СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ Российский патент 1996 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения максимального горизонтального напряжения в продуктивных пластах нефтяных и газовых месторождений, что позволит выбирать оптимальную технологию бурения и эксплуатации скважин.

Известные способы определения горизонтальных напряжений предусматривают их прямой замер в пробуренных скважинах.

Способ трудоемок и недостаточно надежен из-за использования специального подземного оборудования, спускаемого в скважину для исследования горных пород. Способ практически не применяется в глубоких нефтяных и газовых скважинах.

Технической задачей, решаемой изобретением, является исключение операций с подземным оборудованием при исследовании горных пород, снижение трудоемкости и повышение надежности способа.

Для решения этой задачи при определении максимального горизонтального напряжения в горных породах месторождений, включающем бурение опорных скважин и исследование горных пород, дополнительно строят структурную карту месторождения, по которой определяют его большую и малую оси, а по данным исследования горных пород определяют их плотность по разрезу месторождения и коэффициент Пуассона. Значение максимального горного горизонтального напряжения находят из соотношения:

где σ_max максимальное горное напряжение /горизонтальное/,
ν коэффициент Пуассона;
r(z) плотность горных пород;
Z вертикальная текущая координата;
H глубина скважины;
L большая ось месторождения;
l малая ось месторождения.

Геологические структуры, в которых залегают нефть и газ представляют собой, чаще всего, антиклинальные или синклинальные складки земной коры, т. е. складки выпуклостью вверх или вниз. Благодаря такому строению складки становятся хранилищами природных ископаемых. Образование таких складок контролируется не только процессами осадконакопления, но связано с тектоническими силами, действующими в данном регионе. В том случае, если имеется преимущественное направление тектонических сил, то складки в пределах упругого деформирования принимают форму эллипса (часто неправильной формы), малая ось которого направлена параллельно вектору действия тектонических сил. В этом случае на равномерное поле напряжений, порождаемое весом вышележащих пород, накладывается поле тектонических напряжений. В результате их (полей) взаимодействия возникает поле неравномерных напряжений, где есть минимальное горизонтальное напряжение (σ_min) определяемое весом вышележащих пород и максимальное (σ_max), действующее во взаимно перпендикулярных направлениях. Неравномерное поле напряжений существенно изменяет картину концентрации напряжений на стенке скважины и в ее окрестности, что имеет важное значение при оценке устойчивости ствола скважины в процессе бурения и оптимизации ее добывных возможностей при эксплуатации.

В области упругого поведения пород, где, как известно (закон Гука), деформации пропорциональны напряжениям, можно принять:
(1)
В результате максимальное горизонтальное напряжение определится из соотношения:
(2)
Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

По данным сейсмогеофизических исследований, которые в обязательном порядке проводятся на всех нефтяных и газовых месторождениях, строится структурная карта залежи. По структурной карте определяют большую и малую оси месторождения.

По результатам изучения кернового материала, отобранного при бурении опорных скважин, бурение которых осуществляется в обязательном порядке на стадии разведки месторождений, определяют интегральное значение плотности пород по разрезу и на глубине продуктивного пласта "Н".

где σ_z вертикальное напряжение.

Определяют минимальное горизонтальное напряжение на глубине "Н" из соотношения
(4)
По структурной карте определяется соотношение L/l, а максимальное горизонтальное напряжение определяют с учетом соотношений (2, 3 и 4):
(5)
Учет неравномерного поля напряжений и знание значений максимального горизонтального напряжения на заданной глубине позволяет существенно уточнить напряженно-деформированное состояние на стенке скважины и в ее окрестности, как на этапе бурения, что позволит предвидеть и избежать осложнений при бурении, так и в процессе эксплуатации скважины, где можно будет прогнозировать анизотропию свойств призабойной зоны за счет неравномерного нагружения. Эти сведения будут полезны при проектировании работ по повышению производительности скважин, в частности, при проведении гидроразрыва пород.

Изобретение может быть использовано для определения напряжений в продуктивных пластах нефтяных и газовых месторождений. Сущность изобретения заключается в следующем: по данным сейсмогеофизических исследований строят структурную карту залежи и определяют большую и малую оси месторождения, а по результатам изучения кернового материала, отобранного при бурении опорных скважин, определяют интегральное значение плотности пород по разрезу и на глубине продуктивного пласта и находят минимальное горизонтальное напряжение горных пород. Максимальное горизонтальное напряжение находят исходя из его зависимости от соотношения величин большой и малой осей месторождения и величины минимального горизонтального напряжения. Знание величин горных напряжений позволит избежать осложнений бурении скважин.

Способ определения максимальных горизонтальных напряжений в горных породах месторождений, включающий бурение опорных скважин и исследование горных пород, отличающийся тем, что строят структурную карту месторождения, по которой определяют его большую и малую оси на заданной глубине, а по данным исследования горных пород определяют их плотность по разрезу месторождения и коэффициент Пуассона и находят значение максимального горизонтального горного напряжения на заданной глубине из соотношения

где
σ_max максимальное горизонтальное напряжение;
ν коэффициент Пуассона;
r(z) плотность горных пород на глубине;
H глубина скважины;
L большая ось месторождения;
l малая ось месторождения.