При просеивании цемента и приготовлении цементного раствора рабочие должны работать в респираторах и защитных очках.

Запрещено находиться около заливочных, агрегатов посторонним лицам.

Площадка для укладки цемента должна быть прочной, достаточных размеров, с лестницами для безопасного подъема и спуска рабочих.

После окончания цементирования за давлением в трубах наблюдает дежурный.

Давление, превысившее на 10% рабочее давление, принятое при опрессовании труб, снижают до допустимого.

—

В современных условиях бурения скважин различного целевого назначения цемент как вяжущий материал находит широкое применение.

В геологоразведочном бурении на твердые полезные ископаемые к цементированию ствола прибегают в случаях необходимости закрепления устья скважин, надежного перекрытия водоносных горизонтов, а также неустойчивых пород, способных к легкому обрушению в процессе бурения, или в случаях перекрытия крупнопористых, трещиноватых и закарстованных пород, поглощающих промывочную жидкость. Цементирование ствола производят также при необходимости искусственного искривления скважин, ликвидации аварий и выполнения ликвидационного тампонажа по окончании бурения, опробования и проведения научных исследований.

Цементирование скважин, являющееся весьма ответственной операцией, требует применения цемента высокого качества. Для этой цели применяют высокодействующий портландцемент, называемый тампонажным цементом, выпускаемый заводами СССР в двух видах:
а) для «холодных» скважин, с температурой на забое до 40 °С;
б) для «горячих» скважин, с температурой на забое выше 40 °С.

Портландцемент изготовляется шести марок: 200 ; 250; 300; 400; 500 и 600. Для цементирования стволов скважин применяют цемент марок 400 и 500. Кроме того, цемент применяют для сооружения фундаментов под буровые вышки, буровые и силовые механизмы. Для этих целей обычно употребляют строительный цемент марок 200 или 300.

Тампонажный цемент представляет собой продукт тонкого помола вещества, получаемого при сильном обжиге смеси материалов, содержащих глинозем (бокситы) с известью или известняком. Действие цемента характеризуется тем, что приготовленные из него растворы обладают свойством быстро повышать свою механическую прочность.

Цемент способен поглощать влагу из окружающего воздуха, поэтому он должен упаковываться в плотную водоупорную тару, например, в мешки из особоплотной бумаги, и храниться в сухом проветриваемом помещении. Вес чистого цемента в мешке составляет 50 кг. Поглощая влагу, цемент теряет свои гидравлические свойства. На это указывает образование затвердевшей корки и комков внутри мешка.

Цемент должен быть свежим по времени изготовления (не более 6 месяцев) и иметь темно-серый цвет с зеленоватым оттенком.

Коричневый цвет — результат пережженного цемента, а желтоватый — недожженного.

Важнейшими свойствами цементов, применяемых для тампонажа скважин, являются следующие.

1. Сроки схватывания цемента, которые при затворении цемента с 50% воды к весу цемента должны быть:
а) для раствора цемента на пресной воде: начало схватывания не ранее 3 ч и не позднее 7 ч 30 мин после затворения и конец схватывания не позднее 3 ч после начала схватывания;
б) для раствора цемента на соленой воде (тип морской воды): начало схватывания не ранее 3 ч и не позднее 6 ч после затворения, конец схватывания не позднее 3 ч после начала схватывания.

Указанные сроки схватывания цемента позволяют по времени приготовить цементный раствор и закачать его в скважину.

2. Временное сопротивление изгибу, определяющее прочность цементного камня, для цементного раствора с 50% воды после твердения в течение 2 суток должно быть не менее 27 кПсм”- на пресной воде и 32 кГ/см2 — на соленой.

Цементный раствор должен быть достаточно жидким, чтобы его можно было закачать в скважину насосом. Это условие обеспечивается при весовом отношении количества воды, принятой для затворения, к количеству сухого цемента, равному 0,4—0,5 (в/ц-0,4-т- 0,5).

Необходимость проведения цементирования скважины в возможно короткий срок обязывает технический персонал буровой своевременно и четко провести организацию и непосредственную подготовку к заливке. В состав мероприятий по подготовке к заливке входят следующие:
а) расчет необходимого количества цемента, воды, глинистого раствора и ускорителей для схватывания цемента (поваренная соль или хлористый кальций); определение давления на насосе во время продавливания пробки (при способе цементирования с двумя пробками);
б) выбор типа насоса для прокачивания цемента и воды (или глинистого раствора) в установленный срок;
в) выбор типа оборудования для приготовления цементного раствора в нужном количестве и в установленный срок;
г) определение размера чанов для воды, цементного и глинистого раствора;
д) составление монтажной схемы всего оборудования для цементирования скважины и определение времени, потребного для выполнения отдельных операций по тампонажу;
е) установка и монтаж оборудования (насосы, мешалки, чаны, трубопроводы и пр.);
ж) заготовка просеянного сухого цемента, раствора-ускорителя, глинистого раствора и воды в нужном количестве;
з) испытание оборудования, трубопроводов и пр. на герметичность под давлением;
и) распределение обязанностей между рабочими бригадами и инструктаж;
к) назначение ответственного руководителя по практическому проведению цементирования скважины; во избежание путаницы п нечеткости в работе все распоряжения в процессе цементирования даются только одним лицом.

В зависимости от назначения тампонажа скважины, цементирование может быть осуществлено различными способами.

1. При необходимости цементирования трещин в разбуриваемых породах для восстановления циркуляции промывочной жидкости пользуются цементным раствором повышенной вязкости, затворенным с 40% воды или густыми цементными пастами. Доставку цементного раствора на забой производят в желонке с откидным дном или через бурильные трубы. Доставку цементных паст в скважину осуществляют с помощью снаряда, опускаемого на бурильных трубах. Снаряд состоит из колонковой трубы с тарельчатым клапаном в нижней части и переходником на бурильные трубы. После спуска снаряда в скважину паста выдавливается промывочной жидкостью, прокачиваемой через бурильные трубы.

2. При необходимости укрепления башмака обсадной колонны с целью предохранения его от отвинчивания в процессе бурения цементный раствор доставляют в скважину через бурильные трубы. В этом случае цементный раствор поднимают за трубами на 1—2 м выше башмака. Перед заливкой цементного раствора в скважину обсадные трубы поднимают над забоем на высоту предполагаемого подъема цемента в затрубном пространстве.

3. При необходимости цементирования интервалов скважины с подъемом цемента в затрубном пространстве на значительную высоту, например, при изоляции водоносных горизонтов, пользуются способом цементирования с помощью двух пробок. Этот способ основан на применении двух разделительных пробок, между которыми находится цементный раствор. В этом случае цементный раствор, подаваемый насосом в скважину, поступает в затрубное пространство па нужную по расчету высоту и заполняет все промежутки между стенками скважины и обсадными трубами. Затвердевая в затрубном пространстве, цемент создает прочное основание, повышая устойчивость стенок скважины и уменьшая этим возможность смятия труб при боковом давлении пород.

Цементный раствор приготовляют следующим образом.

При цементировании неглубоких скважин малых диаметров, когда объем цементного раствора невелик, затворение раствора производят вручную в следующем порядке.

1. В мерный чан заливают воду в нужном количестве согласно расчету.

2. Добавляют в воду сухой СаС12 или NaCl в количестве 2—3 вес. % для ускорения его схватывания и твердения.

3. Рассыпают ранее просеянный упакованный в мешки цемент по поверхности чана. Цемент должен рассыпаться веером, что обеспечит более равномерное распределение цемента и его перемешивание. Перемешивание цемента производят 3—4 рабочих с помощью мешалок-весел. В процессе переметивания берутся пробы цементного раствора для определения его удельного веса, который должен быть в пределах 1,80—1,88 Г/см3. Затем раствор спускается в приемный чан насоса и закачивается в скважину.

При цементировании глубоких скважин с подъемом цемента на большую высоту в затрубном пространстве затворение цемента производят в приводной лопастной глиномешалке, в которой приготовляется глинистый раствор для бурения.

Рис. 2. Схема тампонажа скважины цементом по способу «с двумя пробками».
I — начало закачки цемента; II— окончание закачки цемента; III — начало подъема цемента в затрубное пространство; IV — окончание операции тампонажа цементом. 1 — запорный кран; 2 — манометр; 3 — головка для цементации; 4 — верхняя часть пробки; 5 — резиновые манжеты; 6 — нижняя часть пробки; 7 — обсадная труба; 8 — верхняя пробка; 9 — нижняя пробка. а — глинистый раствор; б — цемент.

В глиномешалку, предварительно очищенную от глинистого раствора, заливают нуяшое количество воды по расчету, пускают мешалку в ход, после чего равномерно подают цемент через сетку загрузочного отверстия глиномешалки. После тщательного размешивания и доведения удельного веса раствора до принятой по расчету величины готовый раствор спускают в приемный чан насоса и закачивают его в скважину.

При цементировании скважин по способу двух пробок применяют следующее оборудование и арматуру: головку на колонну обсадных труб, деревянные пробки, насосы для прокачивания цемента, ящики и желоба для цементного раствора, шланги и соединения к ним, упорное кольцо, которое ставится в винтовое соединение первой п второй трубы (снизу) — в глубоких скважинах.

Головка на обсадных трубах предназначена для очередного пропуска в скважину нижней пробки, цемента, верхней пробки, воды или глинистого раствора под значительным давлением. Поэтому головка должна обеспечить требуемое давление при полной герметичности, быть просто устроенной, иметь небольшой вес и быстро закрепляться в трубах усилием одного или двух рабочих.

Перед установкой на обсадные трубы головка должна быть тщательно проверена и обязательно опрессована на давление, равное полуторному по расчету тампонажа. Проверке подлежат: нарезка головки, состояние отводов, плавность и плотность закрытия кранов.

При цементировании скважнн применяют две пробки — верхнюю и нижнюю. Назначение, нижней пробки — предохранить цементный раствор от разяшжения его глинистым раствором, находящимся в скважине, и пропустить цемент под башмак колонны. Назначение верхней пробки — предохранить цементный раствор, закачанный в трубы, от глинистого раствора, которым продавливают цементный раствор в затрубное пространство.

Верхняя пробка состоит из трех деревянных цилиндрических шайб, собранных на деревянном штоке. Для уплотнения внутри колонны обе пробки снабжены резиновыми манжетами.

Работы по цементированию скважины способом двух пробок проводятся в следующем порядке.

После спуска колонны ее приподнимают над забоем на 0,5—0,8 м и промывают скважину жидкостью, применяемой при бурении. Целью промывки является очистка забоя скважины и затрубного пространства от шлама и сальников, скопившихся в скажине во время опускания труб. Продоляштель-ность промывки зависит от состояния скважины. Длительная работа насоса при спокойном режиме с установившимся постоянным давлением на манометре указывает на удовлетворительное состояние затрубного пространства. К началу промывки должны быть безусловно закончены все подготовительные работы к цементированию скважины, чтобы после прекращения промывки сразу снять крышку головки, опустить нижнюю пробку, завернуть крышку и приступить немедленно к закачиванию цементного раствора.

В процессе приготовления цементного раствора снимают тампо-нажную головку с устья обсадной колонны, опускают в трубы нижнюю пробку, проталкивая ее бурильными трубами от устья обсадной колонны, затем снова ставят головку на трубы и присоединяют шланг от насоса к отводу тампонажной головки.

До начала прокачивания цемента манометр на головке выключают (или снимают) во избежание засоренияего цементом. При прокачивании цементного раствора насос не показывает давления, так как цементный раствор значительного удельного веса (обычно 1,80—1,88 Г/см3) свободно проходит в скважину, проталкивая нижнюю пробку в трубах. Прокачивание цемента необходимо обеспечить беспрерывной струей во избежание получения воздушной пробки, вредно влияющей на прочность образования цементного кольца в затрубном пространстве.

После прокачивания всего цементного раствора опускают верхнюю пробку, включают манометр и продавливают пробки до башмака колонны (или до упорного кольца) промывочной жидкостью.

Прокачивание раствора следует производить также в возможно короткий срок при интенсивной работе насоса; замеряя тщательно и непрерывно расход жидкости. С начала прокачивания жидкости следует вести непрерывное двойное наблюдение за ростом давления на манометре насоса и на заливочной головке, отмечая время по секундомеру. Вначале при прокачивании некоторого количества жидкости манометр не будет показывать давления, так как вес столба цементного раствора в трубах будет значительно больше веса жидкости в затрубном пространстве и верхняя пробка будет спокойно опускаться вниз под влиянием веса жидкости, закачиваемой в скважину. Далее, по мере продвижения цементного раствора через отверстия нижней пробки и принудительного поступления его в затрубное пространство давление на насосе начинает плавно подниматься. Величина его определяется глубиной скважины, высотой подъема цемента и гидравлическими сопротивлениями. По мере прокачивания цемента жидкость выходит из затрубного пространства и поступает в желоба.

Приближение верхней пробки к нижней отмечается дальнейшим повышением давления, при этом насос работает тяжело. Момент схождения пробок отмечается резким скачком давления и контролируется количеством закачанной жидкости. При этом следует быстро закрыть кран на головке обсадных труб, одновременно выключив насос, и осторожно опустить колонну на забой неполным весом, не снимая арматуры. Цементирование скважины на этом считают законченным. Скважину оставляют в покое на время, необходимое для затвердевания цемента (от 48 до 72 ч в зависимости от глубины скважины и качества цемента).

Проверку качества цементирования (герметичности колонны) производят следующим образом. По истечении времени, отведенного для схватывания и твердения цемента, снимают головку с колонны обсадных труб и понижают уровень жидкости в трубах, откачивая желонкой. При неглубоких скважинах, когда нет опасности возможного смятия труб, жидкость откачивают досуха, а в глубоких скважинах уровень жидкости в трубах понижают ниже уровня грунтовых вод, затем пломбируют скважину и оставляют в покое на 24 ч. Через сутки открывают скважину и замеряют положение уровня жидкости.

Если он поднялся на высоту менее 1 м, то цементирование скважины считают удовлетворительным. Нужно иметь в виду, что небольшое повышение уровня воды в скважине может быть вследствие стекания ее со стенок труб после откачки желонкой.

Если обсадные трубы заполнены жидкостью, то испытание колонны на герметичность проводят путем нагнетания жидкости в колонну через заливочную головку, поднимая давление до 40—50 кг/см2, затем закрывают все краны и наблюдают за показаниями манометра. Цементирование скважины считают удовлетворительным, если давление упадет менее чек на 5 кг/см2 в течение 20 мин.

После проверки колонны обсадных труб на герметичность разбуривают цемент в трубах и углубляют скважину на 1—1,5 м ниже башмака, не выходя однако за пределы водонепроницаемой породы. Затем испытывают качество тампонажа цементом одним из указанных выше способов.

—

Тампонирование скважин цементом или содержащими цемент материалами называется цементированием. Цементирование применяется в случаях, когда необходимо получить прочный и плотный тампон на весьма продолжительное время. Для цементирования скважин используется портландцемент, называемый тампонажным.

При смешивании с водой тампонажный цемент образует легкоподвижный раствор, который с течением времени загустевает и постепенно превращается в прочный цементный камень. Сроки и прочность схватывания цементного раствора зависят от качества цементного порошка, тонкости его помола, количества и качества содержащейся в растворе воды.

Применяемый при разведочном бурении цемент имеет начало схватывания, т. е. начинает терять подвижность, не ранее 2 ч после затворения раствора. За период от затворения и до начала схватывания цементного раствора необходимо произвести его закачивание к намеченному месту установки тампона.

Конец схватывания цементного раствора, когда он полностью теряет подвижность, наступает не позднее 10 ч после затворения. От начала до конца схватывания цементный раствор должен находиться в покое, так как перемешивание его отрицательно сказывается на прочности цементного камня.

Повышение температуры среды, в которой находится цементный раствор,— активный ускоритель его схватывания. Поэтому в глубоких скважинах с высокой температурой у забоя применяют специальные цементы, на которые температура оказывает меньшее влияние^

Кроме того, для замедления схватывания используют длительную промывку скважины сильно охлажденной промывочной жидкостью, а также добавляют в цементный раствор замедлители схватывания, в качестве которых применяют буру, крахмал, сернокислое железо, ССБ, гипан, или КМЦ (0,5—1% от массы сухого цемента). Весьма целесообразно введение в цементный раствор тонко измельченного кварцевого песка (до 30—40% от массы сухого цемента) с добавкой КМЦ. При этом наряду с замедлением схватывания раствора экономится дорогостоящий портландцемент и повышается устойчивость цементного камня к воздействию на него агрессивных сульфатных вод.

Иногда при цементировании скважин небольшой глубины возникает необходимость ускорить схватывание цементного раствора. Для ускорения схватывания к цементному раствору добавляют хлористый кальций или хлористый натрий (2—3% от массы сухого цемента).

Цементный раствор приготовляют в обычных глиномешалках или в специальных цементно-смесительных машинах. Наиболее распространены машины 2СМН-20 и ЗАС-ЗО, смонтированные на шасси автомобиля КрАЗ-255Б.

Наиболее простым и широко применяемым при разведочном бурении способом цементирования является погружение башмака обсадной колонны в цементный раствор, залитый на забой скважины. Забойное цементирование производится для изоляции нижней призабойной части колонны обсадных труб, поэтому высота подъема раствора в затрубном пространстве достаточна в пределах 2—3 м. Необходимое для цементирования количество раствора закачивается в скважину через заливочные трубы. Обсадная колонна при этом подвешена над забоем на расстоянии 3—5 м. По окончании закачивания цементного раствора заливочные трубы приподнимают над его поверхностью 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.

Если необходима большая высота подъема цемента в затрубном пространстве (на любое расстояние от забоя, вплоть до устья скважины), применяется цементирование под давлением с разделяющими пробками. При цементировании этим способом используются две разделяющие пробки с уплотняющимися резиновыми манжетами и цементировочная головка. Верхняя пробка — сплошная, а нижняя имеет осевой канал, перекрытый стеклянным диском или резиновой мембраной.

До начала цементирования скважину проверяют на цилин-дричность специальным долотом или зубчатой коронкой, диаметр которых больше диаметра труб тампонажной колонны.

После тщательной проверки качества обсадных труб их опускают в скважину. На расстоянии 5—10 м выше башмака внутри колонны должно быть закреплено опорное кольцо. Последние 10—12 м трубы опускают с промывкой скважины, закачивая воду или жидкий глинистый раствор через навинченную на верхнюю часть колонны цементировочную головку. Колонну обсадных труб подвешивают над забоем на расстоянии 1-—2 м, снимают цементировочную головку и опускают в трубы нижнюю пробку. Затем снова надевают головку и через нижние ее патрубки закачивают в трубы необходимое количество цементного раствора. После этого освобождают верхнюю пробку, удерживаемую стопорами в цементировочной головке и через патрубок закачивают глинистый раствор. Цементный раствор, заключенный между пробками, продавливается вниз. Нижняя пробка, дойдя до упорного кольца в трубах, останавливается. Верхняя же пробка под напором продавочной жидкости продолжает опускаться. Вследствие развиваемого при этом высокого давления резиновая мембрана нижней пробки разрушается, и цементный раствор вытесняется в затрубное пространство (часть его окажется в обсадной колонне—ниже опорного кольца). При схождении пробок давление, показываемое манометром цементировочной головки, резко повысится. Это служит сигналом для окончания нагнетания продавочной жидкости. Выключив насос, колонну обсадных труб опускают на забой, и при закрытых вентилях цементировочной головки скважину оставляют в покое для твердения цементного раствора на 24 ч в случае цементирования эксплуатационных колонн и на 12—16 ч при цементировании кондуктора.

Рис. 1. Схема цементирования скважины с двумя разделяющими пробками:
1 — цементный раствор; 2 —нижняя пробка; 3 — глинистый раствор; 4 — башмак обсадной колонны; 5 — верхняя пробка; 6 — жидкость для продавливания пробок

Рис. 2. Цементировочные пробки и головка:
а — нижняя пробка; б —верхняя пробка; в — цементировочная головка; 1 — резиновая мембрана; 2 — патрубок для закачивания продавочной жидкости; 3 — стопоры верхней пробки; 4 — патрубки для закачивания цементного раствора

Для заливки и продавливания цементного раствора используют либо буровые насосы, либо самоходные цементировочные агрегаты ЦА-320М, 4ЦА-100 и др.

По истечении времени, необходимого для твердения цементного раствора, проверяют герметичность колонны, а затем затрубного пространства.

Герметичность колонны проверяют при наличии в ее нижней части цементной пробки. Для испытания же герметичности затрубного пространства необходимо разбурить специальным пикообразным долотом цементную пробку в трубах и на 1—2 м углубить скважину ниже башмака обсадной колонны.

Проверка герметичности колонны и затрубного пространства может быть проведена двумя способами: опрессовкой или понижением уровня жидкости в скважине.

Первый способ используют в том случае, когда тампонаж-ная колонна наполнена жидкостью. Через цементировочную головку в колонну труб нагнетают воду и поднимают давление до 4—6 МПа. Если в течение 30 мин давление упадет не более чем на 0,5 МПа, герметичность считается удовлетворительной.

Второй способ обычно применяется при бурении скважин на воду. Промывочную жидкость вычерпывают из труб, понижая уровень не менее чем на 2/3, и, закрыв скважину, оставляют ее в покое на сутки. Если в течение 24 ч уровень жидкости поднимется не более чем на 1 м, герметичность считается удовлетворительной.