Постоянное тампонирование проводят цементом и, как правило, на весь срок существования скважины, а временное — с помощью специальных тампонов («паке-ров») или задавливанием колонны обсадных труб в глину.

Тампонирование глиной применяют преимущественно при бурении неглубоких скважин для уплотнения за-трубной части обсадной колонны, закрывающей водоносный пласт с невысоким давлением.

Если в месте намеченного тампонирования залегает пласт вязкой глины мощностью 2…3 м, тампонируют простым задавливанием или забивкой башмака обсадной колонны в глину на 0,5… 1 м, предварительно пробурив этот пласт на 0,5…0,6 м.

При отсутствии на забое вязкой глины или при незначительной мощности ее пласта в скважину забрасывают небольшими порциями шарики глины диаметром 5…7 см.

Каждую порцию глины утрамбовывают спускаемой в скважину на бурильных трубах или канате металлической трамбовкой. После того как в скважине будет создана глинистая подушка мощностью 2..3 м, в нее вдавливают башмак обсадной колонны. В некоторых случаях для вдавливания глины в затрубное пространство башмак колонны обсадных труб закрывают деревянной конусной пробкой. После окончания тампонажа пробку разбуривают.

Тампонирование цементом или содержащими цемент материалами называют цементированием. Цементируют затрубное пространство скважин в основном высококачественным портландцементом марок 500—600, называемым тампонажным (ГОСТ 1581—78).

Строительный портландцемент и глиноземистый цемент марки 400—500 применяют для цементирования направляющих труб при забуривании скважин.

Тампонажный цемент отличается от других марок высоким сопротивлением механическим усилиям. Плотность сухого цемента 3,05…3,2, для расчетов берут среднее значение — 3,15 г/см3.

При смешивании с водой тампонажный цемент образует легкоподвижный раствор, который со временем густеет и постепенно превращается в прочный цементный камень.

Содержание воды в растворе характеризуется водо-цементным фактором, показывающим отношение массы воды к массе сухого цемента в единице объема раствора. Обычно применяют растворы с водоцементным фактором 0,4…0,5.

Сроки схватывания тампонажного цемента в пресной воде: начало схватывания через 3 ч, а конец — через 6 ч после цементации.

Для сокращения времени затвердевания цемента применяют различные ускорители, которые добавляют к цементному раствору в количестве 1…2 % от массы сухого цемента. Хлористый кальций и хлористый натрий добавляют к цементному раствору в растворенном виде. Жидкое стекло ускоряет срок схватывания цемента, но снижает прочность цементного камня. Цементный раствор нужно приготовлять и использовать как можно быстрее, чтобы предупредить его схватывание во время нагнетания в скважину. Готовят его в обычных глиномешалках или в специальных цементировочных агрегатах, смонтированных на машине. Вручную раствор готовят, только когда требуется незначительное количество его, например при забойном цементировании (башмачная заливка) .

Башмачную заливку делают для изоляции нижней призабойной части обсадной колонны, поэтому раствор в затрубное пространство закачивают на высоту 2..,3 м. При башмачной заливке раствор закачивают в скважину буровым насосом через заливочные трубы.

Обсадная колонна при этом подвешена над забоем на высоте 3…5 м. По окончании закачивания цементного раствора заливочные трубы приподнимают над поверхностью раствора и, промыв водой, извлекают из скважины.

Обсадную колонну опускают на забой и оставляют в покое примерно на сутки, после чего разбуривают цементную пробку в трубах и продолжают углубление скважины.

Затрубное цементирование под давлением проводят цементировочными агрегатами при необходимости подъема цемента на большую высоту в затрубном пространстве (на любое расстояние от забоя, вплоть до устья скважины).

Цементировочный агрегат состоит из водяного насоса, насоса для закачивания цементного и глинистого растворов, мерного бака, обвязки насосов, разборного металлического трубопровода для соединения агрегата со скважиной, гидравлической цементомешалки (воронки), бачка для цементного раствора.

Для цементирования скважин на воду пользуются цементировочными агрегатами 4ЦА-100, ЦА-320А и ЗЦА-400А.

Для промывки скважины перед цементированием и проведения самого цементирования применяют цементировочные головки ЦГЗ-120 и ГЦК-

Цементировочная головка ЦГЗ-120 состоит из корпуса, представляющего собой полый цилиндр, в нижней части которого находится конусная резьба для навинчивания корпуса головки на обсадную колонну. Корпус имеет четыре патрубка для присоединения к нагнетательным трубопроводам цементировочных агрегатов. Выше этих патрубков находится верхняя цементировочная пробка, удерживаемая в корпусе головки двумя стопорами. Сверху на корпус навинчена крышка с тройником, через который пропускают промывочную жидкость для продавливания верхней цементировочной пробки. В тройник ввинчен переходник для присоединения манометра.

Цементировочными головками ЦГЗ-120 цементируют обсадные колонны диаметром от 168 до 219 мм, а ГЦК —от 273 до 426 мм.

Цементируют затрубное пространство с применением специальных цементировочных пробок, предназначенных для предохранения от смешивания цементного и глинистого растворов. Цементировочные пробки изготавливают из березы, ясеня или другого крепкого дерева. Манжеты на пробках делают из упругого материала (прорезиненного ремня, листовой резины, кожи). Верхние пробки, в отличие от нижних, состоят из двух или трех деревянных колец, собранных на деревянном или металлическом штоке, между которыми устанавливают резиновые манжеты.

Рис. 1. Цементировочный агрегат ЗЦА-400А:
1 — шасси автомобиля; 2 — глушитель; 3 — силовой двигатель; 4 — коробка передач; 5 — насос трехпоршневой; 6 — мерный бак; 7 — домкрат; 8 — отражательный щит; 9 — топливный бак; 10 — вспомогательный трубопровод; 11 — электрооборудование; 12 — промежуточный вал; 13 — пост управления; 14 — редуктор; 15 — манифольд; 16 — ограждение гидравлической части насоса; 17 — аккумуляторы; 18 — буксирное приспособление.

Рис. 2. Цементировочная головка ЦГЗ-120.

Рис. 3. Цементировочные пробки

Способ цементирования при помощи двух пробок заключается в следующем.

Колонну обсадных труб подвешивают над забоем на высоте 1…2 м и промывают скважину высококачественным глинистым раствором. Если стенки скважины устойчивы, раствор иногда заменяют водой или снижают его плотность.

Затем, открыв крышку цементировочной головки, в обсадную колонну опускают нижнюю цементировочную пробку, центральное отверстие которой закрыто пластинкой из стекла. Верхнюю пробку при помощи стопоров закрепляют в цементировочной головке (если применяют головки ЦГЗ-120). Крышку головки снова навинчивают и закачивают в скважину необходимое количество цементного раствора.

Рис. 4. Схема цементирования с помощью двух пробок:
а — закачивание цементного раствора; б — подача цементного раствора в скважину; в — продавливание цементного раствора в затрубное пространство н схождение пробок; г — опускание колонны на забой.

Под давлением цементного раствора нижняя пробка опускается в колонне труб на определенную глубину. После закачки цементного раствора освобождают верхнюю пробку и поверх нее закачивают промывочную жидкость, как правило, глинистый раствор.

Цементный раствор, находящийся между двумя пробками, продавливается вниз. Нижняя пробка, дойдя до упорного кольца 3 или до башмачной пробки 4, останавливается. Цементный раствор под давлением верхней пробки разрушает стеклянную пластинку нижней и вытесняется в затрубное пространство . Когда верхняя пробка 5 дойдет до нижней, манометр на насосе покажет резкое повышение давления, произойдет гидравлический удар, указывающий на окончание продавливания цементного раствора- Это служит сигналом для окончания нагнетания жидкости. Выключив насос, закрывают вентиль цементировочной головки, чтобы не было обратного движения раствора из скважины, и обсадную колонну опускают на забой. В таком виде эксплуатационную колонну оставляют герметично закрытой на 24 ч для затвердевания цемента (при цементировании кондукторов — на 16 ч).

Неглубокие скважины иногда цементируют при помощи одной верхней пробки. В этом случае, не спуская нижнюю пробку, через цементировочную головку закачивают в скважину необходимое количество цементного раствора, а затем в колонну спускают верхнюю пробку, поверх которой закачивают глинистый раствор или воду для выдавливания цементного раствора в затрубное пространство. Дальнейшие работы ведут аналогично цементированию с двумя пробками.

Манжетное цементирование применяют, когда обсадную колонну спускают в скважину вместе с фильтром, установленным на нижнем конце колонны, и когда колонну цементируют выше фильтра.

Для этого в колонне выше фильтра устанавливают чугунный клапан, который при спуске колонны пропускает жидкость внутрь труб (снизу вверх), а при нагнетании сверху закрывает доступ жидкости в фильтровую часть.

В колонне выше клапана на 0,8… 1 м просверливают в шахматном порядке 3…4 отверстия диаметром 15… 20 мм, закрываемые снаружи клапаном клавишного типа. Для предотвращения попадания цементного раствора в фильтр вокруг отверстий устанавливают воронкообразную манжету из кожи или брезента высотой 60…70 см, верхний диаметр которой несколько превышает диаметр скважины.

Рис. 5. Схема манжетного цементирования. Позиции даны в тексте.

Кожу или брезент прикрепляют заклепками к 6…8 стальным пластинкам толщиной 3…4 мм и шириной 25… 30 мм, в зависимости от диаметра скважины, которые нижними концами приваривают к кольцу. Кольцо, после того как наденут воронку, приваривают к обсадной трубе.

Вместо клапана между стыками труб можно поставить и простую заглушку, но при этом отверстия для закачивания цементного раствора должны быть выше верхнего края манжеты, чтобы последняя не перекрывала их при спуске колонны.

Манжетное цементирование проводят так же, как и цементирование с двумя пробками, но нижняя пробка имеет одинаковое устройство с верхней. Высота нижней пробки должна быть меньше расстояния от отверстий в колонне до упорного кольца или клапана, чтобы не закрыть отверстия для выхода цемента. Во избежание порчи манжеты колонну сразу ставят на забой без рас-хаживания. При снимании хомутов или элеваторов колонну можно поднимать не более чем на 30…40 мм.

В последнее время манжеты и боковые клапаны не ставят, так как практика показала, что цементный раствор из отверстий в колонне движется только вверх.

После затвердевания цемента деревянные пробки вместе с клапаном разбуривают.

Проверку тампонирования проводят после затвердевания цемента, определяя герметичность обсадной колонны и затрубного пространства (у башмака).

Для проверки герметичности колонны до разбуривания цементного стакана через установленную на колонне цементировочную головку насосом закачивают глинистый раствор или воду и поднимают давление до 3… 4 МПа, закрывают задвижку и следят за показаниями манометра. Если за 30 мин давление снизится не более чем на 0,5 МПа, герметичность колонны удовлетворительна.

Если колонна зацементирована негерметично, то определяют место течи. Для этого вводят в колонну верхнюю пробку и через цементировочную головку нагнетают жидкость. Под давлением жидкости пробка опускается в трубах до места течи. Затем в скважину опускают заливочные трубки на эту глубину и нагнетают через них в затрубное пространство цементный раствор.

После установления герметичности колонны разбуривают цементировочные пробки и цементный стакан и углубляют скважину на 0,5…1 м ниже башмака колонны.

Герметичность затрубного пространства (на закрытие воды) проверяют следующим образом.

Снижают уровень жидкости в скважине желонкой. Необходимое понижение уровня определяют в каждом отдельном случае в соответствии с прочностью обсадных труб и геологическими условиями.

Затем, закрыв задвижку у цементировочной головки, через 8 ч измеряют положение уровня жидкости в скважине. Если уровень жидкости поднялся не больше чем на 1 м, цементирование скважины считается удовлетворительным.

Герметичность затрубного пространства проверяют также опрессовкой насосом аналогично испытанию колонны на герметичность.

При испытании качества манжетного цементирования разбуривают пробки и цементный стакан только против боковых отверстий, не разрушая клапана.

Обнаружив в результате испытаний скважины негерметичность колонны или дефекты тампонирования затрубного пространства, цементирование проводят повторно.

—

Прежде чем вскрыть водоносный пласт, намеченный к эксплуатации, углубление скважины прекращают в водонепроницаемом вышерасположенном пласте, затем опускают колонну обсадных труб, а кольцевое пространство между низом колонны и стенками скважины тампонируют, т. е. заполняют вязким и плотным водонепроницаемым материалом. Так осуществляется изоляция водоносного горизонта с водой хорошего качества от пластов, расположенных выше и содержащих непригодную для употребления воду.

Подобным образом тампонируют скважины для изоляции пласта полезного ископаемого (твердого, жидкого, газообразного) от поступления в него подземных и поверхностных вод.

Рис. 1. Схема тампонирования скважины

Тампонированием затрубного пространства обсадная колонна предохраняется от смятия давлением, а также от корродирующего воздействия на них минерализованных подземных вод.

Перед переходом на работу алмазными коронками при комбинированном бурении необходимо комплекс неустойчивых пород перекрыть обсадными трубами и затампонировать их.

Для устранения потери циркуляции промывочной жидкости в сильнотрещиноватых и предупреждения обвалов в неустойчивых породах тампонировать ствол скважины можно без применения обсадных .труб. Надежное разобщение пластов после окончания бурения скважин путем установки в них нескольких тампонов обеспечивает охрану недр, что весьма важно с геологической и промышленной точек зрения.

Различают два вида тампонирования скважин: постоянное и временное. Постоянное тампонирование производится на длительное время, как правило, на весь срок существования скважины. Временное тампонирование предназначается для изоляции отдельных водоносных (нефте- и газоносных) горизонтов друг от друга для раздельного их исследования и производится на срок испытания скважины.