11.6. Искривление скважин в анизотропных горных породах

11. 6. Искривление скважин в анизотропных горных породах

Анизотропия горных пород

Происхождение и строение анизотропных пород

 

Важнейшее влияние на искривление скважин оказывает анизотропия горных пород. Анизотропия (от греч. á nisos – неравный и trό pos - направление) - неодинаковость свойств некоторой среды в разных направлениях.

Анизотропией обладают некоторые природные материалы, в том числе многие кристаллы, дерево, а также искусственные продукты - текстолит, стеклопластик, фанера и другие комбинационные материалы. Анизотропией обладают и многие металлы, которые приобретают ее в процессе ковки, штамповки, прокатки и т. д. Неодинаковость свойств в разных направлениях присуща и целым массивам горных пород, причем эти массивы могут быть сложены из упорядоченных определенным образом анизотропных кристаллов, а могут представлять собой тонкослоистую массу, состоящую из мелких и мельчайших частиц анизотропных и изотропных кристаллов и их обломков.

Выделяется неодинаковость электрических, акустических, тепловых, механических и многих других свойств материалов. С позиций направленного бурения наибольший интерес представляет анизотропия механических и некоторых физико-технических свойств, в частности анизотропия буримости горных пород.

 

 

Анизотропными могут быть любые породы, и именно: магматические, осадочные и метаморфические. При этом анизотропия может быть присуща породам с момента их образования, а может появиться в процессе изменения, чаще всего при динамометаморфизме.

Анизотропия пород внешне может быть оценена через текстуру, то есть совокупность признаков ее строения, выражающих закономерности расположения слагающих ее частей и форму отдельных элементов.

В анизотропных горных породах интенсивность искривления скважин при определенных условиях может быть во много раз больше, чем в изотропных. При этом попытки бороться с искривлением обычными методами, как правило, не приносят положительных результатов.

Это объясняется тем, что процесс искривления формируется на забое скважины при силовом взаимодействии породоразрушающего инструмента и горной породы. Использование жестких удлиненных компоновок низа бурильной колонны для предотвращения искривления малоэффективно, поскольку они имеют малую чувствительность и недостаточно оперативно реагируют на отклонение скважины.

Применение современных раскрепляемых отклонителей позволяет ликвидировать последствия чрезмерного искривления на отдельных отрезках скважины, но поскольку естественное искривление происходит непрерывно, то использовать отклонители нужно слишком часто, а это связано с большими непроизводительными затратами средств и времени и снижением коммерческой скорости бурения скважины.

Анизотропия пород диктует свои условия при направленном бурении скважин. Напрашивается сравнение анизотропии с красивой, но своенравной и капризной женщиной, с которой, как правило, спорить-то бесполезно, даже если она не права. Бесполезно заставить ее что-либо сделать, если она этого не хочет. Однако можно изучить ее привычки, отыскать слабости и, умело этим пользуясь, благополучно с ней уживаться.

В связи с этим представляется более продуктивным изучение процессов, происходящих при искривлении скважин в анизотропных породах, с целью использования этих знаний при проектировании траекторий скважин и создании технологий управления искривлением. Если же создавать технические средства для направленного бурения скважин в анизотропных породах, то эти средства должны быть принципиально новыми и также должны базироваться на знаниях закономерностей взаимодействия породоразрушающего инструмента с горной породой.

2*

Магматические породы образуются при подъеме магмы из земных недр и остывании ее на поверхности или в глубине Земли. Магматические породы могут иметь однородную или директивную текстуру. Если порода на разных участках имела одинаковые условия кристаллизации, то она характеризуется однородной текстурой и изотропией свойств. При этом не наблюдается какой-либо преимущественной ориентировки породообразующих минералов.

Директивные текстуры образуются в магматических породах в том случае, когда в текущей или остывающей магме происходит одинаковая ориентировка минералов, имеющих уплощенную или вытянутую форму, либо происходит образование слоев разного состава. Среди директивных текстур выделяются линейные, трахитоидные, полосчатые и флюидальные. Породы с такими текстурами характеризуются анизотропией свойств, причем степень анизотропии зависит от уровня совершенства текстуры.

 

Рис. 11. 19. Текстуры магматических пород: а - линейная текстура лерцолита, обусловленная субпараллель­ным расположением моноклинального пироксена и более мелких кристаллов оливина; б - трахитоидная текстура нефелинового сиенита за счет субпараллельной ориентировки таблитчатых индивидов полевого шпата и призм щелочного амфибола и эгирина; в - полосчатая текстура крупнозернистого амаскита, обус­ловленная чередованием прослоечков, в большей или меньшей степени обогащенных цветными минералами лепидомеланом и амфиболом; г - флюидальная текстура липаритового порфира; по­лости, образовавшиеся при течении вязкой кислой лавы, запол­нены кристаллизовавшимся в них зернистым кварцем; д - массивная текстура долерита.

 

Линейная текстура (рис. 11. 19, а) может наблюдаться в горных породах, включающих призматические минералы (пироксены и амфиболы), если они ориентируются своими длинными осями в направлении движения магмы. Такие текстуры свойственны габбро-амфиболитам, диабазам, ортоамфиболитам и другим породам.

Трахитоидная текстура появляется при расположении уплощенных и таблитчатых минералов в субпараллельных плоскостях, называемых плоскостями трахитоидности, расположение которых обычно контролируется направлением движения потока магмы. Основная масса таких пород по внешнему виду напоминает картину, наблюдаемую при сплаве леса. На рис. 11. 19, б изображен нефелиновый сиенит, обладающий трахитоидной текстурой, близкой к совершенной. Подобными текстурами могут обладать трахитоидные габбро, порфировидные граниты, диорит-порфириты, амфиболовые сиениты, трахиты и другие породы.

Полосчатая текстура характеризуется чередованием в горной породе субпараллельно расположенных полос или слоев разного состава и структуры, образованных направленным движением охлаждающейся магмы (рис. 11. 19, в). Полосчатая текстура часто наблюдается в миаскитах, гнейсовидных рисчорритах, габбро-лабра­доритах, долеритах.

Флюидальная текстура характеризуется наличием очень мелких игольчатых и пластинчатых кристаллов, включенных в вулканическое стекло и ориентированных длинной стороной в определенном направлении, обычно вдоль направления движения лавы (рис. 11. 19, г), например в дацитовых и липаритовых порфирах, обсидианах.

Массивными текстурами часто обладают долериты (рис. 11. 19, д), базальты, диориты и другие горные породы, которые не затронуты динамометаморфизмом.

Анизотропия осадочных пород

Осадочные породы образуются за счет разрушения материнских пород, переноса продуктов разрушения и образования осадков. Осадок за счет внутренней энергии и ресурсов постепенно превращается в плотную, а часто и в сцементированную породу. Попадая на большие глубины, осадочные породы изменяются и превращаются сначала в метаморфизованные осадочные породы - глинистые и другие сланцы, песчаники и т. д., - а затем в метаморфические породы - кристаллические сланцы, гнейсы и др.

К числу важнейших первичных текстур осадочных пород относятся все проявления слоистости. Слоистость образуется благодаря обособлению слоев различной толщины или согласованной ориентировке отдельных компонентов породы.

Различаются следующие три основные формы слоистости: собственно слоистость, слойчатость и слоеватость.

Собственно слоистость выражается в образовании индивидуальных слоев, которые обособляются друг от друга или вследствие различия в составе, или благодаря наличию слоевых швов, являющихся следствием пауз в осадконакоплении.

Слойчатость - это внутренняя текстура слоев, результат захоронения поверхностных текстур, микрорельефа дна. Слойчатость порождается более или менее ритмичными колебаниями интенсивности тех или иных факторов осадконакопления, в результате чего возникают первоначально горизонтальные или наклонные слойки.

Слоеватость - это слабая форма развития слоистости, которая характеризуется ориентированностью части или большинства уплощенных частиц породы, не приводящей к возникновению слойков. Слоеватость иначе называют пунктирной или прерывистой слоистостью. Если слоеватость характеризуется одинаковой ориентировкой основных или часто встречающихся и достаточно равномерно распределенных компонентов породы, то она называется сильно выраженной или сплошной.

Слоистую, слойчатую и слоеватую текстуру (рис. 11. 20, а, б) часто имеют аргиллиты, алевролиты и их туфы, алевритовые гидрослюдистые глины и другие породы осадочного комплекса. Как видно из условий формирования осадочных пород, они не могут рассматриваться как тела, сложенные определенным образом ориентированными анизотропными кристаллами. Однако и первичные осадочные породы обладают в массиве анизотропными свойствами, как и любой другой слоеный материал. Физическая природа анизотропии осадочных пород существенно отличается от анизотропии свойств, например, магматических пород и не может объясняться особенностями упаковки единичного кристалла вытянутой формы.

 

Рис. 11. 20. Текстуры осадочных пород: а - первичная линзовидно-слоистая текстура, возникшая в ре­зультате собирательной кристаллизации; б - слоевая текстура кварцево-грауваккового песчаника зоны глубокого метагенеза; в - массивная текстура мелкозернистого кварцевого песчаника с контактовым кварцевым цементом и участками бес­цементного сочленения зерен.

 

Анизотропия метаморфических пород

Наибольший интерес с позиции анизотропии свойств представляют собой метаморфические горные породы, т. е. породы, образованные в результате преобразования каких-либо исходных массивов под воздействием температуры, давления и химической активности растворов. Этот процесс может сопровождаться изменением химического состава породы, нарушением имеющихся и созданием новых текстур и структур. К числу главных видов метаморфических пород относятся различные сланцы (глинистые, филлитовые, кристаллические), гнейсы, амфиболиты, мигматиты, кварциты, роговики, мраморы и др.

Текстуры метаморфических пород подразделяются на следующие три группы: такситовые, остаточные и массивные. Такситовые текстуры включают группу ориентированных текстур, которые можно условно разделить на линейно-параллельные и плоскопараллельные. К плоскопараллельным могут быть отнесены полосчатые или слоистые текстуры, а также сланцеватые или пластинчатые. К линейно-параллельным относятся линейные или вытянутые, а также стебельчатые, или карандашные текстуры. Линзовая или свилеватая текстура в зависимости от формы линз и степени совершенства может относиться к одной или другой из названных уже групп текстур.

Полосчатые текстуры (рис. 11. 21, а) характеризуются чередованием полос или слоев различного состава, структуры, цвета и т. д. Полосчатые текстуры могут иметь биотитовые филлиты, слюдяные микросланцы, кварц-серицитовые микросланцы, биотит-силли­мо­нит-плагиоклазовые сланцы и другие породы.

Сланцеватые текстуры образуются в тех случаях, когда в горных породах параллельно сланцеватости располагаются пластинчатые или чешуйчатые минералы. На рис. 11. 21, б сопоставлены два разно ориентированных разреза одной и той же породы - кварц-биотитового сланца: слева - перпендикулярно сланцеватости и справа - параллельно сланцеватости. В первом случае отчетливо видна сланцеватая текстура, совершенно незаметная во втором случае. Сланцеватую текстуру могут иметь слюдяно-плагиокла­зовые гнейсы, слюдяные сланцы, серицитовые песчаники и другие породы.

 

Рис. 11. 21. Плоскопараллельные текстуры метаморфических пород: а - тонкослоистая текстура в магнетитовом микрокварците. Прослойки магнетита в кварце различного состава и структуры имеют мощность 1-2 мм и меньше;

б - сланцевая текстура кварц-биотитового сланца, состоящего из биотита, кварца и единич­ных зерен рудного минерала (слева –

 перпендикулярно к сланце­ватости, справа –

 параллельно сланцеватости)

 

Стебельчатые текстуры (рис. 11. 22, а) образуются в том случае, когда некоторые минералы (обычно это кварц и полевой шпат) составляют агрегаты, имеющие удлиненную форму в виде стержня или карандаша. Такую текстуру могут иметь некоторые разновидности гнейсов, кварцитов и других пород.

 

 

Рис. 11. 22. Линейно-параллельные текстуры метаморфических пород: а - стебельчатая текстура кварцита. Тонко размолотая основная ткань цементирует удлиненные агрегаты зерен кварца и от­дельные зерна кварца; б - линейная текстура антофиллитового кристаллического сланца, состоящего из преобладающих изомет­рических зерен кварца и тонких длиннопризматических субпарал­лельно ориентированных зе

                                                                   рен антофиллита

Линейные текстуры (рис. 11. 22, б) обусловлены наличием в метаморфитах субпараллельно расположенных удлиненных минералов, таких как волокнистая роговая обманка, силлиманит, дистен, кордиерит, актинолит. Линейные текстуры встречаются у кордиерит-антифоллитовых кристаллических сланцев, актинолитовых, серицит-турмалиновых сланцев, амфиболитов и других пород.

Линзовые текстуры (рис. 11. 23, а) образуются в тех случаях, когда на фоне основной ткани выделяются крупные линзовидные кристаллы, чаще всего представленные полевыми шпатами. Линзовые текстуры свойственны тремолит-тальк-хлоритовым, эпидот-альбит-амфиболовым сланцам и некоторым другим породам.

 

 

Рис. 11. 23. Сложные текстуры метаморфических пород: а - линзовая и сланцевая текстура тремолит-тальк-хлоритового сланца; б - поперечно-сланцевая текстура биотито­вого микросланца (филлита); в - продольно-сланцевая текстура слоистого оттрелит-мусковит-кварцевого сланца

 

При исследовании метаморфических пород необходимо уделять особое внимание характеру взаиморасположения разных ориентированных плоскостей или направлений, поскольку анизотропные свойства пород, а соответственно и закономерности естественного искривления скважин, тесно связаны с этим. Ориентировка этих плоскостей или направлений в пространстве может совпадать или не совпадать.

Так, на рис. 11. 23, б изображена поперечно-сланцеватая текстура биотитового микросланца. Порода состоит из мельчайших чешуек биотита с примесью хлорита, небольшого количества мельчайших зернышек кварца и микрозернистого рудного материала. Чередование слюдяных прослоев и прерывистых прослоечков рудного минерала создает слоистую текстуру. Четко выраженное взаимное параллельное расположение листочков слюды, ориентированное поперек слоистости, обусловливает поперечно-сланцеватую текстуру породы.

На рис. 11. 23, в приведена продольно-сланцеватая текстура ставролит-мусковит-кварцевого слоистого сланца. Текстура породы сланцеватая (благодаря ориентированному расположению мусковита и ставролита) и слоистая, так как в породе наблюдаются почти чисто кварцевые прослои. Таким образом, эта текстура совмещает в себе одновременно признаки двух разных параллельных текстур.

Плойчатые текстуры возникают по сланцеватым текстурам, когда в породах развивается мелкая складчатость.

Рис. 11. 24. Массивная текстура андрадит-салит-битовнитового роговика

Нередко в метаморфических породах наблюдаются остаточные текстуры. Это в первую очередь касается полосчатых и сланцеватых текстур, которые часто развиваются вдоль видимой и скрытой первичной сланцеватости. В таких случаях метаморфизм вызывает усиление слоистой текстуры осадочных пород, увеличивая степень ее анизотропии. Однако необходимо помнить, что в процессе изменения пород степень анизотропии может не только увеличиваться, но и уменьшаться. Например, преобразование роговой обманки в биотит и далее в мусковит приводит к увеличению степени сланцеватости первичной породы. Последующий процесс метасоматической гранитизации может привести к размягчению метасоматической массы, к стиранию сланцеватости и возникновению массивных гранитоидов.

Массивные текстуры (рис. 11. 24) свойственны изотропным породам и образуются в условиях, когда метаморфизм на всех участках исходной горной породы был одинаковым, не сопровождался кристаллизационной сланцеватостью и когда исходные породы имели однородные текстуры. Массивные текстуры свойственны известковым скарнам, роговикам, метасоматическим гранитоидам и некоторым другим породам.

 

 

Кливаж анизотропных горных пород (на примере Таштагольского железорудного месторождения Горной Шории)

 

В метаморфических и метаморфизованных горных породах часто наблюдается кливаж. Кливаж - это густая сеть параллельных поверхностей с ослабленными в результате пластической деформации связями между частицами породы (без нарушения сплошности), по которым порода может раскалываться на очень тонкие пластинки. Кливаж хорошо прослеживается во многих породах, испытавших сжатие (при складчатости) или общий раскол. По поверхностям кливажа течения происходит ориентация отдельных частиц горной породы, обусловливающих анизотропию свойств. Обычно кливаж развивается параллельно основной структуре месторождения, но в некоторых случаях возникает веерообразный кливаж, сходящийся в направлении замка складки.

Наиболее опасен при направленном бурении скважин кливаж в том случае, когда он не совпадает с напластованием пород (сечет напластование). Это может наблюдаться в случае веерообразного кливажа либо тогда, когда кливаж подчиняется структуре более высокого порядка. В подобных ситуациях направленное бурение скважин осложняется в связи с тем, что разведочные линии проектируются вкрест простирания рудных тел, а скважины в процессе бурения отклоняются от этого направления, разворачиваясь по азимуту обычно в направлении, нормальном к линии простирания плоскости кливажа, поскольку плоскость кливажа (течения) связана с анизотропией массива пород, а нормаль к этой плоскости считается линией наименьшего сопротивления породы разрушению.

Кроме того, в зависимости от геологических условий на одном и том же месторождении могут быть выделены участки кливажированных и некливажированных пород. Причем, разную степень кливажированности могут иметь породы одного и того же наименования, одинаковые по составу. Проиллюстрируем эти положения на примере геологических особенностей Таштагольского железорудного месторождения.

Горные породы Таштагольского месторождения претерпели кливажированность в разной степени. Причем породы одного генезиса и состава в некоторых случаях существенно отличаются друг от друга по этому показателю. Например, известняки отличаются весьма выдержанными плоскостями делимости с гладкой поверхностью, способной к отражению света. Известняки, отобранные с такой же глубины из разведочного квершлага, характеризуются невыдержанными плоскостями делимости с шероховатыми поверхностями.

Магматические и пирокластические породы, как и осадочные, претерпели кливаж в различной степени. Например, туфы трахитового порфира обладают четкой сланцеватостью, плоскости делимости характеризуются гладкой поверхностью, выдержаны. Породы такого же состава отличаются отсутствием кливажа, плоскости скола весьма неровные с шероховатыми поверхностями.

В осадочных породах отмечается разнообразное сочетание направлений слоистости и кливажа. По алевролитам, слоистость которых образована чередованием темно- и светло-серого материала, хорошо развита система параллельных относительно слоистости поверхностей делимости или секущих ее под небольшим углом. В то же время кливаж может пересекаться со слоистостью горных пород под углами до 90° включительно. Показательным в данном контексте считается мелкозернистый тонкослоистый туфопесчаник (рис. 11. 25), слоистость которого выражается изменением величины зерен и цветом переслаивающего материала, претерпевшего кливаж. Слоистость и плоскость делимости кливажа на срезе, параллельном простиранию, пересекаются под углом, близким к 45°. Причем, чем особенно интересен этот образец, песчанистый материал линзовидной формы ориентирован своей длинной осью не по слоистости, а параллельно плоскости делимости.

Рис. 11. 25. Кливаж пересекает слоистость в известковистом туро-фопесчанике под углом 45°; песчанистый материал линзовидной формы ориентирован параллельно плоскости делимости

Приведенные материалы убедительно демонстрируют сложности, которые могут появиться перед исследователем закономерностей естественного искривления скважин на месторождении сложного строения с неравномерно распределенным и меняющим направление кливажом течения. В такой ситуации неглубокое изучение вопроса может поставить исследователя в тупик, сформировав убежденность в отсутствии закономерностей искривления на месторождении и подорвать веру в возможность вообще разобраться с этим вопросом. И только тщательное изучение особенностей геологических структур месторождения, сопровождаемое отбором и исследованием образцов ориентированного керна, позволяет вскрыть закономерности распространения плоскостей анизотропии массивов пород и обусловленные ими преимущественные направления движения буровых скважин.

Покажем, как выглядит под микроскопом изотропная и анизотропная породы одного и того же наименования и состава, имеющие разные текстуру и структуру. На рис. 11. 26, а представлен туф трахитового порфирита псаммитовой структуры массивной текстуры. Порода сильно хлоритизирована, карбонатизирована и окварцована. Обломки представлены довольно крупными выделениями плагиоклаза, эффузивами, основная масса которых полностью замещена хлоритом, кварцем и карбонатами. Ориентировка минералов относительно какого-либо направления отсутствует, порода имеет изотропные свойства.

Рис. 11. 26. Туф трахитового порфирита: а - массивной текстуры, ув. 70, Ник. +; б - сланцеватой текстуры, ув. 70, Ник. +

 

На рис. 11. 26, б также представлен туф трахитового порфирита, отобранный, как и предыдущий, на Таштагольском железорудном месторождении. Порода характеризуется лепидогранобластовой структурой и сланцеватой текстурой и сложена в основном карбонатом, серицитом. Сеть тончайших субгоризонтальных полосок, пронизывающих весь образец, считается признаком наличия сланцеватости.

Карбонат и серицит, имеющие слабо асимметричную форму, вытянуты вдоль следов плоскостей сланцеватости. Порода имеет ярко выраженные анизотропные свойства.

Горная порода всегда представляет собой уникальное образование, которое не поддается физическому моделированию и математической формализации. Поэтому и процесс познания результатов взаимодействия породоразрушающего инструмента с горной породой чрезвычайно сложен и должен опираться на обширные эмпирические материалы, творчески осмысливаемые и интерпретируемые исследователем.

Приведем пример, иллюстрирующий всю сложность направленного бурения скважин в анизотропных породах и всю пагубность недооценки необходимости выявления закономерностей естественного искривления скважин.

Северо-западный участок Таштагольского месторождения в геологическом отношении представлен частью крупной антиклинальной складки, к крыльям и периклинальному окончанию которой приурочены линзообразные тела магнетитов. В связи с принятым положением о необходимости пересечения рудных тел по линии минимальной мощности на участке соответствующим образом ориентировались геологические разрезы, и скважины имели начальные азимуты заложения от 80º до 280°. Искривление скважин по азимуту на северо-западном участке было весьма интенсивным, особенно в периклинальном окончании складки. Многие скважины в этой части, практически на всей их протяженности приходилось удерживать на траектории с использованием специальных технических средств. Несмотря на принимаемые меры, некоторые скважины из-за чрезмерного азимутального искривления не были пробурены до проектной глубины или не выполнили геологическое задание, например скв. №382, №382-а (рис. 11. 27). Скважина 382 на глубине 1220 м развернулась параллельно рудному телу, несмотря на все усилия удержать ее на заданном азимуте. Поскольку на такой глубине вести работы по искусственному искривлению было практически невозможно, на глубине около 400 метров был забурен второй ствол. Однако и этот ствол на глубине 1320 м развернулся параллельно рудному телу и также не выполнил геологическое задание, хотя на каждом из стволов было сделано по 25-30 постановок отклонителей.

В связи с этим возникла необходимость тщательного изучения закономерностей азимутального искривления, которое и было выполнено при участии автора с использованием разработанного им статистического метода определения оптимальных азимутов скважин.

Исследования показали, что скважины тяготеют к азимутам 90º, 180º и 270º. Это особенно хорошо иллюстрируют оба ствола скважины №389. С использованием раскрепляемых отклонителей скважину стремились удержать по азимуту 235º, осуществляя для этого десятки постановок, однако она «упорно» разворачивалась либо по азимуту 180º, либо 270º.

 

Это позволило предположить, что на их искривление оказывают влияние какие-то ориентированные геологические структуры, характеризующиеся анизотропными свойствами горных пород.

Для проверки этой гипотезы была изучена геологическая документация месторождения и проведены работы в горных выработках по определению элементов залегания горных пород и отбору образцов, ориентированных в пространстве. При этом из квершлага на глубине 600 м было отобрано более 50 ориентированных образцов горных пород. Выдвинутое предположение о наличии ориентированной структуры на участке подтвердилось. Было определено, что складка рассечена системой параллельных трещин, характеризующихся ориентировкой минералов (кливаж осевой плоскости) по азимуту, близкому к 180°. Поэтому скважины стремились выйти на линию наименьшего сопротивления, имеющую широтное простирание, несмотря на все усилия вывести их траектории под острым углом к этой линии.

Проведенные исследования позволили выявить общие закономерности азимутального искривления скважин месторождения, объяснить причины катастрофического искривления некоторых конкретных скважин, пробуренных в периклинальном замыкании складки, и дать рекомендации об их рациональном заложении.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: