Из всего многообразия свойств горных пород на процессы бурения существенно влияют свойства, определяющие состояние пород (геолого-структурные), а также механические и водно-коллоидные, характеризующие поведение пород при их обнажении и разрушении в процессе формирования ствола скважины. В этом процессе на породу воздействует ряд факторов, вызывающих их разрушение, потерю устойчивости и др.
Вполне очевидно, что основные механические свойства горных пород — упругость, пластичность, прочность, твердость и абразивность — определяют прежде всего успех разрушения их на забое при взаимодействии породоразрушающего инструмента с породой. От такого свойства, как устойчивость горных пород, т. е. способности их не обрушаться в скважине и не разрушаться в колонковой трубе, зависят крепление стенок скважин, выход керна, способ удаления продуктов разрушения. Последнее имеет особо важное значение, так как применение промывочной жидкости, с одной стороны, улучшает процесс разрушения горных пород (жидкость понижает их прочность, снижает коэффициент трения), а с другой стороны, снижает устойчивость пород и создает повышенное гидростатическое давление на забой, что ухудшает процесс разрушения породы.
Классификация факторов, вызывающих неблагоприятное поведение пород при бурении скважин
| Факторы, воздействующие на породу при бурении скважин |
Основные явления, возникающие при бурении скважин и связанные с проявлением некоторых свойств горных пород |
| Обнажение массива, с чем связано нарушение напряженного состояния пород и равновесия сил горного давления в прилегающей к стволу скважины зоне. | Обрушение массива горных пород. Вываливание отдельных кусков или глыб горных пород. Выпучивание горных пород. |
| Действие на породы в стенках скважины механических нагрузок, возникающих при спуске, подъеме и вращении бурильных труб. | Обрушение массива горных пород. Вываливание отдельных кусков или глыб пород из стенок скважины. Разработка ствола скважины и приобретение неправильной формы в поперечном сечении, образование желобов, искривление скважин. |
| Действие на керн механических нагрузок, возникающих при вращении колонкового снаряда. | Самопроизвольное заклинивание керна в колонковом снаряде. Измельчение кусочков керна в колонковом снаряде и под торцом коронки. Истирание керна (чисто избирательное). |
| Действие жидкости на породы в стенках скважины и на керн. |
Ослабление связи между частицами, слагающими породу, и снижение их устойчивости, уменьшение коэффициента трения. Обрушение массива горных пород. Разбухание пород и выпучивание стенок скважины. Размывание пород в стенках скважин и керна промывочной жидкостью. Растворение пород. Изменение режима и состава подземных вод. Изменение температурного режима горных пород. |
Таким образом, в рассматриваемом процессе бурения скважин решаются две практически противоположные задачи. С одной стороны, желательно как можно быстрее разрушить породу на забое, с чем связана скорость углубления скважины, а с другой стороны, необходимо обеспечить формирование ствола скважины, получить неразрушенные образцы пород или пробы полезных ископаемых, отвечающие определенным требованиям. Вполне очевидно, что поведение пород в этом процессе определяется, прежде всего, их свойствами. От степени проявления тех или иных свойств будут зависеть не только скорость бурения и качество работ, но и различного рода осложнения и аварии, а также выполнение дополнительных работ и операций, связанных с креплением стенок скважины или расширением ствола при бурении, а в целом — производительность труда и стоимость сооружения скважин.
Очевидно, что для осуществления процесса бурения скважины требуется глубокое знание не только техники и технологии, но и свойств горных пород и поведения их при бурении. Эти сведения необходимы для выбора способа бурения, типа забойного инструмента, определения условий его работы или режимов бурения, условий получения качественных проб полезных ископаемых, способа крепления стенок скважины, условий приведения скважины в заданную точку и многое другое, в целом обусловливающее успех бурения скважины.
Известно, что при действии силового поля на твердую породу, например, при вдавливании штампа (пуансона) с плоским торцом, поведение ее характеризуется тремя видами деформаций. В первый период нагружения происходит упругая деформация по закону Гука. Такое поведение присуще большинству горных пород. При возрастании нагрузки пропорциональность между нагрузкой и деформацией нарушается и в образце проявляются элементы пластической деформации. Наконец, при каком-то критическом значении нагрузки у большинства горных пород наступает хрупкое разрушение.
Как видно, деформация горной породы может быть: упругой или временной (после снятия нагрузки восстанавливаются форма и размеры образца); пластической или остаточной (форма или размеры образца изменяются) и хрупкой, при которой образец разрушается (теряет сплошность). Каждый из этих видов деформации обусловливается проявлением определенных свойств горных пород, к которым относятся упругость, пластичность, хрупкость, прочность и твердость. Эффективность разрушения пород механическим способом находится в прямой зависимости от их твердости или прочности: чем тверже порода, тем меньше скорость ее разрушения при прочих равных условиях.
Эффективность термических и электрических способов разрушения зависит от ряда других свойств пород — термических, электрических, магнитных и практически мало связана с их механическими свойствами — твердостью, абразивностью и др. Наоборот, при использовании некоторых электрических способов эффективность разрушения пород по сравнению с механическими тем выше, чем прочнее, тверже породы. Это связано с тем, что разрушающие напряжения формируются в этом случае внутри самой породы. Чем тверже порода, тем выше в ней возникающие напряжения и тем выше эффект разрушения при одинаковом уровне расходуемой энергии. Поэтому при осуществлении термического способа разрушения пород необходимо знание не только механических свойств горных пород, но и термических, а при осуществлении электрического способа — механических, термических и электрических.
При разрушении горных пород бурением большое значение приобретают некоторые способы понижения их твердости с целью повышения эффективности процесса разрушения. Понизить твердость горных пород можно ослаблением связей между частицами, слагающими породу, за счет образования системы мелких трещин в массиве, путем увеличения пористости пород и т. д. Это достигается воздействием на породу упругих колебаний (вибраций), повышением температуры породы (при трении или подведении тепла), взрывами, действием поверхностно-активных веществ (понизители твердости), растворением некоторых компонентов породы (выщелачиванием) и т. д. Применение этих способов понижения твердости также основывается на использовании определенных свойств горных пород.
Очевидно, для того чтобы учитывать все геологические факторы, которые могут влиять на процессы бурения скважин и качество буровых работ, необходимы достаточно глубокое изучение и оценка геологических условий района работ. При этом следует учитывать, что горные породы могут характеризоваться проявлением одновременно многих из рассмотренных свойств, наложение которых особенно усложняет условия бурения скважин.