Группа компаний Семиречье- бурение скважин на воду, бурение артезианских скважин, водоснабжение, проектирование водозаборов   Перейти на главную страницу сайта Компании Семиречье Контакты компании Семиречье Карта сайта компании Семиречье Заявка на бурение артезианских скважин
    Телефоны группы компаний Семиречье

Цементирование скважин

 

Цементирование скважин   

При креплении скважин стальными, асбестоце-ментными трубами затрубное пространство обязательно цементируют. Это повышает прочность конструкции скважин и исключает связь отдельных водоносных горизонтов, вскрытых скважиной. Последнее обстоятельство имеет особое значение, так как предотвращает истощение и загрязнение подземных вод. Кроме того, цементное кольцо изолирует обсадную колонну от корродирующего влияния подземных вод.


Цементирование скважин осуществляют, как правило, до устья скважины, так как подбашмачная цементация не решает ранее перечисленные задачи.
Тампонажные цементы выпускают для «холодных» скважин с температурой забоя до 40°С, для «горячих» скважин с температурой забоя до 75°С и для глубоких скважин с температурой забоя 100—120°С. Цемент для «холодных» скважин должен обеспечивать начало схватывания не ранее чем через 3 часа и не позднее чем через 77г часа после затворения; конец схватывания — не позднее чем через 3 часа после начала схватывания; сопротивление изгибу через двое суток 2,7 МПа. Цемент для «горячих» скважин должен обеспечивать начало схватывания не ранее чем через 13Д часа и не позднее чем через 23Д часа после затворения; конец схватывания — не позднее Р/2 часа после начала схватывания; сопротивление изгибу 6,2 МПа.
В зависимости от природных условий применяют различные цементы. Так, песчанистый цемент представляет смесь тампонажного цемента с кварцевым песком в количестве до 20%. Такой цемент обладает плотным контактом с горными породами благодаря отсутствию давления усадки и применяется для цементирования направлений и кондукторов.
Волокнистый цемент — смесь тампонажного цемента с волокнистыми добавками асбеста, бумаги, тростника и других веществ в количестве 1—3% от общей массы. Такой цемент находит применение, если надо уменьшить глубину проникновения в трешиноватые породы с малым пластовым давлением или ликвидировать поглощение промывочной жидкости.
Расширяющиеся цементы увеличивают объем при твердении до 2% и используются для создания непроницаемого и прочного цементного камня. Пуццолановые цементы, отличающиеся высокой стойкостью в сульфитных водах и большой водопроницаемостью, применяют при изоляционных работах. Такие цементы получаются при добавке в тампонажные цементы диатомита, трепела и др.
Утяжеленный тампонажный цемент применяют в скважинах, которые бурят утяжеленными глинистыми растворами с плотностью до 2,2 г/см3. В качестве утяжелителя используют гематит.
Сроки схватывания цементного раствора регулируются специальными добавками. В качестве замедлителей схватывания используют различные поверхностно-активные вещества, сульфитно-спиртовую барду и др. Замедлители схватывания применяют при цементировании глубоких скважин, при работе с низкопроизводительными цементировочными насосами, при цементировании скважин, пробуренных на термальные воды. При цементировании неглубоких скважин с невысокой забойной температурой в качестве ускорителей схватывания цементного раствора используют NaCl и СаС12 в количестве 2% по массе.
Важным показателем цементного раствора является водоцементное отношение, т. е. отношение массового количества воды к массовому количеству сухого цемента. Водоцементное отношение обычно составляет 0,4—0,5. Нижний предел его характеризуется снижением текучести, а верхний — понижением прочности цементного камня и увеличением срока схватывания.

Сухой цемент (ГОСТ 1581—63) имеет плотность около 3,15 г/см3, хранение его в мокрых и влажных помещениях недопустимо. Проверку основных свойств цемента проводят путем замешивания проб раствора и определения сроков начала и конца схватывания, а также прочностных характеристик. Ареометром определяют плотность раствора, прибором Вика — растекаемость.
В практике бурения скважин под воду наиболее распространена одноступенчатая (нормальная) схема цементирования с одной и двумя пробками. Цементировочные головки (рис. 10) применяют для цементирования и промывок колонны. Процессу цементирования должна предшествовать опрессовка цементировочной головки на давление, превышающее в 1,5 раза максимальное расчетное, в течение трех минут. Вначале в цементировочную головку опускают нижнюю пробку, затем после закачки в колонну необходимого объема цементного раствора начинают его продавливание. Существуют две схемы продав-ливания: с одной и двумя пробками. Первую схему (рис. 11) применяют при цементировании скважин глубиной до 100—150 м, при цементировании же более глубоких скважин эта схема приводит к перемешиванию цементного раствора и продавочной жидкости, что, в свою очередь, снижает качество цементации. Широкое распространение получила схема с двумя пробками (рис. 12). После промывки и установки нижней пробки проводят закачку необходимого объема цементного раствора и устанавливают верхнюю пробку.

Цементировочная головка 2гуц-400

Схема цементирования с одной пробкой

Схема цементирования с двумя пробками

 

Затем осуществляют продавливание цементного раствора в затрубное пространство. После того как верхняя пробка дойдет до кольца «стоп», давление на манометре резко повышается, что служит окончанием цементации. В качестве продавочной жидкости обычно используют глинистый раствор. При цементировании учитывают количество закачиваемой продавочной жидкости, чтобы до прокачки оставшихся 0,5—1,0 м3 перейти на работу с одним насосом и избежать гидравлического удара в системе труб.
Перед цементированием для улучшения сцепления цементного камня со стенками скважины ее целесообразно промыть раствором плотностью не более 1,1 г/см3 или водой.
После окончания цементирования колонну оставляют в покое на 24 часа, после чего испытывают на герметичность.

Чтобы обеспечить хорошее сцепление цементного рас твора со стенками скважины, на обсадной колонне устанавливают пружинные и другие конструкции скребков, которые при спуске удаляют глинистую корку со стенок скважины Сочетание центрирующих фонарей и пружинных скребков обеспечивает необходимое качество цементирования В сложных гидрогеологических условиях сцепление цементной оболочки с обсадными трубами может быть непрочным, что приводит к затрубной циркуляции подземных вод и нарушению герметичности в затрубном пространстве В таких случаях внешнюю поверхность труб рекомендуется перед спуском покрывать битумно песчаной смесью (Овнатанов, 1970)
Объем цементного раствора Уцр, необходимый для цементирования скважины, определяют по формуле
Объем цементного раствора

где К — коэффициент, учитывающий увеличение объема цементного раствора за счет наличия трещин, каверн и увеличения диаметра скважины при бурении, К= 1,2—2,5, h—интервал цементирования (высота подъема цементного раствора), см, D— диаметр бурения, см, d, d1 — соответственно наружный и внутренний диаметры обсадных труб, см, h0 — высота цементного стакана в обсадных трубах, см


Важным показателем является скорость подъема цементного раствора Необходимо создать турбулентный режим движения раствора в затрубном пространстве, при котором будет происходить наиболее полное вытеснение глинистого раствора.
Для кондукторов и промежуточных обсадных колонн скорость цементного раствора должна быть не менее 1,5 м/с, а для эксплуатационных колонн — не менее 1,8— 2,0 м/с При возникновении опасных поглощений цементного раствора скорости восходящего раствора снижают Цементировочные пробки изготовляют из дерева и резины. Производительность цементировочного агрегата Qц.а должна удовлетворять условию:

где v — скорость цементного раствора в затрубном пространстве, равная 1,5—2,0 м/с.

Если требуемая производительность цементировочного агрегата выше паспортной, то подбирают более мощный агрегат или применяют несколько агрегатов. Для бурение артезинанских скважин рекомендуется иметь один цементировочный агрегат в запасе. Количество продавочной жидкости Vпр обычно подсчитывают по формуле:

где k — коэффициент запаса, равный 1,03—1,05; H1— глубина установки кольца «стоп».

Давление Р, развиваемое насосом перед посадкой верхней пробки на «стоп», определяют по формуле:



где Р1 — давление, необходимое для преодоления разности плотностей жидкости в затрубном зазоре и трубах, МПа; P2 — давление, необходимое для преодоления сопротивлений, МПа.



где yi — плотность промывочной жидкости в затрубном пространстве, г/см3; y2 — плотность продавочной жидкости, г/см3; L — глубина скважины, см.

При использовании одного-двух цементировочных агрегатов P2 = 0,01L+0,8 МПа. В случае применения трех и более цементировочных агрегатов P2=0,02L+1,6 МПа.
Продолжительность работы по цементированию определяют по формуле:

где Тз, Тпр, Ту — продолжительность соответственно закачки цементного раствора, продавки и установки верхней пробки. Tу=10— 15 мин.


где n — число цементировочных агрегатов; Qц.а — производительность цементировочного агрегата, м3/мин; Vпр — количество продавочной жидкости, м3.

Продолжительность цементирования должна удовлетворять условию:

где Tсхв — время схватывания цементного раствора (Tсхв = 90 мин).


Закачку цементного раствора обычно ведут на I или II скорости насоса, в дальнейшем переходя на более высокие. Продавливание же цементного раствора начинают с высоких скоростей насоса, постепенно переходя на низкие, что связано с ростом давлений на продавливание.
В практике глубокого бурения (более 2 тыс. м) при наличии поглощающих пластов и в других случаях применяют двухступенчатое цементирование. Манжетное цементирование нашло распространение в одноколонных конструкциях скважин и др. В обсадной колонне устанавливают обратный клапан с отверстиями для выхода цементного раствора и манжету, представляющую собой воронку, изготовленную из брезента, высотой 60—70 см и диаметром на 25—35% больше диаметра бурения.
При необходимости подбашмачного цементирования, отсутствии цементировочного агрегата или достаточно мощного бурового насоса, можно применять цементирование с помощью заливочных трубок (рис. 13). Эта схема проста и не требует специального оборудования.
Востокбурводом разработан (Миронов, 1972) и применяется на практике снаряд для цементирования обсадных колонн без оставления цементного стакана.
Цементный раствор закачивается по бурильным трубам через отверстия и манжету в затрубное пространство, после этого буровой инструмент с цементировочной головкой приподнимают на несколько метров и промывают обсадные трубы.Схема цементирования с помощью заливочных трубок

 

Рис 13. Схема цементирования с помощью заливочных трубок /— ствол скважины; 2 — обсадная колонна, 3 — заливочные трубки; 4 — манометр, 5 — крышка

 

Цементный раствор приготовляют цементно-смесительными машинами. Наибольшее распространение получили машины СМН-20, смонтированные на шасси автомашины МАЗ. Бункер емкостью 20 т сухого цемента в нижней части имеет смесительное и подающее устройства. Производительность машины 0,8—1,6 м3/мин.
Закачку цементного раствора и его продавливание осуществляют цементировочными агрегатами (рис. 14). Техническая характеристика наиболее распространенных цементировочных агрегатов приведена в таблице 10.
Существенный недостаток полимерных труб — их невысокая адгезия, приводящая к непрочному сцеплению цементного камня с трубами. Один из путей решения этой задачи — модифицирование поверхности, например механическая или химическая очистка полимера от низкомолекулярных загрязнений, обеспечивающая большую площадь контакта и эффективную адсорбцию. Одним из наиболее простых и эффективных механических способов обработки труб является пескоструйная обработка, однако этот способ довольно трудоемкий. Очистка поверхности труб с помощью растворителей, например ксилолпо-лиэтилена, увеличивает прочность адгезионного соединения до двух раз. Адгезия возрастает при обработке коронными или тлеющими разрядами. Это не только удаляет загрязнение с поверхности труб, но и изменяет химический состав полимера за счет обогащения его кислородсодержащими группами. В настоящее время в различных организациях ведутся работы по разработке рациональной технологии крепления скважин трубами из полимерных материалов (Сутягин, Тюпин, 1974).