ЛИТОМЕХАНИКА В БУРЕНИИ

Под литомеханикой применительно к процес­ сам бурения скважин будем понимать основные физико­ механические свойства горных пород и положения механики их разрушения, использование которых обеспечивает, вопервых, эффективную проходку ствола скважины при мини­ муме затрат времени и материальных средств, и, во-вторых, сохранение устойчивости стенок уже созданной или соору­ жаемой скважины.

2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Горными породами называются плотные или рыхлые агрегаты, слагающие земную кору. Горные породы состоят из зерен, кристаллов, обломков различных минера­ лов, а также вещества, связывающего (цементирующего) эти частицы, и пор (пустот). Во многих породах в порах содер­ жится вода, которая оказывает влияние на взаимосвязь ми­ неральных частиц.

Основными породообразующими минералами являются: группа кварцевых (кварц, кремень, халцедон и др.), силикаты (полевые шпаты, слюда, амфиболы, пироксены и др.), карбо­ наты (кальцит, доломит), гидрофильные глинистые (каолинит, монтмориллонит и др.) и водорастворимые соли (гипс, галит И др.).

Горные породы по происхождению делятся на магматиче­ ские, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы образуются в результате охлаждения и затвердения магмы. В зависимости от места ее затвердения они делятся на интрузивные, или глубинные, и эффузивные, или излившиеся (изверженные, вулканические).

К первым относятся гранит, сиенит, диорит, габбро; ко вто­ рым —диабаз, андезит, базальт и др.

Осадочные горные породы образуются в результате раз­ рушения земной коры. К ним относятся песчаники, сланцы, известняки, торф, лигнит, бурый и каменный угли, антрацит, каменная соль и др. При бурении нефтяных и газовых сква­ жин наиболее часты породы, состоящие из следующих мине­ ралов: глинистых (каолинита, монтмориллонита и др.), суль­ фатных (гипса, ангидрита, барита), карбонатных (кальцита, доломита), оксидных (кварца и др.). Глинистые минералы — водные алюмосиликаты — характеризуются наличием частиц исключительно малого размера и чешуйчатым строением. Реже встречаются брекчии, галечники, кремни, каменная соль

и др.

Метаморфические горные породы образуются в результа­ те изменения внутреннего строения, химического состава и физических свойств пород под влиянием высоких темпера­ туры и давления (кварциты, мраморы, слюдяные сланцы

идр.).

Спроисхождением пород связаны их петрографические

характеристики, в том числе структура (строение) и текстура (сложение). Под структурой понимают особенности строения, обусловленные формой, размерами и способом сочетания минеральных зерен. Различают кристаллически-зернистую и обломочную структуры.

Классификация пород по А.В. Пустовалову приведена в табл. 2.1.

Кристаллические структуры бывают равномерно-зернис­ тые и разнозернистые; порфировая структура характеризу­ ется вкраплением кристаллов больших размеров на общем фоне мелкокристаллической породы.

Таблица 2.1

Классификация пород по структурным признакам

Однородные породы обладают одинаковыми свойствами во всех точках, неоднородные — неодинаковыми свойствами в разных точках. Горные породы неоднородны по минерало­ гическому составу. В большинстве случаев они полиминеральны. Они неоднородны по механическому составу зерен в массе породы, их взаимному расположению, пористости, проницаемости, прочности, по степени уплотненности, тре­ щиноватости и т.д.

Изотропные породы обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях; анизотропные — неодинаковыми свойствами в разных направлениях. Анизотропией обычно обладают кристаллы, многие породы слоистой и полосчатой текстуры, сланцы, глины и др. Анизотропия горных пород обусловливается главным образом их слоистостью. Упругие свойства и прочность горных пород резко различаются в за­ висимости от направления действия сил по отношению к плоскости напластования.

В механике горные породы по характеру связей между ча­ стицами подразделяются на три основные группы: скальные (прочные), силы взаимодействия между частицами которых, главным образом, электрические; нескальные (глинистые по­ роды, грунты) с взаимодействием коллоидальных частиц, ад­ сорбирующихся на поверхности обломков; сыпучие (раздельно-зернистые).

У прочных пород минеральные частицы связаны цементи­ рующими веществами: кремнистыми (кварцевыми, халцедо­ новыми), железистыми, известковистыми, глинистыми, мер­ гелистыми, гипсовыми и др. Наиболее прочные породы с кремнистой и железистой цементацией, наименее прочные — с глинистой и гипсовой. В первом случае имеем кварциты и кремнистые песчаники.

В нескольких (глинистых) породах минеральные частицы сцеплены коллоидными пленками кремнекислоты, а также пленочной, капиллярной водой и коллоидами глинистых и пылеватых частиц. Эти частицы — продукт механического распада и химического разложения минералов, они обладают малыми размерами (< 0,05 мм) и огромной удельной поверх­ ностью. Поверхность этих частиц покрыта пленками воды, удерживаемыми электромолекулярными силами притяжения, достигающими у поверхности частицы нескольких сотен ме­ гапаскалей. Молекулы воды образуют пленку толщиной в несколько десятков молекул так называемой прочносвязан­ ной воды, вокруг которой располагается второй слой (под меньшим давлением) рыхлосвязанной воды. За этим слоем