§ 2. Геолого-техническне условия бурения скважин

Горные породы, имеющие достаточно сложный состав и строение, обладают большим количеством свойств, которые оказывают влияние на процессы бурения скважин и определяют поведение пород при их разрушении, формировании керна и ствола скважины. Это, прежде всего, механические свойства, которые определяют характер поведения твердых тел при воздействии на них силового поля, т. е. в процессе деформации того или иного вида. Ряд свойств проявляется и при воздействии на горные породы среды, в частности, воды, содержащейся в земной коре или поступающей в скважину при бурении.

Формирование свойств пород связано, главным образом, с физико-геологическими процессами — условиями их образования (генезиса) и преобразования (диагенеза) на протяжении всей истории развития земной коры (тектонические и вулканические процессы, выветривание и др.). В этих процессах большая роль принадлежит действию физических полей: силовых (давление, растяжение), температурных (тепло — холод) и вещественных полей или среды (жидкость, газ, пар), в которых происходило формирование той или иной породы. Все свойства горных пород определяются целым рядом геологических признаков, к числу которых относятся минералогический состав, структура, текстура пород, и зависят от свойств породообразующих минералов, их размера и формы, а также от свойств минерального вещества, образующего цемент, или силы сцепления между зернами и, наконец, от физического состояния породы — плотности, пористости, трещиноватости. Характеристика и числовые значения свойств горных пород приводятся в специальной литературе и справочниках.

Из всего многообразия свойств горных пород на процессы бурения существенное влияние оказывают свойства, определяющие состояние пород (геолого-структурные), а также механические и водно-коллоидные свойства, определяющие поведение пород при их обнажении и разрушении в процессе формирования ствола скважины. В этом процессе на породу воздействует целый ряд факторов, вызывающих их разрушение, потерю устойчивости и другие отрицательные явления (табл. 7.1).

По устойчивости все породы, встречающиеся при проведении буровых работ, могут быть разделены на четыре группы (табл. 7.2). К первой группе относятся рыхлые несвязные породы (пески, гравий, галечник и пр.). Бурение по валунно-галечниковым зонам или пескам, насыщенным водой, обычно сопровождается одновременным креплением стенок скважин обсадными трубами. Бу-

Таблица 7.1. Факторы, вызывающие неблагоприятное поведение пород при бурении скважин

Факторы, воздействующие на породу при бурении скважин

Возникающие осложнения

Обнажение массива, с чем связано нарушение напряженного состояния пород и равновесия сил горного давления в прилегающей к стволу скважины зоне Действие на породы в стенках скважины механических нагрузок, возникающих при спуске, подъеме и вращении бурильных труб Действие на керн механических нагрузок, возникающих при вращении колонкового снаряда Действие жидкости на породы в стенках скважины и на керн

Обрушение массива. Вываливание отдельных кусков или глыб горных пород. Выпучивание горных пород Обрушение массива. Вываливание отдельных кусков пород из стенок скважины. Разработка ствола скважины н приобретение неправильной формы в поперечном сечении, образование желобов, искривление скважйн Самопроизвольное заклинивание керна в колонковом снаряде. Измельчение кусочков керна в колонковом снаряде и под торцом коронки. Истирание керна (часто избирательное) Ослабление связи между частицами, слагающими породу, и снижение их устойчивости за счет уменьшения коэффициента трения. Обрушение массива. Разбухание пород и выпучивание стенок скважины. Размывание пород в стенках скважин и керна. Растворение пород. Изменение режима и состава подземных вод. Изменение температурного режима горных пород

рение вращательным способом может осуществляться успешно только без отбора керна с глинистой промывкой.

Во вторую группу входят породы скального типа, изверженного или осадочного происхождения, но сильно трещиноватые или раздробленные. В этом случае процессы бурения осложняются, так как происходит потеря промывочной жидкости, образуются вывалы отдельных кусков породы из стенок скважин и т. д. Сюда же относятся такие породы, как слабосцементированные брекчии или конгломераты, слабые песчаники и сланцы, а из полезных ископаемых—угли, фосфориты и др. При бурении в таких породах керн сильно дробится, истирается и размывается. Этому же подвержены и стенки скважин.

Третья группа объединяет рыхлые связные отложения осадочного происхождения, преимущественно глинистые (глины, суглин-

Г)1уппа пород

Характеристика пород

Весьма неустойчивые Слабо устойчивые С изменяющейся устойчивостью Устойчивые

Породы, практически не имеющие связи между зернами, с прочностью, зависящей от состава и размера зерен и степени насыщенности водой Породы с не очень прочной связью между зернами, высокой или средней твердости, почти не размываемые промывочной жидкостью, но сильно трещиноватые; породы с недостаточно прочной связью между зернами, невысокой твердости, часто хрупкие, сбрекчированпые, легко размывающиеся жидкостью при бурении Породы со сложной связью, исчезающей при насыщении водой или при нагревании. Плотные, невысокой прочности, размывающиеся или растворяющиеся промывочной жидкостью или оттаивающие при повышении температуры Породы с прочной связью между зернами, высокой и средней твердости, монолитные или слабо трещиноватые, не размываемые промывочной жидкостью

ки, лессы), растворимые полезные ископаемые (каменная соль), мерзлые рыхлые или сильно трещиноватые, раздробленные скальные породы, сцементированные льдом и др. При бурении в породах этой группы возникают значительные трудности. Для глин это связано с одним из важнейших свойств — с их способностью разбухать при увлажнении, что особенно характерно для монтмо- риллонитовых глин. Увеличение влажности глины любого типа приводит к повышению ее пластичности, нередко до перехода в текучее состояние. Разбухание глин сопровождается сужением скважины, образованием сальников, и в ряде случаев — прихватом бурового снаряда. В зависимости от времени соприкосновения жидкости с глиной последняя приобретает текучесть, теряет устойчивость. Это приводит к тому, что стенки скважин оплывают, скважина зашламовывается. Мерзлые рыхлые и сильно разрушенные породы, сцементированные льдом, при растеплении теряют связи, образованные льдом, и становятся весьма неустойчивыми. Все это в чрезвычайной мере усложняет процессы бурения скважин. Поэтому в породах данной группы бурение должно производиться в самые кратчайшие сроки, при форсированных режимах с промывкой глинистым раствором или специальными жидкостями.

К четвертой группе принадлежат скальные породы изверженного происхождения (граниты, диориты, порфириты, базальты и т. д.), породы метаморфические (кварциты, кристаллические сланцы, гнейсы и др.), крепкие породы осадочного цикла (песчаники, известняки, доломиты, яшмы, кремни и тд.) слабо затронутые вы

ветриванием. Условия для бурения в таких породах наиболее бла^ гоприятны.

Таким образом, с точки зрения поведения пород при бурении можно определить геолого-технические условия сооружения скважин: нормальные (в породах четвертой группы) и осложненные (в породах первой, второй и третьей групп).