Глава 23. Бурение мерзлых пород

23.1.Мерзлые горные породы. Осложнения

Более половины территории России занято многолет­ней мерзлотой. Мощность многолетней мерзлоты колеблется от нескольких метров до 600 и более в зависимости от географиче­ского положения, температура - от долей градуса (в подрусловых толщах дна водоемов) до -15°С в северных зонах. Горные породы в толще многолетней мерзлоты (криолитозоне) находятся в мерз­лом или морозном состоянии. К мерзлым породам Н.А. Цытович относит породы с отрицательной температурой, в которой вода хотя бы частично, находится в мерзлом (твердом) состоянии . Морозными породами Цытович называет сухие породы с отрица­тельной температурой. А.В. Марамзин к морозным породам от­носит постоянно мерзлые породы, в которых вся вода находится в жидком состоянии. Морозные породы по своим свойствам не отличаются от немерзлых пород.

В мёрзлых породах различают три вида криогенной тексту­ры: слитную (массивную), слоистую и ячеистую. Слитная тек­стура образуется в раздельнозернистых породах (песчаных, гравелистых) и характеризуется отсутствием прослоев, линз и дру­гих образований. Лед находится в порах породы и прочно цемен­тирует ее. Породы со слитной структурой обладают значитель­ной прочностью, а при оттаивании часто сохраняют прочностные показатели. Временное сопротивление сжатию песков, сцементи­рованных льдом при температуре минус 10°С, достигает 120-150 кг/см². Под действием горного давления возможна ре­лаксация и течение (деформация) породы.

Слоистая и ячеистая текстуры характерны для глинистых пород, особенно их пылеватых разностей. Слоистая структура возникает при одностороннем промораживании сильно переув­лажненных глинистых пород. В мерзлом состоянии такие породы обладают значительной прочностью, а при оттаивании прочност­ные характеристики резко понижаются (в пять и более раз). Мерзлая порода ячеистой структуры при оттаивании также сни­жает прочностные свойства, но в меньшей степени.

Часто сильно увлажненные глинистые мерзлые породы при оттаивании превращаются в разжиженную массу. Но и они при температуре 0,5°С и нагрузке свыше 6-8 кг/см имеют сопротив­ление сдвигу оттаявших пород. Прочность породы с увеличением льдистости понижается. В породах со слоистой структурой, так же, как и в породах со слитной структурой, под действием горно­го давления наблюдается релаксация напряжений.

В мерзлых породах вода присутствует в газообразном, жидком и твердом состояниях. В парообразном состоянии вода присутствует в породах даже при температуре -40°С. В жидком состоянии вода находится при любой отрицательной температу­ре. Прочносвязанная влага не замерзает даже при температуре -186°С. Рыхлосвязанная влага замерзает только при температуре -20°С (для супесей и суглинков) и -30°С (глины). Общее количе­ство незамерзшей воды в мерзлой породе может достигать от 5 до 40-50%.

Влажность (количество незамерзшей воды) Б.Б. Кудряшов рекомендует определять по формуле

где а и в - коэффициенты, зависящие от состава пород (In a = = 0,5519

lnS + 0,2618 In (-в) = 0,264 S + 0,3711, здесь S - удельная поверхность породы м² /г); Т - температура пород °С.

Наряду с мерзлыми породами в зонах вечной мерзлоты могут находиться и талые горные породы - талики. Существо­вание талых пород обусловлено высокой минерализацией грунтовых вод, циркуляцией подземных вод и тепловым воздействием близ расположенных водоемов.

Бурение мерзлых горных пород сопряжено с целым рядом осложнений, связанных с отрицательными температурами и из­менением фазового состояния воды при нулевой температуре:

• замерзание промывочной жидкости на водной основе в скважинах при прекращении ее циркуляции;

• деформация обсадных труб при замерзании промывочной жидкости в затрубном пространстве;

• замерзание воды в цементных смесях при тампонировании, что ведет к некачественному креплению скважин;

• растворение стенок скважин и керна, состоящих из раздельнозернистых и глинистых пород, сцементированных льдом;

• разрушение мерзлой породы (льда) солью, присутствую­щей обычно в промывочных жидкостях для промывки в мерзлых породах;

• растепление мерзлой породы под буровым зданием.

Замерзание промывочной жидкости в скважине, особенно при наличии в ней бурильной колонны, вызывает тяжелейшие последствия. В большинстве случаев ликвидировать такое ос­ложнение не удается и скважина актируется.

Деформация обсадных труб при замерзании промывочной жидкости в затрубном пространстве также может привести к большим осложнениям: если не произвести оперативную замену труб, промывочная жидкость в скважине при ликвидации ослож­нения может замерзнуть. Возможность замерзания воды цемент­ных смесей при тампонировании осложняет процесс тампониро­вания, а в ряде случаев некачественное крепление стенок сква­жин приводит к их обвалам и авариям.

Растепление горных пород стенок скважин под действием промывочной жидкости наиболее частый вид осложнений, кото­рый в большинстве случаев приводит к обрушению стенок сква­жин, их размыванию, что ведет к затяжным авариям.

Растепление мерзлой породы под буровым зданием может привести к его оседанию и перекосу, а следовательно, к искрив­лению скважин или другим осложнениям.

Основные мероприятия для предупреждения рассмотрен­ных осложнений при бурении скважин в мерзлых породах долж­ны быть направлены на соблюдение необходимого теплового режима.