Способ определения геомеханических параметров горных пород
METHOD FOR DETERMINING GEOMECHANICS PARAMETERS OF ROCKS

Изобретение относится к исследованию скважин геофизическими методами и может найти применение при определении геомеханических параметров горных пород для выбора оптимальных участков при проведении гидравлического разрыва пласта (ГРП).
к
Известен способ определения коэффициента Пуассона горных пород (патент №2447284, МПК E21C 39/00, опубл. 10.04.2012 г. в бюл. №10), включающий вдавливание в образец стальных встречно-направленных нагрузочных элементов и измерение его деформации. В образец вдавливают сферические встречно-направленные нагрузочные элементы (сферические инденторы) до его разрыва по плоскости, проходящей через ось нагружения. В образце измеряют площадь поверхностей разрыва и зон разрушенной породы в областях контакта с обоими сферическими инденторами, при этом коэффициент Пуассона μ рассчитывают по формуле:
где S - площадь поверхности разрыва;
F - площадь поверхности большей из зон разрушенной породы в областях контакта со сферическими инденторами.
Недостатки способа:
1) кроме определения коэффициента Пуассона горных пород, невозможно определение остальных геомеханических параметров горных пород, таких как модуль Юнга и модуль сдвига;
2) низкая достоверность данных, полученных расчетным путем, т.е. без применения промысловых геофизических данных;
3) коэффициент Пуассона горных пород получен только на определенном образце горной породы, т.е. образце, взятом в определенном интервале, а не по всему стволу скважины.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения геомеханических параметров образца горной породы (заявка №2014145357, МПК G01N 3/42, решение о выдаче патента от 11.01.2017 г., опубл. 10.16.2016 г. в бюл. №16), включающий несколько этапов. Этап нанесения царапины, в ходе которого измеряют горизонтальные и вертикальные усилия, прикладываемые к резцу, перемещающемуся вдоль образца с постоянной скоростью и постоянной глубиной реза, чтобы разрушить постоянный объем на единицу длины на поверхности образца породы. Этап микровдавливания, в ходе которого определяют механические свойства образца породы. Этап определения геомеханических параметров образца, в ходе которого посредством результатов измерений, выполненных во время этапов нанесения царапин и микровдавливания, оценивают по меньшей мере один параметр из следующего списка: предел прочности при одноосном сжатии, угол трения, внутренняя когезия, твердость по Бринелю и модуль Юнга. В ходе этапа определения геомеханических параметров образца определяют предел прочности при одноосном сжатии, угол трения, внутреннюю когезию, твердость по Бринелю и модуль Юнга породы. Дополнительно включают этап измерения акустических параметров образца породы, причем в ходе этапа определения геомеханических параметров образца определяют Пуассоново отношение образца породы. Акустические параметры включают в себя скорости распространения волн сжатия и поперечных волн. Измерения при микровдавливании и/или измерения акустических параметров выполняют в канавке, полученной в ходе этапа нанесения царапины. Во время нанесения царапины и микровдавливания записывают микросейсмическую эмиссию. Образец породы имеет форму керна, и этапы измерения и определения геомеханических параметров образца повторяют по длине. Образец фотографируют в ходе этапов измерения. Способ осуществляют на компьютерном программном продукте.
Недостатки способа:
1) низкая эффективность проведения ГРП на основе исследования одного образца горной породы, полученного из целевого интервала, так как для осуществления ГРП требуется проведение дополнительных геофизических исследований скважины;
2) невозможность определения таких геомеханических параметров, как модуль сдвига и коэффициент Пуассона, которые в комплексе с модулем Юнга повышают качество исследования породы;
3) высокие затраты на реализацию способа, требующего отбор керна из скважины, доставку его на стенд, а также изготовление стенда и проведение испытаний по определению геомеханических параметров образца горной породы.
Техническими задачами изобретения являются повышение качества исследования горной породы за счет повышения достоверности и оперативности получаемых геомеханических параметров и эффективности проведения гидравлического разрыва пласта, а также снижение затрат на реализацию способа.
Поставленные технические задачи решаются способом определения геомеханических параметров горных пород, включающим определение геомеханических параметров.
Новым является то, что по стволу скважины проводят комплекс геофизических исследований - ГИС - методами гамма-каротажа - GK, индукционного каротажа - IK, нейтронного гамма-каротажа - NGK, кавернометрии - DS, плотностного гамма-гамма-каротажа - RHOB, определяют интервалы продуктивных пластов и выделяют значения GK, IK, NGK, DS, RHOB в каждом интервале продуктивного пласта, далее выполняют коррекцию значения RHOB и, используя значения, полученные по результатам GK, IK и NGK, рассчитывают и усредняют значения интервального времени пробега продольной DTp и поперечной DTs волн, затем находят отношение времен пробега продольной и поперечной волн и, используя полученные значения DTp и DTs, а также скорректированное значение RHOB, вычисляют геомеханические параметры: модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона в интервалах продуктивных пластов, по наименьшему значению этих параметров определяют целевой интервал продуктивного пласта для проведения гидравлического разрыва пласта.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
1. Проводят комплекс геофизических исследований - ГИС - методами гамма-каротажа - GK, индукционного каротажа - IK, нейтронного гамма-каротажа - NGK, кавернометрии - DS и плотностного гамма-гамма-каротажа - RHOB по стволу скважины. В стволе скважины определяют интервалы продуктивных пластов, потенциально предназначенных для проведения ГРП. Выделяют значения GK, IK, NGK, DS, RHOB в каждом интервале продуктивного пласта.
Производят коррекцию значения плотностного гамма-гамма-каротажа - RHOB по формуле:
где IF - оператор «если»;
3
RHOB - значение плотностного гамма-гамма-каротажа, г/см;
DS - значение каверномера, мм;
2.78 - значение плотности матрицы горной породы;
0.23 - значение диаметра ствола скважины.
2. Используя значения, полученные по методам исследования GK, IK, NGK, рассчитывают интервальное время пробега продольной волны DTp и интервальное время пробега поперечной волны DTs по следующим формулам:
где DTp - интервальное время пробега продольной волны, мкс/м;
DTs - интервальное время пробега поперечной волны, мкс/м;
GK - значение гамма-каротажа, мкс/м.
где IK - значение индукционного каротажа, Омм.
где NGK - значение нейтронного гамма-каротажа, у.е.
3. Усредняют полученные по формулам (2), (4), (6) значение DTp и значение DTs по формулам (3), (5), (7).
4. Находят отношение времен пробега продольной и поперечной волн по формуле:
где R - отношение времен пробега;
S
DT - интервальное время пробега поперечной волны, мкс/м;
p
DT - интервальное время пробега продольной волны, мкс/м.
S
5. Используя скорректированное значение RHOB, а также полученные усредненные значения DT и DTp, вычисляют геомеханические параметры: модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона в интервалах продуктивных пластов.
Коэффициент Пуассона находят по формуле:
где PR - коэффициент Пуассона, м/м.
Модуль сдвига находят по формуле:
где G - модуль сдвига, МПа;
3
RHOB - скорректированная плотность гамма-гамма-каротажа, г/см;
DTs - интервальное время пробега поперечной волны, мкс/м.
Модуль Юнга находят по формуле:
где E - модуль Юнга, МПа.
Далее по наименьшему значению показателей геомеханических параметров, определенных в интервалах продуктивных пластов в стволе скважины, определяют целевой интервал продуктивного пласта для проведения ГРП.
Предлагаемый способ позволяет повысить качество определения геомеханических параметров за счет повышения достоверности получаемых геомеханических параметров, так как способ основан на определении геомеханических параметров непосредственно в скважине в интервалах продуктивных пластов.
Кроме модуля Юнга, в предлагаемом способе также определяют такие параметры, как модуль сдвига и коэффициент Пуассона. Для этого проводят комплекс геофизических исследований методами GK, IK, NGK, DS, RHOB.
Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность проведения гидроразрыва пласта, так как целевой интервал подбирается на основе определения геомеханических параметров, что повышает достоверность полученных данных.
Снижаются затраты на реализацию способа, так как они включают в себя только затраты на проведение комплекса геофизических методов, а расчет геомеханических параметров производится с помощью компьютерного программного продукта.
Пример конкретного применения способа
1. По стволу скважины провели комплекс ГИС методами гамма-каротажа - GK, индукционного каротажа - IK, нейтронного гамма-каротажа - NGK, кавернометрии - DS и плотностного гамма-гамма-каротажа - RHOB и определили значения.
По стволу скважины имеется три интервала продуктивных пластов, потенциально предназначенных для проведения ГРП:
1) 1610-1616 м;
2) 1632-1639 м;
3) 1654-1660 м.
Выделили значения для каждого интервала продуктивного пласта.
3
Для первого интервала: глубина - 1613 м (выбрали значение внутри интервала); GK - 1,374 мкс/м; NGK - 3,236 у.е.; DS - 219 мм; RHOB - 2,618 г/см; IK - 24,2 Омм.
3
Для второго интервала: глубина - 1635 м; GK - 1,655 мкс/м; NGK - 3,627 у.е.; DS - 219 мм; RHOB - 2,754 г/см; IK - 27,3 Омм.
3
Для третьего интервала: глубина - 1657 м; GK - 1,015 мкс/м; NGK - 2,973 у.е.; DS - 219 мм; RHOB - 2,243 г/см; IK - 21,6 Омм.
Используя программы для обработки LAS-файлов (например, программу «Геомеханика» от фирмы ООО «Литосфера» или программу CurveEditor), выполнили коррекцию RHOB по формуле (1):
Здесь диаметр скважины по долоту равен 0,22 м. Выбираем граничное значение диаметра, начиная с которого будет проводиться корректировка плотности, увеличенного на 1 см и равного 0,23 м.
Эта же формула, записанная в Excel:
Здесь в ячейке Е21 записано значение RHOB, а в ячейке Е22 - значение DS.
3
3
3
3
3
3
3
3
Эта формула означает, что если на заданной глубине показания RHOB больше 2,78 г/см, то принимают значение RHOB, равное 2,78 г/см. Если плотность по каротажу RHOB меньше 2,78 г/см, то проверяют значение диаметра скважины. Если показания DS больше 0,23 м, то принимают значение RHOB, равное 2,78 г/см. Если RHOB не превышает 2,78 г/см и DS не превышает 0,23 м, принимают текущее показание. В данном примере на глубинах 1613 м, 1635 м, 1657 м показания RHOB равны 2,618 г/см, 2,754 г/см, 2,243 г/см соответственно. Поэтому их и принимают для дальнейшего расчета.
2. Используя значения, полученные методами каротажа, вычислили значения DTp и DTs по формулам (2-7):
Для первого интервала: DTp=9,21⋅1,374+168,5=181,1545 мкс/м.
Для второго интервала: DTp=9,21⋅1,655+168,5=183,7425 мкс/м.
Для третьего интервала: DTp=9,21⋅1,015+168,5=177,8481 мкс/м.
Для первого интервала: DTs=18,87⋅1,374+328,3=354,2273 мкс/м.
Для второго интервала: DTs=18,87⋅1,655+328,3=359,5298 мкс/м.
Для третьего интервала: DTs=18,87⋅1,015+328,3=348,1135 мкс/м.
Для первого интервала: DTp=0,38/24,2+164,6=164,6157 мкс/м.
Для второго интервала: DTp=0,38/27,3+164,6=164,6139 мкс/м.
Для третьего интервала: DTp=0,38/21,6+164,6=164,6176 мкс/м.
Для первого интервала: DTs=0,5/24,2+337,3=337,3206 мкс/м.
Для второго интервала: DTs=0,5/27,3+337,3=337,3183 мкс/м.
Для третьего интервала: DTs=0,5/21,6+337,3=337,3231 мкс/м.
Для первого интервала: DTp=-44,85⋅3,236+323,4=178,2654 мкс/м.
Для второго интервала: DTp=-44,85⋅3,627+323,4=160,7290 мкс/м.
Для третьего интервала: DTp=-44,85⋅2,973+323,4=190,0609 мкс/м.
Для первого интервала: DTs=-31,56⋅3,236+522,4=420,2718 мкс/м.
Для второго интервала: DTs=-31,56⋅3,627+522,4=407,9319 мкс/м.
Для третьего интервала: DTs=-31,56⋅2,973+522,4=428,5721 мкс/м.
3. Затем полученные значения DTp и DTs усреднили. Для этого из трех значений выбрали два наиболее близких, и между ними нашли среднее.
Для первого интервала:
Значения DTp, полученные по формулам (2), (4), (6):
(2)=181,1545 мкс/м; (4)=164,6157 мкс/м; (6)=178,2654 мкс/м.
Как видим, больше всего подходят значения, полученные по формулам (2) и (6). Берем их за основу и находим среднее значение: DTp=(181,1545 мкс/м+178,2654 мкс/м)/2=179,7099 мкс/м.
Значения DTs, полученные по формулам (3), (5), (7):
(3)=354,2273 мкс/м; (5)=337,3206 мкс/м; (7)=420,2718 мкс/м.
Как видим, больше всего подходят значения, полученные по формулам (3) и (5). Берем их за основу и находим среднее DTs=(354,2273 мкс/м+337,3206 мкс/м)/2=345,7739 мкс/м.
Для второго интервала:
Значения DTp, полученные по формулам (2), (4), (6):
(2)=183,7425 мкс/м; (4)=164,6139 мкс/м; (6)=160,7290 мкс/м.
Как видим, больше всего подходят значения, полученные по формулам (4) и (6). Берем их за основу и находим среднее значение: DTp=(164,6139 мкс/м+160,7290 мкс/м)/2=162,6714 мкс/м.
Значения DTs, полученные по формулам (3), (5), (7):
(3)=359,5298 мкс/м; (5)=337,3183 мкс/м; (7)=407,9319 мкс/м.
Как видим, больше всего подходят значения, полученные по формулам (3) и (5). Берем их за основу и находим среднее DTs=(359,5298 мкс/м+337,3183 мкс/м)/2=348,42405 мкс/м.
Для третьего интервала:
Значения DTp, полученные по формулам (2), (4), (6):
(2)=177,8481 мкс/м; (4)=164,6176 мкс/м; (6)=191,4064 мкс/м.
Как видим, больше всего подходят значения, полученные по формулам (2) и (6). Берем их за основу и находим среднее значение: DTp=(177,8481 мкс/м+191,4064 мкс/м)/2=184,6272 мкс/м.
Значения DTs, полученные по формулам (3), (5), (7):
(3)=348,1135 мкс/м; (5)=337,3231 мкс/м; (7)=428,5751 мкс/м.
Как видим, больше всего подходят значения, полученные по формулам (3) и (5). Берем их за основу и находим среднее DTs=(348,1135 мкс/м+337,3231 мкс/м)/2=342,7183 мкс/м.
4. Затем нашли отношение времен пробега продольной и поперечной волн по формуле (8):
Для первого интервала: R=345,7739 мкс/м / 179,7099 мкс/м=1,924 мкс/м.
Для второго интервала: R=348,42405 мкс/м / 162,6714 мкс/м=2,149 мкс/м.
Для третьего интервала: R=342,7183 мкс/м / 184,6272 мкс/м=1,856 мкс/м.
5. Используя полученные значения DTp и DTs, а также скорректированное значение RHOB, в интервалах продуктивных пластов вычислили геомеханические параметры.
Определили коэффициент Пуассона по формуле (9):
2
2
Для первого интервала: PR=(0,5⋅1,924-1) / 1,924-1=0,3148.
2
2
Для второго интервала: PR=(0,5⋅2,149-1) / 2,149-1=0,3618.
2
2
Для третьего интервала: PR=(0,5⋅1,856-1) / 1.856-1=0,2955.
Определили модуль сдвига по формуле (10):
2
9
Для первого интервала: G=(2,618 / (345,7739))⋅10=21897,0 МПа.
2
9
Для второго интервала: G=(2,754 / (348,42405))⋅10=22685,5 МПа.
2
9
Для третьего интервала: G=(2,243 / (342,7183))⋅10=19096,7 МПа.
Определили модуль Юнга по формуле (11):
Для первого интервала: Е=2⋅21897,0⋅(1+0,3148)=57580,35 МПа.
Для второго интервала: Е=2⋅22685,5⋅(1+0,3618)=61786,22 МПа.
Для третьего интервала: Е=2⋅19096,7⋅(1+0,3335)=50930,90 МПа.
Как видно из расчетов по формулам (6), (7), (8), наименьшими значениями геомеханических параметров: модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона - обладает третий интервал. Поэтому его выбрали для проведения ГРП.
Предлагаемый способ определения геомеханических параметров горных пород позволяет:
- повысить эффективность проведения ГРП;
- повысить качество определения геомеханических параметров;
- снизить затраты на реализацию способа.