Цементирование и гидроизоляция геотехнологических (эксплуатационных) скважин

Цементирование и гидроизоляция осуществляются для выполнения следующих основных задач: предотвращения растекаемости рабочих и продуктивных растворов из отрабатываемых продуктивных пластов через затрубное пространство скважин в выше– и нижележащие водоносные горизонты;

разобщения пространства между эксплуатационной и обсадной колоннами, когда обсадная колонна выполнена из материала, подверженного коррозии, а рабочие и продуктивные растворы обладают высокой агрессивностью защиты эксплуатационной колонны от сминающих усилий, вызванных горным давлением, вызванных горным давлением слабоустойчивых пород, вскрытых в процессе бурения скважин. Такая защита особенно необходима, когда скважиной вскрываются мощные пласты неустойчивых пород, и в качестве обсадных колонн применяются неметаллические трубы; упрочнения стенок скважин при сооружении эксплуатационных скважин ПВ в раздробленных породах;

предотвращения утечек рабочих растворов через резьбовые соединения эксплуатационных колонн, особенно при высоконапорном режиме нагнетания; локализации рудных тел и отдельных залежей для предотвращения растекаемости выщелачивающих и продуктивных растворов в отдельных блоках при подземном выщелачивании урана путем закачки в специально оборудованные трещины гидроразрыва цементных и других растворов;

Тампонажный раствор (ТР) – это гетерогенная полидисперсная система, способная в течение некоторого времени переходить из вязко-пластичного состояния в твердое как на воздухе, так и в жидкости. Общие сведения о буровых тампонажных растворах ТЦ + = ЖЗТРТК затворение Т, час ВВ ДУСЗСПФПл ХАИ Дисперсная фаза Дисперсионная среда Гетерогенная система – неоднородная система, состоящая из двух или нескольких фаз. Полидисперсная система состоит из различных по размеру частиц.

Дисперсная фаза ТР представлена тампонажным цементом (ТЦ), который состоит из вяжущего вещества (ВВ) и добавок (Д) к нему. Добавки к ВВ могут быть химически активными (ХА) и инертными (И). ТЦ + = ЖЗТРТК затворение Т, час ВВ ДУСЗСПФПл ХАИ Дисперсная фаза Дисперсионная среда

Краткая характеристика добавок к вяжущим веществам осадочные вулканические Добавки к вяжущим веществам Химически активные Инертные природные искусственные облегчающие утяжеляющиезакупоривающие Диатомиты Трепелы Опоки Пеплы Туфы Пемзы Топливные золы и шлаки Доменные шлаки Искусственно обожженные глины и др. Бентонит Диатомит Песок Барит Железная руда Известняк Резиновая крошка Слюда Торф Ореховая скорлупа Стеклово- локно и др.

Дисперсионная среда или жидкость затворения (ЖЗ) чаще всего представлена водой, реже водными растворами солей и углеводородными жидкостями. ТЦ + = ЖЗТРТК затворение Т, час ВВ ДУСЗСПФПл ХАИ Дисперсная фаза Дисперсионная среда

ЖЗ может содержать в растворенном виде химические реагенты, предназначенные для регулирования свойств тампонажного раствора (ТР) и тампонажного камня (ТК). ТК – искусственное твердое тело, образующееся при затвердевании ТР. ТЦ + = ЖЗТРТК затворение Т, час ВВ ДУСЗСПФПл ХАИ Дисперсная фаза Дисперсионная среда

Вводимые в ЖЗ химические реагенты по функциональному назначению делятся на следующие 4 группы: ускорители схватывания и твердения (УС); замедлители схватывания и твердения (ЗС); понизители фильтрации (ПФ); пластификаторы или разжижители (Пл). ТЦ + = ЖЗТРТК затворение Т, час ВВ ДУСЗСПФПл ХАИ Дисперсная фаза Дисперсионная среда

Отношение массы дисперсионной среды к массе дисперсной фазы в единице объема ТР называется водоцементным отношением и обозначается В/Ц. ТЦ + = ЖЗТРТК затворение Т, час ВВ ДУСЗСПФПл ХАИ Дисперсная фаза Дисперсионная среда

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы». Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик ТЦ – это продукт, состоящий из смеси тонкоразмолотых ВВ и добавок, после затворения которого ЖЗ получают ТР, а затем ТК. Тампонажные цементы могут быть классифицированы по следующим основным признакам: температуре применения; плотности ТР; устойчивости ТК в воздействию агрессивных сред (пластовых вод и др.). Тампонажные цементы (ТЦ)

Образовывать легкоподвижные системы, которые можно прокачать буровыми насосами; Сохранять свою начальную консистенцию; Иметь определенные пределы плотности: облегченные системы плотностью ниже 1700 кг/м 3, обычные системы – 1700 – 2000 кг/м 3 ; утяжеленные системы – выше 2000 кг/м 3 ; Иметь достаточную прочность и достаточную устойчивость при воздействии агрессивных сред. Требования к тампонажным и гидроизоляционным материалам

Тампонажный портландцемент Основной частью портландцемента являются клинкерные минералы, получаемые искусственным путем при обжиге (Т 1450 о С) смеси известняка с глиной. При этом состав смеси подбирается таким образом, чтобы в ней содержалось строго определенное количество следующих оксидов: кальция СаО - 64 … 68 % (известь); кремния SiO … 23 % (кремнезем); алюминия Al 2 O … 8 % (глинозем); железа Fe 2 O … 6 %. Для цементирования применяются обычные и специальные сорта цементов

Тампонирование скважин 15 Портландцемент- главное вяжущее вещество (90%) Источник окиси кальция-известняк Источники остальных элементов- глина Обжиг при температуре С Продукт обжига-гранулы размером до 30 мм- клинкер Измельчение клинкера до образования поверхности – 300 м 2 /кг

Сульфатостойкий портландцемент обладает повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией при замедленной интенсивности твердения в начальные сроки. Применяется для: цементирования эксплуатационных скважин ПВ с использованием кислотных растворителей металлов, образования предохранительных экранов с целью локализации рудных тел и небольших залежей, монтажа фундаментов для установки раствора подъемных насосов и оборудования устья эксплуатационных и вспомогательных скважин.

Сульфатостойкий портландцемент выпускают без добавок и с минеральными добавками – гранулирование доменные и электро термо фосфорные шлаки (10 – 20 %), активные добавки из осадочных пород. Получают этот цемент путем совместного помола: портландцементного клинкера с указанным выше составом, гипса, активных минеральных добавок, гранулированных доменных или электро термо фосфорных шлаков.

Кислотостойкий цемент Применяется кислотостойкий цемент для цементирования высоко-дебитных с большим сроком службы технологических скважин ПВ. Представляет собой смесь совместно или раздельно тонкоизмельченного : кварцевого песка и кремнефтористого натрия, которая при затворении водным раствором силиката натрия (жидкого стекла) образует кислотостойкий силикатный камень.

Состав по весу : 25-30% растворимого стекла, 70-75% порошкообразной смеси (кварцевый песок с кремнефтористым натрием). Окиси кремния в кислотостойком цементе должно содержаться не менее 92%.

Общие положения о применении тампонажных растворов При сооружении геотехнологических скважин наиболее широкое применение находят облегченные цементные растворы, а также термостойкие, низко гигроскопичные и др. Облегченные цементные растворы чаще всего используются при сооружении технологических скважин подземного выщелачивания урана, оборудованных пластмассовыми или другими неметаллическими трубами.

Облегченные тампонажные растворы обычно имеют плотность 1400–1600 кг/м 3, что позволяет снизить давление в затрубном пространстве и предотвратить смятие неметаллических эксплуатационных или обсадных колонн в процессе закачки цементного раствора. Облегченные растворы на базе применяемых цементов приготовляются с добавлением облегчающих компонентов в виде глины, пемзы, трепела, опоки и других добавок, содержащих SiO 2. Применение облегченных коррозионностойких тампонажных цементов позволяет качественно цементировать скважины со сложными геолого- техническими условиями, увеличить межремонтный период эксплуатации скважин.

Повышение сил сцепления цементного камня с поверхностью неметаллических труб. При применении пластмассовых и металлопластовых труб использование цементных растворов при сооружении технологических скважин не всегда обеспечивает надежную гидроизоляцию зон движения рабочих и продуктивных растворов вследствие недостаточного сцепления цементного камня с поверхностью труб. Механизм адгезии трубы рассматривается как взаимодействие между трубами и цементом и проявляется в виде молекулярных сил сцепления. Адгезия (от лат. adhaesio прилипание) сцепление поверхностей разнородных твёрдых и жидких тел лат.поверхностей

Установлено, что сцепление цементного камня с полиэтиленовыми трубами в среднем составляет 0,02– 0,09 МПа. При добавлении в цементный раствор 7–12 % извести или гипса сцепление увеличивается на 60–80 %. Росту сцепления цементного камня с поверхностью полиэтиленовых труб на 50–70 % способствует также увеличение ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента) с 2 до 8 суток. Другим направлением повышения адгезионной способности полимерных труб к цементным растворам является изменение физико-механических свойств поверхности труб с помощью механических, физических и химических методов.

Механические способы обработки полимерных труб Очистка поверхности труб щетками. Обработка труб пескоструйными аппаратами для придания им шероховатости. Так, увеличение удельного количества песчано- кварцевых частиц на поверхности трубы с 1 до 8 г/см 2 приводит к повышению сил сцепления цементного камня с поверхностью полиэтиленовой трубы почти в 2 раза.

Физические способы позволяют при обработке поверхности полиэтиленовых труб тлеющим или коронным электрическими разрядами изменить свойства обрабатываемой поверхности. Химическая подготовка поверхности труб производится с применением растворителей, например растворов марганцовистого калия, минеральных кислот и т. п. В этом случае прочность адгезионных связей может быть повышена в 1,5–2 раза.

Поверхности стеклопластиковых и бипластмассовых труб, полученные в результате специальной укладки стекловолокна на поверхностный слой труб при их изготовлении, обеспечивают хорошее сцепление цементного раствора с трубами за счет шероховатости даже без специальной обработки поверхности этих труб.

Способы цементирования геотехнологических скважин При сооружении технологических скважин для ПВ широкое применение нашли способы цементирования через заливочные трубы. Два варианта доставки тампонажных материалов в затрубное пространство скважины. При первом варианте цементирования заливочные трубы опускают в затрубное пространство цементируемой колонны, а при втором – внутрь обсадной или эксплуатационной колонны.

Схемы цементирования скважин с применением заливочных трубок а, б – путем спуска заливочных трубок в затрубное пространство обсадной колонны; в, г – путем спуска заливочных трубок в полость обсадной колонны 1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки; 4 – разобщающая манжета; 5 – пакер; 6 – обратный клапан; 7 – цементирующее устройство; 8 – диафрагма; 9 – центратор

Схема цементирования бесфильтровой скважины с применением заливочных трубок путем их спуска в затрубное пространство обсадной колонны (а) 1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки

Нижний конец заливочных труб опускают выше башмака колонны на 0,5–2 м и по ним в затрубное пространство закачивают цементный раствор в требуемом объеме. В качестве заливочных труб могут применяться бурильные трубы ниппельного соединения, насосно- компрессорные трубы или полиэтиленовые шланги. В связи с трудностью спуска в скважину полиэтиленовых шлангов предусматривается их крепление к обсадным или эксплуатационным трубам и одновременный спуск.

Для предупреждения перетекания цементного раствора в полость обсадной колонны и заполнения их внутренней полости глинистым раствором ее башмак оборудуется диафрагмой, изготовленной из чугуна, стекла и других материалов. При цементировании обсадных колонн из полимерных материалов с целью предупреждения смятия предусматривается полное заполнение их внутренней полости глинистым раствором с плотностью, близкой к плотности цементного раствора (до 1400 кг/м 3 ). По мере заполнения затрубного пространства цементным раствором заливочные трубы приподнимают.

Схема цементирования колонн, оборудованных в нижней части фильтром с применением заливочных трубок путем их спуска в затрубное пространство обсадной колонны (б) 1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки; 4 – разобщающая резиновая манжета

Предусматривается постановка разобщающей манжеты 4, закрепленной на колонне выше фильтра, которая предотвращает поступление тампонажных растворов в прифильтровую зону скважины. Манжета выполняется из эластичного материала, в основном из кислотостойкой резины и имеет форму усеченного конуса, широкая часть которого больше диаметра скважины на 20–50 мм. Для лучшей герметизации прифильтровой зоны скважины посадку манжеты обычно производят на уступ, образованный при переходе ствола скважины на уменьшенный диаметр.

Основные недостатки цементирования при размещении заливочных труб в затрубном пространстве (а и б) 1. Затруднено использование при цементировании глубоких скважин в связи с трудностью спуска заливочных труб; 2. Необходимость увеличения диаметра скважин для размещения заливочных труб в пространстве между стенкой скважины и обсадной колонной.

Пример: Для цементирования обсадной колонны из полиэтиленовых труб диаметром 110 мм и применения в качестве заливочного става бурильных труб диаметром 42 мм диаметр скважины должен быть не менее 190–214 мм. Это приводит к увеличению стоимости сооружения скважины.

3. При использовании в качестве заливочных труб бурильных, насосно-компрессорных и других металлических труб увеличивается вероятность повреждения цементируемых труб и их соединений, что приводит к аварийным ситуациям и выходу скважины из строя. 4. Невозможность оборудования цементируемой колонны центрирующими фонарями, скребками и другими приспособлениями вследствие того, что они являются препятствием для спуска заливочной колонны.

5. Не обеспечивается высокое качество цементирования в связи с неравномерным распределением цементного раствора за колонной, не исключается его смешивание с глинистым раствором.

Схема цементирования бесфильтровой колонны с применением заливочных трубок путем их спуска в полость обсадной колонны (в) 1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки; 5 – пакер; 6 – обратный клапан

При цементировании неметаллических обсадных колонн нижний конец заливочных трубок снабжается обратным клапаном 6 и пакером 5, устанавливаемым в зоне башмака обсадной колонны на расстоянии не более 0,5 м от низа с целью предупреждения заполнения полости колонны цементным раствором. После установки пакера в обсадную колонну до устья скважины заливают глинистый раствор с плотностью не ниже 1200 кг/м 3. После закачки цементного раствора и ОЗЦ пакер вместе с заливочной колонной извлекают из скважины. Высота цементного стакана в обсадной колонне при такой схеме цементирования не превышает 0,5 м и не затрудняет дальнейшего углубления скважины.

Схема цементирования неметаллических обсадных (эксплуатационных) колонн (г), оборудованных в нижней части фильтром (заливочные трубы внутри) 1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки; 4 – разобщающая манжета; 7 – цементирующее устройство; 8 – диафрагма; 9 – центратор

Для подачи тампонажных растворов в затрубное пространство скважины с неметаллической колонной используются специальные устройства для цементирования с резиновым клапаном 1 – корпус; 2 – разобщающая манжета; 3 – центратор; 4 – подвижная втулка; 5 – диафрагма; 6 – резиновый клапан; 7 – окна

Порядок работы Для подачи тампонажных растворов в затрубное пространство скважины используются специальные устройства. Устройство монтируется и опускается в скважину на обсадной колонне и содержит разобщающую манжету 2 с клапаном 6, центратор 3 с принудительным центрированием колонны и чугунную или стеклянную диафрагму 5 толщиной 2–5 мм. В колонне cделаны отверстия 7 диаметром 15–25 мм в один или два ряда, закрытые резиновыми клапанами с наружной части трубы, представляющими собой часть разобщающей манжеты.

Перед закачкой цементного раствора в полость колонны опускают заливочные трубки с таким расчетом, чтобы их нижний конец не доходил до диафрагмы на 0,5–1,5 м. Внутренняя полость обсадной колонны заполняется промывочной жидкостью, а верх колонны герметизируется. При закачке цементного раствора под действием давления диафрагма 5 толкает втулку 4, связанную с пружинами центратора 3, при этом происходит центрирование обсадной колонны в зоне размещения разобщающей манжеты 2. Через отверстия 7 в корпусе цементный раствор заполняет затрубное пространство обсадной колонны выше разобщающей манжеты.

Устройство для цементирования неметаллических колонн и гидроизоляции 1 – полый корпус; 2 – муфта; 3 – шаровой клапан; 4, 5 – окна для подачи цементного раствора; 6 – втулка; 7 – обсадная колонна; 8, 9 – поршни; 10 – плашки; 11 – резиновое кольцо; 12 – кольцевая проточка; 13 – резиновый клапан; 14 – пружина

Устройство содержит полый корпус 1, который вместе с втулкой 6, запрессованной в обсадной колонне 7, образует поршневую пару. Корпус удерживается на втулке при помощи плашек 10. Монтаж устройства производится на поверхности, после чего оно опускается в скважину вместе с обсадной (эксплуатационной) колонной. Устройство позволяет осуществить цементирование затрубного пространства обсадных колонн из неметаллических материалов при небольших затратах времени и расходе тампонажных материалов иполностью исключить попадание цементного раствора в прифильтровую зону скважины.

Цементный раствор поступает в затрубное пространство выше разобщающей манжеты или выше верхней границы гравийного слоя (при отсутствии манжеты) через окна 4 и 5, сделанные в корпусе, втулке и обсадной колонне. После окончания подачи цементного раствора заливочный став вместе с корпусом извлекают из обсадной колонны. При этом плашки 10 заходят в проточку 12, выполненную на корпусе, и не препятствуют подъему из скважины корпуса тампонажного узла через колонну полиэтиленовых труб. Подача цементного раствора производится по трубам, которые опускаются во внутреннюю полость обсадной колонны и соединяются с устройством при помощи переходника.

Цементирование неметаллических обсадных колонн можно производить и с помощью традиционных методов, например по схеме с двумя разделительными пробками Для этого с целью предохранения обсадной колонны от разрушения при движении пробок применяют дополнительную защитную металлическую колонну, опущенную внутрь цементируемой колонны

Цементирование неметаллических обсадных колонн по схеме с разделительными пробками 1 – ствол скважины; 2 – обсадная неметалллическая колонна; 3 – защитная металлическая колонна; 4 – центратор; 5 – цементировочная головка; 6 – верхняя разделительная пробка; 7 – продавочная жидкость; 8 – цементный раствор; 9 – диафрагма; 10 – нижняя пробка; 11 – глинистый раствор; 12– стоп–кольцо

Способы тампонирования 49 Пробки Нижняя Верхняя

Способы тампонирования 50 Схема цементировочной головки Верхняя пробка Нижняя пробка

Верх обеих колонн герметизируют, а пространство между ними заполняют глинистым раствором. Закачка цементного раствора производится через внутреннюю защитную колонну. После посадки нижней пробки на стоп-кольцо давлением раствора разрушается диафрагма, тампонажный раствор с помощью продавочной жидкости вытесняется за неметаллическую колонну. После ОЗЦ цементный стакан и разделительные пробки разбуривают, а защитную металлическую колонну извлекают из скважины. В дальнейшем осуществляют вскрытие продуктивного горизонта и оборудование скважины фильтровой колонной.

Тампонирование с двумя пробками

Технология гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов

Осуществляют гидроизоляцию по самым разнообразным схемам с применением различных материалов и способов. Одним из самых распространенных способов гидроизоляции рабочих и продуктивных растворов при отработке месторождений методом ПВ является способ с использованием кислотостойких резиновых манжет. Место установки манжеты соответствует переходу ствола скважины на уменьшенный диаметр бурения. Гидроизоляционный материал заливают в этом случае обычно поверх манжеты через заливочные трубки.

Гидроизоляция с помощью манжет требует небольших затрат средств и обеспечивает при качественной посадке манжеты достаточно высокую надежность перекрытия зон движения растворов. Основным недостатком гидроизоляции с использованием манжет является проникновение цементных растворов или других гидроизоляционных материалов под манжету, что приводит иногда к цементированию фильтров.

При применении конструкций скважин с гравийной обсыпкой гидроизоляционный материал заливается поверх гравийного слоя. В этом случае также не всегда обеспечивается надежная изоляция, так как возможны перетоки растворов вверх по стволу скважины и проникновение материала гидроизоляции в слой гравия.

Перетоки растворов по стволу скважины могут быть обусловлены двумя обстоятельствами: недостаточным сцеплением цементных и других растворов, используемых в качестве гидроизоляционного материала, с поверх- ностью полиэтиленовых труб и стенками скважины; разрушением материала гидроизоляции в результате длительного воздействия агрессивных выщелачивающих растворов и образованием в гидроизоляционном материале каналов, пор, по которым могут циркулировать выщелачивающие растворы.

После спуска эксплуатационной колонны с фильтром в прифильтровую зону скважины засыпают гравий. 1. Затем производят гидроизоляцию затрубного пространства с помощью гидравлического пакера, который позволяет разобщить зону продуктивного пласта от вышележащих пород. Схема гидроизоляции с помощью гидравлических пакеров 1 – цементное кольцо; 2 – тампонажный слой глины; 3 – глиноизвестковый раствор; 4 – полиэтиленовая колонна; 5 – (манжета–пакер); 6 – клапан; 7 – фильтр; 8 – отстойник; 9 – направляющий фонарь

2. Приведение пакера в рабочее состояние производят путем закачки воды в его полость через обратный клапан по бурильным трубам, опускаемым в эксплуатационную колонну. После разобщения зафильтрового пространства затрубное пространство поверх пакера заполняют гидроизоляционным материалом. Такая схема гидроизоляции позволяет применять одноколонные конструкции скважин и оборудовать их фильтрами с гравийной обсыпкой, что позволяет повысить производительность и срок службы технологических скважин.

В настоящее время при сооружении эксплуатационных скважин ПВ наиболее широкое применение в качестве гидроизоляционного материала получили различные тампонажные пасты, которые представлены специально обработанными глинистыми растворами с различными коагулирующими и твердофазными добавками. В скважине вода, входящая в состав пасты, отфильтровывается в пористые породы и песчано- гравийную обсыпку (при ее наличии), а твердеющая фаза, уплотняясь под действием гидростатического давления, превращается в вязкопластичную массу, обладающую некоторой упругостью.

Эта масса обеспечивает надежную гидроизоляцию прифильтровой зоны скважин и в то же время за счет высокой вязкости не проникает в песчано-гравийную обсыпку, а также не препятствует деформациям полиэтиленовой колонны, возникающим вследствие перепада температур, действия гидростатического и горного давлений. Недостатком при изоляции затрубного пространства указанными пастами является отсутствие жесткого кольца вокруг полиэтиленовых труб, компенсирующего горное давление и предотвращающего смятие колонны при резком понижении уровня раствора в колонне.

Гидроизоляционные материалы тампонажные гель-цементные пасты – специально обработанные глинистые растворы с различными коагулирующими и твердофазными добавками. Состав Параметры пасты Состав Количе– ство, %; Параметр Количество Глинистый раствор без соды 75Плотность, кг/м – 1220 Раствор полиакриламида, 2 %-ный 12,5Вязкость, с 25 – 30 Раствор жидкого стекла, 20 %-ный 12,5Водоотдача, см 3 /30 мин 20

Беструбное крепление технологических скважин В зависимости от геологических и гидрогеологических условий в современной практике бурения скважин для упрочнения стенок скважин используют следующие способы: в скальных карстовых, сильнотрещиноватых, трещиноватых и слаботрещиноватых породах –. цементацию;

в скальных тонкотрещиноватых и пористых, в рыхлых мелкобломочных и песчаных водоносных породах – смолизацию и силикатизацию; в крупнообломочных и гравийно- галечниковых водоносных породах – цементацию

Для кольматации трещин и снижения водопроницаемости горных пород, когда не требуется их укрепление применяют: в скальных кавернозных и трещиноватых породах – глинизацию и горячую битумизацию; в скальных тонкотрещиноватых породах – силикатизацию; в крупнообломочных и гравийно-галечниковых породах – глинизацию и горячую битумизацию; в рыхлых мелкообломочных и песчаных породах – силикатизацию.

Состав тампонажных растворов и способы закрепления пород при беструбном креплении скважин Состав выбирается с учетом условий: в процессе бурения скважин (температура, пластовое давление, очистные агенты и др.); эксплуатации (добыча, применяемые растворители, гидродинамические и температурные условия и др.); способа упрочнения и закрепления неустойчивых пород.

максимальной адгезионной способности к породам стенок скважин, а также наполнителю, и минимальной – к пакерным устройствам и другому оборудованию технологических скважин; способности отвердевать при различных температурах и давлениях, связывая при этом значительное количество воды; Тампонажные растворы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

хорошо растворяться в воде (кроме гидрофобных вяжущих), а после отвердения переходить в нерастворимое и необратимое состояние, характеризующееся водонепроницаемостью и устойчивостью против воздействия агрессивных сред; должны иметь регулируемые сроки схватывания в зависимости от условий применения; должны быть как можно менее токсичны, относительно дешевы и выпускаться промышленностью в массовом количестве.

Цементация Наиболее освоенным и распространенным как для закрепления горных пород, так и для кольматации трещин в скважинах получил способ цементации. Основные его преимущества заключаются в технологической простоте, удобстве применения, высокой надежности способа и наибольшей экономичности по сравнению с другими. Цементация осложненной зоны успешно применяется при тампонировании трещин с раскрытием более 0,1 мм и скорости фильтрации подземных вод по трещинам до 600 м/сут при любых гидростатических напорах.

Смолизация Этот способ применяют для укрепления стенок скважин и повышения водонепроницаемости мелкообломочных и песчаных, а также тонкотрещиноватых и пористых скальных пород. Суть способа заключается в нагнетании в трещины и поры растворов смол (в основных карбамидных) с последующим отверждением их растворами кислот. Горная порода приобретает достаточно высокую прочность порядка 2–4 МПа. Водные растворы карбамидных смол имеют низкую вязкость, близкую к вязкости воды, что обеспечивает высокую проникающую способность и позволяет закреплять водоносные пески с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут.

Силикатизация Силикатные растворы применяют как для упрочнения горных пород (преимущественно), так и для кольматации трещин в скальных породах с целью ликвидации поглощений промывочных жидкостей. В настоящее время развиваются два направления упрочнения горных пород – одно- и двухрастворная силикатизация. При сооружении геотехнологических скважин наиболее эффектен однорастворный способ силикатизации. Сущность способа заключается в нагнетании в скважину силикатного раствора с добавкой кислот (H 2 SO 4, H 3 PO 4 ) или смесей кислот и солей поливалентных металлов (например, H 2 SО 4 + Al 2 (SО 4 ) 3 ).

Эти растворы коагулируют очень медленно, они представлены маловязкой жидкостью, поэтому способны проникать в тонкие трещины и поры на значительную глубину. Однорастворную силикатизацию применяют для закрепления песчаных пород с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 2 м/сут. Этот способ нельзя использовать при наличии углекислотных подземных вод из- за их агрессии.

Рекомендуемые составы растворов при однорастворной силикатизации водоносных горных пород Рас- творы Компоненты Плотность, г/см 3 Объемное содержание в смеси (части) Время гелеобразо- вания, час 1Жидкое стекло Фосфорная кислота 1,190 1, –4 4–10 2Жидкое стекло Серная кислота Сернокислый алюминий 1,190 1,060 1,06 1,5–1,8 1,3 0,7 10–16

Глиноцементные растворы Глиноцементные растворы представляют собой полидисперсные системы, в которых дисперсной фазой является глина и цемент, а дисперсионной средой вода, затворенная с поверхностно-активными веществами (ПАВ). Все глиноцементные растворы образуют устойчивый в сульфатно-хлоридно-натриевых растворах камень и могут быть использованы при неметаллическом креплении добычных скважин. Свойства глиноцементных растворов регулируют введением в смесь различных добавок, первое место среди которых занимает известь в виде Са(ОН) 2 или СаО.

Глиноцементные растворы, содержащие 30 % и более цемента, способны длительное время увеличивать прочность камня, которая в данном случае зависит от количества глины в смеси. Аналогичная зависимость по прочности сохраняется и для трехкомпонентных смесей, содержащих кроме глины и цемента еще песок. Гиноцементные растворы в зависимости от соотношения компонентов (цемент, глина, песок) могут образовывать тампонажный камень с любой заданной прочностью, необходимой для крепления технологических скважин. Глиноцементные смеси должны иметь в своем составе не более 12,5 % коллоидной глинистой фракции и не менее 30 % песка.

Технология беструбного крепления скважин Закрепление горных пород производят путем создания на стенках скважины от устья до продуктивного горизонта прочного, изоляционного покрытия из отвердевшего материала.

Схема беструбного крепления технологических скважин, пройденных в устойчивых породах 1 – опалубочная колонна; 2 – кондуктор; 3 – затрубная цементация; 4 – переходник с левой резьбой; 5 – направляющие фонари; 6 – фильтр; 7 – отстойник; 8 – слои гравийной обсыпки; 9 – цементировочный узел; 10 – тампонажный раствор; 11 – облицовка из тампонажного камня

Технология формирования такого покрытия включает следующие основные операции: спуск в скважину колонны труб, состоящей из отстойника 7, фильтра 6, надфильтрового патрубка, а также опалубочной части колонны 1; оборудование прифильтровой зоны скважины гравийной обсыпкой 8 в случае применения гравийно- обсыпных фильтров; приготовление тампонажных растворов;

подачу тампонажного раствора 10 в заопалубочное пространство; отсоединение опалубочной колонны 1 от фильтровой ( через левое вращение от переходника 4) и периодическое вращение опалубочной колонны после начала схватывания смеси до полного ее затвердевания; извлечение опалубочной колонны 1; ультразвуковой контроль качества изоляционного покрытия.