Глава12. Промывочные жидкости для бурения трещиноватых горных пород.

12.1. Трещиноватые горные породы

К трещиноватым горным породам относят преобладающую часть скальных пород с широко развитой совокупной системой трещин. Исследования трещиноватости горных пород разреза имеет важное практическое значение. Трещиноватость в значительной мере определяет поведение горных пород в окрестностях скважины.

Выделяют трещины отдельности, трещины тектонического происхождения, трещины напластования и трещины выветривания.

Трещины отдельности возникают в результате остывания и раскристаллизации магматических расплавов в процессе образования магматических пород. Таковы, например, трещины, расчленяющие покровы базальтовых лав на столбчатые, призматические или шарообразные отдельности. В гранитах наблюдаются матрацевидная, параллелипипедная и другие формы отдельности.

В результате радиальных и тангенциальных усилий в земной коре наблюдаются тектонические деформации, сопровождающиеся образованием в слоистых и относительно пластичных породах пластовой (кливажной) трещиноватости появлением систем трещин разрыва, расположенных перпендикулярно кливажым трещинам, и трещин скола, расположенных под углом к кливажным трещинам по двум-трем сопряженным направлениям. Такие трещины характерны, например, для стреляющих аргиллитов. Число трещин зависит от динамических условий и внутренней структуры деформируемого массива. Микросмещения по плоскостям кливажной трещиноватости столь малы, что обычно не обнаруживаются невооруженным глазом. Они являются следами квазипластического деформирования горных пород. Густота развития трещин от долей сантиметра до десятков и даже сотен сантиметров. С увеличением расстояния между трещинами скола обычно возрастают амплитуды смещений. С увеличением амплитуды смещения возникает так называемая тектоническая трещиноватость. От кливажной трещиноватости она отличается лишь большей амплитудой смещения, видимой на глаз и нередко измеряемой сантиметрами. При значительных смещениях, измеряемых многими метрами, имеют место дизъюнктивные нарушения: сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги.

Тектоническая трещиноватость и дизъюнктивные нарушения развиты наиболее интенсивно и часто в жестких горных породах неоднородных массивов.

Трещины напластования образуются в результате динамического метаморфизма осадочных неоднородных по структуре горных пород.

Трещины выветривания возникают в результате дезинтеграции горной породы под воздействием температурных колебаний, изменений состояния влажности, периодического замерзания и оттаивания воды и других факторов. Трещины выветривания обычно усиливают первичную тектоническую трещиноватость.

В зависимости от величины раскрытия трещин выделяют микротрещины (до 0,15 мм), тонкие трещины (до 1 мм), мелкие (1 - 5 мм), средние (5 - 20 мм), крупные (20 - 100 мм), очень крупные (свыше 100мм).

Жесткие горные породы под воздействием тектонической деятельности в земной коре могут расчленяться системой трещин на отдельные блоки. Вертикальные трещины жестких пород, в отличие от трещин в пластических породах, под давлением горных пород не смыкаются. Образованные в результате геологической деятельности трещины могут заполняться циркулирующими подземными водами. Под воздействием циркулирующей в трещинах воды в зависимости от ее скорости течения и минерального состава происходит либо растворение и размывание трещин горных пород, либо заполнение их выпавшей из раствора солью в виде кальцитовых прожилков.

Размытые подземными водами трещины называют кавернами.

Наиболее подвержены таким процессам осадочные и хемогенные горные породы: карбонаты (чаще всего известняки) и гипс.

Растворимость горных пород зависит от свойств самой породы, растворяющей способности циркулирующей минерализованной воды и ее скорости.

Воды, содержащие большое количество свободной углекислоты, обладают высокой растворяющей способностью известняков

СаСО₃+СО₂+Н₂ОСа(НСО₃)₂

Малорастворимый известняк переходит в хорошо растворимый бикарбонат кальция. Повышенной растворяющей способностью обладают природные воды, почти всегда содержащие сульфоанионы SО₄^2- и ионы Сl^-. Известно, что в растворах хлоридов (например, NaCI) значительно интенсивнее растворяются гипс и известняк. То же можно сказать и о растворах, содержащих сульфат ионы.

При малой скорости циркуляции подземных вод, содержащих бикарбонаты, может происходить заполнение трещин кальцитом, выпадающим из раствора под воздействием высокой температуры:

Ca(HCO₃)CaCO₃+H₂O+CO₂

Легко растворимые соли (галит, сильвин, бишофит, карналит) являются пластичными породами, благодаря чему при деформации не образуют трещин, доступных для проникновения и циркуляции подземных вод. Поэтому, несмотря на их высокую растворимость, естественных каверн в этих породах не наблюдается, но зато быстро развиваются искусственные каверны в скважинах под воздействием бурового раствора. Естественные каверны образуются в течение длительного периода времени и могут достигать значительных размеров, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

При бурении кавернозных пород наблюдается в большинстве случаев полное поглощение промывочной жидкости.

За критерий трещиноватости горной породы принимают скважность (степень трещиноватости).

Скважность (пустотность) - это общий объем пустот в горной породе-

F_ср=l_ср_срn_уд (12.1)

где l_ср - средняя длина трещин в некотором объеме горной породы; _ср - среднее раскрытие трещин; n_уд - количество трещин на единицу площади.

По трещиноватости горные породы делят [10] на слаботрещиноватые с раскрытием трещин до 1мм., трещиноватые с раскрытием трещин 1-5мм., сильнотрещиноватые с раскрытием трещин более 5мм и весьма сильнотрещиноватые (дробленые).

Наличие трещиноватости, наличие каналов в горной породе приводит к разгерметизации скважины. Благодаря этому возможны, в зависимости от наличия пластовых вод и пластового давления, водопроявления или водопоглощения.

Анализ баланса времени при бурении глубоких скважин показывает, что затраты времени на ликвидацию осложнений составляют для различных экспедиций от 3 до 23%. Более того, 20% этого времени затрачивается на ликвидацию обвалов и каверн, 17% - на водопроявления и около 60% - на ликвидацию водопоглощений. 44% всех поглощений приурочено к поглощениям в интрузивных породах и контактам интрузивных пород (чаще всего дробленых долеритов) с осадочными породами. Эти зоны водопоглощений являются и зонами осыпания пород и обвалообразования.

Почти половина зон водопоглощений наблюдается на глубине до 100м.