое цементирование наиболее распространенное и заключается в следующем (рисунок 73). После того, как обсадная колонна спущена в скважину, на устье устанавливают цементировочную головку и приступают к промывке до полного выравнивания плотности бурового раствора (плотность бурового раствора на входе в скважину должна равняться плотности на выходе).

Перед началом цементирования все манифольдные линии от цементировочных агрегатов к цементировочной головке должны быть опрессованы на 1,5 кратное давление относительно рабочего в течение 3 минут.

Перед закачиванием в скважину цементного раствора желательно в колонну закачать буферную жидкость (водный раствор солей NaCl, CaCl₂ и др. или щелочь NaOН) для разжижения бурового раствора и уменьшения вязкости и статического напряжения сдвига.

Затем при помощи цементировочных агрегатов и цементосмесителей затворяют цементный раствор, который закачивают в обсадную колонну через цементировочную головку. Для того, чтобы расчетный объем цементного раствора выдавить в затрубное пространство, необходимо освободить цементировочную разделительную пробку, которая удерживается внутри цементировочной головки с помощью стопорного винта. Сверху цементировочной разделительной пробки в обсадную колонну закачивают продавочную жидкость.

Рисунок 73. Схема одноступенчатого цементирования

Последние 0,5-1 м 3 продавочной жидкости закачивается одним цементировочным агрегатом. В результате пробка «садится» на кольцо-стоп и в этот момент резко возрастает давление на цементировочной головке. Это служит окончанием процесса цементирования.

Двухступенчатое цементирование применяется в тех случаях, когда возникают трудности подъема цементного раствора на заданную высоту, либо высокая забойная температура, ограничивающая по времени проведение одноступенчатого цементирования, или требуется не сплошное цементирование.

Для этого в оснастку обсадной колонны включают разделительную цементировочную муфту, которую устанавливают на границе интервалов цементирования. Цементирование нижнего интервала происходит таким же образом как и одноступенчатое.

Перед тем, как закачать вторую порцию тампонажного раствора объемом, равным объему верхней части затрубного пространства, в скважину сбрасывают шар. Дойдя до цементировочной муфты, шар под действием давления сдвигает вниз подвижную втулку и открываются боковые отверстия, через которые в затрубное пространство выходит вторая порция тампонажного раствора.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Как производят цементирование скважин?

Надежность закрепления металлических труб, смонтированных для укрепления стенок в любой буровой скважине, достигается цементированием скважинного ствола специальным раствором. Приготовленный раствор затвердевает, образуя монолитную оболочку, которая позволяет надежно эксплуатировать скважину долгий период. Это и есть цементирование скважины.

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.

Приемы цементования 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.

1. Способ одноступенчатый.

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.

2. Двухступенчатый способ.

Этот способ имеет второе название – двухцикловое цементирование. При неглубоких скважинах применять нецелесообразно, используется на скважинах, имеющих нефтеносные горизонты на больших глубинах. 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.

3. Манжетное цементирование.

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

На представленном видеоролике подробно рассмотрены поэтапные шаги и принцип тампонирования скважины манжетным способом с использованием соответствующего оборудования и оснастки.

4. Обратное цементирование.

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. Происходит полное замещение промывочной жидкости подготовленной герметизирующей смесью.

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

Этапы производства работ по цементированию скважин

В любом строительном производстве до начала строительства скважины составляется проект организации строительства (ПОС). Как правило, в этом документе учитывается:

• сложность и последовательность выполняемых работ с учетом геологии и конструктивных особенностей скважины;
• рекомендуемый способ выполнения тампонажных работ;
• марка раствора;
• сведения об обеспечении строительной площадки необходимыми энергоустановками и их материально-техническое обеспечение;
• схема отвода промывочных вод;
• методы проверки качества выполненных тампонажных работ;
• мероприятия по охране труда и сохранению окружающей среды.

Все параметры, входящие в ПОС, подтверждаются математическими расчетами.

Нарушения этих правил сводятся к неправильному тампонированию и, как следствие, – скважина стает непригодная к эксплуатации, так как не обеспечивается герметичность скважины, происходит ее загрязнение поверхностными водами или из промежуточных геологических пластов.

Применяемые машины, механизмы и материалы

Все работы по бурению, промывке, герметизации скважин выполняются в полевых условиях. Возникает потребность иметь все механизмы, смонтированные на шасси автомобилей повышенной грузоподъемности и проходимости.

Необходимые машины, механизмы и вспомогательная оснастка для выполнения работ по цементации:

• машина приготовления пластической герметизирующей смеси (цементосмесительная);
• агрегат закачки готовой смеси и продавливания в скважине;
• насос, подающий герметизирующую смесь в колонну;
• насос, подающий воду в смеситель приготовления смеси;
• головка промывки ствола скважины перед цементацией;
• пробки разделительные – только для двухступенчатой заливки;
• задвижки и вентили высокого давления;
• специальное распределительное устройство смеси;
• набор гибких рукавов, металлических шлангов;
• муфта ступенчатого цементирования;
• мерные баки для определения количества закачанной смеси.

Правильный подбор вяжущего материала (цемента) в составе герметизирующей смеси обеспечивает:

• образование после затвердения высокопрочного цементного камня с высокой способностью противостоять агрессивным химическим воздействиям, повышенной прочностью к механическим перегрузкам;
• хорошую адгезию после затвердения с породами стенок скважины и обсадной трубой;
• качественное заполнение щелей, скосов и пазух в породе стен скважин;
• высококачественное твердение и приобретение проектной твердости раствора за указанный период времени.

Кроме выше названных характеристик, герметизирующая смесь должна обеспечить:

• равномерное заполнение нагнетаемой смеси по длине и окружности скважины;
• защиту герметизируемой смеси от попадания промывочных остатков.

Такие характеристики смеси достигаются при применении тампонажных цементов, изготовляемых из портландцемента и доменных шлаков. Применение таких цементов позволит получить высококачественный герметизирующий раствор. Дозировка наполнителя и вяжущего средства определяется специальным расчетом, с учетом конкретного места строительства скважины.

Особенности цементирования нефтяных скважин и скважин на воду

Залегание нефтеносных и водоносных слоев резко отличается по глубине заложения. Как правило, скважины для воды менее глубокие.

Цель, преследуемая при цементации водоносной скважины, заключается в необходимости изоляции обсадных труб от коррозии, предохранении затрубного пространства от обвала стенок скважины в слабых геологических породах, изоляции эксплуатационного водоносного и неиспользуемых пластов.

Цементирование нефтеносных скважин призвано значительно повысить конструктивную прочность скважины для нивелирования влияния воздействия сил, возникающих на больших глубинах, при подвижке грунтов. Немаловажную роль выполняет цементирование при разделении и изоляции различных нефтеносных горизонтов, не допуская их смешивание.

Исходя из основных требований, при цементировании нефтеносных скважин используются специализированные добавки в тампонажном растворе:

• различные полимерные материалы, которые при застывании расширяются и уплотняют прилегающий к стенкам скважины грунт;
• для увеличения прочности цементного камня, повышения пластичности приготовленного раствора используют чистый кварцевый песок;
• для предотвращения утечки жидкого цементного раствора в пористых грунтах применяют крошку волокнистой целлюлозы;
• для снижения действия агрессивных химикатов на цементный камень применяют крошку сверхлегких минералов вулканического происхождения.

При проведении тампонажных работ на нефтескважинах устанавливается строгий, многоступенчатый контроль качества получаемого цементного камня в затрубном пространстве.

Источник