Тектонические нарушения (раздробленность, перемятость пород) способствуют обвалам стенок скважин при их обнажении и значительно осложняют получение кондиционного выхода керна

Минералогический состав горных пород влияет на физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии их с буровым раствором. Чаще всего кавернообразование наблюдается в пластах, сложенных глинами, глинистыми сланцами, аргиллитами, алевролитами, каменной или калийной солью. Осадочные горные породы имеют различные физико-химические свойства: от мягких и хорошо смачиваемых – гидрофильных, до твердых – гидрофобных. В ряде случаев (например, при разбуривании пластов солей) степень взаимодействия пород с водой настолько высока, что в скважине образуются высококонцентрированные истинные водные растворы.

Минерализация горных пород, пластовой и поровой жидкости агрессивно воздействует на параметры растворов и способствует проявлению осмотических явлений.

Несоответствие видов и параметров очистного агента геолого-техническим условиям бурения зачастую является причиной возникновения того или иного вида осложнений.

Наиболее серьезными по своим последствиям являются осложнения, связанные с нарушениями устойчивости ствола скважины. Первостепенную роль здесь играет оптимальное регулирование свойств бурового раствора, особенно в предупреждении таких осложнений, как обвалы, набухание пород, вытекание пластичных глин, что может привести к потере ствола скважины или значительным затратам времени на их ликвидацию.

Одной из основных причин нарушения стенок скважин является их усталостное разрушение как следствие релаксации некоторых типов пород под влиянием циклических гидродинамических нагрузок, проявляющихся в результате колебания гидродинамического давления при технологических операциях в процессе бурения.

Устойчивость горных пород в стенках скважины однозначно зависит от соотношения величины напряженного состояния, обусловленного бурением скважины, и механической прочности пород. Если прочность горных пород превышает величину напряженного состояния, то, очевидно, ствол скважины будет устойчив.

Величина напряженного состояния для какого-либо интервала сравнительно постоянна и зависит от глубины его залегания и веса вышележащих пластов. После вскрытия этого интервала скважиной на ее стенках возникает перепад давлений и, как следствие, напряженное состояние в околоствольной зоне. Механическая прочность одних горных пород также может быть постоянна, а прочность других, особенно пород глинистого комплекса, может изменяться во времени под влиянием различных факторов.

Величину напряженного состояния на стенках скважины можно рассчитать математическим путем, но определить механическую прочность горных пород в ненарушенных условиях естественного залегания затруднительно. Правда, по отдельным образцам, извлеченным на поверхность и подвергнутым лабораторным исследованиям, можно судить о физико-механических свойствах горных пород, но лишь в первом приближении.

Дефектность структуры горных пород оказывает существенное влияние на их устойчивость; при наличии трещин и тектонических нару-шений фильтрат БР более интенсивно проникает в глубь горных пород. Различные дефекты в структуре являются плоскостями скольжения обломков и осколков пород в скважину. Микро- и макротрещины пород, слагающих разрез, под влиянием повышенных значений гидродинамических давлений в скважине расширяются, углубляются, разрываются и образуют разветвленную сеть, что приводит не только к обвалам и осыпям, но и к поглощению.

С повышением противодавления раствора снижается концентрация напряжений на стенках скважины, и тем самым восстанавливается нарушенное равновесие. Однако по мере увеличения влажности и температуры окружающих горных пород положительная роль противодавления уменьшается, а для глинистых и песчано-глинистых пород она может снизиться до нуля. Более того, чрезмерное утяжеление БР или высокая скорость его циркуляции в затрубном пространстве в процессе бурения приводит к повышению гидродинамического давления на стенки скважины, и если оно превысит механическую прочность горных пород, то возможен их гидравлический разрыв.

Таким образом, с одной стороны, недостаточное противодавление бурового раствора на стенки скважины может явиться причиной нарушения их устойчивости, а с другой – чрезмерно высокое противодавление также может способствовать нарушению устойчивости стенок скважины, как следствие этого – раскрытие и расширение существующих трещин.

Горное давление проявляется как в вертикальном, так и в горизон-тальном направлении. Боковое давление является следствием вертикального и вызывает касательные напряжения, способствующие выпучиванию пород, сужению ствола и обвалообразованию. Величина касательных напряжений зависит не только от горного давления, но и от давления БР.

Наиболее интенсивна деформация породы непосредственно у стенок скважины, где боковое давление не уравновешивается гидро-статическим давлением и силами сцепления горной породы. Характер изменения сил сцепления в породе обусловлен геолого-минералогическими особенностями горной породы и ее взаимодействием с БР, главным образом физико-химическим.

Основное отрицательное влияние БР на прочность горных пород сводится к физико-химическим изменениям в структуре пород под действием фильтрата. Действие фильтрата сопровождается диспергацией глинистой составляющей породы, набуханием, капиллярным и динамическим расклиниванием. На контакте БР со стенками скважины происходит химическое растворение, выщелачивание, гидромеханическое разрушение породы. Процесс может усиливаться механическим воздействием бурильной колонны на стенки скважин.

Характер и скорость ослабления связей между частицами горных пород при бурении с промывкой во многом зависят от наличия естественных нарушений сплошности породы (пористости, трещиноватости). С одной стороны, они сами являются источником уменьшения механической прочности породы и способствуют ее смачиванию. В местах нарушения движется фильтрат и возникают капиллярные силы. С другой – наличие нарушений является условием образования фильтрационной корки из частиц твердой фазы промывочного агента, способствующей повышению устойчивости породы.

Пластовая жидкость оказывает химическое воздействие на горную породу, усиливающееся при вскрытии пласта, она же является предпосылкой диффузии и осмоса. Если в скважине БР будет более минерализованный, чем пластовая вода, то процесс осмоса мало влияет на целостность породы, так как не происходит обновления среды и увеличения количества жидкости в порах породы.

Скорость отделения частиц породы в процессе разрушения стенок скважин зависит от величины давления столба бурового раствора, а также гидромеханического воздействия жидкости в процессе циркуляции. В пластичных (ползучих) породах рост противодавления БР существенно затрудняет развитие сужений ствола в основном вследствие физико-химического взаимодействия промывочной жидкости с породами, слагающими стенки скважин.

Устойчивость горных пород во многом связана с обеспечением не-прерывной циркуляции промывочной жидкости в процессе бурения при наличии в геологическом разрезе проницаемых горных пород. Чаще всего такие проницаемые зоны представлены водоносными пластами. В зависимости от пластового давления и применяемого промывочного агента могут происходить поглощение БР, водопроявление, неустойчивая циркуляция. Поглощение промывочной жидкости ведет к удорожанию работ, а подчас делает невозможным бурение скважины. Водопроявление ухудшает качество БР в процессе циркуляции, приводит к дополнительному экологическому загрязнению. Неустойчивая циркуляция осложняет технологию бурения, поддержание качества жидкости, ее регулирование.

Следовательно, действие горного давления на стенки скважины в совокупности с другими факторами часто приводит к нарушению устойчивости ствола скважины в виде обвала, осыпания, обрушения пород и образовании каверн либо в выпучивании пород на стенках скважин и сужении ствола.

Кроме этого, горное давление на стенки скважины может вызывать такие явления, как ползучесть и скалывание пород. Одновременное влияние многих факторов может проявиться либо в обвалах пород и образовании каверн либо в выпучивании пород на стенках скважин и сужении ствола.

Обвал – это нарушение устойчивости стенок скважины вследствие хрупкого объемного разрушения породы в скважине. Обвалы присущи в основном глинистым и песчано-глинистым комплексам (глины, аргиллиты, алевролиты, сланцы, мергели и др.), на долю которых из общего объема осадочных пород приходится до 80 %. Обвалы часто встречаются при пересечении зон тектонических нарушений в виде разломов, трещин, взбросов, кливажа, а также в коре выветривания. Слабосцементированные пески, пестроцветы и сильно дренированные песчаники при обвалах образуют каверны.

Глинистые породы, находясь в ослабленном, неустойчивом состоянии, могут вести себя по-разному в зависимости от степени и продолжительности воздействия внешних факторов, а также физико-химических свойств самой породы: пластичности, липкости, набухаемости, фильтрующей способности, гидрофильности и обменной адсорбции.

Прочностные свойства песчаных пород в значительной степени определяются типом и составом цементирующего вещества. Различают базальный, поровый и смешанный цементы. По вещественному составу они бывают глинистые, карбонатные, реже гипсовые и ангидритовые. Глинистый цемент легко поддается действию пресных вод и фильтрата. Разбухая, глинистый цемент уменьшает размер пор и каналов, чем ограничивает дальнейшее поступление воды в пласт. В то же время, в результате ослабления цементирующих связей может развиться тенденция к обваливанию и осыпанию песчаных пород.

Большое влияние на прочность пород оказывает влажность. Особенно чувствительны к изменению влажности литологические разности с высоким содержанием глинистых компонентов, при насыщении влагой сопротивление глин сжатию уменьшается в десятки раз. Прочность полностью водонасыщенных глинистых сланцев в 10–12 раз ниже абсолютно сухих. Менее всего чувствительны к повышению влажности кварцевые песчаники. Глинистые сланцы занимают промежуточное положение, при полном водонасыщении их прочность снижается в 2–10 раз.