Способ исследования образцов горных пород

Способ исследования образцов горных пород

Реферат

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для изучения физико-механических свойств горных пород, и может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности для расчета предельной величины давления гидроразрыва пласта.

Известно, что для расчета предельной величины давления гидроразрыва горной породы при интенсификации притока нефтепродуктов в скважинах используют средние значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона, вычисленные через регистрацию скорости продольных и поперечных волн, измеренные на отобранном керне при определении физико-механических свойств горных пород.

Такие измерения могут производиться на поверхности при атмосферном давлении, в условиях, отличных от скважинных, поэтому результаты измерений отличаются от истинных на 35-40% и более (В.М. Добрынин. Деформация и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра, 1970).

Отсутствие истинных значений параметров для расчета гидроразрыва приводит к ошибке при определении давления, которое необходимо применить в процессе гидроразрыва в скважинах. В результате трещина развивается не по проекту, что приводит к возникновению аварийных ситуаций и выпадению проппанта (реагент, используемый при гидроразрыве) на забой, что усложняет процесс ввода скважины в эксплуатацию.

Известно устройство для исследования насыщенных водой и нефтью кернов, в частности для определения коэффициента сжимаемости пор, коэффициента пористости, коэффициента проницаемости, скорости распространения упругих волн, а также для измерения электрического сопротивления керна (Известия высших учебных заведений. Нефть и Газ. Институт нефти и химии. Баку, 1968, №7, с.3-7).

Устройство включает корпус гидравлической камеры, кернодержатель в виде резиновой обоймы для изоляции керна от нагружающей жидкости, гидравлическую систему для моделирования радиального давления на керн, гидравлическую систему и поршни для моделирования осевого горного давления, втулки, изолирующие поршни от корпуса, дозатор непрерывного действия для фильтрации жидкости через керн, компрессор для создания пластового давления.

В процессе исследования керна в известном устройстве на образец керна воздействуют давлением и моделируют пластовые условия, что несколько снижает погрешность при измерении скорости распространения упругих волн.

Недостатком метода является то, что при исследовании керна не учитывают релаксацию горного давления в образце керна после поднятия его на поверхность. Релаксация (ослабление) горного давления в керне приводит к нарушению его структуры из-за образования вторичных микротрещин. Структура образца горной породы нарушается, и в процессе измерения возникают погрешности, влияющие на результат вычислений скорости продольной и поперечной волн (скорость распространения упругих волн), влияющие в дальнейшем на расчет давления гидроразрыва.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности при измерении скорости распространения упругих волн в образцах керна.

Поставленная задача достигается тем, что в способе исследования образцов горных пород, содержащем воздействие на образец горной породы (образец) внешним давлением, имитирующим горное давление, измерение величины скорости распространения продольных и поперечных упругих волн в образце, производят циклическое воздействие внешним давлением на образец с чередованием нагрузки-разгрузки, с постепенным увеличением внешнего давления до номинальной величины, о достижении которой судят по моменту стабилизации зависимости скорости распространения продольной и поперечной волн от увеличения горного давления на образец, и в результате полученные значения скорости распространения продольной и поперечной волн используют как истинные величины для расчета значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона.

На прилагаемой фигуре представлен графически процесс стабилизации величины скорости распространения продольной (V_p) и поперечной (V_s) волн при многоциклическом нагружении внешним давлением (Pгор.) образца горной породы.

Повторное нагружение давлением образца в гидравлической камере приводит к смыканию микротрещин, образованных в результате релаксации после поднятия его на поверхность, которое происходит не сразу, а только спустя выполнения нескольких циклов нагрузки-разгрузки.

Это явление лежит в основе предлагаемого метода.

Чтобы получить истинные значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона, соответствующие реальной глубине залегания горной породы, необходимо при измерениях воспроизвести горное давление, при котором образцы находились в горной породе.

С этой целью измерения на керне проводятся под давлением, которое постепенно увеличивают циклически с чередованием циклов нагрузки-разгрузки до номинальной величины. При этом наблюдается явление, подобное «гистерезису», когда при сбросе давления скорость распространения упругих волн имеет тенденцию к уменьшению своей величины и достигает своего предельного значения после нескольких циклов нагрузки-разгрузки образца давлением.

На прилагаемой фигуре видно, что кривые «гистерезиса» с ростом прилагаемого давления имеют рост «пик» значений скорости распространения упругих волн, которые в дальнейшем стабилизируются на одном уровне, что соответствует номинальной величине давления, при котором физические свойства керна не изменяются, и образец горной породы находится в состоянии, соответствующем его нахождению в горной породе в скважине.

Способ можно осуществить на известном устройстве для исследования насыщенных водой и нефтью кернов (Известия высших учебных заведений. Нефть и Газ. Институт нефти и химии. Баку, 1968, №7, с.3-7), которое имеет возможность воздействовать на образец внешним давлением, подаваемым циклически, с контролем его уровня на выходе компрессора.

Измеряют скорости распространения продольной (V_p) и поперечной (V_s) волн при многоциклическом нагружении внешним давлением (Pгор.) образца горной породы с чередованием циклов нагрузки-разгрузки, строят график зависимости скорости распространения продольной и поперечной волн от увеличения горного давления на образец, определяют момент стабилизации на одном уровне изменений скорости распространения продольной и поперечной волн, фиксируют сравнительно одинаковые «пиковые» значения и эти значения принимают как истинные значения горного давления, при котором образец горной породы находился в породе.

Полученные предлагаемым способом истинная величина горного давления и соответствующие ей значения скорости распространения продольной (V_p) и поперечной (V_s) волн используют для расчета модуля Юнга и коэффициента Пуассона для определения реального значения давления гидроразрыва в пласте горной породы, из которого был отобран керн.

На прилагаемой фигуре видно, что стабилизация «пиковых» значений скорости распространения продольной волны (V_p) происходит на отметке 3450-3500 м/с, а поперечной (V_s) волны - 2100-2150 м/с, при многократном циклическом увеличении внешнего давления (Pгор.) от 50 до 550 МПа.

Способ исследования образцов горных пород, включающий воздействие на образец горной породы (образец) внешним давлением, измерение величины скорости распространения продольных и поперечных упругих волн в образце, отличающийся тем, что производят циклическое воздействие внешним давлением на образец с чередованием нагрузки-разгрузки, с постепенным увеличением внешнего давления до номинальной величины, о достижении которой судят по моменту стабилизации зависимости скорости распространения продольной и поперечной волн от увеличения внешнего давления на образец, в результате полученные значения скорости распространения продольной и поперечной волн используют как истинные величины для расчета значений модуля Юнга и коэффициента Пуассона.