Тампонаж скважин: назначение и способы реализации. Тампонаж питьевых скважин Тампонирование колодца

Закрепление грунта инъекцией зак­лючается в нагнетании одного или двух растворов в грунт через систему инъекторов или специально пробуренные скважины. Тампонажный раствор, распространяясь в грунте, заполняет поры и, соприкасаясь с поверхностью частиц, вступает с ними в химическую реакцию. При этом каждая из частиц грунта покры­вается слоем цементирующего вещества, в результате чего близ­лежащие частицы скрепляются друг с другом, образуя жесткий «скелет», способный выдержать значительно большую нагрузку, чем незакрепленный грунт.

При этом необходимо учитывать:

1. с увеличением вязкости инъецируемых растворов и давления, под которым производится нагнетание, на распространение растворов в грунте все большее влияние оказывает проницае­мость песчаных грунтов. Растворы стремятся найти разрых­ленную зону, устремляются в нее и, играя роль клина, раска­лывают грунт. При этом растворы способны продвигаться по создаваемым им ходам на достаточно большие расстояния. Явления разрыва сплошности грунта жидкими растворами и проникновения их по трещинам и ходам проявляются тем резче, чем меньше крупность частиц и влажность грунта;

2. при нагнетании растворов в неоднородные грунты происхо­дит их неравномерное проникновение в различные по водо­проницаемости слои. Степень неравномерности проникнове­ния жидкости в различные слои зависит от их коэффициен­тов фильтрации;

3. характер распространения нагнетаемых в грунт растворов определяет форму и степень однородности массива, получае­мого в результате закрепления.

Форма закрепления грунта зависит от инженерно-геологи­ческого строения основания. В однородных грунтах фигуры, по­лучаемые при нагнетании тампоиажных растворов через перфо­рированный инъектор, имеют форму эллипсоида вращения. Это объясняется тем, что нагнетаемый раствор распространяется от перфорированной части инъектора не только в радиальном на­правлении, но и вертикально вверх и вниз от ее верхнего и нижнего концов.

Рис. 2.18. Схема инъекционного закрепления грунтов: а - для одиночной заходки; б- для сплошного массива: 1 - расчетный массив закрепленного грунта от одной заходки; 2 - действительный массив закрепленного фунта от одной заходки для однородной среды; 3 - инъекторы; 4 - перфориро­ванная часть инъектора; 5 - сплошной массив закрепленного грунта

Таблица 2.10. Радиусы закрепления при силикатизации и смолизации грунтов

На основании геометрических параметров закрепления, опре­деленных по вышеприведенным формулам, и заданной проектом конструктивной схемы закрепления, форм и размеров закрепля­емого грунтового массива производится пространственное раз­мещение инъекторов в плане и заходок по глубине.

Нагнетание растворов в однородные по водопроницаемости грунты производится снизу вверх или сверху вниз. В неоднород­ных по водопроницаемости грунтах в первую очередь закрепля­ют слои грунта с большей водопроницаемостью.

Расположение инъекторов и конфигурации массивов при инъекционном закреплении грунтов в основании зданий и соору­жений для защиты от осадок фундаментов, расположенных вбли­зи строящихся подземных объектов, приводятся на рис. 2.19.

Рис. 2.19. Примеры использования инъекционных методов при строительстве городских подземных сооружений и закреплении грунтов осно­вания зданий

При двухрастворной силикатизации раствор хлористого каль­ция необходимо нагнетать как можно скорее после раствора сили­ката натрия. Допустимые временные перерывы составляют: при скорости грунтовых вод 0 м/сут - 24 ч; 0,5 м/сут - 6 ч; 1,5 м/сут - 2 ч; 3 м/сут -1ч. Инъецирование производится через два насо­са - каждый раствор своим насосом. Не допускается смешение растворов в баках и шлангах. Использовать оборудование, кото­рым инъецировался один раствор, для нагнетания второго мож­но только после его тщательной промывки горячей водой.

При газовой силикатизации перерыв между нагнетанием ра­створа и газа не должен превышать 0,5-1 ч, а газа и раствора - 0,5 ч. Возможно одновременное нагнетание газа и раствора сразу в нескольких заходках при условии, что расстояние между инъекторами должно быть не меньше 6r.

Для установления радиуса и предельного нагнетания в конк­ретных инженерно-геологических условиях проводят пробные закачки в грунт. Само нагнетание ведется при давлениях, мень­ших предельного, во избежание разрывов закрепляемого грунта м прорывов растворов на поверхность или за пределы закрепляе­мого массива. Давление нагнетания не должно превышать: при двухрастворной силикатизации - 1,5 МПа, при однорастворной силикатизации и смолизации песчаных грунтов - 1,0 МПа, про-садочных грунтов - 0,5 МПа.

Если при нагнетании гелеобразующий раствор прорывается на поверхность, то это обычно бывает связано с превышением предельного давления или попаданием раствора в разрыхленную зону или пустоту. В этом случае нагнетание необходимо прекра­тить и затампонировать обнаруженные разрыхленные зоны, пус­тоты и прорывы цементными или цементно-глинистыми раство­рами. Давление нагнетания необходимо снижать медленно во избежание забивки инъектора грунтом.

Прорыв гелеобразующего раствора на поверхность можно предотвратить, если выполнить пригрузку закрепляемой облас­ти. При усилении фундаментов существующих зданий роль при-грузки играет само сооружение и залегающие над закрепляемой областью грунты. В остальных случаях с этой целью могут быть использованы специально уложенные бетонные плиты, подбира­емые таким образом, чтобы их вес и прочностные свойства пре­пятствовали прорыву растворов на поверхность.

Нагнетание растворов через каждую скважину производится до условного отказа, за который принимается:

а) поглощение скважиной расчетного количества раствора
при давлении нагнетания, не превышающем проектного;

б) снижение расхода раствора, нагнетаемого через скважину,
до 5-5-10 л/мин с одновременным повышением давления нагнета­ния выше проектного.

При выполнении тампонажных работ необходимо учитывать нижеследующее.

1. Закрепление грунтов всеми способами, кроме термического, выполняется только при положительной температуре грунта. Термическое закрепление всех видов грунтов, кроме многолетнемерзлых, возможно и при отрицательных температурах грунта.

2. При закреплении грунтов в условиях плотной городской зас­тройки нельзя допускать засорения отвердевшими реагента­ми и повреждения расположенных поблизости инженерных коммуникаций (коллекторов, кабельных и телефонных кана­лов, дренажей и пр.).

3. Все работы по инъекционному закреплению грунтов должны быть закончены до устройства дренажа.

4. Все инъекционные скважины после их использования по на­значению обязательно должны быть ликвидированы путем их заполнения цементным раствором.

Производство тампонажных работ всеми способами включа­ет в себя следующие последовательно выполняемые операции:

Подготовительные и вспомогательные работы, включая при­готовление тампонажных растворов;

Погружение в грунт инъекторов путем их забивки или уста­новки в предварительно пробуренные скважины, а также обо­рудование инъекционных скважин;

Нагнетание тампонажного раствора в грунт;

Извлечение инъекторов и ликвидация инъекционных скважин;

Контроль качества закрепления.

Для выполнения комплекса тампонажных работ используют следующее оборудование: погружаемые в грунт или забуривае­мые инъекторы, оборудование для приготовления и нагнетания раствора, разводящую сеть, контрольно-измерительную и запор­ную аппаратуру, вспомогательное оборудование.

Для приготовления тампонажного раствора устраивают растворосмесительные узлы.

Комплекс оборудования для ведения цементационных работ показан на рис. 2.20.

Рис. 2.21. Комплекс оборудования для нагнетания глиноцементных ра­створов: 1 - бункер-накопитель; 2 - насос; 3 - смесительная машина; 4 - емкость для жидкого стекла; 5 - насос; 6 - емкость для глиноцемен-тного раствора; 7 - цементационный агрегат

Глиноцементные растворы готовят непосредственно перед нагнетанием (рис. 2.21). Исходный глинистый раствор из бункера-накопителя 1 насосом 2 подается в гидромешалку цементо-смесительной машины 3, куда вводится цемент. Глиноцементный раствор сливается в емкость 6, из которой высасывается насосом цементационного агрегата 7. Жидкое стекло вводится в смесь глиноцементного раствора насосом 5 из емкости 4 непосред­ственно в коллектор насоса цементационного агрегата.

Химические растворы рабочих концентраций готовят путем разведения исходных растворов чистой водой до проектной плот­ности.

При приготовлении тамионажных, в особенности химичес­ких, растворов необходимо строго следить за соблюдением дози­ровки и плотности компонентов. Только в этом случае можно до­биться максимального эффекта от закрепления. С этой целью наиболее часто используются растворомешалки РМ и СБ, а так­же установки производства германской фирмы «Бауэр».

Конструкция инъектора и механизма для его погружения за­висит от инженерно-геологических условий площадки производ­ства работ и мощности зоны закрепления.

Для закрепления грунта на глубину до 10 м применяется инъектор, состоящий из наголовника, колонн глухих звеньев труб, перфорированного звена, наконечника и соединительных частей. Для уменьшения уплотнения грунта и облегчения введения ра­створов в грунт перфорированное звено изготавливается мень­шим диаметром, чем глухие звенья. Забивка инъектора в грунт может осуществляться отбойными молотками. При забивке наго­ловник временно устанавливают без деталей, предназначенных для подачи раствора, которые монтируются после погружения инъектора.

К работам по забивке инъекторов предъявляют следующие требования:

Инъектор должен быть забит строго в указанном в проекте направлении и с точностью угла наклона 2-3°;

Забивка должна быть произведена на заданную глубину за максимально короткий срок;

При забивке оборудование не должно подвергаться сильному износу.

Погружение инъекторов на глубину 10-15 м осуществляют пневмоударниками или пневматическими молотками, например бурильными станками с пневмоударником СБУ-100 или станком НКР-100М, смонтированным на ходовой тележке СБУ-2 или КБУ-50. Инъекторы изготавливаются из металлических труб диаметром 58+62 мм. Перфорированная часть инъектора имеет длину 0,5-1,0 м.

При закреплении грунта на глубину более 15 м используется погружение инъекторов в предварительно пробуренные скважи­ны того же диаметра. Скважина бурится на глубину первой заходки. Затем раствор нагнетается в грунт. После нагнетания в первую заходку инъектор погружается в следующую заходку и далее цикл повторяется на всю глубину закрепления.

Закрепление грунта на большую глубину (до 120 м) прово­дится через манжетные инъекторы, опускаемые в предваритель­но пробуренные скважины диаметром 120-150 мм. Скважина бурится под глинистым раствором на всю глубину зоны закреп­ления, в нее погружается труба с резиновыми манжетами, закры­вающими ее отверстия. После этого производится нагнетание закрепляющего раствора.

Применяемые буровые установки должны обеспечивать:

Заданное направление скважин;

Высокую скорость бурения при минимальной стоимости ра­бот;

Минимальное зашламовываиие трещин раздробленной поро­дой;

Ровную поверхность трещины для установки пакеров.
Обычно для бурения скважин диаметром 40-150 мм на глу­бину до 100 м используют самоходные и передвижные установки шнекового бурения.

Оборудование скважин зависит от способа закрепления, гид­рогеологических условий и схемы нагнетания раствора. При це­ментации скважина оборудуется кондуктором с цементационной головкой. Кондуктор предназначен для закрепления и гермети­зации устья скважины, обеспечения заданного направления при бурении, установки цементационной головки с запорной армату­рой и измерительными приборами.

Инъекторы для силикатизации и смолизации грунтов состо­ят из наголовника, колонны глухих звеньев труб и соединитель­ных частей.

Для газовой силикатизации применяется манжетный инъек­тор с тампоном, состоящий из наружной перфорированной и внутренней (передвижной) трубы с тампонами. Нижний конец инъектора выполнен в виде сопла с шариковым прижимным кла­паном. Внутренняя труба предназначается для подачи реагентов в закрепляемую зону.

Регулирующая сеть предназначена для подачи закрепляющих растворов в необходимом количестве и под требуемым давлением от насосной установки к работающим инъекторам.

В качестве проводящей системы используются металличес­кие трубопроводы диаметром 36-50 мм или толстостенные рези­новые шланги с внутренним диаметром, рассчитанным на давле­ние до 3 МПа.

Тампонирование обычно ведется в подготовительный период строительства и применяется при большой мощности водообильных пород, залегающих на достаточно небольшой глубине от по­верхности. Работы могут выполняться:

На всю проектную глубину сразу - тампонаж одной заходкой;

Отдельными нисходящими заходками в направлении сверху вниз;

Отдельными восходящими заходками в направлении снизу вверх.

По окончании тампонажа и набора раствором необходимой прочности разбуривают несколько контрольных скважин и опре­деляют удельное водопоглощение массива. Если его величина не превышает 0,05 л/мин, то тампонирование считают успешным. При большем значении удельного водопоглощения тампонирова­ние повторяют до тех пор, пока не получат требуемой величины.

К строительным работам приступают после завершения там­понирования всей толщи водоносных пород и выдержки массива в течение 4-6 дней.

Подготовка скважины к изоляционным работам- В скважине проводят комплекс геофизических исследований и определяют характер распределения фильтрационных свойств интервала там­понирования. Определяют наиболее и наименее проницаемые участки разреза и ранжируют их по мере ухудшения фильтраци­онных свойств. Оценивают производительность насосного обору­дования, используемого при тампонировании или цементирова­нии. Проводят экспресс-опробование скважины и определяют коэффициенты проницаемости и фильтрации пород в интервале тампонирования. Определяют приемистость наиболее проницае­мого интервала и максимально допустимый интервал тампониро­вания т с учетом заданной производительности насосного обо­рудования:

Где Q - производительность насосного ; ц - дина­мическая вязкость тампонажного раствора; kmax - максимальный коэффициент проницаемости пород в интервале тампонирования; Р - репрессия на пласт для разработанного инструмента, прини­маемая равной 0,8-i МПа; r0 - радиус скважины; L - заданная глубина проникновения тампонажного раствора, выбираемая с учетом конструкции скважины, требований к экологической безопасности и надежному разобщению горизонтов, принимаемая не менее 0,2-0,3 м.

Затем распределяют интервал тампонирования на участки с определенной мощностью и ранжируют их в порядке ухудшения фильтрационных свойств пород по порядковому номеру начиная с единицы.

Сборка инструмента- Нагнетательный патрубок, снабженный лопатками и отверстиями для выхода тампонажного раствора, соединяется с обоих торцов с бурильными трубами так, чтобы общая длина соответствовала длине интервала тампонирования L = m, а нагнетательный патрубок располагался в середине инст­румента. Как правило, L = 5^7 м.

С обоих торцов труб навинчивают секции гидромониторных насадок, направленных друг к другу, в сторону нагнетательного патрубка. К секциям гидромониторных насадок подсоединяют секции шнеков или турбулизаторов, причем к нижней секции - с правой навивкой, а к верхней - с левой.

Общая длина секций, устанавливаемых шнеков или турбули-

Заторов рассчитывается в околоскважинной зоне, исходя из не­обходимости создания турбулентного режима фильтрации там­понажного раствора:

Дp =Кб Кр, (6.89)

144(1 - a)2k2pg

Где К, етр - критические значения числа Рейнольдса (К. етр = 0,1); А - пористость; L - заданная глубина проникновения раствора в пласт; K - коэффициент проницаемости тампонируемых пород; р - плотность раствора; G - ускорение свободного падения.

Учитывая, что гидромониторные насадки создают в среднем перепад давления на пласт 0,5-0,6 МПа, длина секций шнеков или турбулизаторов

1= [Д Р - (0,5 4- 0,6)МПа]Ь

Р(02п (тр + F) sin2 в™

Где L - длина секций шнеков или турбулизаторов; B - длина од­ной ступени шнека или турбулизатора; ю - частота вращения инструмента; п - количество лопастей турбулизатора или спира­лей шнека; йтр - диаметр труб нагнетательного патрубка; выход лопастей турбулизатора или спирали шнека; в - угол наклона шнековой спирали к горизонтали.

С целью снижения громоздкости инструмента частоту враще­ния принимают максимально возможной, исходя из мощности бурового оборудования при заданной глубине интервала тампо­нирования.

Спуск инструмента в скважину и нагнетание раствора. Инст­румент спускают в скважину на бурильных трубах и фиксируют против наиболее проницаемого интервала. На поверхности гото­вят тампонажный раствор, который затем закачивают насосом в бурильные трубы и через узлы гидромониторных насадок - в интервал изоляции. Одновременно инструмент вращают на мак­симально возможной частоте.

Время закачки

T = CW , (6.91)

Где с - коэффициент надежности (с = 1,3^1,5); W - объем там­понируемой зоны, W = 0,785(L2 - r02)4l; Q - производительность насосного оборудования.

После закачки расчетного объема тампонажного раствора в пласт подачу насоса прекращают.

Инструмент перемещают, не прекращая вращения в следую­щий интервал тампонирования, характеризующийся худшими фильтрационными свойствами. Раствор закачивают и изолируют следующий интервал в вышеописанной последовательности. Че­рез бурильные трубы возможна закачка хорошо перемешанных растворов насосом с насадкой, размер которой не превышает по­ловины диаметра сопла гидромониторных насадок, что обычно составляет 2-3 мм. Более крупные добавки засыпают в кольце­вое пространство скважины и далее транспортируются левым шнеком или турбулизатором в интервал изоляции.

В сильно поглощающих породах рациональна попеременная закачка тампонажного раствора с порциями воздуха. Для этого в нагнетательной магистрали после насоса устанавливают аэратор или дозирующее устройство. Последующие интервалы оборудуют по аналогии с вышеописанной технологией.

Заключительные работы- После закачки тампонажного рас­твора в заданный интервал насос выключают и калибруют ствол инструментом при вращении и перемещении вверх-вниз вдоль интервала изоляции. Инструмент перемещают до тех пор, когда затвердевший раствор станет предотвращать обрушение стенок скважины и оплывание полузастывшей массы изолятора. Затем инструмент поднимают на поверхность.

Перед спуском обсадной колонны проводят кавернометрию, определяют диаметр ствола скважины в интервале изоляции. При необходимости ствол прорабатывают долотом. В некоторых случаях обсадная колонна может не устанавливаться. Качество изоляционных работ контролируется при опрессовке ствола (следят за поглощением жидкости). Если скважина поглощает жидкость в интервале тампонирования, то качество работ не­удовлетворительное и необходимы ремонтные работы.

При неудовлетворительном качестве проведения первичного цементирования повторно проводят экспресс-опробование сква­жины, определяют интервалы поглощения раствора, коэффици­енты фильтрации пород в околоскважинной зоне после первич­ного тампонирования. Проводят повторное тампонирование и изолируют оставшиеся проницаемые интервалы в последователь­ности, аналогичной описанной выше.

После окончания работ проводят повторный контроль качест­ва изоляции экспресс-методом и в случае неудовлетворительного результата меняют состав тампонажного раствора и наполнителя. При необходимости в интервал опускают обсадную колонну, ко­торую затем цементируют.

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.

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 . 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.

Зачем проводить цементирование

Вытеснить буровой раствор цементным, обеспечить прочность конструкции и довести ее до рабочего состояния.

Цементирование скважин преследует три основные цели:

1. Укрепление обсадной трубы;
2. Предотвращение коррозии трубы вод;
3. 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.

Расчет труб для обсадных колонн

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 (K 1), обозначающий расход цементного раствора на заполнение трещин, каверн и погрешности в диаметре обсадной колонны.

Формула для расчета количества цементного раствора выглядит так: V ц = (π/4)*[К 1 *(D 2 – d 1 2)*Н ц d 2 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.

Состав раствора подбирается с учетом структурного строения грунтовых слоев. Чтобы тампонажная смесь более плотно контактировала с трубой, в ее состав должны входить компоненты, увеличивающие раствор в объеме.

Если предварительное исследование грунта показало, что некоторые геологические слои имеют пористую структуру, использование обычного цементного раствора не рекомендуется. Причина – он станет проникать в мелкие пустоты в толще грунта, а это перерасход тампонажного материала. Чтобы избежать этого, цементирование обсадных колонн на таких почвах производится с добавлением волокнистых компонентов, например, асбест, тростник и подобные им материалы.

Составляющие технологического процесса

Цементаж скважин проводятся в определенной последовательности, не зависимо от выбранного метода тампонирования, и выполняется в пять этапов.

• Приготовление цементирующего состава;
• Заполнение трубы раствором;
• Продавливание тампонажного состава в затрубное пространство;
• Затвердение цементной смеси;
• Проверка качества цементации.

Тампонирование проводится по заранее составленной программе, в которой учитываются особенности горно-геологических условий, глубина скважины или отдельной ее части, подвергающейся цементированию, состояние ствола и другие особенности конструкции.

Если в данной местности ранее уже проводилось цементирование скважин, расчеты и процесс тампонирования могут опираться на уже имеющийся опыт, но с коррекцией на новые технические данные.

Способы закачивания тампонажного раствора в затрубное пространство

Введение тампонажного материала в затрубное пространство осуществляется по двум схемам: обратный и прямой методы. Цементация затрубного пространства обратным способом проводится путем заливки смеси непосредственно между трубой и почвой. По мере заполнения пространства тампонажным составом, буровой раствор вытесняется через нижний конец трубы.

Прямой метод в свою очередь разделается на разные способы цементирования скважин, и каждый из них применяется в зависимости от технических возможностей и цели, которую нужно достичь цементированием.

Основные способы прямого способа тампонирования:

1. Одноступенчатое цементирование производится за один подход. Готовится полный объем цементирующего состава, вводится в трубу и накрывается пробкой. После этого в скважину промывочная жидкость, пробка медленно опускается, и выдавливает цемент за пределы трубы;
2. Двухциклевое, или двухступенчатое цементирование скважин проводится, если по техническим причинам (большая глубина) приготовление полного объема раствора невозможно. При этом способе процесс осуществляется в два захода: цементирующий раствором заполняется сначала нижняя часть затрубного пространства, а затем верхняя. Второй этап работ может проводиться со значительным временным интервалом после окончательного схватывания первой порции раствора, или сразу же, без перерыва во времени;
3. Метод манжетного цементирования применяют в том случае, если нижний фрагмент трубы нужно изолировать, а цементированию подвергается только верхний участок скважины. Между обсадной колонной и почвой монтируется кольцо-манжетка, а в пространство над ним через отверстия в трубе нагнетаются тампонажные материалы.

Оборудование для цементирования

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

Оборудования для тампонажных работ:

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

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

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Тампонаж горизонтальных скважин

Гораздо реже проводится тампонирование горизонтальных скважин. Они имеют более сложное устройство, так как включают в себя элементы вертикальных и наклонных конструкций. В экономическом плане устройство горизонтальных скважин обходятся в 3-4 раза дороже, чем вертикальные, поэтому технология тампонажа горизонтальных труб должна обеспечить максимальную надежность цементных «рубашек» обсадных колонн и длительность эксплуатации выработки. Чтобы она была рентабельной, нужно, чтобы доход от добычи превышал вложенные в ее создание средства.

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.

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.

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.