3.1. Характеристика каналов фильтрации бурового раствора

Трещины в пласте могут образоваться как в результате перекристаллизации пород, так и вследствие тектонических процессов. Раскрытость трещин изменяется в широких пределах  от полного смыкания до 4050 мм. Размер трещин со временем изменяется под действием природных и искусственных факторов. Трещины уменьшаются под действием горного давления и выпадения солей, а увеличиваются при движении подземных вод и растворении пород.

В зависимости от происхождения различают два типа трещин: эндогенные (первичные) и экзогенные (вторичные). Первичные трещины развиты в равной мере как в породах, смятых в интенсивные складки, так и в слоях, залегающих совершенно спокойно. Они приурочены к любым породам, кроме тех, в которых трещины вообще не могут сохраняться в силу сыпучести или ползучести материала. В осадочных породах первичные трещины в большинстве случаев перпендикулярны к слоям и являются внутрислойными, т. е. отдельные трещины не выходят за пределы одного слоя, образуя хорошо выдерживающие ряды. Густота нетектонических трещин находится в зависимости от состава слоев и от их мощности; в породах более прочных и слоях более мощных расстояние между трещинами больше. Нетектонические трещины характеризуются частым выклиниванием и заполнением вещественным материалом вмещающей или перекрывающей породы.

Планетарные трещины, ориентировка которых связана не с локальными тектоническими деформациями, а с планетарными явлениями  вертикальны, они образуют системы геометрически правильных блоков. Этот тип трещин образует решетчатый тип структуры земной коры. Решетчатыми трещинными структурами пронизаны все осадочные толщи, более молодые толщи наследуют их от более древних отложений.

Вторичные и тектонические трещины составляют подавляющее большинство. Их тектоническое происхождение доказывается объединением трещин в системы и тесной связью с характером деформаций, происходящих внутри развивающихся структур.

Тектонические трещины обладают значительной протяженностью и группируются в выдержанные по разрезу и площади системы и располагаются перпендикулярно, под углом или параллельно напластованию. Количество открытых и битумных трещин значительно превышает число закрытых трещин.

На складчатой структуре интенсивность деформаций горных пород возрастает от периферии (крыльев) к своду, тогда как на платформенном поднятии  от присводовой части структуры к крыльям.

Увеличение густоты трещин (за счет образования трещин оперения) происходит непосредственно вблизи линии нарушения в зоне шириной до 1040 м.

Проницаемость песчано-глинистых пород зависит от размеров пор. Соединяющиеся между собой поры образуют поровые каналы, являющиеся путями движения жидкостей или газа. В субкапиллярных каналах жидкости удерживаются силами притяжения на поверхности минеральных зерен, в природных условиях жидкости в них перемещаются очень медленно. В капиллярных каналах движение жидкостей происходит только при приложении силы большей, чем силы противодействия капиллярных сил. По сверхкапиллярным каналам жидкости (вода, нефть и пр.) движутся свободно. К субкапиллярным каналам относятся каналы диаметром меньше 0,0002 мм, к капиллярным  0,5080,0002 мм и к сверхкапиллярным  больше 0,508 мм.

В трещиноватых мелко- и среднезернистых песчаниках и алевролитах интенсивные поглощения БР не происходят, так как образующаяся при фильтрации раствора в пласт глинистая корка на стенке скважины имеет низкую проницаемость и препятствует проникновению раствора в пласт. В крупнозернистых песчаниках и алевролитах раствор фильтруется с большой скоростью. Еще больше раствор проникает в пласты конгломератов, имеющих каналы диаметром 15 мм и более.

Наиболее часто БР поглощается в карбонатных (обычно известняки) породах. Различаются известняки с первичной или вторичной пористостью и трещиноватые. К первым относятся мел, раковинные и коралловые известняки. Ко вторым – все известняки и доломиты, пористость которых является результатом последующего выщелачивания. Третью группу составляют известняки и доломиты, трещиноватость которых обусловлена процессами доломитизации, вызывающими сокращение объема породы, или тектоническими причинами.

Раковинные, коралловые известняки и мел имеют высокую пористость, но не все их пустоты сообщаются между собой, что снижает их проницаемость. Известняки со вторичной пористостью являются хорошими коллекторами. Различаются известняки мелкопористые, крупнопористые и кавернозные. Трещиноватые известняки также обладают высокой проницаемостью.

Известняки тонкозернистые с отсутствием или незначительным содержанием терригенной примеси обладают небольшой межзерновой пористостью (0,020,05). Однако в них часто различаются вторичные пустоты (каверны, карстовые и стилолитовые полости), обычно развивающиеся в системе трещин и достигающие в диаметре 25 мм. Размеры же карстовых пустот могут достигать значительных величин.

В доломитах, особенно неравнозернистых, часто развиты вторичные пустоты, размеры которых нередко больше, чем в известняках. Межзерновая пористость доломитов по сравнению с известняками более высокая (0,050,10).

В мергелях в основном преобладают две генерации микротрещин: минеральные и открытые.

В ангидрито-доломитовых породах и ангидритах наблюдаются минеральные, битумные и открытые трещины, располагающиеся преимущественно по слоистости пород.

Терригенные породы характеризуются теми же генерациями микротрещин, что и карбонатные.

Для каменной соли значительной мощности обычно характерна незначительная трещиноватость. Густота трещин в мощных толщах, как правило, невелика. В маломощных слоях каменной соли возрастает густота трещин. В этих условиях различаются ранние минеральные (заполненные глинисто-карбонатным или глинисто-ангидритовым веществом), битумные и открытые трещины.

Вода действует на породу и растворяет ее, способствуя раскрытию трещины. В процессе движения подземных вод происходит расширение трещин, образование каверн и карстовых каналов (подземных пустот, обусловленных тем, что слагающие данный участок горные породы легко подвергаются растворению подземными и поверхностными водами).

Вначале под термином карст (карст получил свое название от известнякового плато, расположенного к северо-востоку от г. Триеста) подразумевали только явления, происходящие в известняках, однако позже было установлено, что подобные явления встречаются и в других породах – гипсах, солях, загипсованных глинах и песчаниках.

При образовании подземных форм карста трещины являются первичными водоподводящими путями и первичными каналами выноса материала пород водой в растворенном или взвешенном состоянии.

Важнейшим фактором карстообразования, помимо трещин в породе и ее растворимости, является циркуляция воды. Чем интенсивнее циркуляция воды и вынос продуктов выщелачивания, тем больше корродируется порода. При отсутствии циркуляции вода в трещинах не приводит к карстообразованиям.

Следующим важным фактором карстообразования является процесс доломитизации известняков, при котором происходит образование трещин. Он заключается в частичном или полном замещении в известняках кальция магнием, в образовании вместо , т. е. в превращении известняка в доломит или доломитизированный известняк. Процесс доломитизации сопровождается сокращением объема известняка приблизительно на 12 %. При этом возникают многочисленные трещины и разрывы, облегчающие пути циркуляции воды.

Пористость и проницаемость трещиноватых и кавернозных известняков имеют свои особенности. Основная масса известняка обладает небольшой пористостью, но рассекающие ее трещины и карстовые каналы определяют их большую фильтрационную способность.

Выщелачивание крупных скоплений гипса в виде линз и штоков приводит к образованию крупных каверн. Этим можно объяснить, что на многих скважинах при вскрытии поглощающих горизонтов отмечаются значительные провалы инструмента.

Кавернозность горных пород обусловливается существованием в них вторичных пустот в виде каверн. Кавернозность свойственна карбонатным коллекторам. Следует различать породы микрокавернозные и макрокавернозные. К первым относятся породы с большим количеством мелких пустот, с диаметром каверн (пор выщелачивания) до 2 мм, ко вторым  с рассеянными в породе более крупными кавернами  вплоть до нескольких сантиметров. Средняя пустотность микрокавернозных пород обычно не превышает 1315 %, но может быть и больше. Макрокавернозные коллекторы в чистом виде встречаются редко, их пустотность достигает не более 12 %. Микрокавернозная пустотность может быть определена как по образцам пород, так и по данным геофизических нейтронных методов. Макрокавернозная пустотность не может быть в достаточной мере отражена образцами и потому оценивается по геофизическим данным.

Исследованиями установлено, что скорости движения подземных вод могут достигать значений 768018200 м/сут.

Подземные воды различны по своему химическому составу, зависящему от горных пород, в пределах которых они образуют характерные водоносные горизонты.

Таким образом, чаще всего трещины играют роль каналов фильтрации жидкости и газа, связывающих воедино все сложное пустотное пространство пород-коллекторов. Данные приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Характеристика каналов фильтрации жидкости и газа

Наименование жидкости	Размеры каналов, при которых порода данную жидкость еще не пропускает, мм		Размеры каналов, при которых через породу данная жидкость начинает устойчиво течь, мм
	Песок, гравий, галька, кавернозная порода	Трещинная порода	Песок, гравий, галька, кавернозная порода	Трещинная порода
Техническая вода	0,02	0,01	0,05	0,03
Глинистый р-р	0,15–0,20	0,10–0,12	0,5	0,25–0,35
Цементный р-р	0,35–0,40	0,15–0,25	0,80–1,00	0,50–0,65

Интенсивность водообмена оказывает большое влияние на формирование химического состава вод. Наиболее интенсивное движение подземных вод наблюдается в верхней зоне. С увеличением глубины залегания пласта скорости движения резко падают. В вертикальном разрезе можно выделить следующие три гидродинамические зоны подземных вод:

– верхнюю зону интенсивного водообмена;

– среднюю зону замедленного водообмена;

– нижнюю, весьма замедленную зону водообмена.

Скважиной, как правило, вскрывается несколько проницаемых пластов, при этом гидродинамическое взаимодействие в системе «скважина  проницаемые пласты» намного усложняется. Оно может происходить как между пластами и скважиной (поглощение, проявление), так и между пластами через скважину и раскрывшиеся при бурении трещины (межпластовые перетоки). В зависимости от интенсивности каждого из взаимодействий внешний показатель, т. е. соотношение между расходом доливаемой и изливающейся жидкости, может меняться в широких пределах.

Изменение плотности жидкости и интенсивности долива может изменить и характер взаимодействия, когда поглощающий пласт становится проявляющим, и наоборот.

Признаки поглощения бурового и тампонажного растворов можно подразделить на прямые и косвенные. При поглощении расход жидкости на выходе из скважины меньше, чем на входе, уровень жидкости в приемных емкостях насосов уменьшается. Однако эти прямые признаки поглощения могут четко не провиться, если в скважине одновременно с поглощением происходит проявление.

При разбуривании интервалов поглощения возможны провалы инструмента и увеличение механической скорости бурения, ухудшение выноса шлама, его локальные скопления в стволе скважины с последующими заклиниваниями и зависаниями инструмента в местах скопления шлама. Это все косвенные признаки поглощения. Косвенными признаками межпластовых перетоков также могут служить изменения плотности БР и его свойств, состава ионов.

В крупнотрещиноватом коллекторе возможно поглощение тампонажного раствора вместе с твердой фазой. Признаком такого гидродинамического взаимодействия может служить уменьшение давления при продавке цементного раствора.

При поглощениях БР перенасыщается шламом. На забое образуется осадок шлама, а также его локальные скопления в стволе скважины выше забоя, что способствует сальникообразованию, затяжкам и прихватам инструмента. Вследствие снижения противодавления возможно развитие осыпей и обвалов стенок скважины, ГНВП. При этом увеличивается расход раствора, материалов, химических реагентов, снижается скорость бурения.

При неизолированном поглощающем пласте значительно затрудняется достижение заданной высоты подъема цементного раствора, увеличивается его расход. Борьба с поглощением связана с затратами времени, средств, материалов, обсадных труб и в конечном итоге приводит к увеличению сроков сооружения скважины и повышению ее стоимости.