СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГОРНОЙ ПОРОДЕ Российский патент 2003 года по МПК E21C49/00 E21C39/00 

Настоящее изобретение относится к способу определения локального напряжения в горной породе, причем горная порода находится в напряженном состоянии, которое создается первым, вторым и третьи главными напряжениями. Эти три главных напряжения принято называть соответственно первым, вторым и третьим локальными напряжениями. При добыче углеводородного сырья из горной породы необходимо знать величины и направления локальных напряжений в этой породе или, по меньшей мере, иметь о них сигнальные сведения. Подобные сведения нужны, например, для обеспечения устойчивости ствола скважины, выполнения гидравлического разрыва пласта, геологического моделирования или предупреждения выноса песка из пласта в скважину. Направления местных напряжений можно определить несколькими способами, среди которых дифференциальный анализ деформаций, разнообразные акустические методы или так называемые минимально разрушающие испытания. Следует помнить, что одно из локальных напряжений имеет, как правило, вертикальное направление и его величина определяется давлением покрывающих пород. Следовательно, исследовательские работы должны проводится только для двух горизонтальных локальных напряжений с целью определения для каждой из них направления и величины. Известны попытки определения величин горизонтальных локальных напряжений путем измерения деформаций и учета конститутивных свойств горной породы для определения напряжений. Однако конститутивные свойства породы в большинстве случаев точно не известны.

Исходя из сказанного настоящее изобретение имеет целью дать более точный способ определения величины одного или более локальных напряжений в горной породе.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ определения локального напряжения горной породы, испытывающей первое, второе и третье локальные напряжения, при условии, что в этой горной породе пробурена скважина, эта скважина заполнена промывочной жидкостью, оказывающей регулируемое давление на стенки скважины, в результате чего в определенной области породы первое локальное напряжение оказывается замещенным на напряжение, величина которого зависит от названного регулируемого давления, производимого на стенки скважины, причем этот способ состоит из следующих операций:
- отбор образца, извлеченного из названной области, причем образец имеет метки первого, второго и третьего базисных направлений, соответствующие направлениям первого, второго и третьего локальных напряжений, действовавших на образец до извлечения из породы, и
- выполнение нескольких испытаний образца, при выполнении каждого из которых образец подвергается определенным напряжениям в базисных направлениях для определения поверхности разрушения образца и для определения по поверхности разрушения, по меньшей мере, одного - второго или третьего - напряжений, причем в первом базовом направлении создается напряжение, которое по значению, по существу, равно названному другому напряжению.

Должно быть понятно, что в контексте настоящего изобретения подразумевается, что стенки скважины включают в себя цилиндрическую часть скважины и забой скважины. Существенный аспект настоящего изобретения состоит в том, что учитывается наиболее напряженное состояние, которому подвергается материал образца при определении поверхности разрушения. Под "наиболее напряженным состоянием" понимается напряженное состояние, при котором материал образца разрушается наиболее полно. Например, если образец взят из забоя скважины, то наиболее напряженное состояние соответствует непосредственно перед извлечением образца из горной породы, и поэтому вертикальное локальное напряжение в области местоположения образца надо заменить на вертикальное напряжение, которое равно сумме значения гидростатического давления промывочной жидкости на забой скважины и значения веса горной породы, отнесенного к единице площади, между забоем скважины и местоположением пробы. Если материал пробы содержит поровую жидкость, то давление поровой жидкости надо вычесть из значения названного вертикального локального напряжения для определения эффективного вертикального напряжения (которое является напряжением, испытываемым зернами породы).

Во время существования наиболее напряженного состояния материала образца отношение разности между горизонтальными локальными напряжениями и вертикальным напряжением к среднему напряжению имеет максимальное значение.

Поверхность разрушения (или, другими словами, оболочку разрушения) формируют в трехмерном пространстве по точкам, в которых наблюдается дополнительное разрушение материала образца при увеличении нагрузки. Поверхность разрушения можно весьма точно определить по акустической эмиссии, производимой материалом образца в ходе дополнительного разрушения. Происходящую по этой причине акустическую эмиссию принято называть эффектом Кайзера, который описан, например, в "Исследование акустической эмиссии при развитии разрушения и эффекты последействия напряжений песчаника", Б. Дж. Пестман и др. - Международный реферативный журнал "Механика горных пород и геомеханика", т. 33, 6, с. 585-593, 1996.

Ниже дано подробное описание настоящего изобретения на конкретном примере со ссылками на приложенные фигуры.

Фиг. 1 - схематичное изображение поперечного сечения скважины, пробуренной в горной породе по способу, соответствующему настоящему изобретению.

Фиг. 1А - схематичное изображение локальных напряжений, присутствующих в горной породе.

Фиг. 1В - схематичное изображение пробного образца, извлеченного из горной породы.

Фиг. 2 - схематичное изображение диаграммы локальных напряжений, используемой при осуществлении способа, соответствующего настоящему изобретению.

Нижеследующее подробное описание выполнено для случая, когда в горной породе отсутствует поровая жидкость, что означает, что под напряжениями в тексте подразумеваются именно эффективные напряжения, испытываемые частицами породы. На фиг.1 изображена скважина 1, выполненная в горной породе 3. Ненарушенная порода 3 подвергается локальным напряжениям в вертикальном и горизонтальном направлениях, а именно: вертикальному сжимающему напряжению σ₁ и двум горизонтальным сжимающим напряжениям σ₂ и σ₃; на фиг.1А эти напряжения изображены действующими на кубовидный элемент 5 породы 3. Скважина 1 заполнена буровым раствором 7 определенного удельного веса, который создает давление Р на забой 11 скважины. Ниже дна скважины находится область 14 породы 3, в которой вертикальное локальное напряжение σ₁ в каждой конкретной точке равно напряжению являющемуся суммой вертикального давления Р, производимого буровым раствором 7 и весом, отнесенным к единице площади породы, расположенной между дном скважины и рассматриваемой точкой. Горизонтальные локальные напряжения σ₂ и σ₃ в области 14 не изменяются (или изменяются весьма незначительно) после строительства буровой скважины.

Керновый буровой инструмент (не изображен) спускают в скважину 1 для отбора цилиндрического керна 16 в качестве образца (фиг.1В) из области 14 горной породы 3. На фиг.1 пробный образец изображен штриховыми линиями, чтобы показать расположение керна 16 в горной породе 3 до его извлечения на поверхность. Керн 16 характеризуется первым базовым направлением 18, вторым базовым направлением 20 и третьим базовым направлением 22, причем эти базовые направления соответствуют направлениям локальных напряжений, которые испытывал керн 16 до извлечения из горной породы 3. Таким образом, до извлечения керна 16 из горной породы 3 базовое направление 18 совпадало с вертикальным направлением, базовое направление 20 совпадало с направлением локального напряжения σ₂ и базовое направление 22 совпадало с направлением локального напряжения σ₃. В процессе и после извлечения керна 16 из горной породы сжимающие напряжения, действующие в базовых направлениях, изменяются, если керн хранить в контейнере (не изображен), заполненном жидкостью под умеренным гидростатическим давлением.

Керн 16 подвергают испытанию давлением, при проведении которого к керну прикладывают сжимающие напряжения S1, S2 и S3 по базовым направлениям 18, 20 и 22 соответственно. Целью этого испытания является определение степени разрушения, которое претерпел материал керна 16 до извлечения из горной породы 3, и численная оценка горизонтальных локальных напряжений, вызвавших это разрушение. Степень разрушения можно представить в виде поверхности разрушения в трехмерном пространстве напряжений (S1, S2, S3). Принимая во внимание, что степень разрушения материала керна определяется по состоянию наибольшего напряжения (т. е. по состоянию напряженности, влекущему наибольшую степень разрушения), можно утверждать, что важной особенностью настоящего изобретения является именно учет того факта, что состоянию наибольшей напряженности материал образца подвергается, когда находится в скважине 1 и до извлечения керна 16 из горной породы. Следовательно, в состоянии наибольшей напряженности главные напряжения равны: по базовому направлению 18, σ₂ по базовому направлению 20 и σ₃ по базовому направлению 22.

Как можно видеть на фиг.2, профиль поверхности разрушения для S1= определяют проведением серии тестов, целью которых является измерение горизонтальных локальных напряжений σ₂ и σ₃. При выполнении этих тестов сжимающее напряжение 31 поддерживают равным в то время как напряжения S2 и S3 изменяют до начала дополнительного разрушения. Как иллюстрирует примерная диаграмма на фиг.2, к керну 16 прикладывали усилие вдоль траектории 24 нагружения до точки А, начиная с которой начиналось дополнительное разрушение. Начало дополнительного разрушения определяли путем измерения акустической эмиссии, производимой материалом в соответствии с эффектом Кайзера. Затем изменяли напряжения S2 и S3 вдоль траекторий 26, 28 нагружения до точки В, вдоль траекторий 28, 30, 32 нагружения до точки С, вдоль траекторий 32, 34, 36 нагружения до точки D и вдоль траекторий 36, 38, 40 нагружения до точки Е, причем точки В, С, D, Е определяли по началу дополнительного разрушения в соответствии с эффектом Кайзера. Кривая, проведенная через точки А, В, С, D, E, образует профиль поверхности разрушения при S1= Для получения профиля поверхности разрушения, точно соответствующего наиболее напряженному состоянию, в котором находился керн 16 до извлечения из горной породы 3, при выполнении испытаний надо следить, чтобы создаваемое напряжение превышало лишь весьма незначительно наиболее напряженное состояние керна 16 до его извлечения.

Профиль разрушения на диаграмме S2, S3 (при S1=) дает некоторое множество точек (32, 33), каждая из которых, в принципе, может представлять локальное напряженное состояние (σ₁, σ₂, σ₃). Известным специалистам способом из этих точек производится выборка для определения фактического состояния локальной напряженности; например, можно принять верхнюю точку профиля в качестве характерной для фактического состояния локальной напряженности.

Если горная порода содержит поровую жидкость, то полная напряженность в любой конкретной точке горной породы равна сумме эффективной напряженности (испытываемой зернами породы) и давления поровой жидкости. Учитывая это, описанный выше способ можно успешно использовать для определения эффективных локальных напряжений σ_1э, σ_2э и σ_3э. Вертикальное эффективное локальное напряжение σ_1э в конкретной точке надо заменять на напряжение равное давлению Р, производимому буровым раствором 7, увеличенное на вес горной породы, находящейся между забоем 11 скважины и конкретной точкой, и уменьшенное на давление поровой жидкости. Значения горизонтальных эффективных локальных напряжений σ_2э и σ_3э определяют фактически по способу, описанному выше применительно к σ₂ и σ₃.а

Изобретение относится к области исследования горных пород и может быть использовано для определения напряжений, действующих в горной породе. В горной породе бурят скважину, которую заполняют промывочной жидкостью, оказывающей регулируемого давление на стенки скважины, из-за чего в определенной области горной породы первое локальное напряжение замещается на другое напряжение, зависящее от названного регулируемого давления, действующего на стенки скважины. Из этой области извлекают образец, имеющий первое, второе и третье базовые направления, совпадающие с направлениями первого, второго и третьего локальных напряжений соответственно, действующих на образец до его извлечения из горной породы. Выполняют на нем испытания, при проведении каждого из которых он подвергается регулируемым напряжениям вдоль базовых направлений с целью определения поверхности разрушения образца, при этом значение регулируемого напряжения вдоль первого базового направления равно значению указанного другого напряжения. По поверхности разрушения определяют по меньшей мере одно локальное напряжение - второе или третье. Направление первого локального напряжения вертикально, а направления второго и третьего локальных напряжений горизонтальны. Названная область горной породы может быть расположена ниже забоя буровой скважины, и первичное напряжение определяется давлением столба жидкости в скважине и весом объема породы, расположенного между забоем буровой скважины и тем местом, из которого извлечен образец породы. Образец могут извлекать из забойной области буровой скважины. При выполнении каждого испытания точку поверхности разрушения могут определять по акустической эмиссии, исходящей от образца. Изобретение позволяет повысить точность определения напряжений, действующих в горной породе. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения локальных напряжений в горной породе, подверженной первому, второму и третьему локальным напряжениям, для осуществления которого в горной породе бурят скважину, скважину заполняют промывочной жидкостью, оказывающей регулируемое давление на стенки скважины, благодаря чему в определенной области горной породы первое локальное напряжение замещается на другое напряжение, зависящее от названного регулируемого давления, действующего на стенки скважины, причем способ состоит из следующих операций: осуществляют отбор образца, извлеченного из названной области и имеющего первое, второе и третье базовые направления, которые совпадают с направлениями первого, второго и третьего локальных напряжений соответственно, действующих на образец до его извлечения из горной породы; выполняют некоторое множество испытаний на образце, при проведении каждого из которых образец подвергается регулируемым напряжениям вдоль базовых направлений с целью определения поверхности разрушения образца и определения по поверхности разрушения по меньшей мере одного - второго или третьего - локального напряжения, при этом значение регулируемого напряжения вдоль первого базового направления, по существу, равно значению названного другого напряжения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что направление первого локального напряжения, по существу, вертикально и направления второго и третьего локальных напряжений, по существу, горизонтальны. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что названная область расположена ниже забоя буровой скважины и первичное напряжение определяется давлением столба жидкости в скважине и весом объема породы, расположенного между забоем буровой скважины и тем местом, из которого извлечен образец породы. 4. Способ по любому одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что образец извлекают из забойной области буровой скважины. 5. Способ по любому одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что при выполнении каждого испытания точку поверхности разрушения определяют по акустической эмиссии, исходящей от образца.