Лекция 4. Среды, применяемые и встречающиеся при бурении нефтяных и газовых скважин

§1. СРЕДЫ В МЕХАНИКЕ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ

§2. Горные породы

Горные породы по происхождению разделяются на три группы:

1 Магматические (изверженные), связанные с подъемом из глубинных зон земли, по-видимому, из мантии, природного расплава – магмы, которая претерпевает в связи с изменением давления и температуры процессы затвердения и кристаллизации.

2 Осадочные, образующиеся за счет выветривания, механического переноса и дробления, химического разложения и накопления осадков.

3 Метаморфические, образование которых связано с изменением и перекристаллизацией более древних магматических и осадочных пород.

По данным Ф. Кларка верхняя часть земной породы (литосфера) до глубины 16-20 км на 95 % сложена магматическими и метаморфическими породами, а на долю осадочных приходится лишь 5 %. На поверхности суши преобладают осадочные породы (75 %).

Как отмечено выше, горная порода состоит из минералов, которые могут быть в основном твердыми, реже газообразными (природный газ, сероводород) и жидкими (нефть, вода, ртуть).

Чаще всего минералы выделяются в виде кристаллов, имеющих свою строго геометрическую форму и обладающих определенной кристаллической решеткой. Название минерал происходит от латинского слова «minera», что означает «рождающий металл». Имеется в виду руда для выплавки металла.

В настоящее время науке известно более 3000 минералов, но чаще всего в геологических разрезах встречается несколько десятков, называемых породообразующими. Среди них глинистые (каолинит, монтмориллонит), карбонатные (кальцит, доломит), хлоридные (галит), окисные (кварц), сульфатные (ангидрит, гипс), силикатные (полевые шпаты).

Породообразующие минералы во многом определяют состав, структуру, физико-механические свойства породы. В небольших количествах не более 5 % в породах представлены акцессорные (вспомогательные) минералы, которые являются характерной примесью тех или иных типов пород.

Внутреннее строение горных пород характеризуют такие понятия, как текстура и структура.

Текстура (лат.-ткань, сплетение) определяет сложение горных пород в целом, то есть характеризует взаимное расположение минеральных зерен в породе.

Структура горных пород отражает особенности строения ее, такие, как форма, размеры и характер поверхности минеральных зерен, состав и структура цемента фиксирующего минералы.

Магматические породы характеризуются главным образом массивной текстурой. В этом случае частицы породы не ориентированы и точно прилегают друг к другу. Кроме того, встречаются такситовые, шаровые и направленные текстуры. В осадочных породах известны массивные, слоистые, стилолитовые и др. текстуры.

Метаморфические породы имеют в основном массивную, пятнистую, полосчатую и сланцевую текстуры. Последняя присуща гнейсам, кристаллическим сланцам и другим метаморфическим породам. Вследствие одностороннего давления, которое испытывает порода при метаморфизации, она получает способность раскалываться на тонкие плитки и пластинки.

Основные структуры глинистых пород следующие:

1 Пелитовая > 95 % глин включает частицы размером менее 0,01 мм

2 Алевропелитовая. Глины с примесью обломков алевритового материала в объеме 5-50 %.

3 Псаммопелитовая. Глины с включениями обломочного, главным образом, песчаного материала в объеме 5-50 %.

Кроме того, известны ооидные, оолитовые, реликтовые структуры.

Определение структур глинистых пород возможно только при применении электронного микроскопа с увеличением не менее чем в 5000-10000 раз.

Обобщенной текстурной характеристикой является сплошность. Это способность пород пропускать через себя промывочную жидкость. Известны 4 категории пород по сплошности:

I Промывочная жидкость поглощается вместе с буровым шламом.

II В пласт проникает дисперсионная среда и дисперсная фаза в виде

коллоидных частиц бурового раствора.

III В пласт уходит только маловязкая дисперсионная среда

(типа воды).

IV Компоненты бурового раствора не проникают в массив горных

пород.

По классификации бывшего московского нефтяного института (ныне Российского государственного нефтегазового университета) обломочные породы подразделяются на четыре группы: грубообломочные, песчаные, алевролитовые и пелитовые (глинистые). Кроме перечисленных групп к категории обломочных относятся вулканоченно-осадочные породы.

Как видно, данная классификация основывается на структурных признаках таких, как размер и форма частиц.

По минеральному составу обломочные породы подразделяются на следующие типы:

- мономинеральные, когда один из минералов содержит не менее

95 % объема породы;

- олигомиктовые, в которых породообразующий минерал содержит

75-95 % породы;

- полимиктовые, имеющие в составе преобладающий минерал менее

75 % общего объема.

Грубообломочные породы

Грубообломочные породы включают валуны, гальку (щебень), гравий (дресва) и их сцементированные разновидности (конгломераты и брекчии с размером обломков более 2,5 мм.

В геологических разрезах нефтяных и газовых месторождений встречаются редко.

Песчаные породы

Песчаные породы, представленные песками и песчаниками, состоят из обломков минералов размером 0,1-1 мм. В зависимости от размера частиц различают крупно-средне- и мелкозернистые группы. Минеральный состав песчаных пород содержит такие породообразующие минералы, как кварц, калиевые полевые шпаты, слюды, каолинит и др.

Цементы песчаников разнообразны как по минеральному составу, так и по способу выполнения порового пространства.

По минеральному составу это (в порядке уменьшения прочности) кремнистые (кремнезем), карбонатные (кальцит, доломит), сульфатные (гипс, ангидрит), железистые (гематит, сидерит, магнетит), глинистые (каолинит, монтмориллонит, хлорит, гидрослюды, смешанно-слойные образования), битуминозные и др.

По способу выполнения порового пространства цементы подразделяются на пять типов:

1 Поровый. Зерна обломков контактируют друг с другом, а поры заполнены цементом

2 Контактный. Цемент находится только по площадкам контакта обломков породы. Имеется свободное пространство в виде пор.

3 Пленочный. Цементирующий материал охватывает зерна породы тонкими пленками. Также есть свободное поровое пространство.

4 Базальный. Обломки почти не соприкасаются между собой и как бы «плавают» в цементирующем материале.

5 Сгустковый (смешанный). Цементирующее вещество распределено в объеме породы неравномерно в виде сгустков. Имеется свободное пространство в виде пор.

Кроме того, различают регенерационный, коррозионный, крустификационный, пойкилитовый цементы, сформировавшиеся главным образом в период перекристаллизации во время катагенеза, т.е. в момент перехода обломочных и хемогенных пород в метаморфические.

Основными компонентами песчаных пород являются следующие образования:

- кремнезем (не менее 70 %);

- окислы алюминия;

- окиси и закиси железа.