СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD OF STUDY OF ROCK SAMPLES

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.
p
s
На прилагаемой фигуре представлен графически процесс стабилизации величины скорости распространения продольной (V) и поперечной (V) 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.
p
s
Измеряют скорости распространения продольной (V) и поперечной (V) 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.
p
s
Полученные предлагаемым способом истинная величина горного давления и соответствующие ей значения скорости распространения продольной (V) и поперечной (V) волн используют для расчета модуля Юнга и коэффициента Пуассона для определения реального значения давления гидроразрыва в пласте горной породы, из которого был отобран керн.
p
s
На прилагаемой фигуре видно, что стабилизация «пиковых» значений скорости распространения продольной волны (V) происходит на отметке 3450-3500 м/с, а поперечной (V) волны - 2100-2150 м/с, при многократном циклическом увеличении внешнего давления (Pгор.) от 50 до 550 МПа.