Трещиноватость и устойчвость горных пород

Трещиноватость горных пород в разведочном бурении оценивают по удельной кусковатости керна, т.е. по числу кусков керна, которые раскололись в колонковом снаряде при бурении в рейсовой углубке. В ВИТР установлена тесная корреляционная связь между удельной кусковатостью керна и трещиноватостью породы.

Удельная кусковатость керна К_уд – число кусков керна на 1 м углубки. По этому показателю все горные породы подразделяют на пять групп (табл. 1).

Таблица 1

Удельная трещиноватость и показатели трещиноватости горных пород

Группа горных пород по трещиноватости	Степень трещиноватости горных пород	Удельная кусковатость керна Куд, шт./м	Показатель трещиноватости,W ед/об	Выход керна, %
1	Монолитные	1-5	До 0,5	100-70
2	Слаботрещиноватые	6-10	0,5-1,00	90-60
3	Трещиноватые	11-30	1,01-2,00	80-50
4	Сильнотрещиноватые	31-50	2,01-3,00	70-40
5	Исключительно сильнотрещиноватые	Более 51	3,01 и более	60-30 и менее

Показатель трещиноватости W (ед/оборот), введенный в рассмотрение ВИТРом, рассчитывают по формуле:

(1)

где λ – коэффициент, учитывающий степень вторичного дробления породы, равен 0,7; D_k – диаметр керна; (5 – угол встречи плоскости трещины с осью скважины.

Формулу (31) можно использовать только при значениях угла β, существенно отличных от 0 и 90°.

Степень трещиноватости может быть оценена показателем трещиноватости Т:

(2)

где α – угол наклона трещины к вертикали; l – средняя длина столбца керна или отношение общей длины керна к их числу. Формула (2) применима для α < 90°.

Устойчивость горных пород против их обрушения – важная характеристика, определяющая технологию бурения, конструкцию скважины. Различают устойчивые, временно устойчивые, неустойчивые породы.

Состояние стенок скважины оценивается коэффициентом кавернообразования К_к:

(3)

где D_ф – фактический диаметр скважины; D_н – номинальный диаметр скважины.

Породы считаются устойчивыми, если К_к= 1÷3, и неустойчивыми при К_к > 3. При К_к < 1 имеет место сужение ствола скважины, чаше всего это характерно для пластичных пород (глины, глинистых сланцев и др.).

Основными причинами, определяющими нарушение устойчивости горных пород в стенках скважины, являются горное давление и механические свойства пород. Порода в зонах тектонических нарушений характеризуется различной степенью дезинтеграции. Обломочные породы могут быть несцементированными или связаны мягким цементом (глина, супесь, лед и др.).

При контакте с буровым раствором глинистый материал набухает и теряет свои прочностные свойства. Глина имеет угол внутреннего трения φ ≈ 25° и силу сцепления, равную 0,06 МПа. Ослабляет устойчивость крутое падение пород, трещиноватость, наличие водоносных напорных пластов и т.д.

Водонасыщенные пески и супеси обладают плывунными свойствами и являются крайне неустойчивыми породами. Породы в скважине находятся под давлением вышележащей толщи горных пород. Напряженное состояние, в котором находится порода, называют горным давлением. Вертикальное напряжение сжатия σ_z определяют по формуле:

(4)

где – средняя взвешенная плотность вышележащих пластов; Н – глубина залегания породы.

Радиальные напряжения в стенке скважины рассчитывают по формуле:

(5)

где µ – коэффициент Пуассона; ξ – коэффициент бокового распора, равный < 1.

Формула (5) применима для пластично-хрупких горных пород. При вскрытии горных пород скважиной напряженное состояние пород изменяется. Наличие в скважине столба промывочного раствора в общем случае благоприятно сказывается на устойчивости стенок. В процессе бурения стенки скважины несколько ослаблены механическим и гидравлическим воздействием.

Напряженное упругое состояние пород характеризуется нормальным σ_z, радиальным σ_R и касательным напряжениями σ_θ. Значения напряжений следующие:

(6)

где γ – средневзвешенный удельный вес вышележащих пород; γ_ж – удельный вес бурового раствора; ξ – коэффициент бокового раствора для породы на глубине Н, Н₁ – высота столба бурового раствора.

Эквивалентное напряжение:

(7)

Дополнительные гидравлические давления ΔР возникают в скважине при проведении спускоподъемных операций, интенсивной промывке и др. Стенки скважины могут потерять свою устойчивость и результате хрупкого разрушения. По степени интенсивности процесс обрушения стенок скважин подразделяется на осыпи, характеризующиеся относительно небольшими объемами обрушения, и обвалы, когда процесс обрушения затрагивает большие объемы породы.

Все горные породы по степени устойчивости делят на четыре группы (табл. 2).

Таблица 2