СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2000 года по МПК G01N24/08 G01N15/08 

Изобретение относится к области исследования горных пород-коллекторов методом импульсного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и предназначается для определения деформационных характеристик горных пород, данные о которых необходимы при прогнозировании динамики процессов релаксации (ползучести) осадочных пород под действием естественных или техногенных факторов. Изобретение может быть использовано в нефтяной геологии, разработке нефтяных и газовых месторождений, петрофизическом обосновании методов геофизического исследования скважин (ГИС), физике твердого тела.

Известен способ определения деформационных характеристик горных пород в динамических условиях при разгрузке этих горных пород от внешнего поля напряжений (см. статью: И. В.Николаев и др. "Модификация метода измерения релаксации деформаций керна при исследовании напряженного состояния пласта" в сборнике трудов ВНИИнефть. - М. ,1994, вып. 118, с.92-103). Согласно известному способу на цилиндрической поверхности образца горной породы устанавливают прижимные тензодатчики (тензорезисторы) в трех точках, расположенных равномерно на направляющей с углами между ними 120^o и ориентированных в пространстве с учетом осей симметрии образца (вдоль или поперек напластования). Описанный известный способ включает выбуривание и извлечение керна на дневную поверхность, установку на керн прижимных тензодатчиков, периодическую через 20 мин регистрацию осевых и тангенциальных деформаций, построение зависимости изменения деформаций от времени и расчет компонент тензора напряженного состояния с учетом функции ползучести при сдвиговой и объемной деформации.

Однако для осуществления указанного способа требуется применение сложных механических устройств, причем точность определения зависит от формы и размеров выполнения образца горной породы, от его ориентации в пространстве и степени контакта тензодатчиков с поверхностью керна, что усложняет способ и делает его зависимым от субъективных факторов.

Дополнительным отрицательным моментом является то, что мазанные выше контактные способы отражают только усредненные макродеформации непосредственно поверхности твердого скелета в отдельной локальной точке образца и не дают возможности определять упругие деформации собственно порового пространства горных пород, которое играет основополагающую роль во всех процессах, связанных с глубинной аккумуляцией и фильтрацией пластовых флюидов, а также при разработке и эксплуатации нефтяных и газовых залежей, как правило, приуроченных к коллекторам порового типа.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ определения характеристик горных пород импульсным методом ЯМР (см., например, Методические указания "Определение коллекторских свойств горных пород импульсным методом ядерного магнитного резонанса". - М., ВНИИЯГГ, 1978, 79 с). Согласно указанному способу производят насыщение образца горной породы водой, затем помешают образец в датчик ЯМР-релаксометра, определяют суммарный сигнал ЯМР поровой воды, времена спин-решеточной и спин-спиновой релаксации воды, по которым определяют петрофизические свойства горных пород (коэффициенты открытой и эффективной пористости, проницаемости, остаточной водонасыщенности и др.)
Практические преимущества известного способа: бесконтактность, высокая точность, экспрессность, независимость определяемых петрофизических свойств от формы и размеров образцов горной породы. А главное положительное достоинство способа: измеряемые параметры основаны на регистрации состояния жидкости, непосредственно находящейся в поровом объеме исследуемого объекта, что соответствует естественному пластовому состоянию пород - коллекторов в нефтегазовой залежи.

Недостатком указанного известного способа является то, что этот способ не позволяет определять физико-механические свойства горных пород, в частности, деформационные характеристики горных пород в статических условиях (когда все параметры эксперимента не зависят от времени) и тем более в динамике, когда происходит быстрая смена напряженного состояния скелета и сопутствующая этому сложная перестройка внутренней структуры порового пространства горных пород.

Целью настоящего изобретения является расширение области применения способа за счет определения свойств горных пород в динамических условиях.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, основанном на применении импульсного метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР), включающем насыщение образца горной породы водой и регистрацию спин-спиновой релаксации воды, новым является то, что после насыщения образца горной породы водой измеряют исходное время спин-спиновой релаксации поровой воды при нормальном атмосферном давлении, нагружают образец горной породы до величины горного давления, производят одноступенчатое снижение давления до величины атмосферного давления, после сброса давления периодически измеряют текущее время спин-спиновой релаксации поровой воды до установления постоянства этой величины, далее по указанным значениям исходного и текущего времени спин-спиновой релаксации поровой воды определяют первоначальный размер пор образца до его нагружения и текущие размеры пор образца после его разгрузки от горного давления, по характеру изменения которых судят о деформационных характеристиках горных пород.

При этом нагружение образца до величины горного осуществляют путем медленного ступенчатого изотермического всестороннего сжатия с 30-40-минутной стабилизацией на каждой ступени.

А кроме того, при нагружении и разгрузке образца величина порового давления равняется атмосферному, а измерение исходного и текущего времен спин-спиновой релаксации ведут при постоянной температуре образца.

Из патентной и научно-технической литературы и из практики работы нам не известны способы определения деформационных характеристик горных пород с использованием метода ядерного магнитного резонанса, которые бы включали насыщение образца водой, измерение времени спин-спиновой релаксации поровой воды при нормальном атмосферном давлении, нагружение образца горной породы до величины горного давления, сброс давления и измерение времени спин-спиновой релаксации в разгружаемой породе до постоянства этой величины, определение текущих размеров пор в горной породе и оценку деформационных характеристик горных пород. Это позволяет сделать вывод о новизне заявляемого технического решения.

Благодаря предложенной совокупности указанных выше признаков при проведении заявляемого способа обеспечивается достижение нового технического эффекта - получение возможности определять деформационные характеристики горных пород в динамике с использованием метода ЯМР. Достижение такого нового технического эффекта получено нами впервые и неожиданно в ходе проводимых экспериментальных исследований по определению физических свойств горных пород при термобарических условиях методом ЯМР.

Такой неожиданный технический эффект обусловлен следующим.

Процесс гравитационной консолидации осадочных пород за длительный геологический период времени приводит к образованию устойчивых механических связей между минеральными частицами, входящими в состав горных пород. Механические связи обеспечивают жесткость скелета, достаточную для уравновешивания нагрузки, создаваемой весом вышележащих пород. В равновесном состоянии напряжения, возникающие в скелете пород, являются источником потенциальной энергии, которая может высвобождаться при различного рода разгрузках (например, землетрясениях, ударах), связанных с нарушением локальной сплошности горных пород под действием внутренних или внешних перегрузок, превышающих предел прочности геоматериала. Разгрузка от горного давления, например, при выбуривании и подъеме керна из скважины, сопровождается изменением внешних геометрических размеров керна, являющихся следствием медленной перестройки внутренней структуры породы (явление ползучести) за счет накопленной упругой энергии. Изучая по керну динамику изменения физических свойств горных пород после нагрузки, можно оценить деформационные свойства консолидированных сред и предсказать эволюцию их поведения с счетом начальных граничных условий. В естественных условиях залегания горных пород поровое пространство в большинстве своем заполнено жидкостью, которая обеспечивает равномерное распределение внешней нагрузки на все элементы структуры твердого скелета горной породы.

Нами было установлено, что жидкость, заполняющая поры горных пород по сути является индикатором напряжений в скелете породы. Как известно, коэффициент сжимаемости скелета горной породы описывается формулой:
β = K_п•β_п+β_м,
где K_п - пористость; β_м - коэффициент сжимаемости минеральных зерен; β_п - коэффициент сжимаемости порового пространства. С учетом того, что коэффициент сжимаемости порового пространства на 2-3 порядка выше, чем сжимаемость минеральных зерен матрицы, максимальные деформации при нагружении горной породы с межзерновым типом пористости будут присущи поровому объему за счет механизма упругого смешения зерен породы вдоль нормали к поверхности микроконтактов без нарушения целостности структуры матрицы. При этом, как показывают многочисленные лабораторные и скважинные эксперименты, упругие деформации горных пород приводят к значительному изменению структурных коэффициентов порового пространства и, в частности, среднего радиуса пор R.

Отсюда из сопоставления размера пор в разгруженной породе и размера пор в напряженном состоянии скелета можно определять упругие деформации порового пространства и устанавливать, например, динамику их изменения во времени в конкретных прикладных задачах по учету сложнонапряженного состояния продуктивного пласта. Реально такую возможность дистанционного мониторинга впервые открывает метод ядерного магнитного резонанса.

Как неожиданно оказалось, параметр ядерной магнитной релаксации поровой воды - время спин-спиновой релаксации T₂ несет полную информацию о размерах пор и является очень чувствительным индикатором при любом изменении размера пор в условиях постоянства температуры образца с жидкостью. Последнее обусловлено тем, что интегральный термодинамический параметр T₂ определяет среднюю подвижность молекул зондирующей жидкости в ограниченном микрообъеме с учетом всего спектра распределения пор по размерам. При помещении воды в поровое пространство горных пород за счет структурирования жидкости на границе контакта жидкой и твердой фаз уменьшается средняя подвижность молекул поровой воды, притом тем больше, чем меньше размер пор. Это приводит к существенному отличию наблюдаемых времен T₂ в свободном (в неограниченном) и ограниченном объеме. При этом, как показывают многочисленные модельные и натурные эксперименты, проведенные авторами, время спин-спиновой релаксации T₂ связано со средним радиусом пор в образце взаимно- однозначной зависимостью. Неожиданным оказалось и то, что время T₂ оказалось более чувствительным к размеру пор, чем все остальные ЯМР-параметры. Дело в том, что спин-спиновая релаксация дополнительно контролируется вкладом низкочастотных составляющих молекулярных движений через стационарную компоненту спектральной плотности J(0). При переходе к пористым средам вклад стационарной компоненты спектральной плотности в наблюдаемое время T₂ воды становится определяющим вследствие значительного уменьшения трансляционной подвижности молекул и увеличения степени анизотропности молекулярных движений в микрообъеме пор. Таким образом, размер пор накладывает ограничения на подвижность молекул воды и, при условии постоянства всех остальных термодинамических параметров, контролирует процесс спин-спиновой релаксации. Это дает возможность с высокой точностью определять размер пор в образце при нормальном атмосферном давлении.

Неожиданным и непредсказуемым явилось и то, что при медленной всесторонней нагрузке и медленной разгрузке скелета образцов горных пород (вариациях внешнего поля давлений) время T₂ повторяет кривую увеличения и снижения напряжения в консолидированных пористых средах и при этом не претерпевает каких-либо изменений монотонности (резких скачков) или разрывов за счет возможных фазовых переходов при условии поддержания равенства порового давления атмосферному и постоянной температуры образца. Первое условие позволяет не вводить в T₂ сложные эмпирические поправки за сжимаемость поровой жидкости при смене напряженного состояния скелета пород, т. к. во всех случаях вода находится только при атмосферном давлении и выполняет роль "молекулярной линейки" для определения внутренних размеров объекта. Второе условие обеспечивает постоянство термодинамического состояния (структуры) жидкости, задаваемого средней кинетической энергией молекулярных движений, пропорциональной произведению k•T, где k - постоянная Больцмана, 1.380662•10^-23 Дж/К; T - абсолютная температура жидкости, K. Тем самым впервые появляется возможность определять с высокой точностью текущий размер пор в разгружаемой породе посредством измерения времени спин-спиновой релаксации поровой термостатированной жидкости.

Ни один из указанных выше признаков в предлагаемом способе нельзя исключить или заменить на другой, иначе не будет достигнуто указанное в цели изобретения новое техническое свойство.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ определения деформационных характеристик горных пород соответствует критерию "изобретательский уровень".

Для осуществления заявляемого способа производят следующие операции в нижеуказанной последовательности:
- производят насыщение образца горной породы водой;
- измеряют исходное время спин-спиновой релаксации поровой воды при атмосферном давлении;
- нагружают образец горной породы до величины горного давления;
- производят одноступенчатое снижение давления до величины атмосферного давления;
- после сброса давления периодически измеряют текущее время спин-спиновой релаксации поровой воды до установления постоянства этой величины;
- далее по указанным значениям исходного и текущего времени спин-спиновой релаксации поровой воды определяют первоначальный размер пор образца до его нагружения и текущие размеры пор образца после его разгрузки от горного давления;
- по характеру изменения этих размеров пор судят о деформационных характеристиках горных пород.

Предлагаемый способ характеризуется чертежами, где на фиг.1 приведена зависимость изменения среднего радиуса пор образца горной породы от времени; на фиг.2 - зависимость спектральной плотности от частоты деформационных колебаний при разгрузке скелета образца горной породы N 1 из таблицы 1.

Для осуществления заявляемого способа были использованы образцы горных пород, а также следующие вещества и оборудование:
- образцы терригенных и карбонатных горных пород цилиндрической формы диаметром 10 мм и длиной 20 мм;
- импульсный протонный ЯМР-релаксометр "Миниспек Р-20 фирмы "Bruker" (Германия) с рабочей частотой 20 МГц, сопряженный с компьютером типа "Pentium-150";
- установка высокого давления (УВД) для определения свойств пород при пластовых условиях;
- аналитические весы ВЛА-200-М по ГОСТ 24104-80;
- бумага фильтровальная по ГОСТ 12026-76;
- вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72;
- модель пластовой воды: 4-нормальный раствор (232 г/л) поваренной соли NaCl с плотностью 1,143 г/см³.

Пример осуществления заявляемого способа
Эксперименты проведены с серией из 4-х образцов горных пород: трех терригенных и одного карбонатного. Длина образцов составляла 20 мм, а диаметр 10 мм. Образцы высверливались из куска керна с использованием алмазной коронки. Терригенные образцы были отобраны из скважины N 101 Кирилловской площади Пермской области в интервале глубин 2080-2103 м и представляют одновозрастные девонские алевролиты, разнозернистые. пористые, слабо глинистые. По описанию шлифов скелет состоит из угловатых, плохо скатанных зерен кварца размером 0,02-0,26 мм. Упаковка зерен кварца средняя, контакты зерен прямые, и реже касания. Цемент (5%) представлен гидрослюдистой глиной с редкими зернами доломита. Тип цемента - поровый. Поры в образцах представлены размерами от 0,013 до 0,1 мм, угловатой неправильной формы.

Карбонатный образец отобран с глубины 1119-1125 м башкирских отложений скважины N115 Бикбайского месторождения. По описанию шлифа - это известняк водорослевый с фораминиферами и детритом, пористый. На 60-65% состоит из водорослей с преобладающими размерами от 0,2 до 0,65 мм, 5% составляют фораминиферы размером от 0,2-0,5 мм. Детрит (5%) представлен обломками раковин брахиопод. Цемент (до 10%) представлен кальцитом разнозернистым. Тип цемента - регенерационный. Поры межформенные, реже внутриформенные с преобладающими размерами 0,15-0,6 мм неправильной извилистой формы
Данные об емкостно-фильтрационных и структурных характеристиках исследуемых образцов горных пород приведены в таблице 1.

Подготовка образцов к анализам включала стандартные по ГОСТу 26450.0-85, 26450.1-85 лабораторные операции: горячую экстракцию спирто-бензольной смесью от остаточной нефти, сушку образцов при 105^oC до постоянного веса, раздельное насыщение под вакуумом при 10^-2 мм рт. ст. моделью пластовой воды в течение 4-5 часов.

Затем насыщенный водой образец горной породы помещали в герметичный термостатируемый датчик ЯМР-релаксометра.

Включали стандартную импульсную программу Карра-Парселла-Мейбума-Гилла (КПМГ) [(90^o-τ-180^o-2τ-180^o-)-T]_N с фазовым детектированием и измеряли исходное время спин-спиновой релаксации поровой воды за одно прохождение кривой ядерно-магнитной релаксации.

Затем помещали образец в резиновую манжету и далее в камеру остановки высокого давления (УВД). После вакуумирования системы коммуникаций с образцом, повышали ступенчато эффективное давление до величины горного (естественных условий залегания нефтяного пласта в интервале от 20 до 40 МПа) с выдержкой на каждой ступени 30-40 мин для исключения при нагружении искусственных дефектов скелета породы. При медленном ступенчатом изотермическом нагружении скелета поровое давление в образце поддерживали равным атмосферному.

Далее производили одноступенчатый быстрый сброс давления в камере УВД до величины атмосферного давления.

Извлекали образец горной породы из камеры УВД, убирали с поверхности фильтровальной бумагой избыток жидкости и помещали образец в герметичный термостатируемый датчик ЯМР-релаксометра.

Включали стандартную импульсную программу Карра-Парселла-Мейбума-Гилла (КПМГ) [(90^o-τ-180^o-2τ-180^o-)-T]_N с фазовым детектированием и периодически измеряли текущие значения времен спин-спиновой релаксации поровой воды до постоянства этой величины в течение 2 - 20 часов.

Далее по ранее измеренным исходным и текущим значениям времени спин-спиновой релаксации поровой воды определяли средний размер пор R_о до нагружения образца и текущие размеры пор R(t) после разгрузки образца от горного давления по общей формуле:
R=10,23•K_п•(117,15•T₂-0,96),
где K_п - пористость образца, д. ед.; T₂ - время спин-спиновой релаксации поровой воды, с; R - расчетный радиус пор для соответствующего времени спин-спиновой релаксации, мкм.

С использованием текущих размеров пор R(t) строили график восстановления (релаксации) структуры порового пространства R = F(t) в координатах изменения размера пор от времени (иными словами, это диаграмма разгрузки скелета образца). Указанный график для образца N 1 из таблицы 1 приведен на фиг. 1.

Указанные экспериментальные диаграммы разгрузки скелета образцов позволяют определять деформационные характеристики горных пород в динамических условиях, а именно: коэффициент объемной деформации пор, коэффициент сжимаемости пор, модуль сжимаемости, характеристическую частоту деформационных колебаний, максимальную амплитуду колебаний размеров пор, времена механической релаксации по модели двухэкспоненциальной релаксации.

Далее по экспериментальным зависимостям R = F(t) с использованием стандартного преобразования Фурье в среде пакета "Statgraphics 2.6" рассчитывали амплитудно-частотные спектры свободных колебаний размеров пор в каждом образце и оценивали характеристическую частоту f, которая соответствует частоте линии с максимальной интенсивностью спектральной плотности.

На фиг. 2 в качестве примера приведен спектр свободных колебаний среднего радиуса пор для образца N1 из таблицы 1, который получили из релаксационной кривой на фиг.1 после преобразования Фурье на временном интервале в 32 мин. Характеристическая частота для образца 1 составляет 2,6•10^-3 Гц.

В прилагаемой таблице 2 приведены физико-механические свойства исследованных горных пород, которые получены в статических условиях нагружения образцов с помощью известной установки высокого давления.

В табл. 3 приведены деформационные характеристики горных пород, полученные по предлагаемому способу с использованием метода ЯМР в динамических условиях разгрузки при t > 0. В частном случае (для сравнения) рассчитаны средние коэффициенты при условии t = 0, которое отражает статические условия нагруженной (деформированной) горной породы.

Приведенные в таблице 3 результаты показывают хорошую сопоставимость упругих коэффициентов горных пород, полученные по методу импульсного ЯМР, с данными, полученными по объемному (с помощью известной установки высокого давления) методу, приведенными в таблице 2.

Таким образом, заявляемый способ существенно расширяет возможности использования метода ядерного магнитного резонанса при определении деформационных характеристик горных пород в динамических условиях.

Изобретение относится к области исследования горных пород-коллекторов методом ЯМР. Сущность изобретения заключается в следующем: насыщают образец горной породы водой, измеряют исходное время спин-спиновой релаксации поровой воды при нормальном атмосферном давлении, нагружают образец горной породы до величины горного давления, производят одноступенчатое снижение давления до величины атмосферного давления. После сброса давления периодически измеряют текущее время спин-спиновой релаксации поровой воды до установления постоянства этой величины, далее по указанным значениям исходного и текущего времени спин-спиновой релаксации поровой воды определяют первоначальный размер пор образца до его нагружения и текущие размеры пор образца после его разгрузки от горного давления, по характеру изменения которых судят о деформационных характеристиках горных пород. Описанный способ позволяет определить деформационные характеристики горных пород в динамике с использованием метода ЯМР. 3 з.п.ф-лы, 3 табл., 2 ил.

1. Способ определения деформационных характеристик горных пород методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), включающий насыщение образца горной породы водой и регистрацию спин-спиновой релаксации воды, отличающийся тем, что после насыщения образца горной породы водой измеряют исходное время спин-спиновой релаксации поровой воды при нормальном атмосферном давлении, нагружают образец горной породы до величины горного давления, производят одноступенчатое снижение давления до величины атмосферного давления, после сброса давления периодически измеряют текущее время спин-спиновой релаксации поровой воды до установления постоянства этой величины, далее по указанным значениям исходного и текущего времени спин-спиновой релаксации поровой воды определяют первоначальный размер пор образца до его нагружения и текущие размеры пор образца после его разгрузки от горного давления, по характеру изменения которых судят о деформационных характеристиках горных пород. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагружение образца до величины горного осуществляют путем медленного ступенчатого изотермического всестороннего сжатия с 30 - 40-минутной стабилизацией на каждой ступени. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при нагружении и разгрузке образца величина порового давления равняется атмосферному. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что измерение исходного и текущего времени спин-спиновой релаксации ведут при постоянной температуре образца горной породы.