Тампонажные смеси

Введение 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Зварыгин 
 
 
ТАМПОНАЖНЫЕ  
СМЕСИ 
 
Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным 
образовательным учреждением высшего профессионального 
образования «Национальный минерально-сырьевой университет “Горный”» в качестве учебного пособия для студентов специальности 130102.65 «Технология геологической разведки» 
специализации «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» (рег. № 2721 от 24.02.2014) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2014 

Тампонажные смеси 

2 

УДК 655.257.122(07) 
ББК 33.131.043я73 
        3-426 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Зварыгин, В. И. 
3-426          Тампонажные смеси : учеб. пособие / В. И. Зварыгин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 216 с. 
ISBN 978-5-7638-3004-0 
 
Приведены сведения о функциях, назначении и составе тампонажных 
смесей. Рассмотрены физические и химические свойства цементов. Изложена 
теория твердения цементных растворов. Описаны свойства тампонажных смесей, способы регулирования их параметров и приборы для измерения их качественных характеристик. Рассмотрены прочностные свойства тампонажного камня, свойства неорганических цементов и органических тампонажных смесей, 
предназначенных для тампонирования скважин в различных геологических условиях, а также технологии тампонирования и конструкции тампонажного оборудования. 
Предназначено для студентов специальности 130102.65 «Технология геологической разведки» специализации «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
        http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 655.257.122(07) 
ББК 33.131.043я73 
 
                                                                                                                    © Сибирский федеральный  
ISBN 978-5-7638-3004-0                                                                               университет, 2014 

 

Введение 

3 

 
ВВЕДЕНИЕ 

В процессе бурения неустойчивых горных пород возникают различ
ного 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 обра
зом геологическими особенностями горных пород и технологией бурения. 
Нарушение устойчивости стенок скважин наблюдается чаще всего в породах со слабыми связями между ее частицами, зернами и отдельными элементами: набухающих глинах, песках, дробленых породах. 

При нарушении естественных условий залегания, обнажения пород, 

насыщения пород, воздействия на них вибраций и ударов бурильной колонны указанные породы теряют устойчивость, обваливаются, осыпаются, 
набухают. Трещины, пустоты в горных породах приводят к потерям промывочной жидкости, самозаклиниваниям керна, ухудшению качества          
опробования скважин. 

Для возможности дальнейшего бурения скважин в этих породах тре
буются специальные работы по закреплению их стенок в неустойчивых 
породах или кольматации трещин в устойчивых скальных породах. 

В настоящее время для предупреждения и ликвидации осложнений           

в скважине используют разнообразные способы в зависимости от типа           
осложнения и горной породы. 

Все способы искусственного улучшения прочностных и водно
физических свойств горных пород можно разделить на три группы: стабилизацию, упрочнение и кольматацию осложненной зоны. 

Стабилизацию стенок скважин проводят в процессе бурения с помо
щью специальных буровых растворов. Упрочнение горных пород –               
во время ремонта скважин (в случае возникновения осложнений) тампонажными смесями или приложением физических полей (повышенной или 
пониженной температуры, пропусканием электрического тока). 

Среди способов упрочнения пород находят широкое применение 

следующие методы: цементирование, полимеризация, смолизация, битумизация, силикатизация и др. 

Упрочнение неустойчивых горных пород производят твердеющими 

чаще всего цементными тампонажными смесями. Эффект от упрочнения 
пород стенок скважин достигается при условии учета всех технических         
и технологических факторов. 

Тампонажные смеси 

4 

Кольматация трещин и пустот производится для предотвращения  

водопроявлений водоносных пластов и поглощений промывочных жидкостей при бурении скважин в трещиноватых скальных породах. Для 
кольматации трещиноватой зоны используют как вяжущие (твердеющие            
и нетвердеющие) материалы, так и различные наполнители. Требования          
к прочностным характеристикам таких материалов (тампонажной смеси) 
значительно ниже, чем к материалам (тампонажной смеси) для упрочнения 
неустойчивых горных пород. 

Правильный, грамотный выбор рецептур тампонажных смесей, соот
ветствующих горно-геологическим условиям, своевременное их использование позволяют снизить непроизводительные затраты труда, времени              
и средств, повысить производительность труда и своевременную сдачу  
месторождения в эксплуатацию. 

За основу для написания данного учебного пособия был принят дей
ствующий учебник Л. М. Ивачева «Промывочные жидкости и тампонажные смеси». В соответствии с совершенствованием производственных 
процессов и получением новых научных исследований внесены некоторые 
изменения и дополнения. Для повышения научно-практического кругозора 
студентов и вследствие необходимости разведки глубоких горизонтов,             
в учебное пособие добавлен ряд эффективных цементов и тампонажных 
смесей, применяющихся при бурении глубоких скважин на нефть и газ. 
Это 
труды 
различных 
производственных 
организаций 
и 
научно
исследовательских институтов, занимающихся бурением глубоких скважин. Это труды, в первую очередь, А. И. Булатова и В. С. Данюшевского.  

Г л а в а  1. Тампонажные смеси: общие сведения 

5 

 
Г л а в а 1 

ТАМПОНАЖНЫЕ СМЕСИ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1. Функции тампонажных смесей 

В процессе бурения неустойчивых горных пород возникают различ
ного 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 обра
зом 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 приводят к потерям промывочной жидкости, самозаклиниванию керна в колонковой трубе, ухудшению качества опробования скважины. 

Для возможности дальнейшего бурения скважин в этих породах тре
буются специальные работы по закреплению их стенок, их кольматации – 
тампонированию скважин. Тампонирование скважин производят тампонажными смесями. 
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 пре
дотвращения потерь промывочной жидкости тампопажпые смеси должны 
выполнять следующие функции. 

1. Изоляция пластов твердых полезных ископаемых от проникнове
ния подземных и поверхностных вод, а также пластов жидких и газообразных полезных ископаемых друг от друга. 

2. Ликвидация водо-, газо- и нефтепроявления. 
3. Закрепление обсадных труб технической и эксплуатационной колонн. 
4. Защита обсадных труб от коррозии, повышение их устойчивости             

к внешним и внутренним нагрузкам. 

Тампонажные смеси 

6 

5. Закрепление стенок скважин от обрушений при их ликвидации. 
6. Создание водонепроницаемых тампонажных завес вокруг строя
щихся стволов шахт и метро. 
Тампонажные 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 смесью. 
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  









3
Э
Э
2
1
n
Е
, 

где Э1 – электроотрицательность отрицательно заряженных атомов; Э2 – 
электроотрицательность положительно заряженных атомов функциональной группы цементных частиц. 
В качестве структурообразователей чаще всего используют цементы. 

1.2. Требования к тампонажным смесям 

Тампонажные смеси должны легко прокачиваться насосами и сохра
нять текучесть в течение времени, необходимого для закачивания смеси. 
После закачивания в скважину смеси должны быстро загустевать и твердеть, проникать в любые поры и трещины, но в то же время не растекаться, 
быть устойчивыми и стабильными, обладать хорошей сцепляемостью          
с горными породами и обсадными трубами, быть восприимчивыми к обработке при регулировании свойств смеси, не растворяться в пластовых       
водах, не растворять горные породы стенок скважин, быть термостойкими 
и стойкими к агрессии пластовых вод, при твердении не давать усадки, после твердения быть водонепроницаемыми, иметь небольшую чувствительность к перемешиванию, быть инертными по отношению к промывочным 
жидкостям, допускать комбинации с другими растворами, легко смываться 

Г л а в а  1. Тампонажные смеси: общие сведения 

7 

с технологического оборудования и инструмента, легко разбуриваться,              
не быть токсичными. 
Сырье для приготовления тампонажных смесей должно быть            
недефицитным и недорогим, не должно ухудшать свои свойства при 
хранении. 
Получить тампонажные смеси, удовлетворяющие всем требованиям, 
невозможно. При удовлетворении тех или иных требований необходимо 
следить за тем, чтобы соблюдались другие. 

1.3. Способы упрочнения, кольматации  

стенок скважин и тампонирования 

Наиболее распространенными способами упрочнения горных пород 

в скважинах являются цементация, силикатизация, а для кольматации трещиноватых зон, кроме того, глинизация и битумизация. 
В зависимости от геологических и гидрогеологических условий             
в современной практике бурения скважин для упрочнения стенок скважин 
используют следующие способы:  
● в скальных карстовых, сильнотрещиноватых, трещиноватых и слаботрещиноватых породах – цементацию; 
● в скальных тонкотрещиноватых и пористых водоносных породах – 
смолизацию и силикатизацию; 
● в крупнообломочных и гравийно-галечниковых водоносных породах – цементацию; 
● в рыхлых мелкообломочных и песчаных водоносных породах – 
смолизацию и силикатизацию. 
Для кольматации трещиноватых, но устойчивых пород с целью снижения водопроницаемости применяют: 
● в скальных кавернозных и трещиноватых породах – глинизацию                    
и горячую битумизацию; 
● в скальных тонкотрещиноватых породах – силикатизацию; 
● в крупнообломочных и гравийно-галечниковых породах – глинизацию и горячую битумизацию; 

● в рыхлых мелкообломочных и песчаных породах – силикатизацию. 
Наиболее освоенным и распространенным как для закрепления гор
ных пород, так и для кольматации трещин в скважинах получил способ 
цементации. Основные его преимущества заключаются в технологической 
простоте, удобстве применения и высокой надежности способа. Этот способ более экономичен по сравнению с другими. Цементация осложненной 
зоны успешно применяется при тампонировании трещин с раскрытием более 

Тампонажные смеси 

8 

0,1 мм и скорости фильтрации подземных вод по трещинам до 600 м/сут 
при любых гидростатических напорах. 

Способ смолизации применяют для укрепления стенок скважин                    

и повышения водонепроницаемости мелкообломочных и песчаных, а также тонкотрещиноватых и пористых скальных пород. 
Этот способ заключается в нагнетании в трещины и поры растворов 
смол (в основных карбамидных) с последующим отверждением их растворами кислот. Горная порода приобретает достаточно высокую прочность 
порядка 20–40 кгс/см2. 

 Водные растворы карбамидных смол имеют низкую вязкость, близкую 

к вязкости воды, что обеспечивает высокую проникающую способность и позволяет закреплять водоносные пески с коэффициентом фильтрации менее       
2 м/сут. Горные породы, закрепленные карбамидными смолами, имеют высокую стойкость в кислых средах с рН = 3–6 и в щелочных средах с рН = 8–13. 

Способ силикатизации применяют для укрепления и повышения 

водонепроницаемости скальных тонкотрещиноватых и пористых пород,             
а также рыхлых мелкообломочных, песчаных пород. Он заключается                 
в нагнетании в трещины и поры осложненной зоны одного или двух 
растворов. При однорастворной силикатизации производят нагнетание    
силиката натрия с добавкой фосфорной или кремнийфтористо- 
водородной кислоты. При двурастворной силикатизации производят              
поочередное нагнетание в трещины и поры породы растворов силиката  
натрия и хлористого кальция. Время гелеобразования (твердения) в зависимости от концентрации растворов от 1 до 16 часов. 
 

Двухрастворную силикатизацию применяют для закрепления песков 

с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут, а однорастворную – для закрепления песчаных пород-плывунов с коэффициентом фильтрации от 0,5 
до 2 м/сут. Этот способ нельзя использовать при наличии углекислотных 
подземных вод из-за их агрессии. 

Способ глинизации заключается в нагнетании в трещины и пустоты 

осложненной зоны глинистых или чаще глиноцементных суспензий с наполнителями и другими добавками, улучшающими свойства и ускоряющими их коагуляцию. Этот способ широко распространен при кольматации трещин в тех случаях, когда требуется только предотвратить потерю 
промывочной жидкости без крепления стенок скважин. 

Способ горячей битумизации дает хорошие результаты при коль
матации трещин и пор трещиноватых и гравийно-галечниковых пород для 
предотвращения потерь промывочной жидкости. При этом способе в поры 
и трещины через скважину нагнетают разогретый до 200 °С битум, доставленный в контейнерах. Для сохранения высокой температуры битума при 
нагревании используют специальные устройства для электроподогрева. 

Г л а в а  1. Тампонажные смеси: общие сведения 

9 

Способ можно рекомендовать при высоких скоростях фильтрации 

подземных вод (более 600 м/сут) и при высокой их агрессивности. 

Недостатки способа: большая усадка при остывании битума, способ
ность течь при длительном воздействии напорных подземных вод с давлением свыше 4 кгс/см2, трудность проникновения битума в мелкие трещины 
шириной менее 0,2 мм, сложность применяемого оборудования, трудность 
разбуривания битума, прилипаемость к инструменту. 

Помимо этого, в практике бурения для кольматации трещин приме
няют различные полимеры, скоагулированные электролитами, и ряд 
комбинаций перечисленных выше способов тампонирования. 

К способам упрочнения горных пород, основанных на влиянии физиче
ских полей, относят электрохимическое упрочнение, замораживание и обжиг. 

Электрохимическое упрочнение глинистых пород основано на ис
пользовании постоянного электрического тока, пропускаемого через эти 
породы и глиноцементные тампонажные смеси. При пропускании тока              
в тампонажной смеси происходят различные процессы: электролиз, электроосмос и другие. 

В результате коагуляции частиц и их кристаллизации образуется 

прочная масса. Способ тампонирования заключается в следующем.                
В скважину на бурильных трубах опускают колонковые трубы длиной,  
соответствующей мощности осложненной зоны. В затрубное пространство 
нагнетают тампонажную смесь. Производят электрообработку смеси. При 
этом трубы перемещают вверх и вниз на небольшое расстояние. Полярность электрода-трубы меняется через 15–20 мин; продолжительность          
элсктрообработки 1 ч. 

Термическое упрочнение горной породы производят в песках             

и глинистых породах за счет их плавления и спекания. Существует два 
способа термического упрочнения. Первый заключается в нагнетании               
в пористую породу горячего воздуха, нагретого до 600–900 °С в специальных агрегатах. При температуре 700–900 °С породы приобретают свойства 
кирпича. Радиус упрочнения вокруг скважины 1–1,5 м. Второй способ          
заключается в сжигании в скважине горючих материалов. Порода, упрочненная таким способом, в 2–3 раза повышает свою прочность. 

Плывуны можно упрочнять электроплавлением с помощью электро
нагревателя, спускаемого в скважину и создающего температуру в скважине через 10 мин до 2 500 °С. Прочность горной породы увеличивается 
до 430 кгс/см2. 

Замораживание применяют, когда водонасыщенным породам тре
буется создать временные прочность и водонепроницаемость. 

Сущность метода заключается в использовании охлажденного                

до –10(–20) °С агента – хладоносителя (неполярной жидкости, газа), кото