СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХРУПКОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2023 года по МПК E21B49/00 E21C39/00 

Изобретение относится к области геофизических исследований в скважинах (ГИС) и может быть использовано при комплексировании методов ГИС с сейсмической разведкой и другими методами исследования горных пород, в которых требуются знания об их механических и петрофизических свойствах.

Хрупкость горных пород является одним из важнейших параметров, влияющих на успешное проведение гидроразрыва пласта и последующую добычу углеводородов. Под хрупкостью горной породы принято понимать ее способность к разрушению без заметной пластической деформации. Она зависит от множества различных факторов, таких как минеральный состав, слоистость, неоднородность пород, пористость, содержание органического вещества, температура, давление и др.. Данный параметр в значительной мере определяет формирование и сохранение природных трещин, создание и распространение искусственных трещин, а также их «заживление» со временем. Хрупкость пород является одним из важнейших факторов, которые необходимо учитывать при разработке нетрадиционных коллекторов. Однако способы ее количественной оценки, остаются весьма сложными и не вполне достоверными.

Известны способы изучения хрупкости по данным ГИС. Среди них одним из наиболее популярных является метод, предложенный Рикманом и др. [Rickman et al., 2008]. В этом, чисто эмпирическом, методе динамический индекс хрупкости (ДИХ) определяют путем оценки нормализованных упругих модулей:

где и являются нормализованными значениями модуля Юнга и коэффициента Пуассона, соответственно:

где и являются максимумом и минимумом модуля Юнга в геологической формации, а являются максимумом и минимумом коэффициента Пуассона в формации.

Входящие в приведенные выше соотношения упругие модули получают из данных акустического и плотностного каротажей. В этом состоит один из существенных недостатков способа, поскольку в нем не учитываются зависимости между механическим напряжением и деформацией горных пород, проявляющиеся в явном виде при изучении хрупкости.

Наиболее близким прототипом к изобретению является способ определения хрупкости горных пород по зависимости деформации образца горной породы от оказываемого на него давления [Hucka, V. and В. Das (1974). Brittleness determination of rocks by different methods. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Elsevier]. В этом способе используют положение точки разрушения на кривой, отображающей зависимость давление - деформация и о хрупкости горных пород судят по отношению обращаемого участка деформации к полной деформации или по отношению обращаемой энергии деформации к полной энергии деформации образца горной породы.

Основным недостатком прототипа является его ограниченность областью лишь лабораторных измерений. Образец горной породы, взятый для исследований, извлекают из условий естественного залегания, поэтому его свойства могут существенно отличаться от петрофизических свойств изучаемой формации. Достаточно близкими эти свойства могут быть лишь для весьма крепких пород. При бескерновом бурении значительных интервалов глубин данные о хрупкости пород в этих интервалах вообще могут быть не получены.

Цель предлагаемого изобретения - определение хрупкости горных пород в условиях естественного залегания.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изучения хрупкости горных пород, основанном на использовании зависимости деформации от механического напряжения, зависимость деформации от напряжения изучают в условиях естественного залегания пород, для чего погружают в буровую скважину прикрепленный к скважинному прибору управляемый с земной поверхности источник механического напряжения, выполненный в виде рычага, при помощи которого оказывают контролируемое давление на стенку скважины вплоть до нарушения ее сплошности в выбранном интервале глубин, при этом измеряют величину давления на породу в контакте рычага со стенкой скважины и величину расстояния от контакта до оси скважинного прибора. В одной из модификаций предлагаемого способа в фиксированной точке скважины оказывают механическое воздействие на ее стенку в разных азимутах и путем сопоставления хрупкости для разных азимутов судят об анизотропии горных пород в исследуемом интервале глубин.

Суть предлагаемого способа поясняется фигурой, на которой схематически представлена зависимость деформации от давления на горную породу.

Давление постепенно возрастает до тех пор, пока участок горной породы в точке давления не разрушится. Жирной линией показана зависимость деформации от давления, используемая для оценки хрупкости. Эта кривая имеет характерные участки: линейный участок OA, участок нелинейной упругой деформации АВ, точка разрушения В, участок нарушения сплошности BQ, зона релаксации QK. Кривая давление-деформация дополнена участком разгрузки ВС - потенциальным участком линейной разгрузки с наклоном, равным наклону, наблюдаемому на участке линейной упругой нагрузки OA. В результате этого точка разрушения может быть охарактеризована полной деформацией, равной длине участка OL, и ее обращаемой частью, равной длине участка CL. Одновременно с этим, можно использовать энергетический подход: площадь криволинейной трапеции OABL представляет собой количество полной энергии, накопленной в образце до момента разрушения, в то время как площадь треугольника CBL соответствует обращаемой части накопленной энергии.

Количественно коэффициент хрупкости можно оценить следующими соотношениями:

СИХ1 = (обращаемая деформация)/(полная деформация) = CL/OL,

СИХ2 = (обращаемая энергия)/(полная энергия) = (площадь CBL)/(площадь OBL).

В этих соотношениях аббревиатурами СИХ1 и СИХ2 обозначены статические индексы хрупкости. Они, в отличие от приведенного выше соотношения ДИХ, не требуют знания величин сейсмических волн, а определяются непосредственно путем статических измерений.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ сейсморазведки в соответствии с изобретением характеризуется следующими существенными отличиями:

1. Хрупкость определяют непосредственно в условиях естественного залегания горной породы (in situ).

2. Исключаются искажения в определении хрупкости, обусловленные извлечением из породы керна и выпиливанием из керна образца для последующих измерений.

3. Обеспечивается возможность определения хрупкости горных пород при бескерновом бурении, когда какие-либо лабораторные измерения в процессе бурения вообще исключены.

Современные технические возможности позволяют создать скважинный прибор, содержащий гидравлическое управляемое прижимное устройство, аналогичное применяемому в приборах для вертикального сейсмического профилирования (ВСП) или в пластовой наклонометрии. На ранних стадиях развития метода ВСП использовали такие устройства, содержащие на конце прижимного рычага датчики давления, позволяющие контролировать силу прижима прибора к стенке скважины. Удаление точки прижима от оси скважинного прибора можно измерить, обеспечив прибор системой для измерения диаметра скважины, аналогичной каверномеру. Прижимное устройство предпочтительно электрогидравлического типа.

Способ осуществляют следующим образом.

В буровую скважину на заданную глубину погружают прибор с управляемым и контролируемым с земной поверхности прижимным устройством. Начиная с момента касания прижимного рычага стенки скважины, увеличивают силу прижима, одновременно контролируя изменение расстояния от точки прижима до оси скважинного прибора. Достижение точки разрушения горной породы под действием прижимного рычага будет отмечено скачкообразным уменьшение силы прижима и увеличением расстояния от конца прижимного рычага до оси скважинного прибора.

Последовательность процедур в соответствии с предлагаемым изобретением является следующей:

1. В пределах интервала глубин, представляющего разведочный интерес, намечают одну из точек в скважине, не содержащую каверн.

2. В намеченную для исследований точку помещают скважинный прибор, содержащий прижимное устройство, датчик давления прижимного рычага на стенку скважины и датчик расстояния от точки прижима до оси скважинного прибора.

3. Путем управления с земной поверхности увеличивают прижимное усилие рычага скважинного прибора, одновременно регистрируя силу давления на стенку скважины и расстояние от точки прижима до оси скважинного прибора.

4. По изменению силы тока в цепи управления прижимным рычагом или непосредственно по зависимости деформации стенки скважины от силы давления определяют точку нарушения прочности стенки скважины, прекратив на этом увеличивать давление на нее.

5. По зависимости деформация-давление, полученной в исследуемой точке скважины определяют динамический индекс хрупкости по приведенным выше соотношениям.

Применение предлагаемого способа позволит более надежно оценивать хрупкость изучаемых пород по сравнению с лабораторными методами. Связь хрупкости с проницаемостью горных пород позволит более обоснованно прогнозировать фильтрационно-емкостные свойства коллекторов углеводородов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Hucka, V. and В. Das (1974). Brittleness determination of rocks by different methods. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Elsevier.

2. Rickman, R.; Mullen, M.; Petre, E.; Grieser, В.; Kundert, D. A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulation Design Optimization: All Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale; Society of Petroleum Engineers: Richardson, TX, USA, 2008.

Изобретение относится к области геофизических исследований в скважинах (ГИС) и может быть использовано при комплексировании методов ГИС с сейсмической разведкой и другими методами исследования горных пород, в которых требуются знания об их механических и петрофизических свойствах. Способ изучения хрупкости горных пород основан на использовании зависимости деформации от механического напряжения, для повышения достоверности результатов зависимость деформации от напряжения изучают в условиях естественного залегания пород, для чего погружают в буровую скважину прикрепленный к скважинному прибору управляемый с земной поверхности источник механического напряжения, выполненный в виде рычага. При помощи рычага оказывают контролируемое давление на стенку скважины вплоть до нарушения ее сплошности в выбранном интервале глубин, при этом измеряют величину давления на породу в контакте рычага со стенкой скважины и величину расстояния от контакта до оси скважинного прибора. Технический результат заключается в более надежной оценке хрупкости изучаемых пород по сравнению с лабораторными методами за счет ее изучения в условиях естественного залегания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изучения хрупкости горных пород, основанный на использовании зависимости деформации от механического напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности, зависимость деформации от напряжения изучают в условиях естественного залегания пород, для чего погружают в буровую скважину прикрепленный к скважинному прибору управляемый с земной поверхности источник механического напряжения, выполненный в виде рычага, при помощи которого оказывают контролируемое давление на стенку скважины вплоть до нарушения ее сплошности в выбранном интервале глубин, при этом измеряют величину давления на породу в контакте рычага со стенкой скважины и величину расстояния от контакта до оси скважинного прибора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в фиксированной точке скважины оказывают механическое воздействие на ее стенку в разных азимутах и путем сопоставления хрупкости для разных азимутов судят об анизотропии горных пород в исследуемом интервале глубин.