МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОРОУПРУГОСТИ (БИО) ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2025 года по МПК G01N3/08 E21C39/00 

Область техники

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли, к разработке метода расчета коэффициента пороупругости (Био) горных пород в лабораторных условиях, исключающем проведение дополнительных деформационных испытаний, позволяющем производить расчет из данных, полученных при прочностных испытаниях горных пород.

Уровень техники

В лабораторном анализе кернового материала нефтяных скважин известны различные методы геомеханических исследований. Одним из параметров, получаемых в процессе геомеханических исследований, является коэффициент пороупругости (Био) горных пород.

Известен способ лабораторного определения коэффициента пороупругости (Био) горных пород, заключающийся в определении коэффициентов объемного сжатия горной породы, насыщенной флюидом. Данный способ выражается зависимостью:

(1)

где α является коэффициентом пороупругости (Био) горных пород, K_fr является модулем объемного сжатия породы, K_s является модулем объемной деформации скелета горной породы.

К недостаткам данного метода относятся: необходимость определения объемных деформаций образцов горных пород, насыщенных флюидом, сложность технической реализации лабораторного определения K_s, длительность проведения единичного определения модулей сжатия, а также необходимость выполнения двух независимых экспериментов по сжатию образцов горных пород для определения K_fr и K_s.

Известен способ лабораторного определения коэффициента пороупругости (Био) горных пород, заключающийся в варьировании внешних напряжений (давлений, прикладываемых к образцу горной породы, при объемном сжатии породы) и порового давления (давление флюида внутри пор образца горной породы) при условии нулевой объемной деформации (неизменной геометрии образца горной породы). Данный подход выражается следующей зависимостью:

(2)

где α является коэффициентом пороупругости (Био) горных пород, σ_р является внешним напряжением (давлением обжима), измеряемом в МПа, p_f является поровым давлением флюида в объеме образца горной породы, измеряемом в МПа, ε_vol является относительной объемной деформацией.

К недостаткам данного метода лабораторного определения коэффициента пороупругости (Био) горных пород относятся: длительность процесса стабилизации внешнего напряжения и порового давления, а также, в большей степени, компенсации объемных деформаций, т.е. выведение изменения объема образца горной породы в ноль, что, в свою очередь, требует усложнения аппаратной части для точного определения деформаций образца горной породы в различных направлениях.

Известен способ лабораторного определения коэффициента пороупругости (Био) горных пород, заключающийся в определении изменений объема пор (пустот) в объеме образца горной породы и объема минеральной матрицы образца горной породы в процессе поэтапного сжатия образца горной породы, при условии поддержания неизменного порового давления. Данный подход выражается следующей зависимостью:

(3)

где α является коэффициентом пороупругости (Био) горных пород, V_p является объемом пор, измеряемом в м³, V_b является объемом минеральной матрицы породы, измеряемом в м³, p_f является поровым давлением, измеряемом в МПа.

К основным недостаткам данного метода относятся: техническая сложность измерения изменения объема минеральной матрицы образца горной породы и неоднозначность получаемых в процессе подобного измерения результатов, наличие множества влияющих факторов, осложняющих интерпретацию получаемых данных, а также значительные временные затраты, связанные с необходимостью стабилизации объемов порового пространства и минеральной матрицы образца горной породы в процессе изменения внешней нагрузки (объемного сжатия).

Указанные выше методические подходы (1) - (3) не могут быть совмещены с другими исследованиями.

Известен подход расчета коэффициента пороупругости (Био) горных пород, отраженный в статье J.A.Franquet and H.H.Abass «Experimental evaluation of Biot's poroelastic parameter Three different methods» (Rock Mechanics for Industry, Amadei Kranz, Scott Smeallie (eds)¸ 1999, Balkema, Rotterdam). Для определения коэффициента пороупругости (Био) горных пород авторы применяли расчетные параметры паспорта прочности: когезию (сцепления) горных пород, предел прочности при объемном сжатии при заданном эффективном давлении, угол касательной к кругам Мора (критерий прочности Мора-Кулона).

К недостаткам данного метода можно отнести следующее: необходимость проведения полного комплекса исследований (предел прочности при растяжении, предел прочности при одноосном сжатии, пределы прочности при объемном сжатии при различных эффективных давлениях), что приводит к усложнению инструментальной части лабораторных экспериментов, дополнительной сложности необходимой математической обработки комплекса исследований для построения паспортов прочности и расчета необходимых параметров.

Раскрытие сущности изобретения.

Метод определения коэффициента пороупругости (коэффициента Био) горных пород, заключающийся в формировании коллекции из трех и более образцов горной породы сходного литологического состава, которые насыщаются пластовым флюидом и поступают на исследование прочностных свойств, причем не менее чем на одном образце горной породы из отобранной коллекции производится определение предела прочности при одноосном сжатии UCS, не менее чем на двух образцах горной породы из отобранной коллекции определяются пределы прочности при объемном сжатии при различных эффективных давлениях TXC, одно из которых соответствует наблюдаемому в пластовых условиях, а другие - отличны от него, далее производится аппроксимация набора данных по определению пределов прочности в условиях объемного сжатия при различных эффективных давлениях для расчета предела прочности при объемном сжатии, в отсутствии обжимного давления, в условиях отсутствия дренажа TXC₀, далее, исходя из полученных данных UCS и TXC₀, а также с учетом поправочного коэффициента Y, производится расчет коэффициента пороупругости (коэффициента Био) горных пород по зависимости:

,

где Y является поправочным коэффициентом, UCS является пределом прочности при одноосном сжатии, измеряемом в МПа, TXC₀ является аппроксимированным пределом прочности при объемном сжатии в условиях отсутствия эффективного давления, измеряемом в МПа.

Целью настоящего изобретения является расчет коэффициента пороупругости (Био) горных пород из результатов определения пределов прочности при одноосном сжатии и объемном сжатии образцов горной породы, без привлечения других исследований.

Настоящий метод заключается в использовании данных прочностных испытаний горных пород, получаемых, в частности, в процессе построения паспортов прочности. Для реализации данного метода требуется иметь данные по серии испытаний образцов при объемном сжатии в условиях различного эффективного давления (соотношения внешнего давления обжима и порового давления), а также результаты определения предела прочности при одноосном сжатии горных пород в отсутствии обжима и порового давления. Метод не подразумевает расчет параметров паспорта прочности пород (когезия, угол касательной к кругам Мора и т.д.), а только определение пределов прочности при объемном и одноосном сжатии.

Поставленная цель достигается путем использования лабораторной установки любой конструкции и компоновки, позволяющей создавать давление обжима и порового давления в образце горной породы, а также позволяющей определять предел прочности (регистрировать давление разрушения) образца горной породы при одноосном и объемном сжатии образца горной породы.

Сущность изобретения заключается в определении коэффициента пороупругости (Био) образцов горной породы по результатам серии испытаний образцов при объемном сжатии в условиях различного эффективного давления (соотношения внешнего давления обжима и порового давления), а также одноосного сжатия горных пород в отсутствии обжима и порового давления.

Техническим результатом при использовании изобретения является определения коэффициента пороупругости (Био) из данных прочностных исследований горных пород (пределов прочности при одноосном сжатии и объемном сжатии).

Поставленные цели и указанный технический результат достигаются за счет определения предела прочности образца горной породы при одноосном сжатии при отсутствии обжимного и порового давлений, определения пределов прочности образцов горной породы в условиях объемного сжатия при различных эффективных давлениях, что не требует проведения дополнительных продолжительных по времени и технически сложно реализуемых исследований, а также позволяет получить заявленный результат при простом использовании данных прочностных экспериментов.

Краткое описание рисунков

Изобретение поясняется описанием и иллюстрациями на рисунках (фиг. 1-4).

Фигура 1 иллюстрирует зависимость поправочного коэффициента Y от отношения пределов прочности образца горной породы при одноосном сжатии (UCS) и аппроксимируемом значении предела прочности горной породы при объемном сжатии в отсутствии эффективного давления (TXC₀).

Фигура 2 иллюстрирует типичную аппроксимацию значений пределов прочности горной породы при объемном сжатии (TXC) в зависимости от эффективного давления для нахождения значения предела прочности при объемном сжатии в отсутствии эффективного давления (TXC₀).

Фигура 3 отображает расчетные значения коэффициента пороупругости (Био) горных пород, полученные на коллекции образцов горной породы при реализации данного изобретения.

Фигура 4 иллюстрирует сопоставление полученных различными методами коэффициентов пороупругости (Био) горных пород.

Осуществление изобретения

В соответствии с настоящим изобретением, формируется коллекция из трех и более образцов горной породы сходного литологического состава, насыщается пластовым флюидом и поступает на исследование прочностных свойств. Не менее чем на одном образце горной породы из отобранной коллекции производится определение предела прочности при одноосном сжатии (UCS). Не менее чем на двух образцах горной породы из отобранной коллекции определяются пределы прочности при объемном сжатии при различных эффективных давлениях (TXC), одно из которых соответствует наблюдаемому в пластовых условиях (внешнее давление со стороны горных пород и поровое давление, характерные для места отбора образцов горных пород), а другие - отличны от него. Далее производится аппроксимация набора данных по определению пределов прочности в условиях объемного сжатия при различных эффективных давлениях для расчета предела прочности при объемном сжатии, в отсутствии обжимного давления, в условиях отсутствия дренажа (TXC₀, фиг. 2). Далее, исходя из полученных данных UCS и TXC₀, а также с учетом поправочного коэффициента Y, производится расчет коэффициента пороупругости (Био) горных пород. Поправочный коэффициент Y является параметрическим, зависящим от соотношения UCS и TXC₀, и определяется путем сопоставления значений коэффициента пороупругости (Био) горных пород, рассчитанных одним из методов прямого измерения и методом, отраженным в настоящем изобретении. Например, в случае терригенных пород Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции, поправочный коэффициент имеет следующий вид:

(4)

где Y является поправочным коэффициентом, UCS является пределом прочности при одноосном сжатии, измеряемом в МПа, TXC₀ является аппроксимированным пределом прочности при объемном сжатии в условиях отсутствия эффективного давления, измеряемом в МПа.

Для обоснования и реализации настоящего изобретения имеются следующие предпосылки:

1. Модули объемного сжатия образцов горных пород обратно-пропорциональны пределам прочности образцов горных пород и пропорциональны их сжимаемости.

2. Тест на определение предела прочности при объемном сжатии предполагает поддержание порового давления при изменяющемся давлении обжима, т.е. аналогичен экспериментам, проводимым в рамках методики (1) для определения K_fr. При аппроксимации полученных при различных эффективных давлениях пределов прочности, получится значение:

(5)

где K_fr является модулем объемного сжатия породы, TXC₀ является аппроксимированным пределом прочности при объемном сжатии, в отсутствии обжимного давления, в условиях отсутствия дренажа, измеряемом в МПа.

3. Тест на определение предела прочности при одноосном сжатии в условиях свободного оттока флюида аналогичен эксперименту, проводимому в рамках методики (1) для определения K_s, для которой характерна неизменность эффективного давления (разница между обжимным и поровым давлением). Здесь, однако, стоит учесть, что в процессе теста на определение UCS изменяется среднее давление (расчет по среднему нормальных напряжений) обжима, и, как следствие эффективные напряжения, что не соответствует принятым условиям определения параметра K_s. Данную сложность можно преодолеть, если исключить влияние изменения эффективных напряжений, учитывать результаты определения предела прочности при одноосном сжатии следующим образом:

(6)

где UCS является пределом прочности при одноосном сжатии в условиях свободно дренажа, измеряемом в МПа, TXC₀ является аппроксимированным пределом прочности при объемном сжатии, в отсутствии обжимного давления, в условиях отсутствия дренажа, измеряемом в МПа.

Таким образом, с учетом соотношений (1), (5) и (6) для нахождения коэффициента пороупругости (Био) горных пород в настоящем изобретении используется следующая зависимость:

(7)

где Y является поправочным коэффициентом, учитывающим неточность в описании параметров K_s и K_fr через пределы прочности горных пород, UCS является пределом прочности при одноосном сжатии, измеряемом в МПа, TXC₀ является аппроксимированным пределом прочности при объемном сжатии в условиях отсутствия эффективного давления, измеряемом в МПа.

Поправочный коэффициент Y, исходя из результатов анализа полученных различными методами данных по деформационно-прочностным характеристикам терригенных пород, носит параметрический характер (фиг. 1), и, например, для горных пород Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции, описывается линейной зависимостью (4).

Для нахождения значения TXC₀ проводится серия не менее чем из двух экспериментов по объемному сжатию, например, в рамках построения паспорта прочности, при различных давлениях обжима, и, как следствие, различных эффективных давлениях. Полученные значения достаточно надежно аппроксимируются линейной зависимостью (фиг. 2), коэффициент достоверности аппроксимации группы из трех-четырех измерений прямой линией близок к 1. Определяется точка пересечения аппроксимирующей прямой с осью ординат (предел прочности при объемном сжатии), являющаяся искомым значением TXC₀.

Для подтверждения представленной методики определения коэффициента пороупругости (Био) горных пород была проведена серия из 50 групп экспериментов на образцах терригенных пород, характерных для Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. Каждая группа включала в себя тесты на трех образцах по определению пределов прочности при псевдотрехосном (объемном) сжатии TXC в условиях 50, 100 и 150% от номинального, наблюдаемого в пласте, а также на одном образце с определением UCS.

Стоит отметить, что коэффициент корреляции r_xy значений TXC и значений эффективного давления по каждой группе образцов, оцененный по критерию Пирсона, был высок: r_xy≥0,999. Далее, найдя значения TXC₀ и UCS для каждой группы образцов, производили в соответствии с уравнением (7) и вводимым поправочным коэффициентом (4) расчет значений коэффициента пороупругости (Био) горных пород. Результаты определения представлены на рисунке (фиг. 3).

В ходе работы было проведено прямое, рекомендованное в литературе и широко применяющееся в практике, определение коэффициентов пороупругости (Био) горных пород в соответствии с (2), для контрольной группы из 15 образцов. Результаты сравнения коэффициентов пороупругости (Био) горных пород, полученных посредством методики, отраженной в данном изобретении, и известным методом (2) представлены на рисунке (фиг. 4). Видна высокая степень совпадения значений коэффициента пороупругости (Био) горных пород, полученных по результатам определения двумя методами. Различие в средних значениях коэффициента пороупругости (Био) наблюдается в пятом знаке после запятой, что соответствует расхождению значений не выше 0,001%. Относительное среднеквадратичное отклонение пар значений коэффициента пороупругости (Био) находится в пределах 0,1-3,4%, в среднем 1,3%. Таким образом, применимость предлагаемого метода расчета коэффициента пороупругости (Био) для горных пород, а также вид поправочного коэффициента в случае терригенных горных пород Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции, были экспериментально подтверждены.

Использование изобретения возможно и в случае горных пород, отличных по своему литологическому составу от терригенных отложений Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. В этом случае требуется уточнение или подтверждение предложенного в настоящем изобретении поправочного коэффициента Y, путем проведения ограниченной серии определений коэффициента пороупругости (Био) по одной из известных методик (1)-(3).

К достоинствам метода определения коэффициента пороупругости (Био) горных пород, отраженного в настоящем изобретении, относится простота его реализации: расчет производится по результатам исследований прочностных свойств образцов горных пород, что позволяет избежать проведения длительных и технически трудно реализуемых специальных деформационных исследований.

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано для вычисления коэффициента пороупругости (коэффициента Био) горных пород. Сущность: формируют коллекцию из трех и более образцов горной породы сходного литологического состава, которые насыщаются пластовым флюидом и поступают на исследование прочностных свойств. Не менее чем на одном образце горной породы из отобранной коллекции производится определение предела прочности при одноосном сжатии UCS, не менее чем на двух образцах горной породы из отобранной коллекции определяются пределы прочности при объемном сжатии при различных эффективных давлениях TXC, одно из которых соответствует наблюдаемому в пластовых условиях, а другие - отличны от него. Производится аппроксимация набора данных по определению пределов прочности в условиях объемного сжатия при различных эффективных давлениях для расчета предела прочности при объемном сжатии, в отсутствие обжимного давления, в условиях отсутствия дренажа TXC₀. Исходя из полученных данных UCS и TXC₀, а также с учетом поправочного коэффициента Y, производится расчет коэффициента пороупругости (коэффициента Био) горных пород по зависимости. Технический результат: возможность определения коэффициента пороупругости (коэффициента Био) из данных прочностных исследований горных пород (пределов прочности при одноосном сжатии и объемном сжатии). 4 ил.

Метод определения коэффициента пороупругости (коэффициента Био) горных пород, заключающийся в формировании коллекции из трех и более образцов горной породы сходного литологического состава, которые насыщаются пластовым флюидом и поступают на исследование прочностных свойств, причем не менее чем на одном образце горной породы из отобранной коллекции производится определение предела прочности при одноосном сжатии UCS, не менее чем на двух образцах горной породы из отобранной коллекции определяются пределы прочности при объемном сжатии при различных эффективных давлениях TXC, одно из которых соответствует наблюдаемому в пластовых условиях, а другие - отличны от него, далее производится аппроксимация набора данных по определению пределов прочности в условиях объемного сжатия при различных эффективных давлениях для расчета предела прочности при объемном сжатии, в отсутствие обжимного давления, в условиях отсутствия дренажа TXC₀, далее, исходя из полученных данных UCS и TXC₀, а также с учетом поправочного коэффициента Y, производится расчет коэффициента пороупругости (коэффициента Био) горных пород по зависимости

,

где Y является поправочным коэффициентом, UCS является пределом прочности при одноосном сжатии, измеряемым в МПа, TXC₀ является аппроксимированным пределом прочности при объемном сжатии в условиях отсутствия эффективного давления, измеряемым в МПа.