ЗАМОРАЖИВАНИЕ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Бурение скважин в сложных геологических и гидрогеологических условиях, так же как и проходка горных выработок, представляет собой трудную задачу, успешное решение которой требует применения специальных технических средств и технологических методов.
Основные затруднения при бурении скважин в подобных условиях связаны с бурением интервалов, сложенных слабосвязными и неустойчивыми породами, как рыхлыми четвертичными, так и сильнотрещиноватыми, раздробленными и перемятыми коренными, в особенности когда эти породы обводнены или являются зонами поглощения промывочной жидкости. В районах распространения многолетнемерзлых пород наиболее часто осложнения встречаются при бурении немерзлых (таликовых) пород, слагающих над — мерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные зоны геологического разреза. К последним двум таликовым зонам часто приурочены минерализованные водоносные горизонты.
Применение в подобных условиях специальных буровых растворов не всегда приводит к положительным результатам, особенно при наличии в разрезе мерзлых пород и водоносных горизонтов с высокой минерализацией. Обычно основным средством борьбы с обвалами и обрушениями неустойчивых пород, с потерями циркуляции и с водопритоками в скважину остается применение обсадных труб с последующей цементацией или тампонированием затрубного пространства. В СССР и за рубежом наиболее распространенные способы бурения скважин в неустойчивых и обводненных породах (наносные толщи с включением обломочного материала, обводненные пески и плывуны, супеси, слабосце — ментированные песчаники, галечники, набухающие глинистые породы, сильно трещиноватые скальные породы, разнообразные зоны тектонических нарушений, дроблений н пр.) предусматривают обсадку с опережением забоя, бурение с использованием ходовой колонны, комбинированное ударное и вращательное бурение, бурение двойными колоннами бурильных и обсадных труб и другие технологические приемы, связанные с необходимостью усложнения конструкции скважин, установлением в ней большого телескопа обсадных труб. Все это помимо резкого снижения скорости бурения требует значительного увеличения трудовых и материальных затрат, что обусловливает резкое возрастание стоимости буровых работ. Кроме того, при производстве целого ряда исследований (геофизических, геохимических и др.) наличие в скважине колонны обсадных труб, перекрывающей поглощающие, водоносные или неустойчивые горизонты, является нежелательным.
Колонковое бурение в неустойчивых слабосвязных и обводненных породах сопровождается резким снижением выхода и качества керна. Применение в этих условиях малопроизводительного способа бурения «всухую», многочисленных и разнообразных по конструкции колонковых буровых снарядов и грунтоносов далеко не всегда позволяет получить представительные керновые пробы. Это прежде всего относится к отбору керновых проб в сильнооб — водненных слабосвязных породах, в плывунах. Существующие конструкции затворов колонковых снарядов и грунтоносов диаф рагменного, зубчатого, лепесткового, проволочного и других типов не обеспечивают надежного удержания и сохранения в кернопри — емнике образца породы в естественном состоянии.
Одним из перспективных направлений преодоления рассмотренных затруднений при бурении скважин в осложненных условиях является искусственное закрепление и повышение водонепроницаемости буримых слабосвязных неустойчивых горных пород с целью обеспечения их монолитности и устойчивости.
Среди разнообразных новых физико-химических способов повышения механической прочности и снижения проницаемости горных пород искусственное их замораживание еще не получило широкого применения при бурении скважин, но является многообещающим и представляет значительный интерес для решения проблемы бурения скважин в неустойчивых обводненных породах, ликвидации катастрофических поглощений промывочной жидкости в кавернозных и трещиноватых породах, бурения таликовых зон в разрезах, сложенных мерзлыми породами, а также получения высококачественных керновых проб в слабосвязных и несвязных обводненных породах.
Сущность способа бурения с одновременным замораживанием горных пород заключается в том, что при циркуляции в скважине специального низкотемпературного промывочного агрегата — хла — доносителя непосредственно в процессе бурения скважины происходит замерзание содержащейся в горных породах влаги с образованием прочных и непроницаемых ледопородных корок в стенках скважины и керна, а также впереди движущегося забоя.
Образующаяся на стенках скважины и керна ледопородная корка является временным креплением, позволяющим поддерживать устойчивость ствола скважины, предохранять керн от разрушения как в процессе бурения, так и при перерывах между рейсами при спуско-подъемных и других операциях, связанных с остановкой циркуляции. Надежной гарантией создания монолитной, прочной и водонепроницаемой ледопородной корки является опережающее промерзание породы забоя. Глубина опережающего забой промерзания или толщина образующейся в процессе бурения на забое ледопородной корки должна быть достаточной для того, чтобы противостоять избыточному пластовому давлению или избыточному давлению в стволе скважины.
Так как на забое скважины в процессе бурения породы непрерывно обновляются и здесь же концентрируется практически вся теплота, выделяющаяся за счет механической работы породоразрушающего инструмента, создание и непрерывное поддержание впереди подвижного забоя ледопородного слоя, толщина которого удовлетворяет требованиям прочности, является необходимым и достаточным условием обеспечения временного закрепления буримых слабосвязных и обводненных пород [62].
Поскольку скорость промерзания пород в процессе конвективного теплообмена с циркулирующей в зоне забоя и в кольцевом пространстве низкотемпературной промывочной средой — хл а доносителем намного выше, чем скорость протаивания в процессе кон — дуктпвного теплообмена с окружающим массивом горных пород, образующееся в процессе бурения временное ледопородное ограждение может сохраняться относительно долго при перерывах в циркуляции и простоях в бурении. Необходимая в конкретных условиях глубина опережающего промерзания пород забоя определяется как условиями прочности, так и продолжительностью возможных перерывов в бурении или циркуляции хладоносителя.
Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено [23, 24], что при определенном режиме искусственного промораживания как песчаных, так и глинистых грунтов и пород их естественная влажность и структурно-текстурные особенности могут сохраняться без каких-либо существенных изменений. Это позволяет использовать бурение с одновременным замораживанием пород для получения образцов керна с естественной влажностью и ненарушенными структурой и текстурой из рыхлых и несвязных обводненных пород и даже плывунов, что особенно важно при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, при инженерных изысканиях и др.
При проектировании технологического режима бурения с одновременным замораживанием горных пород проводятся теплотехнические и прочностные расчеты для определения необходимой толщины ледопородного ограждения и соответствующей ей глубины опережающего промораживания породы забоя, а потом определяются условия и режимные параметры, при которых заданная глубина промораживания будет обеспечена.