Начини и технологии за циментиране на сондажи: как да приготвите и излеете тампонажен разтвор

След пробиване на сондажа в рохкави песъчливи почви настъпва етап, насочен към укрепване на тръбите на обсадната колона. Същевременно трябва да се защити стволът от повреда, агресивно въздействие на подземните води, корозия и други негативни явления. Става дума за процес като циментиране на сондажи.

Да се извърши работата по циментиране самостоятелно е доста сложно, но възможно, при наличието на знания за технологиите за провеждане на мероприятието. Ще ви разкажем за това, защо трябва да се проведе циментиране и на какво трябва да се обърне внимание при изпълнението на работите. За нагледност, материалът съдържа тематични снимки и видеоклипове.

Защо да циментираме сондажа?

Циментирането на сондажа – процес, който следва веднага след приключване на сондажните работи. Процедурата на циментиране се състои в това, че в задтръбното или междутръбното пространство (в случай че обсадната тръба е поставена от своя страна в полиетиленова по-широка тръба) се въвежда циментов разтвор, който с времето се втвърдява, образувайки монолитен ствол на сондажа.

Циментовият разтвор в този случай се нарича “тампонажен”, а самият процес “тампониране”. Сложният инженерен процес, наричан технология на циментиране на сондажи, изисква определени знания и специално оборудване.

В повечето случаи водоизточниците могат да се тампонират със собствени ръце, което струва много по-евтино, отколкото привличането на специалисти.

Циментирането на сондажи е комплекс от мероприятия, насочен към укрепване на задтръбното пространство и обсадната колона от разрушително странично налягане на скалите и въздействието на подземните води

Правилно извършеното тампониране на сондажи за вода способства за:

• осигуряване на здравина на конструкцията на сондажа;
• защита на сондажа от подземни и повърхностни води;
• укрепване на обсадната тръба и защитата ѝ от корозия;
• повишаване на срока на експлоатация на водоизточника;
• отстраняване на големи пори, празнини, процепи, през които във водоносния хоризонт могат да попаднат нежелателни частици;
• изместване на сондажния разтвор с циментов, ако първият е бил използван при пробиване.

От това колко правилно е извършено циментирането ще зависи качеството на добиваната вода и експлоатационните характеристики на сондажа. Също така циментиране се извършва за ликвидирани сондажи, които вече няма да се експлоатират.

Етапи на циментиране на водоизточника

Целият процес на циментиране се състои от няколко етапа, всеки от които има своите нюанси:

1. Приготвяне на тампонажен разтвор за запълване на затръбното пространство.
2. Подаване на приготвения цимент към сондажа.
3. Нагнетяване на тампонажния разтвор в затръбното пространство.
4. Период на втвърдяване на циментовия разтвор.
5. Проверка на качеството на циментиране.

Всеки етап изисква използване на определени инструменти и специално оборудване. Изчисленията на необходимите материали е по-добре да се направят преди началото на тампонажните работи, тъй като процесът на тампониране трябва да продължава непрекъснато и ако например не ви достига циментов разтвор, това ще се отрази по най-негативен начин на качеството на циментиране. Най-важните етапи ще разгледаме по-подробно.

В редки случаи водоносните сондажи не се нуждаят от циментиране, става въпрос за сондажи, чиято цяла дълбочина преминава през плътни глинести почви.

Етап №1 – подготовка на оборудването

Всички работи по циментиране на водоносни сондажи трябва да се изпълняват строго в съответствие с техническите изисквания, нарушаването на които ще доведе до некачествено циментиране.

Пристъпвайки към тампониране на сондажа, вие трябва да знаете, че това е необратим процес, поправянето на каквото и да е след началото на подаване на разтвора в затръбното пространство на сондажа е невъзможно, затова към подготвителните работи, а именно към приготвянето на разтвора за циментиране и избора на оборудване, трябва да подходите максимално отговорно!

Най-простият и ефективен начин – наемане на оборудване от платформа за автотехника. Такъв комплекс може да приготви циментов разтвор и под налягане да го прехвърли в сондажа, като източник на енергия за работа на оборудването служи мощен автомобилен двигател.

Ако използването на агрегати на база на специализиран автомобил е невъзможно, тогава ще ви е необходимо:

• миксер за приготвяне на циментов разтвор;
• помпа за високо налягане, която подава разтвора към сондажа;
• циментираща глава за инжектиране на разтвора вътре в сондажа;
• запълващи тапи (броят зависи от метода на циментиране);
• различен дребен инвентар (маркучи, мерителни съдове).

Като маркуч много специалисти препоръчват вместо традиционните тръби от ПНД с диаметър 32 см да се използва гъвкав пожарен маркуч. Той е плосък и преминава отлично в междутръбното пространство, осигурявайки ефективно подаване на разтвора.

Оборудването за циментиране на сондажи има големи габарити и изисква мощен източник на енергия, например компресор, генератор, непрекъснат достъп до електрическата мрежа.

Етап №2 – приготвяне на разтвора

Тампонажният разтвор за циментиране на сондажа трябва да отговаря на редица изисквания и да притежава:

• високи адхезивни свойства с повърхности от всякакъв тип;
• висока якост след втвърдяване, устойчивост на механични въздействия;
• пластичност и добра течливост, за да запълни всички пукнатини и празнини;
• химическа неутралност по отношение на тампонираните слоеве на почвата;
• устойчивост на отмиване от подпочвени води;
• липса на свиване при втвърдяване.

Също така разтворът трябва да има такава консистенция, че да може да бъде доставен без проблеми до сондажа и да се инжектира. Разтворът трябва да се отмива добре от оборудването, да не бъде химически агресивен към него и да има минимален коефициент на загуба при транспортиране до сондажа.

Използваният тампонажен разтвор трябва да има достатъчно течна структура за осъществяване на прехвърляне с нагнетателно оборудване и същевременно да притежава високи якостни характеристики.

Процесът на приготвяне на циментов разтвор за тампониране се състои в равномерно смесване на компонентите, влизащи в състава му, с последващо заливане с вода, в която предварително са разтворени специални добавки.

Най-простите разтвори, които могат да се приготвят самостоятелно, са:

1. Портландцимент + кварцов пясък (1:1) + специални добавки и вода до получаване на необходимата консистенция. Такъв разтвор има ниска плътност, а приготвянето му е сложно, тъй като пясъкът, влизащ в състава, често се утаява и използването на разтвора става невъзможно.
2. Портландцимент + барит (1,1:1) + специални добавки и вода. Недостатъкът на такъв разтвор – ниска якост.
3. Портландцимент + пълнител. Като пълнител се използва азбест (на песъчливи почви), влакнести материали.

За приготвяне на циментираща смес е най-добре да се използва тампонажен портландцимент, който представлява вид цимент на основата на силикати.

Такъв цимент, разбира се, струва по-скъпо от обикновения портландцимент, но неговите якостни характеристики са много по-високи от тези на обикновения. Баритът е тежък минерал, който повишава плътността на разтвора. Барит може да се закупи в строителен магазин, който търгува с насипни строителни материали.

Под специални добавки, които влизат в състава на циментиращите разтвори, се разбират различни вещества, които придават на разтвора специални свойства.

Към тях се отнасят:

• ускорители на втвърдяване на цимента (калциев хлорид, калцинирана сода, поташ), използвани, ако циментирането се извършва при температура под +5 градуса;
• забавители на втвърдяване, използвани за предотвратяване на бързото втвърдяване (това са калциеви или натриеви хлориди, натриев нитрит и др.);
• пластификатори за получаване на оптимален вискозитет (полимерни модификатори);
• мразоустойчиви добавки (органосилициеви съединения заедно с пластификатори);
• влагоабсорбиращи добавки (вещества, получени от съединения, принадлежащи към групите на захарната, лимонената, винената и тетраоксиадипиновата киселини) и др.

Специалните добавки се разбъркват във вода, която впоследствие се използва за приготвяне на тампонажния разтвор. Разтворът се разбърква със специални машини – миксери. Понякога се допуска ръчно смесване, но то изисква определена сръчност и големи трудови разходи.

Циментовият камък, който се образува при втвърдяване на портландцимента, притежава високи якостни свойства, издържа натоварвания, механично и физическо въздействие

Етап №3 – изливане на разтвора в сондажа

Основните начини за циментиране на сондажи са:

• непрекъснато или едностепенно;
• двустепенно;
• маншетно;
• обратно.

Всички начини за циментиране на водовземни сондажи се основават на един принцип – инжектиране на тампонажния разтвор в задтръбното пространство. При това изборът на технология за циментиране зависи от конкретните условия: тип на почвата, дълбочина на сондажа, материал на обсадните тръби, климатични и хидрогеоложки условия на местността.

Избраната технология за тампонаж на сондажа за вода трябва да осигури:

• запълване на цялата дълбочина на сондажа с разтвор;
• напълно да изтласка промивната течност (ако има такава);
• създаване на високоякостен циментов камък, устойчив на физически, механични и химични въздействия;
• висок показател на адхезия с почвените стени на сондажа и обсадните тръби.

За дълбоки сондажи се прилага сегментарно циментиране, т.е. не се циментира целият сондаж наведнъж, а само отделните му сегменти.

Този процес е много сложен и практиката показва, че е практически невъзможно да се извърши самостоятелно. Затова ще разгледаме по-подробно технологията на едно- и двустепенното и маншетното циментиране.

Едностепенно или непрекъснато циментиране

Този метод се използва най-често за циментиране на битови водоносни сондажи. При неговото прилагане циментиращият разтвор се изпомпва в задтръбното пространство.

Разтворът се изпомпва под налягане с помощта на оборудване, монтирано на платформата на специализиран автомобил или стационарно близо до сондажа. Циментиращият разтвор под собствената си тежест се придвижва към основата-“обувка” на обсадната колона, запълвайки всички задтръбни кухини.

Работите по едностепенното циментиране се извършват в един цикъл без прекъсвания, поради което е необходимо да се осигури достатъчно количество тампониращ разтвор.

Преди началото на работите по циментирането се извършва промивка на сондажа, а след това се въвежда долната тапа, която ще служи като ограничител. Включва се бетонопомпата и започва изпомпването на тампониращия разтвор, под въздействието на който тапата се спуска, докато достигне “обувката” на обсадната колона.

След изпомпването на разтвора се поставя горната тапа и започва уплътняването на циментовата смес, докато горната тапа не опре в долната. Това ще означава, че разтворът е запълнил цялото задтръбно пространство. Уплътняването се извършва с вибропреса чрез допълнително изпомпване на разтвор от бетонопомпата.

Циментираният сондаж се оставя в покой за 36-48 часа за пълно втвърдяване на разтвора. Този метод е подходящ само за плитки и с права конфигурация сондажи. Недостатък на метода е невъзможността да се проследи моментът, в който циментовият разтвор е достигнал долната точка на сондажния ствол.

Двустепенна система за изливане

Този метод на циментиране е разработен за сондажи в нефтената промишленост. Поради факта, че изисква използването на сериозно промишлено оборудване (мощна бетонопомпа), той не се използва често при изграждането на сондажи. Двустепенното циментиране се използва в следните случаи:

• циментовият разтвор се втвърдява толкова бързо, че не може да се завърши циментирането в един цикъл;
• когато е необходимо да се обособят два участъка в задтръбното пространство, които са разделени от значително разстояние;
• при голяма дълбочина на сондажа, когато извършването на работите в един цикъл е невъзможно.

В останалите случаи прилагането на двустепенния метод е нецелесъобразно поради продължителността на процеса и икономическите показатели.

Двустепенното циментиране е по-продължително по време, тъй като вторият етап започва след пълното втвърдяване на тампонажния разтвор на първата степен.

Принципът на двустепенното циментиране се основава на това, че инжектирането на цимент в затрубното пространство се извършва на два приема.

Първата порция тампонажен разтвор се зарежда и изтласква. Спуска се долната тапа, която под действието на разтвора се спуска на дъното. Втората порция разтвор се инжектира след 12-36 часа, след окончателното втвърдяване на първата порция.

В практиката на дълбокото сондиране на артезиански сондажи при наличие в горната част на геоложкия разрез на поглъщащи пластове и в други случаи се прилага двустепенно циментиране.

Приложение на маншетния метод

Този метод на циментиране се използва, ако е необходимо да се укрепи само горната част на сондажа. При това първоначалната задача ще бъде определянето на нивото, до което ще се извършва циментирането.

Нивото се отбелязва върху обсадната тръба чрез поставяне на специален маншет. Долната част на отвора при това е надеждно защитена от маншета срещу проникване на тампониращ разтвор.

Разтворът се инжектира точно както при едностепенното циментиране. Маншетният метод се прилага в този случай, ако горната част на сондажа е разположена върху песъчливи почви, а долната – върху глинести. Това се среща доста рядко, поради което този метод не е намерил широко приложение.

Процес на образуване на циментов камък

Процесът на образуване на циментов камък започва веднага след инжектирането на тампониращия разтвор и продължава от 12 до 36 часа. Основните фактори, влияещи върху продължителността на втвърдяване на разтвора до състояние на циментов камък:

• свойства на компонентите, влизащи в състава на разтвора;
• почви, материал на обсадните колони;
• хидрогеоложки и климатични условия на обекта;
• плътност на инжектиране, правилност на осъществяване на процеса на тампониране.

В периода на втвърдяване е необходимо да се остави сондажа в състояние на покой. Забранено е да се използват въжета, лостове, тел за оценка на качеството на циментирането, тъй като това може да наруши целостта на образуващия се циментов камък.

Ако не знаете колко време е необходимо за пълното втвърдяване на циментиращия разтвор, изчакайте три денонощия и пристъпете към контролни измервания.

Оценка на качеството на циментиране

Струва си да се отбележи: въпреки че оценката на качеството на циментиране на водоносните сондажи е много важен етап, да се проведе тя самостоятелно е невъзможно.

За нейното осъществяване се изисква специално лабораторно оборудване, което много рядко се среща дори при организациите, които се занимават със сондиране.

Ако все пак възнамерявате да извършите оценка на извършеното тампониране, можете да поръчате услуга за контрол на качеството по един от трите начина:

• акустичен, основан на почукване на стените на обсадната колона, с последваща обработка на получените данни чрез компютърни програми;
• радиологичен, когато измерването се извършва с радиоприбори;
• термален, основан на принципа на измерване на отделяната топлина при втвърдяване на циментовия разтвор.

В домашни условия можете да използвате опростен термален метод, като измерите температурата при стените на сондажа. Когато тя се изравни с околната температура на въздуха и стане по-ниска с 0,5-1,5 градуса, тогава може да се говори за пълно втвърдяване. Въпреки това, дори след това се препоръчва да изчакате 2-3 дни и едва тогава да пуснете сондажа в експлоатация.

След приключване на проверката устието на сондажа се почиства от остатъците от циментов разтвор с помощта на желонка. След това се извършва проверка на херметичността, като в тръбата на сондажа се нагнетява вода под високо налягане в продължение на 30 минути. Критерий за херметичност ще бъде спадане на налягането с около 0,3-0,5 MPa. Сега сондажът е напълно готов за употреба.

Херметичността на тампонирането повишава дебита на сондажа, увеличава експлоатационния живот на обсадните колони, като ги предпазва от корозия, както и на самия водоизточник

Изводи и полезно видео по темата

В представените по-долу видеоклипове става дума за сондажи в нефтената и газовата промишленост, но принципът на технологията на извършване на работите е същият като за водоносните сондажи.

Процедура на едностепенно циментиране на сондажа:

Специфика на производството на маншетно циментиране:

Технологични особености на двустепенното циментиране:

Циментирането е сложен процес, изискващ прилагане на специализирана техника. Това обаче не означава, че е невъзможно да се извърши самостоятелно. Избирайки и приготвяйки правилно тампонажния разтвор, използвайки минимален набор от агрегати, с работата може да се справите сами.

Във всеки случай експлоатацията на сондаж без укрепване на ствола с цимент няма да бъде дълга, а разходите за пробиване на нов водоизточник няма да са по-малки.

Ако след изучаване на материала имате въпроси относно това как правилно да циментирате сондажа след пробиване, или притежавате ценни знания по този въпрос, моля, оставете своите коментари в разположения по-долу блок.