Способ определения трещинной пористости горных пород
METHOD OF DETERMINATION OF ROCK FRACTURE POROSITY

Изобретение относится к области геофизических исследований (петрофизики), в частности к ультразвуковым исследованиям горных пород, и может применяться для оценки трещинной пористости горных пород.
Известен способ определения трещинной пористости пород (патент РФ №2012021, G01V 1/40, опубл. 30.04.1994), заключающийся в проведении в изучаемом разрезе волнового акустического и гамма-гамма-каротажа. По данным каротажа определяют коэффициент сжимаемости пород для двух значений плотности заполняющей скважину промывочной жидкости. При этом плотность увеличивают на 15-20% в зависимости от глубины скважины и допустимой величины давления гидроразрыва пород. Коэффициент пористости пород определяют с учетом коэффициентов сжимаемости пород, определенных по двум замерам, коэффициента сжимаемости матрицы (блока) и изменения плотности бурового раствора перед повторным исследованием. Недостатком известного способа является невысокая точность, обусловленная отсутствием достоверных данных о коэффициенте сжимаемости матрицы и методов его определения в реальных условиях залегания пород, а также отсутствием надежных данных о зависимости коэффициента сжимаемости пласта от изменений плотности бурового раствора в скважине.
Наиболее близким к предложенному способу (прототипом) является способ определения трещинной пористости пород (патент РФ №2516392, G01V 1/28, опубл. 20.05.2014), в котором 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, после чего определяют поровую пористость как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью. Недостатком указанного способа является определение скорости распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы статистическими методами. При этом из-за неоднородности минералогического состава исследуемых образцов получают отрицательные значения трещинной пористости, что не имеет физического смысла.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка способа, позволяющего определять трещинную и поровую пористости горных пород путем определения скорости распространения продольной волны в исследуемой горной породе.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение точности и достоверности определения трещинной пористости горных пород.
Для достижения указанного технического результата в способе определения трещинной пористости горных пород путем определения скорости распространения продольной волны в исследуемой породе предварительно формируют набор образцов исследуемой породы, экспериментально определяют общую пористость и плотность каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях и с использованием полученной зависимости пористости от плотности исключают из дальнейшего исследования образцы с отличающимся минералогическим составом. Затем для оставшихся в наборе образцов экспериментально определяют скорость распространения продольной волны и общую пористость в условиях, моделирующих пластовые условия, после чего определяют скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы с использованием полученной зависимости скорости распространения продольной волны в образцах исследуемой породы от их общей пористости, определенных в условиях, моделирующих пластовые условия. Далее рассчитывают величину трещинной пористости (Кп тр) для каждого из образцов исследуемой породы по формуле:
где Кп общ - экспериментально определенная общая пористость образца;
Vp изм - измеренная скорость распространения упругой продольной волны в образце;
Vp ск - скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы,
после чего определяют поровую пористость как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью.
На скорость распространения продольной волны при исследовании горной породы большое влияние оказывают образцы с отличающимся минералогическим составом (Дортман Н.Б. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. М.: Недра, 1984. С. 455). В заявляемом способе предлагается на начальном этапе исследования исключать из набора образцов исследуемой породы образцы с существенно отличающимся минералогическим составом.
В горной породе поры и трещины образуют общую пористость:
где Кп пор - поровая пористость горной породы, в %;
Кп тр - трещинная пористость горной породы, в %.
Для исследования горной породы необходимо выяснить, какая доля общей пористости приходится на поры и какая - на трещины для каждого образца исследуемой породы. Использование понятия добротности и знание величины общей пористости образцов исследуемой горной породы позволяет проводить такое разделение.
Отношение измеренной скорости распространения продольных волн в образце исследуемой породы к скорости распространения продольных волн в минеральном скелете исследуемой породы (при Кп общ, равной нулю), выраженное в процентах, называется добротностью Q (Мори В. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти. М.: Мир, 1994, с. 176-184) и характеризует воздействие пор и трещин на породу:
где Vp изм - измеренная скорость распространения продольной волны в образце исследуемой породы, в км/с;
Vp ск - скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы, в км/с.
Как вытекает из выражения (2), при добротности, равной 100%, порода не имеет ни трещин, ни пор. Уменьшение значения добротности отражает наличие в горной породе трещин и пор.
Известна зависимость добротности Q от поровой пористости Кп пор
где Q - добротность горной породы, в %;
А также - зависимость добротности от трещинной пористости горной породы:
откуда вытекает зависимость добротности от общей пористости:
решая известное уравнение (5) относительно Кп тр, получаем формулу:
Подставляя в формулу (6) выражение для Q по формуле (2) и выражение для Кп пор по формуле (1), получаем конечную формулу для вычисления трещинной пористости:
На фиг. 1 показана зависимость плотности от пористости исследуемой породы.
На фиг. 2 - зависимость скорости распространения продольной волны от эффективного давления для образцов горных пород с различной общей пористостью.
На фиг. 3 - зависимость скорости распространения продольной волны от общей пористости для образцов исследуемой породы.
На фиг. 4 - зависимость скорости распространения продольной волны от общей пористости для образцов исследуемой породы, оставшихся в наборе после удаления образцов с отличающимся минералогическим составом.
Способ осуществляют следующим образом.
- Формируют набор образцов исследуемой породы.
- Определяют общую пористость и плотность для каждого из образцов исследуемой породы в атмосферных условиях методом жидкостенасыщения или газоволюметрическим методом.
- По полученным значениям строят график зависимости плотности от пористости для образцов исследуемой породы. Аппроксимируют полученную зависимость методом наименьших квадратов в Excel и получают линейную зависимость параметра у от параметра x (в данном случае плотности от пористости образцов). Степень достоверности аппроксимации определяется величиной, обозначаемой .
2
Чем ближе R к единице, тем выше достоверность получаемой зависимости (фиг. 1).
- По результатам анализа указанной зависимости выделяют и исключают из дальнейшего исследования образцы, значительно отличающиеся своим минералогическим составом: образцы, координаты которых на графике зависимости (фиг. 1) более чем на 2% отличаются от линии аппроксимации.
- Определяют общую пористость каждого из образцов в условиях, моделирующих пластовые. Общую пористость определяют посредством измерений объема жидкости, вытесненной из порового пространства образца при увеличении эффективного давления от 0,1 МПа до давления в пласте (обычно более 15 МПа), и с учетом объема образца по формуле:
где Кп общ пл - общая пористость образца в условиях, моделирующих пластовые, %;
Кп общ атм - общая пористость образца в атмосферных условиях, %;
3
ΔVпор - объем жидкости, вытесненной из порового пространства образца при переходе от атмосферных условий к условиям, моделирующим пластовые, см;
3
Voбp - объем образца, см.
- Определяют скорость распространения упругой продольной волны для каждого из образцов исследуемой породы в условиях, моделирующих пластовые.
Общую пористость (Кп общ пл) и скорость распространения продольной волны (Vp пл) в условиях, моделирующих пластовые, определяют экспериментально с помощью любой установки, позволяющей моделировать пластовые условия и определять общую пористость и скорость распространения упругой продольной волны в исследуемой породе. На установке моделирования пластовых условий изменяют напряженное состояние образцов исследуемой породы путем создания всестороннего давления Рвс, равного литостатическому давлению, и порового давления Рпор, равного давлению флюида (газ, жидкость) в пласте. При этом создают эффективное давление Рэф, равное их разности. При достаточно больших значениях эффективного давления (40,0 МПа и более) скорость распространения продольной волны в образцах достигает максимума (фиг. 2).
- Определяют скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы (общая пористость равна нулю), для чего аппроксимируют зависимость скорости распространения продольной волны от общей пористости, полученную по измеренным величинам общей пористости и скорости распространения продольной волны в образцах исследуемой породы в условиях, моделирующих пластовые, и получают линейную зависимость:
где А - коэффициент, характеризующий интенсивность изменения скорости распространения продольной волны от общей пористости образцов. Скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы графически определяется как точка пересечения линии аппроксимации с вертикальной осью координат и численно равна величине свободного члена в линейной зависимости (фиг. 3).
Для мономинеральной горной породы возможно использование известной из справочной литературы скорости распространения продольной волны в этом минерале, определенной при условии отсутствия в нем трещин, дефектов и вкраплений других минералов.
- Определяют величину трещинной пористости для каждого из образцов исследуемой породы. Для этого используют уравнение (7) зависимости трещинной пористости от измеренной общей пористости и отношения измеренной скорости распространения продольной волны в образце исследуемой породы к скорости распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы, полученных в условиях, моделирующих пластовые.
- Определяют величину поровой пористости как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью для каждого из образцов исследуемой породы в соответствии с уравнением (1) в условиях, моделирующих пластовые.
Пример осуществления способа
- Сформировали набор из 24 образцов песчаника.
- Определили общую пористость (Кп общ атм) и плотность (δ) каждого из образцов методом жидкостенасыщения (ГОСТ 26450.1-85) при атмосферных условиях (столбцы 2 и 3 таблицы).
- По полученным значениям построили график зависимости общей пористости от плотности (фиг. 1).
- По результатам анализа полученной зависимости выделили образцы, подлежащие исключению из дальнейшего исследования (образцы №3 и №4 в таблице).
- Для сравнения результатов вначале провели исследование без исключения из набора указанных образцов.
- С помощью установки ПУМА-650 определили общую пористость и скорость распространения продольной волны для каждого из образцов в термобарических условиях, моделирующих пластовые (всестороннее давление Рвс=50 МПа, поровое давление Рпор=13 МПа, температура Т=22°С), при этом точность определения: пористости - ±0,01%, скорости распространения продольной волны - ±0,002 км/с (столбцы 4 и 5 таблицы).
- Определили скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемого песчаника (Vp ск), используя линейную зависимость (9) (при А=0,103) и полученную зависимость скорости распространения продольной волны в образцах от общей пористости всех образцов в условиях, моделирующих пластовые (фиг. 3). Полученная Vp ск=5,864 км/с при исследовании полного набора образцов (столбец 5 таблицы).
- Определили величину трещинной пористости (Кп тр) в пластовых условиях для каждого из образцов исследуемого песчаника, используя формулу (7) (столбец 6 таблицы). При этом для некоторых образцов получены отрицательные значения трещинной пористости, что обусловлено неточным определением (заниженным значением) скорости распространения продольной волны в минеральном скелете породы.
- Определили величину поровой пористости (Кп пор), используя уравнение (1), для каждого из исследуемых образцов (столбец 7 таблицы).
Далее для получения уточненных значений скорости распространения продольной волны провели исследование, исключив образцы №3 и №4 из полного набора образцов песчаника.
- Построили график зависимости скорости распространения продольной волны от пористости и определили уточненную скорость распространения продольной волны в минеральном скелете песчаника (при общей пористости равной нулю) Vp ск=6,080 км/с (фиг. 4).
- Определили величину трещинной пористости (Кп тр) в пластовых условиях для каждого из образцов исследуемого песчаника, используя формулу (7) (столбец 8 таблицы), причем в таблице отсутствуют отрицательные значения трещинной пористости за счет исключения образцов №3 и №4, которые обусловили погрешность в определении трещинной пористости.
- Определили величину поровой пористости (Кп пор), используя уравнение (1), для каждого из оставшихся в наборе образцов исследуемой породы (столбец 9 таблицы).
Таким образом, в предлагаемом способе для определения трещинной пористости горной породы используют уточненное значение скорости распространения продольной волны в минеральном скелете, полученное за счет исключения на начальном этапе исследования образцов исследуемой породы с отличающимся минералогическим составом, что позволяет получить более точные и достоверные результаты исследования.