Искривление скважин в анизотропных горных породах

Приведены результаты теоретических, экспериментальных работ по исследованию механики разрушения анизотропных горных пород при бурении скважин. Описана 
аналитическая модель процесса естественного искривления скважин. На основе положений разработанной теории искривления скважин предложены новые буровые 
инструменты и конструкции технических средств для снижения интенсивности естественного искривления скважин в анизотропных горных породах. 

В. В. Нескоромных

ИСКРИВЛЕНИЕ СКВАЖИН  
В АНИЗОТРОПНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ

‒ 1 ‒ 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. В. Нескоромных 
 
 
ИСКРИВЛЕНИЕ СКВАЖИН  
В АНИЗОТРОПНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2017  

‒ 2 ‒ 

УДК 622.243.27 
ББК 33.131.066 
Н552 
 
Рецензенты: 
А. Г. Вахромеев, доктор геолого-минералогических наук, заведующий 
геологическим отделом ООО «РН-Бурение»; 
П. С. Пушмин, кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело» Иркутского национального исследовательского технического 
университета  
 
 
Нескоромных, В. В. 
Н552  
Искривление скважин в анизотропных горных породах : монография / В. В. Нескоромных. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2017. – 
204 с. 
 
ISBN 978-5-7638-3637-0 
 
 
Приведены результаты теоретических, экспериментальных работ по исследованию механики разрушения анизотропных горных пород при бурении  
скважин. Описана аналитическая модель процесса естественного искривления 
скважин. На основе положений разработанной теории искривления скважин 
предложены новые буровые инструменты и конструкции технических средств 
для снижения интенсивности естественного искривления скважин в анизотропных горных породах. 
Предназначена для инженерно-технических работников, занятых бурением 
скважин и разработкой новых технологий и технических средств для бурения.  
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
 
 
 
 
 
   УДК 622.243.27 
http://catalog.sfu-kras.ru  
 
 
 
 
 
 
   ББК 33.131.066 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3637-0 
 
 
© Сибирский федеральный университет, 2017 
 
 

 

‒ 3 ‒ 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Породоразрушающее воздействие на анизотропные горные породы 
характеризуется неравномерностью напряжений и деформаций в различных точках, что при бурении создает условия для естественного искривления скважин, формирования стволов некруглого сечения, разрушения и заклинивания керна.  
Анизотропия горных пород существенно влияет на механическую 
скорость и другие показатели бурения при пересечении толщи пород под 
различными углами к слоистости или сланцеватости.  
Таким образом, при бурении анизотропных горных пород наблюдается снижение показателей бурения, прежде всего разведочного, для которого важнейшими составляющими геологического задания является высокий выход кернового материала и проводка скважины по заданной траектории с подсечением рудных залежей в достаточно узких пределах возможных отклонений. 
Значительная часть горных пород – осадочных, метаморфизованных 
и магматических, являются анизотропными, а исследование процессов их 
разрушения, прежде всего применительно к проблеме направленного бурения, стало актуальной и продуктивной задачей. 
В монографии представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований механизма разрушения анизотропной горной 
породы, а также разработки технических средств для проходки скважин 
заданного направления этих породах, выполненные в разные годы.  

‒ 4 ‒ 

Глава 1 
ИССЛЕДОВАНИЕ  ПРОЦЕССА  РАЗРУШЕНИЯ 
АНИЗОТРОПНЫХ  ГОРНЫХ  ПОРОД   
ПРИ  ВРАЩАТЕЛЬНОМ  БУРЕНИИ  СКВАЖИН   
ЗАДАННОГО  НАПРАВЛЕНИЯ 
 
 
 
1.1. Характеристика горных пород,  
обладающих анизотропией физико-механических свойств 
 
 
К основным геологическим условиям, влияющим на искривление 
скважин, относят слоистость, сланцеватость, флюидальность, ориентированное расположение в породе кристаллов отдельных минералов, трещиноватость, пористость, перемежаемость слоев различной твердости, зоны 
дробления, разломы, пустоты, твердые включения. 
Горные породы по специфике влияния на направление скважин подразделяются на относительно изотропные, анизотропные, перемежающиеся по твердости. 
Изотропные горные породы не оказывают какого-либо решающего 
влияния на искривление скважин, а механизм искривления определяется  
в основном действием буровых технических и технологических факторов. 
Это чаще всего породы осадочного и магматического происхождения. Для 
изотропных горных пород характерно равенство параметров физикомеханических свойств во всех направлениях. 
Большинство горных пород в результате горного давления, температуры и процессов складкообразования подвергаются тем или иным изменениям. В процессе образования и последующего преобразования они становятся неоднородными, кристаллизуются, приобретают сланцеватость, 
кливаж, трещиноватость. Такие породы являются анизотропными, с ярко 
выраженной неоднородностью физико-механичесикх свойств. 
Анизотропия (от греч. anios – неравный и tropos – свойство) –  
неодинаковость физических свойств (теплопроводность, скорость прохождения упругих волн, твердость и буримость) горных пород (иных твердых 
тел) по различным направлениям. 
Анизотропией обладают некоторые природные материалы, в том 
числе многие кристаллы, древесина, а также продукты человеческой деятельности. Металлы, например, подобно горным породам, испытывают 
напряжения и действие температур при ковке, штамповке, прокатке,  
поверхностном упрочнении и др. 

 

‒ 5 ‒ 

Анизотропными могут быть любые породы: магматические, осадочные или метаморфические. При этом анизотропия бывает присуща породам с момента их образования (генетическая анизотропия), а может  
появиться в процессе изменения, чаще всего при динамометаморфизме 
(тектоническая анизотропия). 
Анизотропию магматических горных пород, равно как и других пород, внешне можно оценить через текстуру. 
Текстура (от лат. textura – ткань, строение) – характеристика степени 
и особенностей неоднородности горных пород, проявляющихся в форме, 
взаимном расположении и ориентировке минеральных агрегатов. 
Магматические породы образуются при подъеме магмы из недр Земли и остывании на её поверхности или в глубине. 
Они могут иметь однородную или директивную текстуру. Если порода на различных 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, если в текущей или остывающей магме происходит одинаковая 
ориентировка минералов, имеющих уплощенную или вытянутую форму,  
а также образование слоев различного состава. Ориентировка кристаллов 
магнитных минералов происходит под влиянием магнитного поля Земли. 
Известно, что упорядочиванию магнитных моментов подвержены даже 
изометрические зерна кристаллов.  
Среди директивных текстур выделяются линейные, трахитоидные, 
полосчатые и флюидальные. Породы, обладающие этими текстурами, как 
правило, характеризуются анизотропией свойств. 
Линейная текстура может наблюдаться в горных породах, включающих призматические минералы, если они ориентированы своими длинными осями в направлении движения магмы. 
Трахитоидная текстура появляется при концентрации уплощенных  
и таблитчатых минералов в субпараллельных плоскостях, называемых 
плоскостями трахитоидности, расположение которых обычно задается 
направлением движения потока магмы. 
Полосчатая текстура характеризуется чередованием в горной породе 
субпараллельно расположенных полос или слоев различного состава и структуры, образованных направленным движением охлаждающейся магмы. 
Флюидальная текстура (рис. 1.1) – текстура изверженной породы, 
сформированная в процессе отверждения движущейся жидкой лавы, характеризуется наличием очень мелких игольчатых и пластинчатых кристаллов, 
включенных в вулканическое стекло и ориентированных длинной стороной 
в определенном направлении, обычно вдоль направления движения лавы. 

‒ 6 ‒ 

     
 
 
Рис. 1.1. Спекшийся туф  
с заполнением трещин гидроокислом железа по плоскостям 
 
 
Осадочные породы образуются за счет разрушения материнских 
(уже существующих) пород, переноса продуктов разрушения и появления 
осадков. Осадок постепенно превращается в плотную, а часто и сцементированную породу. Попадая на глубокие подземные горизонты, осадочные 
породы изменяются и превращаются сначала в метаморфизованные осадочные породы (глинистые и другие сланцы, песчаники, кварциты), а затем в метаморфические (кристаллические сланцы, гнейсы и др.). 
К числу важнейших первичных текстур осадочных пород относятся 
все проявления слоистости. 
Слоистость – строение горных пород в виде налегающих один на 
другой слоёв, различающихся минеральным составом, цветом, особенностями слагающих породы частиц и другими признаками. 
По положению залегающих слоев слоистость может быть горизонтальной, косой, 
изогнутой, комплексной и др.  
Слоистость (рис. 1.2) образуется благодаря обособлению слоев различной толщины и плотности, что связано с изменением 
режима осадконакоплений, со сменой времени года, климата, других природных условий 
осадконакопления, 
например 
изменением 
глубины водоема. 
Метаморфические горные породы возникают в результате преобразования горных пород под воздействием температуры, горного давления  
и химической активности минерализованных растворов. Процессы метаморфизма часто сопровождаются изменением химического состава пород, 
нарушением имеющихся и созданием новых текстур и структур. К числу 
главных видов метаморфических пород относятся различные сланцы (глинистые, кристаллические и др.), гнейсы, мраморы, магматиты, кварциты, 
роговики и др. 

 
Рис. 1.2. Слоистый песчаник 

 

‒ 7 ‒ 

Наиболее анизотропны метаморфические горные породы с полосчатой и сланцеватой текстурой.  
Процессы метаморфизма вызывают усиление слоистой текстуры 
осадочных пород, увеличивая степень их анизотропии. В других случаях 
анизотропия метаморфизованных пород связана с рассланцеванием и появлением чешуйчатых, листоватых, пластинчатых минералов, а также 
удлиненной формы, расположенных субпараллельно. 
Можно, например, наблюдать упорядоченную ориентировку удлиненных кристаллов в одних и хаотичное расположение в других образцах 
байкальских мраморов. При этом в первом случае отмечалась значительная анизотропия прочностных свойств мрамора, а во втором – порода была 
практически изотропна, что получило отражение в форме окатывания этих 
образцов в горной реке: один имел форму эллипсоида вращения, вытянутого длинной осью в направлении наклона удлиненных кристаллов, другой – 
практически идеального шара [23]. 
В метаморфических породах часто наблюдаются сланцеватость  
и кливаж. Эти два структурных элемента почти всегда являются верными 
признаками анизотропии горных пород. 
Сланцеватость – способность горных пород относительно легко 
раскалываться при ударе параллельно определенной плоскости. Слоистость возникает в результате укладки плоских минералов субпараллельно. 
При этом образуются плоскости делимости. 
Кливаж (от франц. clivage – расслаивание, расщепление) – сеть параллельных поверхностей с ослабленными в результате пластической  
деформации связями между частицами породы, по которым она может 
раскалываться на тонкие пластины.  
Кливаж хорошо прослеживается в породах, испытавших сжатие при 
образовании горной складки, и может развиваться параллельно основной 
структуре месторождения. В некоторых случаях возникает веерообразный 
кливаж по отношению к замку складки. Степень кливажирования горных 
пород определяет их анизотропию, а направление кливажа – возможное 
направление естественного искривления проектируемых скважин [15]. 
Крайне не удобен с позиции направленного бурения скважин кливаж  
в том случае, если он сечет напластование под каким-либо углом (веерное 
 распространение кливажа в областях, близких к замкам складки). В подобных 
случаях направленное бурение осложняется тем, что скважины проектируются 
вкрест простирания слоев породы и рудного тела, а направлением естественного их искривления будет направление, совпадающее с направлением вкрест 
простирания кливажа и не совпадающее с проектным направлением [15]. 
Показатели анизотропии различных горных пород могут варьировать 
в пределах от 1,05 (слабая анизотропия) до 1,25 (средняя) и 1,8–2,0 (сильная анизотропия горных пород). 

‒ 8 ‒ 

Работы по определению степени анизотропии горных пород Лениногорского рудного района (Казахстан), выполненные В. Д. Ларионовым, показали, что анизотропия по твердости максимальна в вулканогенных туфах-туффитах, 
когда 
показатель 
анизотропии 
Кт 
= 
1,22–1,83,  
а средняя и наименьшая – в осадочных при Кт = 1,17–1,27 и магматических 
породах при Кт = 1,06–1,08 [28, 41]. 
Анизотропия горных пород может существенно отличаться в зависимости от степени их метаморфизма. На основании выполненных Л. В. Близнецом исследований анизотропии пород, подвергшихся метаморфизму 
разной степени, установлено, что все показатели анизотропии (по твердости, упругости) этих групп пород (по степени метаморфизма) в направлении вдоль напластования превышают аналогичные в направлении, перпендикулярном к напластованию в 1,15–1,5 раза. Коэффициенты анизотропии полностью соответствуют изменению прочностных свойств одних 
и тех же пород, подвергшихся разной степени метаморфизма [28, 41]. 
Большое значение имеет также анизотропия за счет порового пространства, соответствующая, как правило, внешней анизотропии кристаллов, то есть это пористость, ориентированная в направлении слоистости, 
сланцеватости, флюидальности и др.  
Ориентировка пористости вдоль текстурных элементов породы 
определяет её повышенную деформируемость в направлении перпендикулярно слоистости, сланцеватости и таким образом может влиять на процессы разрушения анизотропной породы, определяя степень неравномерности и асимметрию объемов деформации и скалывания. Проникновение 
бурового раствора в направлении пористости (слоистости) также существенно влияет на эффективность разрушения породы, что обусловливает 
некоторую асимметрию породоразрушающего воздействия бурового инструмента на породу при бурении. 
Величина пористости тесно связана с вещественным составом горных пород, размерами, формой и упаковкой зёрен породы. В осадочных породах пористость может достигать 35 % объема породы, в вулканогенно- 
осадочных (туфопесчаники, туффиты) и метаморфических – 5–20 %,  
в магматических – не более 5 %. 
Упругопластическое деформирование породы – изначальный  
и непременный акт её разрушения. Строение анизотропной горной породы, а также иные особенности, например форма кристаллов минералов, слагающих её каркас, определяют особенности деформационных 
процессов. 
При деформировании породы в направлении перпендикулярно  
к плоскости слоистости (сланцеватости) суммарная податливость контактов входит в общую деформацию образца. При большем количестве первичных прослойков эта деформация значительна, а модуль упругости Е┴, 

 

‒ 9 ‒ 

рассчитанный как соотношение усилия и деформации, будет существенно 
ниже, чем при деформации образцов массивной структуры. 
При деформации породы в направлении, параллельном слоистости 
(сланцеватости), усилия развиваются вдоль слоев, зоны контактов в этом 
случае не участвуют в деформировании и жесткость образца определяется 
работой на сопротивление более прочных слоев, у которых модуль упругости выше, чем у мягких слоев, заключенных между ними. 
Сказанное выше целесообразно проиллюстрировать механическими 
моделями основных типов анизотропии горных пород. Так, например, 
транстропные горные породы, обладающие плоскостью изотропии, могут 
соответствовать модели в виде плоских жестких и упругих пластин, соединенных в плоскопараллельную структуру при помощи пружин равной и неравной жесткости (С1, С2, С3 на рис. 1.3, а). Такие породы обладают равными значениями параметров прочности, упругости, деформируемости или 
буримости в направлении осей OY и OZ. В направлении же оси OX параметры прочности или упругости, как правило, ниже, а буримость и деформируемость будут соответственно выше, чем в направлении осей OY и OZ, поскольку податливость образца в данном случае определяется возможностью 
деформирования пружин, которые моделируют более мягкие податливые 
слои. Для таких пород поверхность прочности чаще всего близка к поверхности эллипсоида или параболоида вращения. Подобный тип анизотропии 
связан в основном с осадочными горными породами, в которых закономерное чередование различных по составу или размеру зерен обычно плоских 
слоев обусловлено изменением условий формирования породы. 
Породы ортогональной анизотропии, обладающие тремя плоскостями 
симметрии, представляются уже более сложными (рис. 1.3, б), поскольку податливо-упругие связи в виде пружин появляются также и в плоскости жестких пластин или брусков. При этом возможны различные варианты моделирования анизотропной породы за счет варьирования ширины (а) и толщины 
(в) пластин и соотношения жесткости пружин. В данном случае во всех трех 
направлениях в соответствии с координатными осями будут отмечены различные прочностные, упругие и деформационные характеристики. Породы  
с подобным типом анизотропии формируются под действием полей: магнитных, тепловых и напряжений. Исходный материал, подвергающийся внешним воздействиям, может быть изотропным, тогда воздействие полей приводит к образованию текстур, а в анизотропной породе оно может привести  
к изменению текстуры, ее перестройке. Текстуры подобного типа имеют широкое распространение в метаморфических горных породах, возникающих 
при динамометаморфизме – процессе, характерном для зон интенсивной 
складчатости. Известно, например, что даже изверженные породы способны 
течь в процессе деформации, образуя текстуры и структуры с линейной, 
плоскостной или линейно-плоскостной ориентировкой кристаллов.