Геолого-технические 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. Бурение 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, суглинки, 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 монтмориллонитовых 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, порфирита, 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 выветриванием. Условия для бурения в таких породах наиболее благоприятны.

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).