Устойчивые свойства (определенную плотность, пористость, влажность, запас упругой энергии) породы приобретают в условиях всестороннего сжатия, когда, кроме сил тяжести (гидростатического давления), большое влияние оказывают тектонические силы, метаморфизм и т. д. После вскрытия пласта (горного массива) на контуре скважины образуется локальное силовое поле, где породы могут использовать всю гамму деформаций от вязкого пластичного течения до хрупкого разрушения; в первом случае наблюдается сужение ствола, во втором – кавернообразование. Эти деформации – предельная форма проявления горного давления. Ствол скв. СГ-3 Кольской можно рассматривать как модель разрушения хрупких стенок скважин. С глубиной возрастает некомпенсированное гидростатическое горное давление, связанное с большим влиянием тектонических сил. Протяженность ствола без каверн овальной формы с ростом глубины уменьшается, а с кавернами эллиптической формы увеличивается (М.И. Ворожбитов, 1989 г.). Долото отжимается в сторону за счет проявления поперечных усилий, потери устойчивости стенок скважины, которая определяется напряженным состоянием и физико-механическими свойствами вскрываемых скважиной пород.

Каротажные диаграммы, записанные восьмирычажным радиусометром в скв. СГ-3 Кольской, отмечают эллипсовидную форму сечений ствола на глубине более 2,7 км (малая ось – 215–230 мм, большая – 400–500 мм). Замеры и построения проводились с ориентировкой сечений ствола скважин относительно сторон света. Ориентация удлиненных поперечных сечений ствола скважин не зависит от глубины, элементов залегания пластов, структурных и текстурных особенностей породы. Максимальное главное горизонтальное напряжение, перпендикулярное большим осям удлиненных поперечных сечений, ориентировано на северо-запад под углом 64±15°, что хорошо согласуется с результатами анализа механизма очагов землетрясения в верхней части земной коры, а также с определениями горизонтальной составляющей напряжения на территории Балтийского щита методом разгрузки в глубоких выработках [1]. Анизотропная ориентация напряжений наблюдается в скв. СГ-8 Криворожской, где отмечается отклонение ствола на запад. Однако характер проявлений выражен менее ярко. Сейсмоакустические исследования Полтавского филиала ВНИИБТ на установке УСС-1 также свидетельствуют об анизотропных свойствах пород приствольной зоны скв. СГ-8 Криворожской. Отметим, что расчет местоположения каверн на основе изотропной модели Г.И. Черепанова для сланца кварц-полевошпат-биотитового состава указывает на глубины 4700– 7130 м. Между тем кавернообразование в этих отложениях наблюдалось уже на глубине 1510– 1520 м. Можно сделать вывод о влиянии тектонического строения района на ориентацию каверн скв. СГ-8 Криворожской. Породы этого района образуют сложнопостроенную складку, надвинутую на отложения криворожской серии, которая моноклинально погружается на запад в зону сочленения Среднецентровского и Криворожского блоков (Н.С. Курлов, И.Е. Бакланов и др., 1988 г.).

В результате теоретических исследований установлено, что в скальных массивах с высокими пределами прочности (>100 МПа) и высокими значениями упругих характеристик (модуль упругости E>5·10⁴ МПа, коэффициент поперечных деформаций v>0,2) устойчивость породы определяется свойствами идеально упругой среды, а поле напряжений формируется со скоростью упругих волн. В результате образований макро- и микротрещин объем породы увеличивается почти мгновенно, и она перемещается в ствол. Осыпи-обвалы наблюдались в кристаллических породах скв. СГ-3 Кольской и в метаморфических скв. СГ-8 Криворожской, в терригенных Мангышлака, Сахалина, Камчатки, Днепровско-Донецкой впадины и др.

Разрушение пород на контуре скважины развивается во времени и зависит от интенсивности действующих напряжений, реологических свойств породы, скорости вскрытия пласта, глубины скважины. Количество энергии, расходуемой на перемещение породы в ствол, пропорционально коэффициенту ее объемного сжатия, что способствует обвалам и осыпям, связанным с кавернообразованием ствола скважины.

Наблюдение на глубинах до 3 км за изменением каверн в стволе скв. СГ-8 Кольской показало, что наибольший объем перемещенной породы приходится на первые 5–10 сут (до 75 %) после вскрытия массива. Активное кавернообразование продолжалось 120–200 сут и прекратилось при увеличении диаметра от 216 до 500 см. Аналогично кавернообразование в осадочных породах на глубине до 3 км. Обычно в течение 10–40 сут наблюдается увеличение коэффициента кавернозности от 1,3 до 1,5, затем его величина монотонно убывает, а в глинистых породах возможно установление номинального диаметра, а иногда и его уменьшение. Кавернообразование в верхних этажах осадочного чехла имеет сложный характер, особенно при возможных перемещениях пород по вертикали. Оседание породы приводит к непрерывному выдавливанию ее в скважину, хотя и менее эффективному сравнительно с первоначальным напряженно-деформированным состоянием. Оно может замедляться вследствие физико-химических воздействий бурового раствора, процессов растворения, выщелачивания, гидратационных напряжений и т. п. Благодаря образованию защитной оболочки (зоны динамического равновесия с влажностью) высокая прочность даже глинистых пород может сохраняться. Перечисленные явления могут замедлить или полностью предотвратить развитие каверн в вертикальных скважинах. Разломы и сейсмичность верхней части осадочного чехла свидетельствуют о наличии значительных дифференциальных напряжений на глубинах 4 км и более и как следствие этого анизотропности напряжений на контуре скважины. Отсутствие хрупкого разрушения в песчано-глинистых породах не способствует образованию овальных каверн, но может проявляться в горизонтальном направлении отклонения ствола от устья скважины [2]. Свод Котуртепинской складки Прибалханского района Юго-Западной Туркмении осложнен дизъюнктивными разломами, направленными с северо-запада на юго-восток. Анализ азимутальных направлений отклонений скважин от устья 35 скважин, равномерно распределенных по площади Западного Котур-Тепе, показывает, что 80 % (29 скважин) практически параллельны упомянутым разломам и направлены по восстанию пластов нижнекрасноцветных отложений; отклонение ствола пяти скважин совпадает с падением пластов; отклонение ствола одной скважины, расположенной на некотором удалении нарушений (западное крыло складки), также совпадает с падением пластов и направлено на юго-запад. Одновременно устойчивость западных стенок в районе понижена, что связано с желобообразованием в этом направлении. Увеличение глубины желобов после спуско-подъемов инструмента ведет к искривлению скважин.

1. Изучение напряженного состояния околоствольного массива сверхглубоких скважин / Д.М. Губерман, А.И. Варшавский, Ю.И. Кузнецов, Р.В. Медведев. Международный семинар. Сверхглубокое континентальное бурение и геофизические исследования. Тезисы докладов.– Ярославль.– 1988.– С. 204– 206.
2. Скорик А.Н., Пейсиков Ю.В., Оснапов Ж.К. Оценка устойчивости стенок скважин в хрупких породах в случае отсутствия АВПД / В сб.: Техника и технология строительства скважин на суше и море.– ВНИИОЭНГ.– 1989.– № П.– С. 6–8.

Examinatitn of a stressed-deformed state of block mass is necessary for evaluating borehole wall stability and mine workings. As exemplified by Kol'skaya SG-3 and Krivo-rozliskaya SG-8, a conclusion is being made on the influence of tectonics on the orientation of caves. It is also indicated that the direction of borehole deviation can be closely connected with the large axis of full bore of well. The stability of borehole walls across the faults is reduced which may lead to the formation of keyseats. The development of caverns in time appears to be related to the magnitude of tectonic stresses, rock mechanical properties, rates of formation exposing and well depth.