Способ определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород
METHOD FOR DETERMINING HORIZONTAL STRESSES IN A ROCK MASS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород при подготовке геомеханической модели для проектирования гидроразрыва пласта (ГРП).
Известен способ оценки предельного напряженного состояния горных пород и устройство для его осуществления [RU 2106493, МПК Е21С 39/00, опубл. 10.03.1998] включающий бурение скважины из горной выработки в зоне опорного давления, измерение радиальных и осевых смещений пород и интерпретацию замеров, выбор в качестве характеристик напряженного состояния первого инварианта тензора деформаций и второго инварианта девиатор деформаций, построение графика зависимости первого инварианта тензора деформаций от времени, определение момента времени наступления предельного состояния горных пород по точке перехода первого инварианта через максимум и расчет соответствующего ему значения относительной энергетической прочности материала по определенной формуле.
Недостатком данного способа является сложность оценки предельного напряженного состояния горных пород, связанная с необходимостью привлечения сложного устройства для измерения радиальных и осевых смещений пород.
Также известен способ определения напряжений в массиве горных пород [RU 2339815, МПК Е21С 39/00, опубл. 27.11.2008] включающий извлечение из массива серии образцов в направлении, совпадающем с направлением действия максимального главного напряжения в массиве, тестовое механическое нагружение каждого образца, измерение активности акустической эмиссии в процессе этого нагружения и величины нагрузки, при которой указанная активность скачкообразно возрастает, принятие за соответствующие главные напряжения в массиве значений осевого и бокового напряжений испытанные при тестовом нагружении.
Недостатком данного способа является сложность и трудоемкость определения напряжений в массиве горных пород связанная с необходимостью механического нагружения каждого образца, измерения активности акустической эмиссии в процессе этого нагружения и величины нагрузки, при которой указанная активность скачкообразно возрастает.
Также известен способ определения природных напряжений в массиве горных пород [RU 2540694, МПК Е21С 39/00, опубл. 10.02.2015] включающий измерение напряжений в массиве горных пород за пределами зоны влияния очистных (горных) работ на различной глубине при использовании подземных выработок, построение графиков (зависимостей) изменения полученных главных напряжений с глубиной, разделение каждой из главных напряжений на постоянную и переменную (пульсирующие) во времени составляющие, получение зависимости изменения постоянных составляющих с глубиной, нахождение закономерности изменения переменных (пульсирующих) напряжений во времени, и затем суммирование этих составляющих на требуемой глубине и в нужное время.
Недостатком данного способа является трудоемкость определения природных напряжений в массиве горных пород связанная с необходимостью измерений напряжений в массиве горных пород на различной глубине.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выявления сейсмически опасного горного массива [RU 2137919, МПК Е21С 39/00, опубл. 20.09.1999] включающий керновое бурение скважин по сетке с поверхности на глубину 200-220 м, выявление сейсмически опасного горного массива путем оценки степени разрушения кернов по длине на мелкие обломки менее диаметра керна и/или на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм.
Недостатком данного способа является не достаточная точность определения горных напряжений, обусловленная только лишь с их качественной, но не количественной оценкой.
Техническими задачами изобретения являются упрощение, а также повышение точности и эффективности способа определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород при подготовке геомеханической модели для проектирования ГРП.
Техническим результатом является упрощение, а также повышение точности и эффективности способа определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород.
Поставленные технические задачи решаются способом определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород, включающем бурение скважин с отбором керна, оценку характера разрушения горных пород по керну.
гор
0
Новым является то, что предварительно проводят экспериментальные исследования с целью установления количественных зависимостей параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород, по результатам проведенных экспериментальных исследований строят номограмму зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород, причем по оси абсцисс откладывают отношение толщины образующихся дисков к их диаметру (t/D), а по оси ординат отношение горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие (σ/σ), бурят скважины с отбором керна, обследуют керновый материал и выявляют цельные интервалы и интервалы дискования керна с одновременной привязкой их по глубине, в интервалах с цельным керном определяют предел прочности горной породы на одноосное сжатие, в интервалах с дискованием керна определяют среднюю толщину дисков, причем для оценки принимают диски толщиной не более половины диаметра керна, причем толщину дисков измеряют по их оси штангенциркулем, вычисляют отношение средней толщины дисков к их диаметру, по номограмме находят абсциссу отношения средней толщины дисков к их диаметру и соответственно ординату отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие, величину горизонтального напряжения находят путем умножения отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие на предел прочности горной породы на одноосное сжатие.
На фигуре представлена номограмма зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород.
Способ реализуют следующим образом.
гор
0
Проводят серию экспериментальных исследований на образцах массива горной породы и устанавливают количественные зависимости параметров дискования керна от различного вида и уровня напряженного состояния массива горной породы. Экспериментальные исследования проводят на гидравлическом стабилометре который состоит из: камеры высокого давления в которую помещается образец массива горной породы правильной цилиндрической формы, бурового оборудования для выбуривания из образца массива горной породы керна, гидравлическую систему для создания, регистрации, распределения и сброса осевых и радиальных нагрузок на образец массива горной пород в камере высокого давления. По результатам проведенных экспериментальных исследований строят номограмму зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород (фиг.), причем по оси абсцисс откладывают отношение толщины образующихся дисков к их диаметру (t/D), а по оси ординат отношение горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие (σ/σ).
На месторождении бурят скважины с отбором керна, обследуют керновый материал и выявляют цельные интервалы и интервалы дискования керна с одновременной привязкой их по глубине. В интервалах с цельным керном определяют предел прочности горной породы на одноосное сжатие любым известным способом. В интервалах с дискованием керна определяют среднюю толщину образующихся дисков, причем для оценки принимают диски толщиной не более половины диаметра керна, причем толщину дисков измеряют по их оси штангенциркулем. Далее вычисляют отношение средней толщины дисков к их диаметру и по номограмме находят абсциссу отношения средней толщины дисков к их диаметру и соответственно ординату отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие. Величину горизонтального напряжения находят путем умножения отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие на предел прочности горной породы на одноосное сжатие.
Пример практической реализации способа.
С целью установления количественных зависимостей параметров дискования керна от различного вида и уровня напряженного состояния массива горной породы провели серию экспериментальных исследований на образцах массива горной породы. Экспериментальные исследования провели на гидравлическом стабилометре, состоящем из: камеры высокого давления, бурового оборудования и гидравлической системы для создания, регистрации, распределения и сброса осевых и радиальных нагрузок на образцы массива горной породы в камере высокого давления.
гор
0
гор
гор
Известно, что причиной разрушения массива горной породы в приствольной и торцевой областях скважины является высокая концентрация напряжений, вызывающих деформации сдвига или отрыва. Диски различной толщины образуются в результате изменения коэффициента концентрации напряжений на забое кольцевой обуривающей щели в зависимости от длины керна. Толщина дисков t, образующихся при выбуривании из массива горной породы керна диаметром D, при неизменном соотношении между горизонтальным напряжением σ и пределом прочности горной породы на одноосное сжатие σ, при прочих равных условиях, зависит от величины горизонтальных напряжений σ. Чем больше действующие напряжения σ, тем интенсивнее процесс образования дисков, тем меньше толщина дисков керна. При равных напряжениях толщина дисков больше у керна большего диаметра.
гор
0
По результатам проведенных экспериментальных исследований построили номограмму зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород (фиг.), причем по оси абсцисс отложили отношение толщины образующихся дисков к их диаметру (t/D), а по оси ординат отношение горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие (σ/σ).
При бурении скважин на месторождении отобрал керновый материал и выделили цельные интервалы и интервалы дискования керна с одновременной привязкой их по глубине. В интервалах с цельным керном определили предел прочности горной породы на одноосное сжатие в соответствии с ГОСТ 21153.2-84 «Методы определения предела прочности при одноосном сжатии». В интервалах с дискованием керна определили среднюю толщину образующихся дисков, причем для оценки выбирали участки с дисками толщиной не более половины диаметра керна, причем толщину дисков измерили по их оси штангенциркулем. Далее вычислили отношение средней толщины дисков к их диаметру и по номограмме нашли абсциссу отношения средней толщины дисков к их диаметру. Проекцией на ось ординат нашли отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие. Величину горизонтального напряжения вычислили путем умножения отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие на предел прочности горной породы на одноосное сжатие. Полученное значение горизонтального напряжения использовали при подготовке геомеханической модели для проектирования ГРП.
Способ определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород позволяет упростить, а также повысить точность и эффективность определения горизонтальных напряжений при подготовке геомеханической модели для проектирования ГРП.