1.1 Функции тампонажных смесей

В процессе бурения неустойчивых горных пород возникают различного рода геологические осложнения и связанные с ними аварии, вызывающие значительные затра­ты физического и умственного труда, времени, денежных и материальных средств.

Устойчивость горных пород в скважинах обусловлена главным образом геологическими особенностями горных массивов и технологией бурения. Нарушение устойчивости стенок скважин наблюдается в основном в породах со слабыми связями частиц, зернами и отдельными элементами: набухающих глинах, песках, дробленых породах

При нарушении естественных условий залегания: обнажении пород, насыщении пород водой, воздействии на них вибрации и ударов бурильной колонны указанные породы теряют свою устойчивость: обваливаются, осыпаются, набу­хают. Трещины, пустоты в горных породах приводят к поте­рям промывочной жидкости, самозаклиниванию керна в колонковой трубе, ухудшению качества опробования скважины.

Для возможности дальнейшего бурения скважин в этих породах требуются специальные работы по закреплению их стенок, их кольматации – тампонированию скважин. Тампонирование скважин производят тампонажными смесям.

Тампонажные смеси (от слова тампон - пробка, затычка) - это вяжущие системы, предназначенные для за­полнения трещин и пустот с основной целью закрепления неустойчивых, дробленых горных пород и предотвращения потерь промывочной жидкости при бурении скважин.

Помимо основного назначения закрепления стенок скважин и предотвращения потерь промывочной жидкости тампопажпые смеси должны выполнять следующие функции.

1. Изолировать пласты твердых полезных ископаемых от проникновения подземных и поверхностных вод, а также пласты жидких и газообразных полезных ископаемых друг от друга.

2. Ликвидировать водо-, газо- и нефтепроявления.

3. Закреплять обсадные трубу технической и эксплуа­тационной колонн.

4. Защищать обсадные трубы от коррозии, повышать их устойчивость к внешним и внутренним нагрузкам.

5. Закреплять стенки скважин от обрушений при их ликвидации.

6. Создавать водопроницаемые тампонажные завесы вокруг строящихся стволов шахт и метро.

Тампонажжные смеси – это структурированные дисперсные системы, в которых в качестве дисперсной фазы выступают гидрофильные тонкодисперсные частицы (структурообразователи), а в качестве дисперсной среды – вода (реже неполярные жидкости).

Под воздействием гидрофильной поверхностной энергии частиц, вокруг каждой из них образуется плотный гидратный (адсорбированный) слой с повышенной прочностью (гидраты). Совокупность таких гидратов и называется структурой тампонажной смеси.

Структурообразователи должны обладать высокой гидрофильностью (полярностью), для активного их взаимодействия с молекулами воды.

Гидрофильность структурообразователя определяют по наличию в частицах гидрофильных функциональных групп атомов с высокой электроотрицательностью отрицательно заряженных атомов (таких как O кислород с электроотрицательностью 3,5; азот с электроотрицательностью 3). Гидрофильность можно определить по формуле

где Э₁ – электроотрицательность отрицательно заряженных атомов, Э₂ – электроорицательность положительно заряженных атомов функциональной группы цементных частиц.

В качестве структурообразователей чаще всего используют цементы.