Способ определения прочностных свойств горных пород по результатам изучения шлама Российский патент 2023 года по МПК G01N3/42 

Изобретение относится к нефтегазовой геологии и может быть использовано для оценки прочностных свойств горных пород, слагающих разрез вскрываемой скважины.

Известен способ определения механических свойств путем проведения одноступенчатых или многоступенчатых испытаний методом наноиндентирования частиц шлама (US 10775360 В2, 15.09.2020). Несмотря на больший объем информации о геомеханических свойствах разбуриваемых пород которая может быть получена при использовании данного способа, его главными недостатками являются: техническая сложность применяемого оборудования, что значительно увеличивает стоимость применения данного оборудования и невозможность проведения оперативных исследований на большом количестве материала, ввиду больших временных затрат га проведение одного замера.

В отечественной нормативной литературе не описаны способы определения физико-механических свойств горных пород по шламу, единственно близким документом является межгосударственный стандарт ГОСТ 21153.2-84 (Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии). Данный документ описывает способ определения физико-механических характеристик горных пород на образцах правильной геометрической формы, которые не могут быть получены из проб бурового шлама.

Оценка прочностных свойств пород необходима для поиска и локализации зон повышенной трещиноватости, которые оказывают большое влияние на безопасность горных выработок, значительно уменьшая значения прочностных параметров горных пород. Проблема обнаружения и ограничения зон трещиноватости является актуальной при бурении скважин, для которых характерно изначально напряженное состояние. Выявление подобных зон в скважинных условиях требует разработки особого методического подхода и специального анализа. Дальнейшее изучение зон трещиноватости представляет отдельный интерес, так как эти зоны могут представлять возможный канал для диффузии флюидов. Также зоны трещиноватости могут представлять определенную опасность при бурении скважин (возрастает риск аварийности, обусловленной геологическими причинами - возникновением обвалов, осыпей), в случае если слагающие ее породы имеют пониженные показатели физико-механических свойств.

Безаварийное бурение в таком случае будет возможным при оперативной локализации зон трещиноватости и проведения комплекса мероприятий, направленных на обеспечение безопасности буровых работ (смена режима бурения, изменение параметров бурового раствора или локализация опасного интервала обсадной колонной).

Одним из подходов, позволяющим получить информацию о физико-механических свойствах пород по всему стволу скважины является применение геофизических методов исследований таких как: акустический каротаж (определение модуля Юнга, коэффициента Пуассона), электрические и акустические микросканеры, позволяющие обнаружить макротрещины. Недостатком этого способа является получение интегральной характеристики пород.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ определения прочностных свойств пород, путем разрушения образцов плоскими соосными пуансонами проводимый на образцах правильной геометрической формы из кернового материала в лабораторных условиях (ГОСТ 21153.2-84). Подобный подход позволяет получить наиболее точную информацию о физико-механических свойства пород. Недостатком подобного подхода является ограниченность размаха исследований интервалами отборами керна.

Задача изобретения - оперативные исследования прочностных свойств горных пород на сжатие по частицам шламового материала.

Техническим результатом изобретения является увеличение объема и качества геологической информации о физико-механических свойствах горных пород, слагающих горную выработку, за счет оперативных исследований шламового материала.

Технический результат достигается тем, что способ определения прочностных свойств горных пород по результатам изучения шлама осуществляют следующим образом. Перед проведением испытания отмытая и высушенная до воздушно-сухого состояния шламовую пробу рассеивают на ситах и отбирают к проведению испытания частички представительной гранулометрической фракции, далее:

- производят измерения прочностных свойств на сжатие горных пород не менее чем на 40 частицах из каждой пробы, при этом если шламовая проба представлена смесью различных литотипов, то количество измерений увеличивается до 50, причем количество замеров на частичках из каждого литотипа пропорционально его процентному содержанию в пробе;

- образец для испытания помещают на жесткую, твердую горизонтальную ровную поверхность, дюрометр устанавливают в вертикальном положении;

- образец нагружают через индентор дюрометра непрерывно и равномерно до полного разрушения испытуемого образца со скоростью 5-10 Н/с, а приложенная сила связана с показаниями на индикаторном устройстве следующим соотношением:

или

где F - прилагаемая сила (Н); Н_А, H_D - твердость, определенная по дюрометру типа А или D соответственно; сила, прилагаемая к дюрометру, связана с прочностью породы на сжатие следующим соотношением:

где R_сж. - прочность породы на сжатие, МПа;

F - прилагаемая сила (Н), определенная по (1, 2);

S - площадь поверхности кончика индентора, входящего в контакт с исследуемой частицей.

- при получении с помощью дюрометра типа А значений выше 90 испытания проводят с дюрометром типа D, а при получении с помощью дюрометра типа D значений меньше 20 испытания проводят с помощью дюрометра типа А;

- осуществляют статистическую обработку результатов испытаний для исключения возможных ошибок, при этом при обработке результатов испытания образцов шлама на прочность вычисляют среднее арифметическое значение предела прочности при одноосном сжатии, среднее квадратическое отклонение (σ) и коэффициент вариации (V), среднеарифметическое значение вычисляют по формуле:

где n - число определений характеристики, x_i - частные значения характеристики, получаемые по результатам отдельных испытаний;

среднее квадратическое отклонение (а) вычисляют по формуле:

коэффициент вариации (V) вычисляют по формуле:

- выполняют проверку для исключения возможных ошибок, оставшихся после анализа опытных данных, исключают то частичное (максимальное или минимальное) значение x_i, для которого выполняется условие

где v - критерий надежности при двусторонней доверительной вероятности равной 0,95, принимаемый в зависимости от числа определений n;

- если какое-либо значение характеристики исключено, для оставшихся опытных данных заново вычисляют по формулам (4-6) среднее арифметическое, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации, а после выполнить повторную проверку согласно (7).

Данный подход является абсолютно новым для определения прочностных свойств горных пород вследствие того, что впервые в отечественной геологии шлам рассматривается как объект исследования при изучении геомеханических свойств горных пород и вследствие использования аппаратуры, ранее не применявшейся для подобных изысканий.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения предела прочности при одноосном сжатии измеряется максимальное значение разрушающего давления, приложенного к плоским торцам правильного цилиндрического или призматического образца через плоские стальные плиты или пуансоны нагрузочного устройства. Данный способ применим для пород, обладающих хрупким характером разрушения, т.е. для скальных и некоторых разностей полускальных.

Суть изобретения состоит в испытании отдельной частицы шлама на сжатие линейно сосредоточенной нагрузкой. Такая нагрузка вызывает разрыв образца на две части по поверхности, проходящей вдоль контакта породы с линейно сосредоточенной сжимающей нагрузкой. Способ измерения реализован на базе твердомеров (дюрометров) с аналоговым индикатором типа А и D.

Устройство, реализующее заявляемый способ содержит в себе: твердомер (дюрометр) с аналоговым индикатором для измерения твердости по шкале Шора типа А или D, жесткого основания. В конструкции возможны изменения в виде инструментального штатива согласно.

Перед проведением испытания отмытая и высушенная до воздушно-сухого состояния шламовая проба рассеиваются на ситах согласно [ГОСТ 12536-2014]. К проведению испытания допускаются частички наиболее представительной гранулометрической фракции.

Стадии испытания образца и статистической обработки результатов

Количество образцов при массовых испытаниях должно обеспечивать относительную погрешность результатов их испытаний не более 20% при надежности не ниже 0.8. Поэтому измерения прочностных свойств горных пород на сжатие производится не менее чем на 40 частицах из каждой пробы.

Если шламовая проба представлена смесью различных литотипов, то количество измерений увеличивается до 50, количество замеров на частичках из каждого литотипа пропорционально его процентному содержанию в пробе.

Испытание образца

1) Образец для испытания помещают на жесткую, твердую горизонтальную ровную поверхность, дюрометр устанавливается в вертикальном положении.

2) Образец нагружают через индентор дюрометра непрерывно и равномерно до полного разрушения испытуемого образца со скоростью 5-10 Н/с. Приложенная сила связана с показаниями на индикаторном устройстве следующим соотношением:

или

где F - прилагаемая сила (Н); Н_А, H_D - твердость, определенная по дюрометру типа А или D соответственно [ГОСТ 24621-91]. Сила, прилагаемая к дюрометру, связана с прочностью породы на сжатие следующим соотношением:

где R_сж. - прочность породы на сжатие, МПа;

F - прилагаемая сила (Н), определенная по (1, 2);

S - площадь поверхности кончика индентора, входящего в контакт с исследуемой частицей.

При получении с помощью дюрометра типа А значений выше 90 испытания следует проводить с дюрометром типа D, а при получении с помощью дюрометра типа D значений меньше 20 испытания следует проводить с помощью дюрометра типа А [ГОСТ 24621-91].

Статистическая обработка результатов испытаний

Статистическая обработка результатов испытаний выполняется для исключения возможных ошибок. При обработке результатов испытания образцов шлама на прочность вычисляют среднее арифметическое значение предела прочности при одноосном сжатии, среднее квадратическое отклонение (σ) и коэффициент вариации (V).

3) Среднеарифметическое значение х вычисляют по формуле:

где n - число определений характеристики, x_i - частные значения характеристики, получаемые по результатам отдельных испытаний.

4) Среднее квадратическое отклонение (σ) вычисляют по формуле:

5) Коэффициент вариации (V) вычисляют по формуле:

6) Далее выполняется проверка для исключения возможных ошибок, оставшихся после анализа опытных данных. Исключают то частичное (максимальное или минимальное) значение x_i, для которого выполняется условие

где v - критерий надежности при двусторонней доверительной вероятности равной 0,95, принимаемый в зависимости от числа определений n [ГОСТ 20522-2012].

7) Если какое-либо значение характеристики исключено, следует для оставшихся опытных данных заново вычислить по формулам (4-6) среднее арифметическое, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации, а после выполнить повторную проверку согласно (7).

Данный способ применим для пород, обладающих хрупким характером разрушения, т.е. для скальных и некоторых разностей полускальных.

Изобретение относится к нефтегазовой геологии и может быть использовано для оценки прочностных свойств горных пород, слагающих разрез вскрываемой скважины. Сущность: перед проведением испытания отмытую и высушенную до воздушно-сухого состояния шламовую пробу рассеивают на ситах и отбирают к проведению испытания частички представительной гранулометрической фракции. Производят измерения прочностных свойств на сжатие горных пород не менее чем на 40 частицах из каждой пробы, при этом если шламовая проба представлена смесью различных литотипов, то количество измерений увеличивается до 50, причем количество замеров на частичках из каждого литотипа пропорционально его процентному содержанию в пробе. Образец для испытания помещают на жесткую, твердую горизонтальную ровную поверхность, дюрометр устанавливают в вертикальном положении. Образец нагружают через индентор дюрометра непрерывно и равномерно до полного разрушения испытуемого образца со скоростью 5-10 Н/с. Осуществляют статистическую обработку результатов испытаний для исключения возможных ошибок, при этом при обработке результатов испытания образцов шлама на прочность вычисляют среднее арифметическое значение предела прочности при одноосном сжатии, среднее квадратическое отклонение (σ) и коэффициент вариации (V), среднеарифметическое значение . Выполняют проверку для исключения возможных ошибок, оставшихся после анализа опытных данных. Технический результат: увеличение объема и качества геологической информации о физико-механических свойствах горных пород, слагающих горную выработку.

Способ определения прочностных свойств горных пород по результатам изучения шлама, характеризующийся тем, что перед проведением испытания отмытую и высушенную до воздушно-сухого состояния шламовую пробу рассеивают на ситах и отбирают к проведению испытания частички представительной гранулометрической фракции, далее

- производят измерения прочностных свойств на сжатие горных пород не менее чем на 40 частицах из каждой пробы, при этом если шламовая проба представлена смесью различных литотипов, то количество измерений увеличивается до 50, причем количество замеров на частичках из каждого литотипа пропорционально его процентному содержанию в пробе;

- образец для испытания помещают на жесткую, твердую горизонтальную ровную поверхность, дюрометр устанавливают в вертикальном положении;

- образец нагружают через индентор дюрометра непрерывно и равномерно до полного разрушения испытуемого образца со скоростью 5-10 Н/с, а приложенная сила связана с показаниями на индикаторном устройстве следующим соотношением:

или

где F - прилагаемая сила (Н); Н_А, H_D - твердость, определенная по дюрометру типа А или D соответственно; сила, прилагаемая к дюрометру, связана с прочностью породы на сжатие следующим соотношением:

где R_сж. - прочность породы на сжатие, МПа;

F - прилагаемая сила (Н), определенная по (1, 2);

S - площадь поверхности кончика индентора, входящего в контакт с исследуемой частицей.

- при получении с помощью дюрометра типа А значений выше 90 испытания проводят с дюрометром типа D, а при получении с помощью дюрометра типа D значений меньше 20 испытания проводят с помощью дюрометра типа А;

- осуществляют статистическую обработку результатов испытаний для исключения возможных ошибок, при этом при обработке результатов испытания образцов шлама на прочность вычисляют среднее арифметическое значение предела прочности при одноосном сжатии, среднее квадратическое отклонение (σ) и коэффициент вариации (V), среднеарифметическое значение вычисляют по формуле:

где n - число определений характеристики, x_i - частные значения характеристики, получаемые по результатам отдельных испытаний;

среднее квадратическое отклонение (а) вычисляют по формуле:

коэффициент вариации (V) вычисляют по формуле:

- выполняют проверку для исключения возможных ошибок, оставшихся после анализа опытных данных, исключают то частичное максимальное или минимальное значение x_i, для которого выполняется условие

где v - критерий надежности при двусторонней доверительной вероятности равной 0,95, принимаемый в зависимости от числа определений n;

- если какое-либо значение характеристики исключено, для оставшихся опытных данных заново вычисляют по формулам (4-6) среднее арифметическое, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации, а после выполнить повторную проверку согласно (7).