Načini in tehnologije cementiranja vrtin: kako pripraviti in vliti tamponažno mešanico

Po vrtanju vrtine v rahlih peščenih tleh nastopi faza, ki je namenjena utrjevanju cevi oplaščene kolone. Hkrati je treba zaščititi deblo pred poškodbami, agresivnim vplivom podtalnice, korozijo in drugimi negativnimi pojavi. Govorimo o procesu, imenovanem cementiranje vrtin.

Opraviti delo cementiranja samostojno je precej zahtevno, a mogoče, če imate znanje o tehnologijah izvedbe postopka. Povedali vam bomo, zakaj je treba izvesti cementiranje in na kaj morate biti pozorni pri izvedbi del. Za ponazoritev gradivo vsebuje tematske fotografije in videoposnetke.

Zakaj cementirati vrtino?

Cementiranje vrtine – je proces, ki sledi takoj po končanih vrtalnih delih. Postopek cementiranja obsega vnos cementne mešanice v medcevni ali medcevni prostor (v primeru, da je oplaščena cev nameščena v širšo polietilensko cev), ki sčasoma strdi in tvori monolitno deblo vrtine.

Cementna mešanica se v tem primeru imenuje “tamponažna”, sam proces pa “tamponiranje”. Kompleksen inženirski proces, imenovan tehnologija cementiranja vrtin, zahteva določeno znanje in posebno opremo.

V večini primerov je vodne vire mogoče tamponirati z lastnimi rokami, kar je veliko cenejše kot najemanje strokovnjakov.

Cementiranje vrtin je sklop ukrepov, namenjen utrjevanju medcevnega prostora in oplaščene kolone pred uničujočim bočnim pritiskom kamnin ter vplivom podtalnice.

Pravilno izvedeno tamponiranje vodnih vrtin prispeva k:

• zagotavljanju trdnosti konstrukcije vrtine;
• zaščiti vrtine pred podtalnico in površinsko vodo;
• utrjevanju oplaščene cevi in njeni zaščiti pred korozijo;
• povečanju življenjske dobe vodnega vira;
• odstranitvi velikih por, praznin, rež, skozi katere lahko v vodonosnik vdrejo neželeni delci;
• izpodrivanju vrtalne tekočine s cementno, če je bila prva uporabljena pri vrtanju.

Od tega, kako strokovno je izvedeno cementiranje, bo odvisna kakovost pridobljene vode in obratovalne značilnosti vrtine. Prav tako se cementiranje izvaja za vrtine, ki se likvidirajo in ne bodo več obratovale.

Faze cementiranja vodnega vira

Celoten postopek cementiranja je sestavljen iz več faz, od katerih ima vsaka svoje posebnosti:

1. Priprava tamponažne raztopine za zapolnitev obodnega prostora.
2. Dovod pripravljenega cementa do vrtine.
3. Črpanje tamponažne raztopine v obodni prostor.
4. Obdobje strjevanja cementne raztopine.
5. Preverjanje kakovosti cementiranja.

Vsaka faza zahteva uporabo določenih orodij in posebne opreme. Izračun potrebnih materialov je bolje opraviti pred začetkom tamponažnih del, saj mora postopek tamponiranja potekati neprekinjeno, in če vam na primer zmanjka cementne raztopine, bo to najbolj negativno vplivalo na kakovost cementiranja. Najpomembnejše faze bomo podrobneje obravnavali.

V redkih primerih vodonosne vrtine ne potrebujejo cementiranja; gre za vrtine, katerih celotna globina poteka skozi gosta glinena tla.

Faza št. 1 – priprava opreme

Vsa dela pri cementiranju vodonosnih vrtin morajo biti izvedena strogo v skladu s tehničnimi zahtevami, katerih kršitev bo povzročila nekakovostno cementiranje.

Ko začnete s tamponiranjem vrtine, morate vedeti, da je to nepovraten proces; po začetku dovajanja raztopine v obodni prostor vrtine ni mogoče ničesar popraviti, zato je treba pripravljalnim delom, in sicer pripravi raztopine za cementiranje in izbiri opreme, pristopiti z največjo odgovornostjo!

Najpreprostejši in najučinkovitejši način je najem opreme na platformi vozil. Takšen komplet lahko pripravi cementno raztopino in jo pod pritiskom prečrpa v vrtino, pri čemer je vir energije za delovanje opreme močan avtomobilski motor.

Če uporaba agregatov na osnovi posebnega vozila ni mogoča, potem boste potrebovali:

• mešalnik za pripravo cementne malte;
• visokotlačna črpalka, ki dovaja malto do vrtine;
• cementirna glava za črpanje malte v vrtino;
• zalivne čepe (število je odvisno od načina cementiranja);
• različno drobno orodje (cevi, merilne posode).

Kot cev mnogi strokovnjaki priporočajo namesto tradicionalnih cevi iz PE nizkega tlaka s premerom 32 cm uporabo gibke požarne cevi. Ta je ravna in odlično prehaja v medcevni prostor, kar zagotavlja učinkovito dovajanje malte.

Oprema za cementiranje vrtin ima velike dimenzije in zahteva tudi močan vir energije, na primer kompresor, generator, neprekinjen dostop do električnega omrežja.

Faza št. 2 – priprava mešanice

Cementna malta za cementiranje vrtine mora izpolnjevati vrsto zahtev in imeti:

• visoke adhezivne lastnosti s površinami katerega koli tipa;
• visoko trdnost po strjevanju, odpornost na mehanske obremenitve;
• plastičnost in dobro tekočnost, da zapolni vse razpoke in praznine;
• kemijsko nevtralnost do tamponiranih plasti tal;
• odpornost proti izpiranju s podtalnico;
• odsotnost krčenja pri strjevanju.

Prav tako mora imeti malta takšno konsistenco, da jo je mogoče brez težav dostaviti do vrtine in črpati. Malta se mora dobro izpirati z opreme, ne sme biti kemično agresivna do nje in imeti minimalni koeficient izgube pri transportu do vrtine.

Uporabljena cementna malta mora imeti dovolj tekočo strukturo za prečrpavanje s tlačno opremo in hkrati visoke trdnostne lastnosti.

Postopek priprave cementne malte za tamponiranje je sestavljen iz enakomernega mešanja komponent, ki so v njeni sestavi, z naknadnim vlivanjem vode, v kateri so predhodno raztopljeni posebni dodatki.

Najpreprostejše malte, ki jih lahko pripravite sami, so:

1. Portlandski cement + kremenčev pesek (1:1) + posebni dodatki in voda do doseganja zahtevane konsistence. Takšna malta ima nizko gostoto, njeno pripravo pa je zahtevno, ker pesek v sestavi pogosto usede in uporaba malte postane nemogoča.
2. Portlandski cement + barit (1,1:1) + posebni dodatki in voda. Slabost takšne malte – nizka trdnost.
3. Portlandski cement + polnilo. Kot polnilo se uporablja azbest (na peščenih tleh), vlaknasti materiali.

Za pripravo mešanice za cementiranje je najbolje uporabiti tamponažni portlandski cement, ki je vrsta cementa na osnovi silikatov.

Takšen cement je seveda dražji od običajnega portlandskega cementa, vendar so njegove trdnostne lastnosti precej višje. Barit – težek mineral, ki povečuje gostoto raztopine. Barit lahko kupite v gradbeni trgovini, ki prodaja sipke gradbene materiale.

Pod posebnimi dodatki, ki so del sestave cementirnih raztopin, razumemo različne snovi, ki raztopini dajejo posebne lastnosti.

Mednje spadajo:

• pospeševalci vezanja cementa (kalcijev klorid, kalcinirana soda, pepelika), ki se uporabljajo, če cementiranje poteka pri temperaturi pod +5 stopinj;
• zaviralci vezanja, ki se uporabljajo za preprečevanje hitrega strjevanja (kalcijevi ali natrijevi kloridi, natrijev nitrit itd.);
• plastifikatorji za doseganje optimalne viskoznosti (polimerni modifikatorji);
• zmrzovalno odporni dodatki (organosilicijeve spojine skupaj s plastifikatorji);
• vlagoprejemni dodatki (snovi, pridobljene iz spojin, ki spadajo v skupine sladkorne, limonine, vinske in tetraoksiadipinske kisline) itd.

Posebne dodatke zmešamo v vodi, ki jo nato uporabimo za pripravo tamponažne raztopine. Raztopino mešamo s posebnimi stroji – mešalniki. Včasih je dovoljeno ročno mešanje, vendar zahteva določeno spretnost in veliko dela.

Cementni kamen, ki nastane pri strjevanju portlandskega cementa, ima visoke trdnostne lastnosti, prenaša obremenitve, mehanske in fizikalne vplive.

Faza št. 3 – vlivanje mešanice v vrtino

Glavni načini cementiranja vrtin so:

• neprekinjeno ali enostopenjsko;
• dvostopenjsko;
• manšetno;
• obratno.

Vsi načini cementiranja vodnjakov temeljijo na enem principu – črpanju tamponažne raztopine v obročni prostor. Izbira tehnologije cementiranja je odvisna od specifičnih pogojev: vrste tal, globine vrtine, materiala zaščitnih cevi, podnebnih in hidrogeoloških razmer območja.

Izbrana tehnologija tamponiranja vodne vrtine mora zagotoviti:

• napolnitev celotnega profila vrtine z raztopino po celotni globini;
• popolnoma izpodriniti izplakovalno tekočino (če je prisotna);
• ustvariti visoko trden cementni kamen, odporen na fizikalne, mehanske in kemične vplive;
• visoko stopnjo adhezije s stenami tal vrtine in zaščitnimi cevmi.

Za globoke vrtine se uporablja segmentno cementiranje, tj. ne cementira se celoten profil vrtine naenkrat, ampak samo njegovi posamezni segmenti.

Ta postopek je zelo zapleten in praksa kaže, da ga je praktično nemogoče izvesti samostojno. Zato bomo podrobneje obravnavali tehnologijo enostopenjskega, dvostopenjskega in manšetnega cementiranja.

Enostopenjsko ali neprekinjeno cementiranje

Ta način se najpogosteje uporablja za cementiranje domačih vodonosnih vrtin. Pri njegovi izvedbi se cementirna malta črpa v obročni prostor.

Malta se črpa pod tlakom s pomočjo opreme, ki je nameščena na ploščadi posebnega vozila ali stacionarno blizu vrtine. Cementirna malta se pod lastno težo pomika proti dnu – “čevlju” ocevnine, pri čemer zapolnjuje vse obročne votline.

Dela enostopenjskega cementiranja se izvajajo v enem ciklu brez prekinitev, zato je treba poskrbeti za zadostno količino tesnilne malte.

Pred začetkom cementirnih del se izvede izpiranje vrtine, nato pa se vstavi spodnji čep, ki bo služil kot omejevalnik. Vklopi se betonska črpalka in začne se črpanje tesnilne malte, pod vplivom katere se čep spušča, dokler ne doseže “čevlja” ocevnine.

Po črpanju malte se namesti zgornji čep in začne se zbijanje cementne mešanice, dokler zgornji čep ne naleti na spodnjega. To bo pomenilo, da je malta zapolnila ves obročni prostor. Zbijanje se izvaja z vibracijsko stiskalnico z dodatnim črpanjem malte z betonsko črpalko.

Zacementirana vrtina se pusti mirovati 36–48 ur, da malta popolnoma strdi. Ta način je primeren le za plitve vrtine z enakomerno konfiguracijo. Pomanjkljivost te metode je, da ni mogoče spremljati trenutka, ko cementna malta doseže spodnjo točko vrtine.

Dvostopenjski sistem zalivanja

Ta metoda cementiranja je bila razvita za vrtine v naftni industriji. Ker zahteva uporabo resne industrijske opreme (močne betonske črpalke), se pri opremljanju vrtin ne uporablja pogosto. Dvostopenjsko cementiranje se uporablja v naslednjih primerih:

• cementna malta se strdi tako hitro, da cementiranja ni mogoče končati v enem ciklu;
• ko je treba ločiti dva dela obročnega prostora, ki sta ločena z veliko razdaljo;
• pri veliki globini vrtine, ko del ni mogoče izvesti v enem ciklu.

V drugih primerih uporaba dvostopenjskega načina ni smiselna zaradi trajanja postopka in ekonomskih kazalnikov.

Dvostopenjsko cementiranje je časovno bolj dolgotrajno, saj se druga faza začne po popolni strditvi cementne kaše prve stopnje.

Načelo dvostopenjskega cementiranja temelji na tem, da se črpanje cementa v obvodni prostor izvaja v dveh stopnjah.

Prva količina cementne kaše se vnese in potisne. Spusti se spodnji čep, ki se pod vplivom cementne kaše spusti na dno. Druga količina cementne kaše se črpa po 12–36 urah, po popolni strditvi prve količine.

V praksi globokega vrtanja arteških vrtin se ob prisotnosti absorpcijskih plasti v zgornjem delu geološkega profila in v drugih primerih uporablja dvostopenjsko cementiranje.

Uporaba manšetne metode.

Ta metoda cementiranja se uporablja, če je treba utrditi le zgornji del vrtine. Prvotna naloga je določitev nivoja, do katerega se bo izvajalo cementiranje.

Nivo se označi na ohišni cevi z namestitvijo posebne manšete. Spodnji del vrtine je s tem zanesljivo zaščiten z manšeto pred vdorom cementne kaše.

Cementna kaša se črpa popolnoma enako kot pri enostopenjskem cementiranju. Manšetna metoda se uporablja v primeru, da je zgornji del vrtine v peščenih tleh, spodnji del pa – v glinenih. To se pojavi precej redko, zato ta metoda ni našla široke uporabe.

Proces tvorbe cementnega kamna

Proces nastajanja cementnega kamna se začne takoj po črpanju cementne kaše in traja od 12 do 36 ur. Glavni dejavniki, ki vplivajo na trajanje strjevanja kaše do stanja cementnega kamna:

• lastnosti komponent, ki sestavljajo cementno kašo;
• tla, material ohišnih cevi;
• hidrogeološke in podnebne razmere na lokaciji;
• gostota črpanja, pravilnost izvedbe postopka cementiranja.

V obdobju strjevanja je treba vrtino pustiti v mirovanju. Prepovedano je uporabljati vrvi, lome in žice za ocenjevanje kakovosti cementiranja, saj lahko to poruši celovitost nastajajočega cementnega kamna.

Če ne veste, koliko časa je potrebno za popolno strditev cementne kaše, počakajte tri dni in nato opravite kontrolne meritve.

Ocena kakovosti cementiranja

Vredno je omeniti: čeprav je ocena kakovosti cementiranja vodonosnih vrtin zelo pomemben korak, je ni mogoče izvesti samostojno.

Za njeno izvedbo je potrebna posebna laboratorijska oprema, ki je zelo redka tudi pri organizacijah, ki se ukvarjajo z vrtanjem.

Če kljub vsemu želite oceniti opravljeno tamponiranje, lahko storitev nadzora kakovosti naročite na enega od treh načinov:

• akustični, ki temelji na potrkovanju sten ohišne kolone, s poznejšo obdelavo pridobljenih podatkov z računalniškimi programi;
• radiološki, pri katerem se meri s pomočjo radijskih naprav;
• termalni, ki temelji na principu merjenja sproščene toplote pri strjevanju cementne mešanice.

V “domačih” pogojih lahko uporabite poenostavljeno termalno metodo, tako da izmerite temperaturo ob stenah vrtine. Ko se ta izenači z okoliško temperaturo zraka in postane nižja za 0,5–1,5 stopinj, lahko govorimo o popolni strditvi. Vendar tudi po tem vam priporočamo, da počakate 2–3 dni in šele nato zaženete vrtino v obratovanje.

Po zaključku preverjanja se ustje vrtine očisti ostankov cementne mešanice s pomočjo želone. Nato se izvede preverjanje tesnosti, pri čemer se v cev vrtine črpa voda pod visokim pritiskom 30 minut. Merilo tesnosti bo padec tlaka za približno 0,3–0,5 MPa. Zdaj je vrtina popolnoma pripravljena za uporabo.

Tesnost tamponiranja povečuje izdatnost vrtine, podaljšuje življenjsko dobo ohišnih kolon, jih ščiti pred korozijo, prav tako pa tudi sam vodni vir.

Zaključki in koristen video na to temo

V spodaj predstavljenih videoposnetkih gre za vrtine v naftno-plinski industriji, vendar je princip tehnologije izvedbe del enak kot pri vodonosnih vrtinah.

Postopek enostopenjskega cementiranja vrtine:

Specifika izvedbe manšetnega cementiranja:

Tehnološke značilnosti dvostopenjskega cementiranja:

Cementiranje – je kompleksen postopek, ki zahteva uporabo specializirane opreme. Vendar to ne pomeni, da ga ni mogoče izvesti sami. Če izberete in pravilno pripravite tamponažno mešanico ter uporabite minimalen nabor agregatov, se lahko z delom povsem spopadete sami.

V vsakem primeru obratovanje vrtine brez utrditve stebla s cementom ne bo dolgo, stroški za vrtanje novega vodnega vira pa ne bodo nič manjši.

Če imate po preučitvi gradiva še vedno vprašanja o tem, kako pravilno cementirati vrtino po vrtanju, ali pa imate dragocena znanja o tem vprašanju, prosimo, pustite svoje komentarje v spodnjem razdelku.