СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИННОЙ ПОРИСТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD OF DETERMINATION OF ROCK FRACTURE POROSITY

Изобретение относится к области промысловой геофизики, а именно к исследованиям, позволяющим определять трещинную пористость пород в разрезе нефтяных и газовых скважин.
Известен способ определения количественных параметров пласта, в том числе и трещинной пористости, методом отраженных волн, в ходе которого фиксируют множества данных амплитудных и временных характеристик отраженных сигналов, зарегистрированных при круговом измерении параметров азимута в процессе равномерного перемещения скважинного прибора по глубине, после чего, принимая по временному каналу записи отраженных импульсов, рассчитывают коэффициенты трещинной и каверной пористостей, а также рассеянной глинистости, а затем путем визуализации по временному каналу записи определяют параметры трещины гидроразрыва пласта, а именно: длину, раскрытость и конфигурацию. (РФ 2402791 С2, МПК G01V 1/40, Е21В 47/00 Способ определения количественных параметров пласта методом отраженных волн).
Наиболее близким к заявленному способу является способ определения трещинной пористости, в ходе которого проводят следующие действия: формируют набор образцов исследуемой породы, экспериментально определяют общую пористость каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, определяют скорость распространения продольной волны и общую пористость в образцах исследуемой породы в условиях, моделирующих пластовые условия, после чего определяют скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы с использованием зависимости скорости распространения продольной волны в образцах исследуемой породы от их общей пористости, определенных в условиях, моделирующих пластовые условия, далее рассчитывают величину трещинной пористости для каждого из образцов исследуемой породы, а затем определяют поровую пористость как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью. (Патент РФ №2516392 С2, МПК G01V 1/28 (2006.01) Способ определения трещинной пористости пород).
Недостатком указанного способа является то, что в процессе статистической обработки данных, с помощью которой определяется скорость распространения упругой волны в минеральном скелете исследуемой породы, результаты, а именно значение определяемой трещинной пористости породы не обладает достаточной точностью. Кроме того, вследствие неоднородности минерального состава коллекции исследуемых образцов, которая в свою очередь влияет на величину скорости упругой продольной волны, иногда при вычислениях получают отрицательные значения величины трещинной пористости, что не имеет физического смысла, поскольку в реальности трещинная пористость не может быть меньше нуля.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное решение, заключается в повышении точности проводимых исследований по определению величины трещинной пористости пород при исследовании образцов горных пород.
Указанный результат достигается за счет того, что в способе определения трещинной пористости горных пород, в котором предварительно формируют набор образцов исследуемой породы, экспериментально определяют общую пористость (Кп.общ.атм.) каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, согласно изобретению экспериментально определяют скорость (Vp) распространения упругой продольной волны каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, общую пористость (Кп.общ.) каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, после чего строят график зависимости (Vp) от (Кп.общ.), в результате чего графически определяют скорость (Vp.ск.) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы, затем рассчитывают трещинную пористость (Кп.тр.) каждого из образцов исследуемой породы по формуле:
при этом, в случае получения отрицательных величин рассчитываемой трещинной пористости, полученное наибольшее отрицательное ее значение приравнивают нулю и определяют уточненное значение скорости Vp.ут.ск. распространения упругой продольной волны в минеральном скелете по формуле:
после чего вновь рассчитывают величину трещинной пористости (Ктр.п.) каждого образца исследуемой породы по формуле (1), используя для расчета полученное по формуле (2) уточненное значение скорости распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vp.ск.ут.).
Реализация способа происходит следующим образом:
- формирование коллекции образцов исследуемой горной породы;
- экспериментальное определение общей пористости (Кп.общ.атм.) в атмосферных условиях каждого из упомянутых образцов;
- определение общей пористости (Кп.общ.) и скорости (Vp) распространения упругой продольной волны для каждого из исследуемых образцов горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%;
- определение величины трещинной пористости (Кп.тр.) в соответствии с полученной и/или рассчитанной величиной уточненного значения скорости (Vp.ск.) продольной волны в скелете образца горной породы.
Пример реализации заявленного способа
Формируют набор из 24 образцов песчаника, после чего определяют в атмосферных условиях общую пористость (Кп.общ.атм.) каждого из отобранных образцов методом жидкостенасыщения. Затем определяют общую пористость (Кп.общ.) каждого из образцов и скорость распространения продольной волны (Vp) для каждого из них в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, с точностью определения пористости ±0,01%, а скорости продольной волны ±0,002 км/с.
Общая пористость (Кп.общ.) - это отношение объема пустот в образце к объему всего образца. При Кп.общ.=0 пустот нет - это монолитная среда (минерал или скелет), при Кп.общ.=50% (или Кп.общ.=0,5) половину объема образца занимает минеральный скелет, а вторая половина - это пустоты, заполненные воздухом, или водой, или пластовой жидкостью, или газом, или нефтью. Общая пористость состоит из межзерновой и трещинной компонент. Еще общая пористость немного уменьшается при переходе от атмосферных условий к пластовым, что обусловлено тем, что:
а) зерна горной породы ближе примыкают друг другу - порода уплотняется;
б) часть трещин закрывается (смыкаются их края).
Поэтому атмосферная пористость (Кп.общ.атм.) определяется в атмосферных условиях, а пластовая пористость определяется в условиях, моделирующих пластовые.
Общая пористость (Кп.общ.) может определяться экспериментально, например, с помощью лабораторной установки ПУМА-650.
эф
эф
Скорость (Vp) распространения упругой продольной волны есть скорость распространения упругих колебаний частицы среды, в которой распространяется упругая волна, то есть, по сути, это волна сжатия-растяжения. Скорость Vp распространения продольной волны может фиксироваться, например, пьезоэлектрическими датчиками, сигнал которых выводится на цифровой осциллограф, с помощью которого производят определение времени прохождения упругой волны по образцу, а затем определяют скорость продольной волны как отношение длины каждого образца к времени прохождения упругой волны по образцу. Здесь надо учесть, что скорость Vp определяется при разных значениях эффективного давления Р, для каждого из которых она своя и зависит от величины Р, что и показано на Фиг. 1 для трех образцов с разными величинами Кп.общ.
Определение указанных выше величин Кп.общ. и Vp в термобарических условиях, именно превышающих пластовые на 10-15%, происходит по следующей причине. С увеличением пластовых условий (в частности, давления всестороннего сжатия) частично закрываются трещины и поры в горной породе, что приближает горную породу к состоянию так называемой нулевой пористости. В лабораторных условиях этот процесс можно имитировать в короткие временные промежутки, в отличие от длительного протекания процесса приведения породы к нулевой пористости в естественных условиях (в природе). При проведении лабораторных исследований, в случае быстрого увеличения нагрузки на породу до параметров, сильно превышающих по значению параметры в пласте, можно довести породу до разрушения. Однако как показывает опыт, увеличение нагрузки на породу менее чем на 10-15% от нагрузки в пласте, немного увеличивает скорость упругих волн и снижает пористость, а увеличение более чем на 10-15% может привести к разрушению породы. В итоге целесообразно было проводить исследование при термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%.
эф
эф
эф
эф
эф
эф
эф
2
2
2
2
На Фиг. 1 показано изменение скорости Vp продольной волны в образце горной породы в зависимости от роста так называемого эффективного давления Р, значения которого равны разности давления всестороннего сжатия и давления пластовой жидкости. На Фиг. 1 величина R - это достоверность аппроксимации фактических (измеренных) данных зависимостью такого рода (в данном случае зависимостью Vp от Р). При R=1 имеет место функциональная зависимость, при R<1 фактические данные несколько отличаются от этой зависимости. Чем меньше R, тем дальше будут фактические точки от расчетной кривой, описывающей зависимость скорости упругой волны Vp от эффективного давления Р. Как видно из графика (Фиг. 1), после выхода на асимптоту (при Р=30, 37 МПа) отмечено значительное уменьшение скорости (с 5,314 до 5,202 км/с) при Р=42 МПа (увеличение Р более чем 27% относительно пластовых условий с Р=37 МПа) в образце с минимальной пористостью Кп.общ.=4,6% (верхняя кривая на Фиг. 1). Это может означать начало образования трещины, заполненной водой (об этом говорит снижение скорости Vp), по которой и может произойти разрушение образца.
эф
эф
эф
В таблице 1 приведены результаты определения скорости (Vp) продольных волн в трех образцах изучаемой коллекции: с минимальной пористостью (Кп.общ.=4,6%), максимальной пористостью (Кп.общ.=14,1%) и с пористостью, близкой к среднему значению (Кп.общ.=10,6%), при увеличении эффективного давления с 2 до 47 МПа. По этим данным построены графики, представленные на Фиг. 1. Пластовым термобарическим условиям отвечает величина эффективного давления 37 МПа. Выше рассмотрены последствия превышения эффективного давления почти на 15% (Р=42МПа) и на 27% (Р=47МПа) относительно действующего в пласте давления (Р=37МПа). Вывод о целесообразности превышения пластовых условий только на 10-15% обусловлен тем, что при более значительном превышении давления (выше 15%) образец можно разрушить.
После определения общей пористости (Кп.общ.) и скорости распространения продольной волны (Vp) для каждого из образцов в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, графически определяют скорость распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vp.ск=5,8604 км/с) для всей исследуемой коллекции образцов горных пород. Здесь следует отметить следующее. Трещинная пористость есть доля пустот в общем объеме образца горной породы, а потому в реальности отрицательной она быть не может. В минеральном скелете породы пустот нет, следовательно, минимальная величина трещинной пористости (Кп.тр.) равна нулю. В связи с этим скорость (Vp.ск.) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете при общей пористости, равной нулю, графически определяют как значение на оси ординат (скорости продольной волны) при значении пористости, равной нулю (как точку пересечения линии зависимости Vp от Кп.общ. с вертикальной осью - осью ординат.), или с использованием уравнения зависимости скорости распространения упругой продольной волны от пористости образцов в пластовых условиях (см. Фиг. 2):
где Vp - скорость распространения упругой продольной волны в образце горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, км/с;
Vp.ск. - скорость распространения упругой продольной волны в минеральном скелете исследуемой горной породы (при общей пористости равной нулю), км/с;
Кп.общ. - общая пористость образца горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%.
Из Фиг. 2 графически определяют Vp.ск. (скорость распространения продольной упругой волны в минеральном скелете исследуемой породы) как точку пересечения линии зависимости Vp от Кп.общ. с вертикальной осью - осью ординат. Это означает, что в этой точке Кп.общ.=0,00% и это соответствует минеральному скелету породы, в котором нет пористости и скорость в минеральном скелете в данном случае равна Vp.ск=5,86 км/с.
Величину трещинной пористости (Кп.тр.) для каждого из исследованных образцов горной породы определяют, используя уравнение (1) зависимости трещинной пористости от измеренной общей пористости (Кп.общ.) образца и отношения измеренной скорости упругих продольных волн в образце горной породы к скорости упругих продольных волн в матрице (минеральном скелете) этой горной породы:
где Кп.тр. - величина трещинной пористости образца горной породы, Кп.общ. - общая пористость образца горной породы в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, Vp - экспериментально определенная скорость распространения упругой продольной волны в образце горной породы (км/с) в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%.
Полученные в ходе эксперимента и вычислений данные указаны в таблице 2.
Так, для образца 1, имеющего общую пористость в атмосферных условиях 4,6% и общую пористость в пластовых условиях 3,74%, скорость продольной волны в пластовых условиях составляет 5,30 км/с и расчет трещинной пористости в пластовых условиях по формуле (1) с использованием скорости в продольной волне в скелете, равной 5,8604 км/с, дал значение 0,175%, а для межзерновой пористости получена величина 3,56% (Кп.мз. = Кп.общ. - Кп.тр.). В то же время для образца 18, имеющего общую пористость в атмосферных условиях 12,1%, а в пластовых условиях -11,42%, получено отрицательное значение трещинной пористости (-0,126%), что не имеет физического смысла, так как пористость - это доля пустот (в процентах) от общего объема образца и она не может иметь значение меньше нуля. После уточнения скорости продольной волны в минеральном скелете по формуле (2) расчет трещинной пористости по той же формуле (1), но уже с использованием уточненного значения скорости продольной волны Vp.ск.ут.=6,0444, дает значение 0,000%, что не противоречит физической сущности пористости и повышает точность определения величины трещинной пористости пород.
В случае, когда сформирована минералогически однородная коллекция и/или нет данных о зависимости плотность - пористость, приравнивая полученное наибольшее отрицательное значение (образец 18: Кп.тр.=-0,126%) трещинной пористости нулю, получим из уравнения (1) выражение (2) для расчета уточненного значения скорости продольной волны в скелете:
Вновь рассчитаем величину трещинной пористости (Ктр.п.) для каждого из образцов по формуле (1), но уже используя уточненное значение Vp.ск.ут.=6,0444 км/с.
Из таблицы 2 видно, что в столбце 7, рассчитанном с использованием уточненного значения Vp.ск.ут.=6,0444 км/с, нет образцов с отрицательной трещинной пористостью.
После определения трещинной пористости образцов определяют величину межзерновой пористости как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью в соответствии с уравнением:
Таким образом, реализация заявленного способа позволяет за счет создания определенных условий, при которых оказывается значительная нагрузка на породу (превышение термобарических параметров на 10-15% по сравнению с термобарическими параметрами пласта), а также за счет уточнения скорости в скелете горной породы, которое осуществляется путем приравнивания полученного в первом приближении наибольшего отрицательного значения трещинной пористости нулю, значительно повысить точность определения трещинной пористости исследуемой породы.