Sposoby i technologie cementowania studni: jak przygotować i wlać zaczyn tamponujący

Po wierceniu studni w luźnych glebach piaszczystych następuje etap mający na celu wzmocnienie rur kolumny okładzinowej. Jednocześnie należy chronić pień przed uszkodzeniami, agresywnym działaniem wód gruntowych, korozją i innymi negatywnymi zjawiskami. Mowa o procesie zwanym cementowaniem studni.

Samodzielne wykonanie prac cementacyjnych jest dość trudne, ale możliwe, jeśli posiada się wiedzę na temat technologii przeprowadzania tego zabiegu. Opowiemy Państwu, po co należy przeprowadzać cementowanie i na co zwrócić uwagę podczas wykonywania prac. Dla przejrzystości materiał zawiera tematyczne zdjęcia i filmy.

Po co cementować studnię?

Cementowanie studni – proces, który następuje bezpośrednio po zakończeniu wiercenia. Procedura cementowania polega na wprowadzeniu do przestrzeni za rurą lub między rurami (w przypadku gdy rura okładzinowa jest umieszczona w szerszej rurze polietylenowej) zaczynu cementowego, który z czasem twardnieje, tworząc monolityczny pień studni.

Zaczyn cementowy w tym przypadku nazywa się “tamponujący”, a sam proces “tamponowaniem”. Skomplikowany proces inżynieryjny, zwany technologią cementowania studni, wymaga określonej wiedzy i specjalistycznego sprzętu.

W większości przypadków źródła wody można tamponować własnymi rękami, co jest znacznie tańsze niż zatrudnianie specjalistów.

Cementowanie studni – zespół działań mających na celu wzmocnienie przestrzeni za rurą i kolumny okładzinowej przed niszczącym ciśnieniem bocznym skał i działaniem wód gruntowych

Prawidłowo wykonane tamponowanie studni na wodę sprzyja:

• zapewnieniu wytrzymałości konstrukcji studni;
• ochronie studni przed wodami gruntowymi i powierzchniowymi;
• wzmocnieniu rury okładzinowej i ochronie jej przed korozją;
• zwiększeniu okresu eksploatacji źródła wody;
• usunięciu dużych porów, pustek, szczelin, przez które do warstwy wodonośnej mogą przedostać się niepożądane cząstki;
• wypchnięciu płuczki wiertniczej przez zaczyn cementowy, jeśli pierwsza była używana podczas wiercenia.

Od tego, jak prawidłowo przeprowadzono cementowanie, będzie zależeć jakość wydobywanej wody oraz parametry eksploatacyjne studni. Cementowanie wykonuje się również dla likwidowanych studni, które nie będą już więcej eksploatowane.

Etapy cementowania źródła wody

Cały proces cementowania składa się z kilku etapów, z których każdy ma swoje niuanse:

1. Przygotowanie zaczynu tamponującego do wypełnienia przestrzeni za rurami.
2. Dostarczenie przygotowanego cementu do studni.
3. Pompowanie zaczynu tamponującego do przestrzeni za rurami.
4. Okres wiązania zaczynu cementowego.
5. Kontrola jakości cementowania.

Każdy etap wymaga użycia określonych narzędzi i specjalistycznego sprzętu. Obliczenia niezbędnych materiałów najlepiej wykonać przed rozpoczęciem prac tamponujących, ponieważ proces tamponowania musi przebiegać nieprzerwanie, a jeśli na przykład zabraknie zaczynu cementowego, to najbardziej negatywnie wpłynie to na jakość cementowania. Najważniejsze etapy omówimy bardziej szczegółowo.

W rzadkich przypadkach studnie wodonośne nie wymagają cementowania, chodzi o studnie, których cała głębokość przebiega w zwartych gruntach gliniastych.

Etap nr 1 – przygotowanie sprzętu

Wszystkie prace związane z cementowaniem studni wodonośnych muszą być wykonywane ściśle zgodnie z wymaganiami technicznymi, których naruszenie doprowadzi do niskiej jakości cementowania.

Rozpoczynając tamponowanie studni, warto wiedzieć, że jest to proces nieodwracalny, po rozpoczęciu podawania zaczynu do przestrzeni za rurami nie można niczego poprawić, dlatego do prac przygotowawczych, a mianowicie do przygotowania zaczynu do cementowania i doboru sprzętu, należy podejść z najwyższą odpowiedzialnością!

Najprostszym i najbardziej efektywnym sposobem jest wynajem sprzętu na platformie sprzętu samochodowego. Taki zestaw może przygotować zaczyn cementowy i pod ciśnieniem przepompować go do studni, przy czym źródłem energii do pracy sprzętu jest mocny silnik samochodowy.

Jeśli użycie agregatów na bazie specjalnego pojazdu jest niemożliwe, to będą Państwo potrzebować:

• mikser do przygotowania zaprawy cementowej;
• pompa wysokiego ciśnienia, która pompuje zaprawę do odwiertu;
• głowica cementacyjna do wtłaczania zaprawy do wnętrza odwiertu;
• korki zalewowe (liczba zależy od metody cementowania);
• różne drobne akcesoria (węże, pojemniki miarowe).

Jako węża wielu specjalistów zaleca zamiast tradycyjnych rur HDPE o średnicy 32 cm używać elastycznego węża strażackiego. Jest on płaski i doskonale przechodzi w przestrzeń międzyrurową, zapewniając efektywne podawanie zaprawy.

Urządzenia do cementowania odwiertów mają duże rozmiary i wymagają wydajnego źródła energii, na przykład kompresora, generatora, nieprzerwanego dostępu do sieci elektrycznej.

Etap nr 2 – przygotowanie zaczynu

Zaprawa cementująca do cementowania odwiertu musi spełniać szereg wymagań i charakteryzować się:

• wysokimi właściwościami adhezyjnymi względem powierzchni dowolnego typu;
• wysoką wytrzymałością po stwardnieniu, odpornością na oddziaływania mechaniczne;
• plastycznością i dobrą płynnością, aby wypełnić wszystkie szczeliny i pustki;
• neutralnością chemiczną względem cementowanych warstw gruntu;
• odpornością na wymywanie przez wody gruntowe;
• brakiem skurczu podczas twardnienia.

Ponadto zaprawa powinna mieć taką konsystencję, aby można ją było bez problemu transportować do odwiertu i zatłaczać. Zaprawa musi dobrze spływać z urządzeń, nie być wobec nich chemicznie agresywna i mieć minimalny współczynnik strat podczas transportu do odwiertu.

Stosowana zaprawa cementująca musi mieć wystarczająco płynną strukturę do przepompowywania przez urządzenia tłoczące, a jednocześnie charakteryzować się wysokimi parametrami wytrzymałościowymi

Proces przygotowania zaprawy cementowej do cementowania polega na równomiernym wymieszaniu składników wchodzących w jej skład, a następnie zalaniu ich wodą, z wcześniej rozpuszczonymi w niej specjalnymi dodatkami.

Najprostszymi zaprawami, które można przygotować samodzielnie, są:

1. Cement portlandzki + piasek kwarcowy (1:1) + specjalne dodatki i woda do uzyskania wymaganej konsystencji. Taka zaprawa ma niską gęstość, a jej przygotowanie jest skomplikowane, ponieważ piasek wchodzący w skład często wytrąca się i użycie zaprawy staje się niemożliwe.
2. Cement portlandzki + baryt (1,1:1) + specjalne dodatki i woda. Wadą tej zaprawy – niska wytrzymałość.
3. Cement portlandzki + wypełniacz. Jako wypełniacz stosuje się azbest (na gruntach piaszczystych), materiały włókniste.

Do przygotowania mieszanki cementującej najlepiej zastosować cement portlandzki do tamponażu, który jest rodzajem cementu na bazie krzemianów.

Taki cement jest oczywiście droższy niż zwykły cement portlandzki, jednak jego właściwości wytrzymałościowe są znacznie lepsze niż zwykłego. Baryt – ciężki minerał, zwiększający gęstość zaczynu. Baryt można nabyć w sklepie budowlanym sprzedającym sypkie materiały budowlane.

Przez specjalne dodatki wchodzące w skład roztworów cementujących rozumie się różne substancje nadające roztworowi szczególne właściwości.

Do nich należą:

• przyspieszacze wiązania cementu (chlorek wapnia, soda kalcynowana, potaż), stosowane, gdy cementowanie odbywa się w temperaturze poniżej +5 stopni;
• opóźniacze wiązania, stosowane w celu zapobieżenia szybkiemu twardnieniu (są to chlorki wapnia lub sodu, azotyn sodu i inne);
• plastyfikatory do uzyskania optymalnej lepkości (modyfikatory polimerowe);
• dodatki mrozoodporne (związki krzemoorganiczne w połączeniu z plastyfikatorami);
• dodatki pochłaniające wilgoć (substancje otrzymywane ze związków należących do grup kwasów: cukrowego, cytrynowego, winowego i tetraoksyadypinowego) i inne.

Specjalne dodatki miesza się z wodą, którą następnie stosuje się do przygotowania zaczynu tamponażowego. Zaczyn miesza się za pomocą specjalnych maszyn – mikserów. Czasami dopuszcza się ręczne mieszanie, ale wymaga ono pewnej wprawy i dużego nakładu pracy.

Kamień cementowy powstający podczas twardnienia cementu portlandzkiego charakteryzuje się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi, wytrzymuje obciążenia, oddziaływanie mechaniczne i fizyczne

Etap nr 3 – wlewanie zaczynu do studni

Głównymi metodami cementowania odwiertów są:

• ciągłe lub jednostopniowe;
• dwustopniowe;
• mankietowe;
• odwrotne.

Wszystkie metody cementowania odwiertów ujęciowych wody opierają się na jednej zasadzie – zatłaczaniu zaczynu tamponażowego do przestrzeni pierścieniowej. Wybór technologii cementowania zależy od konkretnych warunków: rodzaju gruntu, głębokości odwiertu, materiału rur osłonowych oraz klimatycznych i hydrogeologicznych warunków terenu.

Wybrana technologia tamponażu odwiertu wodnego powinna zapewnić:

• wypełnienie roztworem całego przekroju odwiertu na całą głębokość;
• całkowite wyparcie płuczki wiertniczej (jeśli jest obecna);
• utworzenie wysokowytrzymałego kamienia cementowego, odpornego na oddziaływania fizyczne, mechaniczne i chemiczne;
• wysoki wskaźnik adhezji ze ścianami gruntowymi odwiertu oraz rurami osłonowymi.

W przypadku głębokich odwiertów stosuje się cementowanie segmentowe, tj. cementowany jest nie cały odwiert od razu, a tylko jego poszczególne segmenty.

Ten proces jest bardzo skomplikowany, a praktyka pokazuje, że wykonanie go samodzielnie jest praktycznie niemożliwe. Dlatego szczegółowo omówimy technologię cementowania jedno- i dwustopniowego oraz mankietowego.

Cementowanie jednostopniowe lub ciągłe

Ta metoda jest najczęściej stosowana do cementowania domowych studni wodnych. Podczas jej realizacji zaczyn cementowy jest pompowany do przestrzeni pierścieniowej.

Zaczyn jest pompowany pod ciśnieniem za pomocą sprzętu zamontowanego na platformie specjalnego pojazdu lub stacjonarnie w pobliżu odwiertu. Zaczyn cementowy pod własnym ciężarem przemieszcza się do podstawy – „trzewika” kolumny okładzinowej, wypełniając wszystkie przestrzenie pierścieniowe.

Prace przy cementowaniu jednostopniowym wykonuje się w jednym cyklu bez przerw, dlatego należy zadbać o wystarczającą ilość zaczynu cementowego.

Przed rozpoczęciem prac cementacyjnych przeprowadza się płukanie odwiertu, a następnie wprowadza się dolny korek, który będzie pełnił rolę ogranicznika. Uruchamia się pompę betonową i rozpoczyna się pompowanie zaczynu cementowego, pod wpływem którego korek opada, aż dotrze do „trzewika” kolumny okładzinowej.

Po pompowaniu zaczynu instaluje się górny korek i rozpoczyna się zagęszczanie mieszanki cementowej, aż górny korek oprze się o dolny. Będzie to oznaczać, że zaczyn wypełnił całą przestrzeń pierścieniową. Zagęszczanie odbywa się za pomocą prasy wibracyjnej przy dopompowywaniu zaczynu pompą betonową.

Zacementowany odwiert pozostawia się w spokoju na 36-48 godzin do całkowitego stwardnienia zaczynu. Ta metoda nadaje się tylko do płytkich, równych pod względem konfiguracji odwiertów. Wadą tej metody jest niemożność śledzenia momentu, gdy zaczyn cementowy osiągnął dolny punkt odwiertu.

Dwustopniowy system zalewania

Ta metoda cementowania została opracowana dla odwiertów w przemyśle naftowym. Ze względu na to, że wymaga użycia poważnego sprzętu przemysłowego (potężnej pompy betonowej), w budowie studni nie jest często stosowana. Cementowanie dwustopniowe stosuje się w następujących przypadkach:

• zaczyn cementowy wiąże się tak szybko, że nie można zakończyć cementowania w jednym cyklu;
• gdy wymagane jest wydzielenie dwóch odcinków w przestrzeni pierścieniowej, które są oddzielone znaczną odległością;
• przy dużej głębokości odwiertu, gdy niemożliwe jest przeprowadzenie prac w jednym cyklu.

W pozostałych przypadkach zastosowanie metody dwustopniowej jest niecelowe ze względu na czas procesu i wskaźniki ekonomiczne.

Dwustopniowe cementowanie trwa dłużej, ponieważ drugi etap rozpoczyna się po całkowitym stwardnieniu zaczynu cementowego pierwszego stopnia.

Zasada dwustopniowego cementowania polega na tym, że wtłaczanie cementu do przestrzeni pierścieniowej odbywa się w dwóch etapach.

Pierwsza porcja zaczynu cementowego jest wprowadzana i przepychana. Opuszczana jest dolna korek, która pod działaniem roztworu opada na dno. Druga porcja roztworu jest wtłaczana po 12–36 godzinach, po całkowitym stwardnieniu pierwszej porcji.

W praktyce głębokiego wiercenia studni artezyjskich, przy występowaniu w górnej części profilu geologicznego warstw chłonnych oraz w innych przypadkach, stosuje się cementowanie dwustopniowe.

Zastosowanie metody mankietowej

Ta metoda cementowania jest stosowana, jeśli konieczne jest wzmocnienie tylko górnej części otworu. Początkowym zadaniem będzie określenie poziomu, do którego będzie wykonywane cementowanie.

Poziom jest zaznaczany na rurze okładzinowej poprzez zamontowanie specjalnego mankietu. Dolna część trasy otworu jest przy tym bezpiecznie chroniona mankietem przed wnikaniem roztworu uszczelniającego.

Roztwór jest wtłaczany dokładnie tak samo, jak przy cementowaniu jednostopniowym. Metodę mankietową stosuje się w przypadku, gdy górna część otworu znajduje się w gruntach piaszczystych, a dolna – w gliniastych. Występuje to dość rzadko, dlatego ta metoda nie znalazła szerokiego zastosowania.

Proces tworzenia się kamienia cementowego

Proces tworzenia się kamienia cementowego rozpoczyna się natychmiast po wtłoczeniu roztworu uszczelniającego i trwa od 12 do 36 godzin. Główne czynniki wpływające na czas twardnienia roztworu do stanu kamienia cementowego:

• właściwości składników wchodzących w skład roztworu;
• grunty, materiał kolumn okładzinowych;
• warunki hydrogeologiczne i klimatyczne na terenie;
• gęstość wtłaczania, poprawność przeprowadzania procesu uszczelniania.

W okresie twardnienia należy pozostawić otwór w stanie spoczynku. Zabrania się używania lin, łomów, drutu do oceny jakości cementowania, ponieważ może to naruszyć integralność tworzącego się kamienia cementowego.

Jeżeli Pan/Pani nie wie, ile czasu potrzeba na całkowite związanie zaczynu cementowego, proszę odczekać trzy doby i przystąpić do pomiarów kontrolnych.

Ocena jakości cementowania

Warto zaznaczyć: mimo że ocena jakości cementowania otworów wodonośnych jest bardzo ważnym etapem, przeprowadzenie jej samodzielnie jest niemożliwe.

Do jej przeprowadzenia wymagane jest specjalne wyposażenie laboratoryjne, które bardzo rzadko występuje nawet u organizacji zajmujących się wierceniem.

Jeśli Państwo nadal zamierzają dokonać oceny przeprowadzonego cementowania, mogą Państwo zamówić usługę kontroli jakości na jeden z trzech sposobów:

• akustyczny, oparty na opukiwaniu ścian kolumny osłonowej, z późniejszym przetwarzaniem uzyskanych danych za pomocą programów komputerowych;
• radiologiczny, gdy pomiar odbywa się za pomocą urządzeń radiowych;
• termiczny, oparty na zasadzie pomiaru ciepła wydzielanego podczas wiązania zaczynu cementowego.

W warunkach “domowych” mogą Państwo zastosować uproszczoną metodę termiczną, mierząc temperaturę przy ścianach odwiertu. Gdy zrówna się ona z otaczającą temperaturą powietrza i stanie się niższa o 0,5-1,5 stopnia, wtedy można mówić o całkowitym stwardnieniu. Jednak nawet po tym zaleca się odczekać 2-3 dni i dopiero wtedy uruchomić odwiert.

Po zakończeniu kontroli wylot odwiertu jest oczyszczany z pozostałości zaczynu cementowego za pomocą łyżki wiertniczej. Następnie przeprowadza się próbę szczelności, w tym celu do rury odwiertu wtłacza się wodę pod wysokim ciśnieniem przez 30 minut. Kryterium szczelności będzie spadek ciśnienia o około 0,3-0,5 MPa. Teraz odwiert jest całkowicie gotowy do użytku.

Szczelność cementowania zwiększa wydatek odwiertu, wydłuża żywotność kolumn osłonowych, chroniąc je przed korozją, a także samo źródło wody.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

W poniższych filmikach mowa jest o odwiertach w przemyśle naftowym i gazowym, ale zasada technologii wykonywania prac jest taka sama jak dla odwiertów wodnych.

Procedura jednostopniowego cementowania odwiertu:

Specyfika wykonywania cementowania mankietowego:

Cechy technologiczne cementowania dwustopniowego:

Cementowanie – skomplikowany proces, wymagający zastosowania specjalistycznego sprzętu. Nie oznacza to jednak, że nie można go przeprowadzić samodzielnie. Wybierając i odpowiednio przygotowując zaczyn cementowy, używając minimalnego zestawu agregatów, można poradzić sobie z pracą samemu.

W każdym razie eksploatacja odwiertu bez wzmocnienia pnia cementem nie będzie długa, a koszty wiercenia nowego źródła wody będą nie mniejsze.

Jeśli po zapoznaniu się z materiałem mają Państwo pytania dotyczące prawidłowego cementowania odwiertu po wierceniu, lub posiadają cenne informacje na ten temat, prosimy o pozostawienie komentarzy w zamieszczonym poniżej bloku.