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.

Техника безопасности

• Все мероприятия по безопасному производству работ на период строительства скважины предусматриваются в «Проекте производства работ». В этом документе обозначены подготовительные мероприятия для производства работ по цементированию скважины.
  
• В непосредственной зоне производства цементирования не допускается присутствие посторонних лиц.
  
• Специалисты, работающие с насосным оборудованием, должны быть обучены безопасным методам выполнения работ.
  
• Все вращающиеся части, ременные передачи, источники возможного поражения электрическим током должны быть экранированы или ограждены от возможности свободного доступа, а также окрашены в сигнальные цвета.
  
• Категорически запрещается эксплуатировать неисправное технологическое оборудование.
  
• При работах на нефтегазоносных скважинах категорически запрещается проведение газосварочных работ. Все соединения должны быть резьбовые.
  
• Весь процесс цементирования скважины должен контролироваться с помощью станции контроля цементирования.
  
• Руководство всеми видами работ по подготовке к цементированию скважины осуществляется ответственным лицом из числа ИТР или специально назначенным.
  

Для эффективной работы любой скважины важно проводить заполнение пространства между стенами скважин и обсадной трубой специальным раствором. Неукоснительное соблюдение технологии проведения работ обеспечивает высококачественную герметизацию скважины. Эти работы могут выполнить только профессионалы, имеющие соответствующую подготовку.