Methoden en technieken voor het cementeren van boorgaten: hoe tamponagevloeistof te bereiden en te injecteren

Na het boren van een boorgat in losse zandgronden begint een fase gericht op het versterken van de buizen van de casing. Tegelijkertijd moet het boorgat worden beschermd tegen schade, agressieve invloed van grondwater, corrosie en andere negatieve verschijnselen. Het gaat om een proces zoals het cementeren van boorgaten.

Het is vrij moeilijk om het cementeren zelf uit te voeren, maar het is mogelijk met kennis van de technieken. Wij vertellen u waarom cementeren nodig is en waar u op moet letten bij het uitvoeren van de werkzaamheden. Ter illustratie bevat het materiaal thematische foto's en video's.

Waarom een boorgat cementeren?

Cementeren van een boorgat – een proces dat onmiddellijk volgt op de boorwerkzaamheden. De cementeringsprocedure houdt in dat in de ringvormige ruimte of de tussenbuisruimte (als de casingbuis op zijn beurt in een bredere polyethyleen buis is geplaatst) cementvloeistof wordt geïnjecteerd, die na verloop van tijd uithardt en een monolithisch boorgat vormt.

Cementvloeistof wordt in dit geval “tamponagevloeistof” genoemd en het proces zelf “tamponeren”. Dit complexe ingenieursproces, aangeduid als de technologie van het cementeren van boorgaten, vereist specifieke kennis en speciale apparatuur.

In de meeste gevallen kunt u waterbronnen met de hand tamponeren, wat veel goedkoper is dan het inschakelen van specialisten.

Cementeren van boorgaten – een reeks maatregelen gericht op het versterken van de ringvormige ruimte en de casing tegen de destructieve zijdelingse druk van gesteenten en de invloed van grondwater.

Een correct uitgevoerde tamponage van waterboorgaten draagt bij aan:

• het waarborgen van de stevigheid van de boorgatconstructie;
• bescherming van het boorgat tegen grondwater en bovengronds water;
• versterking van de casingbuis en bescherming tegen corrosie;
• verlenging van de levensduur van de waterbron;
• verwijdering van grote poriën, holtes en spleten waardoor ongewenste deeltjes in de watervoerende laag kunnen terechtkomen;
• vervanging van boorvloeistof door cementvloeistof, indien de eerste tijdens het boren werd gebruikt.

De kwaliteit van het gewonnen water en de operationele eigenschappen van de put hangen af van hoe vakkundig het cementeren is uitgevoerd. Ook wordt cementeren uitgevoerd voor putten die buiten gebruik worden gesteld en niet meer zullen worden geëxploiteerd.

Fasen van het cementeren van een waterbron

Het gehele cementeringsproces bestaat uit verschillende fasen, elk met zijn eigen nuances:

1. Bereiding van plugmortel voor het vullen van de ringruimte.
2. Aanvoer van het bereide cement naar de put.
3. Injectie van plugmortel in de ringruimte.
4. Uithardingsperiode van de cementmortel.
5. Kwaliteitscontrole van het cementeren.

Elke fase vereist het gebruik van specifieke gereedschappen en speciale apparatuur. Het is beter om de benodigde materialen te berekenen voordat u met de plugwerkzaamheden begint, omdat het plugproces continu moet verlopen en als u bijvoorbeeld niet genoeg cementmortel heeft, zal dit een zeer negatief effect hebben op de kwaliteit van het cementeren. De belangrijkste fasen zullen wij in meer detail bekijken.

In zeldzame gevallen hebben waterputten geen cementering nodig; het gaat hier om putten waarvan de gehele diepte door dichte kleigronden loopt.

Fase 1 – voorbereiding van de apparatuur

Alle werkzaamheden aan het cementeren van waterputten moeten strikt worden uitgevoerd in overeenstemming met de technische eisen; overtreding daarvan zal leiden tot cementering van slechte kwaliteit.

Wanneer u begint met het pluggen van een put, moet u weten dat dit een onomkeerbaar proces is; het is onmogelijk om iets te corrigeren nadat de mortel in de ringruimte is gestart, dus u moet de voorbereidende werkzaamheden, namelijk de bereiding van de cementmortel en de keuze van apparatuur, met de grootste verantwoordelijkheid benaderen!

De eenvoudigste en meest effectieve manier – het huren van apparatuur op een voertuigplatform. Een dergelijk complex kan cementmortel bereiden en onder druk in de put pompen, waarbij de energiebron voor de werking van de apparatuur een krachtige automotor is.

Als het gebruik van aggregaten op basis van een speciaal voertuig niet mogelijk is, heeft u het volgende nodig:

• een mixer voor het bereiden van de cementspecie;
• een hogedrukpomp die de specie naar de boorput pompt;
• een cementeerkop voor het injecteren van de specie in de boorput;
• injectiepluggen (het aantal hangt af van de cementeermethode);
• diverse kleine benodigdheden (slangen, meetbekers).

Wat de slang betreft, adviseren veel specialisten om in plaats van traditionele HDPE-buizen met een diameter van 32 cm een flexibele brandweerslang te gebruiken. Deze is plat en past goed in de ringvormige ruimte, waardoor een efficiënte toevoer van specie mogelijk is.

Apparatuur voor het cementeren van boorputten heeft grote afmetingen en vereist een krachtige energiebron, zoals een compressor, generator, ononderbroken toegang tot het elektriciteitsnet.

Fase 2 – bereiding van de cementeringsvloeistof

De cementeringsspecie voor het cementeren van de boorput moet aan een reeks eisen voldoen en beschikken over:

• hoge hechtingseigenschappen met oppervlakken van elk type;
• hoge sterkte na uitharding, bestand tegen mechanische belasting;
• plasticiteit en goede vloeibaarheid om alle scheuren en holtes te vullen;
• chemische neutraliteit ten opzichte van de te cementeren grondlagen;
• bestendigheid tegen uitspoeling door grondwater;
• geen krimp bij het uitharden.

Ook moet de specie een zodanige consistentie hebben dat deze zonder problemen naar de boorput kan worden getransporteerd en geïnjecteerd. De specie moet goed van de apparatuur kunnen worden afgespoeld, er chemisch niet agressief tegenover zijn en een minimale verliesfactor hebben tijdens het transport naar de boorput.

De gebruikte cementeringsspecie moet een voldoende vloeibare structuur hebben om met injectieapparatuur te kunnen worden verpompt en tegelijkertijd hoge sterkte-eigenschappen hebben.

Het proces van het bereiden van de cementspecie voor cementering bestaat uit het gelijkmatig mengen van de bestanddelen, gevolgd door het toevoegen van water met daarin vooraf opgeloste speciale additieven.

De eenvoudigste specievarianten die u zelf kunt bereiden, zijn:

1. Portlandcement + kwartszand (1:1) + speciale additieven en water tot de gewenste consistentie is bereikt. Dergelijke specie heeft een lage dichtheid en de bereiding ervan is lastig, omdat het zand in de samenstelling vaak bezinkt, waardoor gebruik van de specie onmogelijk wordt.
2. Portlandcement + bariet (1,1:1) + speciale additieven en water. Het nadeel van dergelijke specie is de lage sterkte.
3. Portlandcement + vulmiddel. Als vulmiddel wordt asbest (op zandgronden) en vezelachtige materialen gebruikt.

Voor het bereiden van een cementeermengsel kunt u het beste gebruikmaken van Portlandcement voor afdichting, een type cement op basis van silicaten.

Dit cement is uiteraard duurder dan gewoon Portlandcement, maar de sterkte-eigenschappen zijn veel hoger dan die van gewoon cement. Bariet – een zwaar mineraal dat de dichtheid van de mortel verhoogt. Bariet kunt u aanschaffen bij een bouwmarkt die losse bouwmaterialen verkoopt.

Onder speciale additieven in cementeermengsels worden verschillende stoffen verstaan die de mortel bijzondere eigenschappen geven.

Hiertoe behoren:

• versnellers van de binding van cement (calciumchloride, gecalcineerde soda, kaliumcarbonaat), gebruikt wanneer het cementeren plaatsvindt bij temperaturen onder +5 graden;
• vertragers van de binding, gebruikt om snelle verharding te voorkomen (calcium- of natriumchloriden, natriumnitriet, enz.);
• weekmakers voor een optimale viscositeit (polymere modificatoren);
• vorstbestendige additieven (organosiliciumverbindingen samen met weekmakers);
• vochtabsorberende additieven (stoffen verkregen uit verbindingen die behoren tot de groepen van suiker-, citroen-, wijn- en tetraoxyadipinezuur) en andere.

Speciale additieven worden gemengd in water, dat vervolgens wordt gebruikt om het afdichtingsmengsel te bereiden. De mortel wordt gemengd met speciale machines – mixers. Soms is handmatig mengen toegestaan, maar dit vereist enige vaardigheid en veel arbeid.

Cementsteen, dat ontstaat bij het uitharden van Portlandcement, heeft hoge sterkte-eigenschappen en is bestand tegen belastingen, mechanische en fysieke invloeden

Fase 3 – injecteren van de vloeistof in het boorgat

De belangrijkste methoden voor het cementeren van boorgaten zijn:

• continue of enkeltraps;
• dubbeltraps;
• manchetcementering;
• omgekeerde.

Alle methoden voor het cementeren van waterwinningsputten zijn gebaseerd op één principe – het injecteren van afdichtingsmortel in de ringruimte. De keuze van de cementeertechnologie hangt af van de specifieke omstandigheden: het type grond, de diepte van het boorgat, het materiaal van de voeringen, de klimatologische en hydrogeologische omstandigheden van het gebied.

De gekozen technologie voor het afdichten van een waterput moet het volgende garanderen:

• het vullen van de gehele boorgatdoorsnede over de volledige diepte met mortel;
• het volledig verdringen van de spoelvloeistof (indien aanwezig);
• het creëren van een zeer sterke cementsteen die bestand is tegen fysische, mechanische en chemische invloeden;
• een hoge hechting met de grondwanden van het boorgat en de voeringsbuizen.

Voor diepe boorgaten wordt segmentale cementering toegepast, d.w.z. niet de gehele boorgatdoorsnede wordt in één keer gecementeerd, maar alleen afzonderlijke segmenten.

Dit proces is zeer complex en de praktijk leert dat het vrijwel onmogelijk is om het zelf uit te voeren. Daarom bekijkt u de technologie van één- en tweetrapscementeren en manchetcementeren in detail.

Eentraps- of doorlopend cementeren

Deze methode wordt het vaakst gebruikt voor het cementeren van huishoudelijke waterwinningsputten. Bij de uitvoering ervan wordt het cementeermiddel in de ringvormige ruimte geïnjecteerd.

Onder druk wordt het mengsel geïnjecteerd met behulp van apparatuur die op het platform van een speciale auto is gemonteerd of permanent in de buurt van de put staat. Het cementeermiddel beweegt door zijn eigen zwaartekracht naar de “schoen” van de bekledingsbuis en vult alle ringvormige holtes.

De werkzaamheden voor eentrapscementeren worden in één cyclus zonder onderbrekingen uitgevoerd, dus u moet zorgen voor voldoende cementeermiddel.

Voor aanvang van het cementeringswerk wordt een putspoeling uitgevoerd en vervolgens wordt de onderste plug ingebracht, die als begrenzer zal dienen. De betonpomp wordt ingeschakeld en het injecteren van het grout begint, waardoor de plug zakt totdat deze de “schoen” van de bekledingsbuis bereikt.

Na het injecteren van het mengsel wordt de bovenste plug geplaatst en begint de verdichting van het cementmengsel, totdat de bovenste plug tegen de onderste plug aanligt. Dit betekent dat het mengsel de gehele ringvormige ruimte heeft gevuld. De verdichting gebeurt met een trilpers door het mengsel met de betonpomp verder aan te persen.

De gecementeerde put wordt 36-48 uur met rust gelaten om het mengsel volledig te laten uitharden. Deze methode is alleen geschikt voor ondiepe putten met een regelmatige configuratie. Het nadeel van deze methode is dat het niet mogelijk is om het moment te detecteren waarop het cementmengsel het laagste punt van de putmond heeft bereikt.

Tweetrapssysteem voor injectie

Deze cementeermethode is ontwikkeld voor putten in de olie-industrie. Omdat het gebruik van zware industriële apparatuur (een krachtige betonpomp) vereist, wordt het niet vaak toegepast bij het aanleggen van putten. Tweetrapscementeren wordt in de volgende gevallen gebruikt:

• het cementmengsel hardt zo snel uit dat het cementeren niet in één cyclus kan worden afgerond;
• wanneer twee secties in de ringvormige ruimte moeten worden onderscheiden die door een aanzienlijke afstand zijn gescheiden;
• bij een grote putdiepte, wanneer het onmogelijk is om het werk in één cyclus uit te voeren.

In andere gevallen is het gebruik van de tweetrapsmethode niet zinvol vanwege de duur van het proces en de economische aspecten.

Tweefasige cementering duurt langer, omdat de tweede fase begint nadat de eerste fase van de stopoplossing volledig is uitgehard.

Het principe van tweefasige cementering is gebaseerd op het feit dat het cement in twee stappen in de ringvormige ruimte wordt gepompt.

De eerste portie stopoplossing wordt geladen en verplaatst. De onderste plug wordt neergelaten, die onder invloed van de oplossing naar de bodem zakt. De tweede portie oplossing wordt na 12-36 uur gepompt, na het volledig uitharden van de eerste portie.

In de praktijk van diep boren van artesische putten wordt tweefasige cementering toegepast wanneer er in het bovenste deel van het geologische profiel absorberende lagen zijn en in andere gevallen.

Toepassing van de manchetmethode.

Deze cementeringsmethode wordt gebruikt als alleen het bovenste deel van de put versterkt moet worden. De eerste taak is het bepalen van het niveau tot waar cementeren plaatsvindt.

Het niveau wordt op de mantelbuis gemarkeerd door het plaatsen van een speciale manchet. Het onderste deel van het traject wordt daarbij betrouwbaar beschermd door de manchet tegen binnendringen van stopoplossing.

De oplossing wordt op dezelfde manier gepompt als bij eenfasige cementering. De manchetmethode wordt toegepast als het bovenste deel van de put in zandgrond ligt en het onderste deel in kleigrond. Dit komt vrij zelden voor, dus deze methode heeft geen brede toepassing gevonden.

Het proces van vorming van cementsteen

Het proces van vorming van cementsteen begint direct na het pompen van de stopoplossing en duurt 12 tot 36 uur. De belangrijkste factoren die de duur van het uitharden van de oplossing tot cementsteen beïnvloeden:

• de eigenschappen van de componenten in de oplossing;
• de bodem, het materiaal van de mantelbuizen;
• de hydrogeologische en klimatologische omstandigheden op de locatie;
• de pompdichtheid, de juistheid van het uitvoeren van het tamponeringsproces.

Tijdens de uithardingsperiode moet de put in rust blijven. Het is verboden om kabels, koevoeten, draad te gebruiken om de kwaliteit van de cementering te beoordelen, omdat dit de integriteit van de zich vormende cementsteen kan verstoren.

Als u niet weet hoeveel tijd nodig is voor volledige binding van de cementeringsoplossing, wacht dan drie dagen en begin met controlemetingen.

Beoordeling van de cementeringskwaliteit

Het is vermeldenswaard: hoewel de beoordeling van de kwaliteit van cementering van waterputten een zeer belangrijke stap is, is het niet mogelijk deze zelf uit te voeren.

Voor de uitvoering ervan is speciale laboratoriumapparatuur nodig, die zelfs bij organisaties die zich met boren bezighouden zeer zelden voorkomt.

Als u toch van plan bent om de uitgevoerde tamponering te beoordelen, kunt u de kwaliteitscontrole op een van de volgende drie manieren bestellen:

• akoestisch, gebaseerd op het bekloppen van de wanden van de mantelbuis, gevolgd door verwerking van de verkregen gegevens met computerprogramma's;
• radiologisch, waarbij meting met behulp van radioapparaten;
• thermisch, gebaseerd op het principe van het meten van de vrijkomende warmte bij het uitharden van de cementmortel.

In “huiselijke” omstandigheden kunt u de vereenvoudigde thermische methode gebruiken door de temperatuur bij de wanden van de put te meten. Wanneer deze gelijk wordt aan de omgevingstemperatuur en 0,5-1,5 graden lager wordt, dan kan men spreken van volledige uitharding. Echter, zelfs daarna wordt aanbevolen om 2-3 dagen te wachten en pas dan de put in gebruik te nemen.

Na het voltooien van de controle wordt de putmond gereinigd van cementresten met behulp van een bailer. Vervolgens wordt een dichtheidstest uitgevoerd, waarvoor gedurende 30 minuten water onder hoge druk in de putbuis wordt geïnjecteerd. Het criterium voor dichtheid is een daling van de druk met ongeveer 0,3-0,5 MPa. Nu is de put volledig klaar voor gebruik.

De dichtheid van de tamponering verhoogt het debiet van de put, verlengt de levensduur van de mantelbuizen door ze te beschermen tegen corrosie, en ook van de waterbron zelf.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

In de onderstaande videoclips gaat het over putten in de olie- en gasindustrie, maar het principe van de werktechnologie is hetzelfde als voor waterputten.

Procedure voor cementeren in één fase van de put:

Specificiteit van het uitvoeren van manchetcementeren:

Technologische kenmerken van tweetrapscementeren:

Cementeren – is een complex proces dat gespecialiseerde apparatuur vereist. Dit betekent echter niet dat het onmogelijk is om het zelf uit te voeren. Door de juiste tamponeermortel te kiezen en correct te bereiden, en met een minimale set apparatuur, kunt u het werk heel goed zelf klaren.

Hoe dan ook zal de exploitatie van de put zonder versterking van de boorput met cement niet lang duren, en de kosten voor het boren van een nieuwe waterbron zullen niet minder zijn.

Als u na het bestuderen van het materiaal nog vragen heeft over hoe u de put na het boren correct kunt cementeren, of als u waardevolle kennis over dit onderwerp heeft, laat dan uw opmerkingen achter in het onderstaande blok.