Metoder och tekniker för brunnscementering: hur man förbereder och häller pluggbruk

Efter borrning av en brunn i lösa sandjordar kommer ett steg som syftar till att förstärka foderrören. Samtidigt bör man skydda borrhålet från skador, aggressiv påverkan av grundvatten, korrosion och andra negativa fenomen. Det handlar om en process som kallas brunnscementering.

Att utföra cementeringsarbetet på egen hand är ganska svårt, men möjligt, om man har kunskap om teknikerna. Vi berättar för dig varför cementering behövs och vad du bör vara uppmärksam på när du utför arbetet. För tydlighetens skull innehåller materialet tematiska foton och videor.

Varför cementera en brunn?

Brunnscementering – en process som följer omedelbart efter avslutade borrarbeten. Cementeringsproceduren består i att cementbruk förs in i ringrummet eller mellanrummet mellan rören (om foderröret i sin tur är placerat i ett bredare polyetenrör), som med tiden hårdnar och bildar en monolitisk brunnsstam.

Cementbruket kallas i detta fall “pluggbruk” och själva processen “pluggning”. Den komplexa ingenjörsprocessen, som kallas teknik för brunnscementering, kräver viss kunskap och specialutrustning.

I de flesta fall kan vattenkällor pluggas med egna händer, vilket är mycket billigare än att anlita specialister.

Brunnscementering – en uppsättning åtgärder som syftar till att förstärka ringrummet och foderrören mot destruktivt sidotryck från bergarter och påverkan från grundvatten

Korrekt utförd pluggning av vattenbrunnar bidrar till:

• säkerställa brunnskonstruktionens hållfasthet;
• skydda brunnen från grund- och ytvatten;
• förstärka foderröret och skydda det från korrosion;
• öka vattenkällans livslängd;
• eliminera stora porer, hålrum, spalter genom vilka oönskade partiklar kan komma in i akvifären;
• ersätta borrslam med cementbruk, om det förra användes vid borrning.

Kvaliteten på det utvunna vattnet och brunnens prestanda beror på hur kompetent cementeringen utförs. Cementering utförs även för brunnar som tas ur drift och inte längre kommer att användas.

Steg för cementering av vattenkällan

Hela cementeringsprocessen består av flera steg, som var och en har sina nyanser:

1. Beredning av bruk för att fylla ringutrymmet.
2. Transport av det förberedda cementet till brunnen.
3. Inpumpning av bruket i ringutrymmet.
4. Härdningsperiod för cementbruket.
5. Kvalitetskontroll av cementeringen.

Varje steg kräver användning av specifika verktyg och specialutrustning. Det är bäst att beräkna nödvändiga material innan pluggningsarbetet påbörjas, eftersom pluggningsprocessen måste vara kontinuerlig och om du till exempel saknar cementbruk kommer det att påverka cementeringskvaliteten mycket negativt. Vi kommer att titta närmare på de viktigaste stegen.

I sällsynta fall behöver vattenbrunnar inte cementeras; det handlar om brunnar vars hela djup går genom täta lerjordar.

Steg 1 – förberedelse av utrustning

Allt cementeringsarbete för vattenbrunnar måste utföras strikt i enlighet med tekniska krav; överträdelse av dessa kommer att leda till cementering av dålig kvalitet.

När du påbörjar pluggning av en brunn bör du veta att det är en irreversibel process; inget kan rättas till efter att pumpningen av bruket i ringutrymmet har påbörjats. Därför måste förberedelsearbetet, särskilt beredningen av cementbruket och val av utrustning, hanteras med största noggrannhet!

Det enklaste och mest effektiva sättet – är att hyra utrustning på en fordonsplattform. En sådan enhet kan bereda cementbruk och pumpa det under tryck in i brunnen, med en kraftfull bilmotor som strömkälla.

Om användning av aggregat på specialfordon inte är möjlig, behöver du:

• blandare för beredning av cementbruk;
• högtryckspump som pumpar bruket till brunnen;
• cementeringshuvud för injicering av bruket i brunnen;
• fyllningsproppar (antalet beror på cementeringsmetoden);
• diverse småredskap (slangar, mätkärl).

Som slang rekommenderar många experter att använda flexibel brandslang istället för traditionella PND-rör med diameter 32 cm. Den är platt och passerar utmärkt i ringutrymmet, vilket ger effektiv tillförsel av bruk.

Utrustning för cementering av brunnar har stora dimensioner och kräver en kraftfull energikälla, till exempel en kompressor, generator, oavbruten tillgång till elnätet.

Steg 2 – beredning av bruk

Cementbruk för brunnscementering måste uppfylla en rad krav och ha:

• höga vidhäftningsegenskaper mot alla typer av ytor;
• hög hållfasthet efter stelning, motståndskraft mot mekanisk påverkan;
• plasticitet och god flytbarhet för att fylla alla sprickor och håligheter;
• kemisk neutralitet gentemot de tätade marklagren;
• motståndskraft mot urspolning av grundvatten;
• ingen krympning vid härdning.

Bruket måste också ha en sådan konsistens att det kan transporteras till brunnen och pumpas in utan problem. Bruket ska lätt kunna sköljas av från utrustningen, inte vara kemiskt aggressivt mot den och ha minimal förlustfaktor vid transport till brunnen.

Det använda cementbruket måste ha en tillräckligt flytande struktur för att kunna pumpas med tryckutrustning och samtidigt ha höga hållfasthetsegenskaper.

Processen för beredning av cementbruk för tätning består i att jämnt blanda komponenterna som ingår i det, följt av tillsats av vatten med speciella tillsatser som tidigare lösts i vattnet.

De enklaste bruken som du kan förbereda själv är:

1. Portlandcement + kvartssand (1:1) + specialtillsatser och vatten tills önskad konsistens uppnås. Ett sådant bruk har låg densitet, och dess beredning är komplicerad eftersom sanden i blandningen ofta sedimenterar och bruket blir oanvändbart.
2. Portlandcement + baryt (1,1:1) + specialtillsatser och vatten. Nackdelen med ett sådant bruk – låg hållfasthet.
3. Portlandcement + fyllnadsmaterial. Som fyllnadsmaterial används asbest (på sandjordar), fibermaterial.

För att förbereda cementeringsblandningen är det bäst att använda cementeringsportlandcement, som är en typ av cement baserad på silikater.

Sådan cement är naturligtvis dyrare än vanlig portlandcement, men dess hållfasthetsegenskaper är mycket högre än hos vanlig. Barit – en tung mineral som ökar lösningens densitet. Barit kan köpas i en byggbutik som säljer lösa byggmaterial.

Med speciella tillsatser som ingår i cementeringslösningar avses olika ämnen som ger lösningen särskilda egenskaper.

Till dem hör:

• acceleratorer för härdning av cement (kalciumklorid, kalcinerad soda, pottaska), som används om cementering sker vid temperaturer under +5 grader;
• fördröjare för härdning, som används för att förhindra snabb stelnande (det är kalcium- eller natriumklorider, natriumnitrit mm.);
• mjukgörare för att uppnå optimal viskositet (polymera modifierare);
• frostbeständiga tillsatser (kiselorganiska föreningar tillsammans med mjukgörare);
• fuktabsorberande tillsatser (ämnen som framställs från föreningar som tillhör grupperna socker-, citron-, vinsyra och tetraoxiadipinsyra) mm.

Speciella tillsatser blandas i vatten, som sedan används för att förbereda cementeringslösningen. Lösningen blandas med hjälp av speciella maskiner – blandare. Ibland tillåts manuell blandning, men det kräver viss skicklighet och stora arbetsinsatser.

Cementstenen som bildas när portlandcementet stelnar har höga hållfasthetsegenskaper, den tål belastningar, mekanisk och fysisk påverkan

Steg 3 – hällning av bruk i brunnen

De huvudsakliga metoderna för cementering av brunnar är:

• kontinuerlig eller enstegs;
• tvåstegs;
• manschett;
• omvänd.

Alla metoder för cementering av vattenintagsbrunnar bygger på en princip – injicering av cementeringslösning i ringutrymmet. Valet av cementeringsteknik beror på specifika förhållanden: jordtyp, brunnsdjup, material i foderrör, klimatiska och hydrogeologiska förhållanden på platsen.

Den valda tekniken för cementering av vattenbrunnen ska säkerställa:

• fyllning av hela brunnens sträcka med lösning till fullt djup;
• helt tränga undan spolvätskan (om sådan finns);
• skapa en högstark cementsten som är motståndskraftig mot fysiska, mekaniska och kemiska påverkningar;
• hög vidhäftning med brunnens jordväggar och foderrör.

För djupa brunnar används segmentvis cementering, dvs. inte hela brunnens sträcka cementeras på en gång, utan endast enskilda segment.

Denna process är mycket komplex och erfarenheten visar att det är praktiskt taget omöjligt att utföra den på egen hand. Därför ska vi titta närmare på tekniken för enstegs-, tvåstegs- och manschettcementering.

Enstegs- eller kontinuitetscementering

Denna metod används oftast för cementering av hushållsvattenbrunnar. Vid utförandet pumpas cementvätskan in i ringrummet.

Vätskan pumpas under tryck med hjälp av utrustning som är monterad på ett specialfordons plattform eller stationärt nära brunnen. Cementvätskan rör sig under sin egen tyngd mot basen – “foderörsskon” på foderröret – och fyller alla ringutrymmen.

Arbetet med enstegscementering utförs i en cykel utan avbrott, därför måste man se till att ha tillräcklig mängd cementbruk.

Innan cementeringsarbetet påbörjas utförs spolning av brunnen, och därefter införs den nedre pluggen som fungerar som stopp. Betongpumpen startas och injekteringen av cementbruk påbörjas, under vilken pluggen sjunker tills den når “foderörsskon” på foderröret.

Efter injekteringen sätts den övre pluggen på plats och packningen av cementblandningen påbörjas tills den övre pluggen möter den nedre. Detta innebär att vätskan har fyllt hela ringrummet. Packningen utförs med en vibrationspress genom att pumpa mer vätska med betongpumpen.

Den cementerade brunnen lämnas i vila i 36-48 timmar för fullständig härdning av vätskan. Denna metod är endast lämplig för grunda brunnar med jämn konfiguration. Nackdelen med denna metod är att det inte går att övervaka när cementvätskan har nått brunnens bottenpunkt.

Tvåstegssystem för injektering

Denna cementeringsmetod utvecklades för brunnar inom petroleumindustrin. Eftersom den kräver användning av tung industriell utrustning (en kraftig betongpump), används den sällan vid brunnskonstruktion. Tvåstegscementering används i följande fall:

• cementvätskan härdar så snabbt att cementeringen inte kan slutföras i en cykel;
• när två sektioner i ringrummet behöver isoleras och de är åtskilda av ett betydande avstånd;
• vid stort brunnsdjup, när arbetet inte kan utföras i en cykel.

I övriga fall är det inte motiverat att använda tvåstegsmetoden på grund av processens längd och ekonomiska faktorer.

Tvåstegscementering är mer tidskrävande eftersom det andra steget påbörjas efter att första stegets cementbruk har härdat helt.

Principen för tvåstegscementering bygger på att cementet pumpas in i ringutrymmet i två omgångar.

Den första satsen cementbruk laddas och trycks ut. En bottenplugg sänks, som under tryck från bruket sjunker till botten. Den andra satsen pumpas in efter 12–36 timmar, när den första satsen har härdat helt.

Vid djupborrning av artesiska brunnar, när det finns absorberande lager i den övre delen av den geologiska profilen, och i andra fall, används tvåstegscementering.

Användning av manschettmetoden

Denna cementeringsmetod används om endast den övre delen av brunnen behöver förstärkas. Den första uppgiften är då att bestämma nivån upp till vilken cementeringen ska utföras.

Nivån markeras på foderröret med en speciell manschett. Den nedre delen av brunnen är då skyddad av manschetten från att cementbruk tränger in.

Bruket pumpas in på samma sätt som vid enstegscementering. Manschettmetoden används om den övre delen av brunnen ligger i sandjordar och den nedre delen i leriordar. Detta är ganska ovanligt, så metoden har inte fått någon bred användning.

Processen för bildning av cementsten

Processen för bildning av cementsten börjar omedelbart efter att cementbruk har pumpats in och varar mellan 12 och 36 timmar. De viktigaste faktorerna som påverkar tiden för bruket att härda till cementsten är:

• egenskaperna hos de komponenter som ingår i bruket;
• jordar, material i foderrören;
• hydrogeologiska och klimatiska förhållanden på platsen;
• pumpningens densitet, korrekt utförande av injekteringsprocessen.

Under härdningsperioden måste brunnen lämnas i stillhet. Det är förbjudet att använda vajrar, kofötter eller tråd för att bedöma cementeringskvaliteten, eftersom det kan skada den bildande cementstenens integritet.

Om du inte vet hur lång tid som behövs för att cementbruket ska härda helt, vänta tre dygn och börja med kontrollmätningar.

Bedömning av cementeringskvalitet

Det är värt att notera: trots att bedömning av cementeringskvaliteten för vattenförande brunnar är ett mycket viktigt steg, är det omöjligt att utföra den på egen hand.

För att genomföra den krävs speciell laboratorieutrustning, som är mycket sällsynt även bland organisationer som sysslar med borrning.

Om du ändå tänker utvärdera den utförda tätningen, kan du beställa kvalitetskontrolltjänsten på ett av tre sätt:

• akustisk, baserad på att knacka på foderrörets väggar, med efterföljande bearbetning av insamlade data med datorprogram;
• radiologisk, när mätning görs med radioutrustning;
• termisk, baserad på principen att mäta värmen som avges när cementbruket stelnar.

Under “hemma”-förhållanden kan du använda den förenklade termiska metoden genom att mäta temperaturen vid borrhålsväggarna. När den blir lika med omgivande lufttemperatur och blir 0,5–1,5 grader lägre, kan man tala om fullständig härdning. Men även efter det rekommenderas det att vänta 2–3 dagar och först därefter ta brunnen i drift.

Efter kontrollens slutförande rengörs borrhålsmynningen från cementbruksrester med hjälp av en slamkopp. Därefter utförs en täthetskontroll, där vatten pumpas in i borrhålsröret under högt tryck i 30 minuter. Kriteriet för täthet är en tryckminskning på cirka 0,3–0,5 MPa. Nu är brunnen helt klar för användning.

Tät tätning ökar brunnens flöde, förlänger livslängden på foderrören genom att skydda dem mot korrosion, och även själva vattenkällan

Slutsatser och användbar video om ämnet

I videoklippen nedan handlar det om brunnar inom olje- och gasindustrin, men principen för arbetstekniken är densamma som för vattenförande brunnar.

Procedur för enstegscementering av brunnen:

Specifikation för utförande av manschettcementering:

Tekniska egenskaper för tvåstegscementering:

Cementering – är en komplex process som kräver användning av specialiserad utrustning. Det betyder dock inte att det är omöjligt att utföra den själv. Genom att välja och förbereda tätningsbruket på rätt sätt, med en minimal uppsättning aggregat, kan man mycket väl klara arbetet på egen hand.

I vilket fall som helst kommer driften av en brunn utan att förstärka schaktet med cement inte att vara långvarig, och kostnaderna för att borra en ny vattenkälla kommer att vara inte mindre.

Om du efter att ha studerat materialet fortfarande har frågor om hur man korrekt cementerar en brunn efter borrning, eller om du besitter värdefull kunskap i ämnet, vänligen lämna dina kommentarer i blocket nedan.