СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИННОЙ ПОРИСТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2018 года по МПК G01V1/28 G01N15/08 

Изобретение относится к области промысловой геофизики, а именно к исследованиям, позволяющим определять трещинную пористость пород в разрезе нефтяных и газовых скважин.

Известен способ определения количественных параметров пласта, в том числе и трещинной пористости, методом отраженных волн, в ходе которого фиксируют множества данных амплитудных и временных характеристик отраженных сигналов, зарегистрированных при круговом измерении параметров азимута в процессе равномерного перемещения скважинного прибора по глубине, после чего, принимая по временному каналу записи отраженных импульсов, рассчитывают коэффициенты трещинной и каверной пористостей, а также рассеянной глинистости, а затем путем визуализации по временному каналу записи определяют параметры трещины гидроразрыва пласта, а именно: длину, раскрытость и конфигурацию. (РФ 2402791 С2, МПК G01V 1/40, Е21В 47/00 Способ определения количественных параметров пласта методом отраженных волн).

Наиболее близким к заявленному способу является способ определения трещинной пористости, в ходе которого проводят следующие действия: формируют набор образцов исследуемой породы, экспериментально определяют общую пористость каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, определяют скорость распространения продольной волны и общую пористость в образцах исследуемой породы в условиях, моделирующих пластовые условия, после чего определяют скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы с использованием зависимости скорости распространения продольной волны в образцах исследуемой породы от их общей пористости, определенных в условиях, моделирующих пластовые условия, далее рассчитывают величину трещинной пористости для каждого из образцов исследуемой породы, а затем определяют поровую пористость как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью. (Патент РФ №2516392 С2, МПК G01V 1/28 (2006.01) Способ определения трещинной пористости пород).

Недостатком указанного способа является то, что в процессе статистической обработки данных, с помощью которой определяется скорость распространения упругой волны в минеральном скелете исследуемой породы, результаты, а именно значение определяемой трещинной пористости породы не обладает достаточной точностью. Кроме того, вследствие неоднородности минерального состава коллекции исследуемых образцов, которая в свою очередь влияет на величину скорости упругой продольной волны, иногда при вычислениях получают отрицательные значения величины трещинной пористости, что не имеет физического смысла, поскольку в реальности трещинная пористость не может быть меньше нуля.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное решение, заключается в повышении точности проводимых исследований по определению величины трещинной пористости пород при исследовании образцов горных пород.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе определения трещинной пористости горных пород, в котором предварительно формируют набор образцов исследуемой породы, экспериментально определяют общую пористость (Кп.общ.атм.) каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, согласно изобретению экспериментально определяют скорость (Vp) распространения упругой продольной волны каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, общую пористость (Кп.общ.) каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, после чего строят график зависимости (Vp) от (Кп.общ.), в результате чего графически определяют скорость (Vp.ск.) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы, затем рассчитывают трещинную пористость (Кп.тр.) каждого из образцов исследуемой породы по формуле:

при этом, в случае получения отрицательных величин рассчитываемой трещинной пористости, полученное наибольшее отрицательное ее значение приравнивают нулю и определяют уточненное значение скорости Vp.ут.ск. распространения упругой продольной волны в минеральном скелете по формуле:

после чего вновь рассчитывают величину трещинной пористости (Ктр.п.) каждого образца исследуемой породы по формуле (1), используя для расчета полученное по формуле (2) уточненное значение скорости распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vp.ск.ут.).

Реализация способа происходит следующим образом:

- формирование коллекции образцов исследуемой горной породы;

- экспериментальное определение общей пористости (Кп.общ.атм.) в атмосферных условиях каждого из упомянутых образцов;

- определение общей пористости (Кп.общ.) и скорости (Vp) распространения упругой продольной волны для каждого из исследуемых образцов горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%;

- определение величины трещинной пористости (Кп.тр.) в соответствии с полученной и/или рассчитанной величиной уточненного значения скорости (Vp.ск.) продольной волны в скелете образца горной породы.

Пример реализации заявленного способа

Формируют набор из 24 образцов песчаника, после чего определяют в атмосферных условиях общую пористость (Кп.общ.атм.) каждого из отобранных образцов методом жидкостенасыщения. Затем определяют общую пористость (Кп.общ.) каждого из образцов и скорость распространения продольной волны (Vp) для каждого из них в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, с точностью определения пористости ±0,01%, а скорости продольной волны ±0,002 км/с.

Общая пористость (Кп.общ.) - это отношение объема пустот в образце к объему всего образца. При Кп.общ.=0 пустот нет - это монолитная среда (минерал или скелет), при Кп.общ.=50% (или Кп.общ.=0,5) половину объема образца занимает минеральный скелет, а вторая половина - это пустоты, заполненные воздухом, или водой, или пластовой жидкостью, или газом, или нефтью. Общая пористость состоит из межзерновой и трещинной компонент. Еще общая пористость немного уменьшается при переходе от атмосферных условий к пластовым, что обусловлено тем, что:

а) зерна горной породы ближе примыкают друг другу - порода уплотняется;

б) часть трещин закрывается (смыкаются их края).

Поэтому атмосферная пористость (Кп.общ.атм.) определяется в атмосферных условиях, а пластовая пористость определяется в условиях, моделирующих пластовые.

Общая пористость (Кп.общ.) может определяться экспериментально, например, с помощью лабораторной установки ПУМА-650.

Скорость (Vp) распространения упругой продольной волны есть скорость распространения упругих колебаний частицы среды, в которой распространяется упругая волна, то есть, по сути, это волна сжатия-растяжения. Скорость Vp распространения продольной волны может фиксироваться, например, пьезоэлектрическими датчиками, сигнал которых выводится на цифровой осциллограф, с помощью которого производят определение времени прохождения упругой волны по образцу, а затем определяют скорость продольной волны как отношение длины каждого образца к времени прохождения упругой волны по образцу. Здесь надо учесть, что скорость Vp определяется при разных значениях эффективного давления Р_эф, для каждого из которых она своя и зависит от величины Р_эф, что и показано на Фиг. 1 для трех образцов с разными величинами Кп.общ.

Определение указанных выше величин Кп.общ. и Vp в термобарических условиях, именно превышающих пластовые на 10-15%, происходит по следующей причине. С увеличением пластовых условий (в частности, давления всестороннего сжатия) частично закрываются трещины и поры в горной породе, что приближает горную породу к состоянию так называемой нулевой пористости. В лабораторных условиях этот процесс можно имитировать в короткие временные промежутки, в отличие от длительного протекания процесса приведения породы к нулевой пористости в естественных условиях (в природе). При проведении лабораторных исследований, в случае быстрого увеличения нагрузки на породу до параметров, сильно превышающих по значению параметры в пласте, можно довести породу до разрушения. Однако как показывает опыт, увеличение нагрузки на породу менее чем на 10-15% от нагрузки в пласте, немного увеличивает скорость упругих волн и снижает пористость, а увеличение более чем на 10-15% может привести к разрушению породы. В итоге целесообразно было проводить исследование при термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%.

На Фиг. 1 показано изменение скорости Vp продольной волны в образце горной породы в зависимости от роста так называемого эффективного давления Р_эф, значения которого равны разности давления всестороннего сжатия и давления пластовой жидкости. На Фиг. 1 величина R² - это достоверность аппроксимации фактических (измеренных) данных зависимостью такого рода (в данном случае зависимостью Vp от Р_эф). При R²=1 имеет место функциональная зависимость, при R²<1 фактические данные несколько отличаются от этой зависимости. Чем меньше R², тем дальше будут фактические точки от расчетной кривой, описывающей зависимость скорости упругой волны Vp от эффективного давления Р_эф. Как видно из графика (Фиг. 1), после выхода на асимптоту (при Р_эф=30, 37 МПа) отмечено значительное уменьшение скорости (с 5,314 до 5,202 км/с) при Р_эф=42 МПа (увеличение Р_эф более чем 27% относительно пластовых условий с Р_эф=37 МПа) в образце с минимальной пористостью Кп.общ.=4,6% (верхняя кривая на Фиг. 1). Это может означать начало образования трещины, заполненной водой (об этом говорит снижение скорости Vp), по которой и может произойти разрушение образца.

В таблице 1 приведены результаты определения скорости (Vp) продольных волн в трех образцах изучаемой коллекции: с минимальной пористостью (Кп.общ.=4,6%), максимальной пористостью (Кп.общ.=14,1%) и с пористостью, близкой к среднему значению (Кп.общ.=10,6%), при увеличении эффективного давления с 2 до 47 МПа. По этим данным построены графики, представленные на Фиг. 1. Пластовым термобарическим условиям отвечает величина эффективного давления 37 МПа. Выше рассмотрены последствия превышения эффективного давления почти на 15% (Р_эф=42МПа) и на 27% (Р_эф=47МПа) относительно действующего в пласте давления (Р_эф=37МПа). Вывод о целесообразности превышения пластовых условий только на 10-15% обусловлен тем, что при более значительном превышении давления (выше 15%) образец можно разрушить.

После определения общей пористости (Кп.общ.) и скорости распространения продольной волны (Vp) для каждого из образцов в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, графически определяют скорость распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vp.ск=5,8604 км/с) для всей исследуемой коллекции образцов горных пород. Здесь следует отметить следующее. Трещинная пористость есть доля пустот в общем объеме образца горной породы, а потому в реальности отрицательной она быть не может. В минеральном скелете породы пустот нет, следовательно, минимальная величина трещинной пористости (Кп.тр.) равна нулю. В связи с этим скорость (Vp.ск.) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете при общей пористости, равной нулю, графически определяют как значение на оси ординат (скорости продольной волны) при значении пористости, равной нулю (как точку пересечения линии зависимости Vp от Кп.общ. с вертикальной осью - осью ординат.), или с использованием уравнения зависимости скорости распространения упругой продольной волны от пористости образцов в пластовых условиях (см. Фиг. 2):

где Vp - скорость распространения упругой продольной волны в образце горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, км/с;

Vp.ск. - скорость распространения упругой продольной волны в минеральном скелете исследуемой горной породы (при общей пористости равной нулю), км/с;

Кп.общ. - общая пористость образца горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%.

Из Фиг. 2 графически определяют Vp.ск. (скорость распространения продольной упругой волны в минеральном скелете исследуемой породы) как точку пересечения линии зависимости Vp от Кп.общ. с вертикальной осью - осью ординат. Это означает, что в этой точке Кп.общ.=0,00% и это соответствует минеральному скелету породы, в котором нет пористости и скорость в минеральном скелете в данном случае равна Vp.ск=5,86 км/с.

Величину трещинной пористости (Кп.тр.) для каждого из исследованных образцов горной породы определяют, используя уравнение (1) зависимости трещинной пористости от измеренной общей пористости (Кп.общ.) образца и отношения измеренной скорости упругих продольных волн в образце горной породы к скорости упругих продольных волн в матрице (минеральном скелете) этой горной породы:

где Кп.тр. - величина трещинной пористости образца горной породы, Кп.общ. - общая пористость образца горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, Vp - экспериментально определенная скорость распространения упругой продольной волны в образце горной породы (км/с) в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%.

Полученные в ходе эксперимента и вычислений данные указаны в таблице 2.

Так, для образца 1, имеющего общую пористость в атмосферных условиях 4,6% и общую пористость в пластовых условиях 3,74%, скорость продольной волны в пластовых условиях составляет 5,30 км/с и расчет трещинной пористости в пластовых условиях по формуле (1) с использованием скорости в продольной волне в скелете, равной 5,8604 км/с, дал значение 0,175%, а для межзерновой пористости получена величина 3,56% (Кп.мз. = Кп.общ. - Кп.тр.). В то же время для образца 18, имеющего общую пористость в атмосферных условиях 12,1%, а в пластовых условиях -11,42%, получено отрицательное значение трещинной пористости (-0,126%), что не имеет физического смысла, так как пористость - это доля пустот (в процентах) от общего объема образца и она не может иметь значение меньше нуля. После уточнения скорости продольной волны в минеральном скелете по формуле (2) расчет трещинной пористости по той же формуле (1), но уже с использованием уточненного значения скорости продольной волны Vp.ск.ут.=6,0444, дает значение 0,000%, что не противоречит физической сущности пористости и повышает точность определения величины трещинной пористости пород.

В случае, когда сформирована минералогически однородная коллекция и/или нет данных о зависимости плотность - пористость, приравнивая полученное наибольшее отрицательное значение (образец 18: Кп.тр.=-0,126%) трещинной пористости нулю, получим из уравнения (1) выражение (2) для расчета уточненного значения скорости продольной волны в скелете:

Вновь рассчитаем величину трещинной пористости (Ктр.п.) для каждого из образцов по формуле (1), но уже используя уточненное значение Vp.ск.ут.=6,0444 км/с.

Из таблицы 2 видно, что в столбце 7, рассчитанном с использованием уточненного значения Vp.ск.ут.=6,0444 км/с, нет образцов с отрицательной трещинной пористостью.

После определения трещинной пористости образцов определяют величину межзерновой пористости как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью в соответствии с уравнением:

Таким образом, реализация заявленного способа позволяет за счет создания определенных условий, при которых оказывается значительная нагрузка на породу (превышение термобарических параметров на 10-15% по сравнению с термобарическими параметрами пласта), а также за счет уточнения скорости в скелете горной породы, которое осуществляется путем приравнивания полученного в первом приближении наибольшего отрицательного значения трещинной пористости нулю, значительно повысить точность определения трещинной пористости исследуемой породы.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для определения трещинной пористости горных пород. Способ определения трещинной пористости горных пород включает в себя экспериментальное определение скорости (Vp) распространения упругой продольной волны каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, общую пористость (Кп.общ.) каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%. После этого строят график зависимости (Vp) от (Кп.общ.), в результате чего графически определяют скорость (Vp.ск.) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы. Затем рассчитывают трещинную пористость (Кп.тр.) каждого из образцов исследуемой породы по формуле:

При этом в случае получения отрицательных величин рассчитываемой трещинной пористости полученное наибольшее отрицательное ее значение приравнивают нулю и определяют уточненное значение скорости распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vp.ск.ут.) по формуле:

После чего вновь рассчитывают величину трещинной пористости (Кп.тр.) каждого образца исследуемой породы по формуле (1), используя для расчета полученное по формуле (2) уточненное значение скорости распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vp.ск.ут). Технический результат - повышение точности проводимых исследований по определению величины трещинной пористости пород при исследовании образцов горных пород. 2 ил., 2 табл.

Способ определения трещинной пористости горных пород, в котором предварительно формируют набор образцов исследуемой породы, экспериментально определяют общую пористость (Кп.общ.атм.) каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, отличающийся тем, что экспериментально определяют скорость (Vр) распространения упругой продольной волны каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, общую пористость (Кп.общ.) каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, после чего строят график зависимости (Vр) от (Кп.общ.), в результате чего графически определяют скорость (Vр.ск.) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы, затем рассчитывают трещинную пористость (Ктр.п.) каждого из образцов исследуемой породы по формуле:

при этом в случае получения отрицательных величин рассчитываемой трещинной пористости полученное наибольшее отрицательное ее значение приравнивают нулю и определяют уточненное значение скорости распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vр.ск.ут.) по формуле:

после чего вновь рассчитывают величину трещинной пористости (Кп.тр.) каждого образца исследуемой породы по формуле (1), используя для расчета полученное по формуле (2) уточненное значение скорости (Vр.ск.ут) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете.