СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИННОЙ ПОРИСТОСТИ ПОРОД
METHOD OF ROCK FRACTURED POROSITY DETERMINATION

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 оценки трещинной пористости в шлифах под микроскопом (Гмид Л.П. Методическое руководство по литолого-петрографическому и петрохимическому изучению осадочных пород-коллекторов. СПб: ВНИГРИ, 2009, с.160), в котором измеряется площадь шлифа, длина следов трещин и их ширина. По данным замеров производится подсчет параметров трещиноватости по формулам, полученным экспериментальным путем на опытах в открытых щелях, имитирующих трещины разной раскрытости и ориентировки. Недостатком указанного способа является его низкая точность и достоверность полученных данных, обусловленная тем, что исследуется только малый объем горной породы в шлифе.
Наиболее близким к предложенному способу (прототипом) является 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.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа, позволяющего осуществлять оценку трещинной пористости горных пород с высокой точностью.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности определения трещинной пористости пород.
Для достижения указанного технического результата в способе определения трещинной пористости пород, включающем измерение скорости распространения продольной волны в исследуемой породе и выполнение расчета с использованием полученных данных, предварительно формируют набор образцов исследуемой породы. Экспериментально определяют общую пористость каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, также экспериментально 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 полученной экспериментально зависимости скорости распространения продольной волны в образцах исследуемой породы от их общей пористости, определенных экспериментально в условиях, моделирующих пластовые условия. Далее рассчитывают величину трещинной пористости (Кп тр) для каждого из образцов исследуемой породы по формуле:
Кп тр=[100-1,6Кп общ - 100(Vp изм/Vp ск)]/20,4,
где Кп общ - экспериментально определенная общая пористость образца;
Vp изм - измеренная скорость распространения 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.
В горной породе поры и трещины образуют общую пористость
<mrow><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>=</mo><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>+</mo><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>т</mi><mi>р</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Кп пор - поровая пористость горной породы, %;
Кп тр - трещинная пористость горной породы, %.
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
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>V</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>V</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>к</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Vp изм - измеренная скорость распространения продольной волны в образце исследуемой породы, км/с;
Vp ск - скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы, 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
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><mn>1,6</mn><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Q - добротность горной породы, %;
а также - зависимость добротности от трещинной пористости горной породы:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><mn>22</mn><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>т</mi><mi>р</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
откуда вытекает зависимость добротности от общей пористости:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><mn>1,6</mn><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>−</mo><mn>22</mn><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>т</mi><mi>р</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
решая известное уравнение (5) относительно Кп тр, получаем формулу:
<mrow><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>т</mi><mi>р</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn><mn>0</mn><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>-</mo><mi>Q</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>22.</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
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:
<mrow><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>т</mi><mi>р</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><mn>1,6</mn><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>−</mo><mn>100</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>V</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>V</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>к</mi></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>/</mo><mn>20,4.</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
На фиг.1 показана зависимость скорости распространения упругой продольной волны от эффективного давления для образцов горных пород с различной общей пористостью.
На фиг.2 - зависимость скорости распространения продольной волны от общей пористости для образцов исследуемой породы.
На фиг.3 - зависимость скорости распространения продольной волны от общей пористости для образцов исследуемого песчаника.
Способ осуществляют следующим образом.
- Формируют набор образцов исследуемой породы.
- Определяют общую пористость для каждого из образцов исследуемой породы в атмосферных условиях методом жидкостенасыщения или газоволюметрическим способом.
- 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
<mrow><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>=</mo><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mtext> </mtext><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>м</mi><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>V</mi><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>/</mo><mi>V</mi><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>100,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Кп общ пл - общая пористость образца в условиях, моделирующих пластовые, %;
Кп общ атм - общая пористость образца в атмосферных условиях, %;
3
ΔVпор - объем жидкости, вытесненный из порового пространства образца при переходе от атмосферных условий к условиям, моделирующим пластовые, см;
3
Vобр - 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 установки ПУМА-650 или «Экопласт - Гео», или другой подобной 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 Рве, 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.1).
- 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
<mrow><mi>V</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi><mo>=</mo><mi>А</mi><mo>⋅</mo><mi>К</mi><mi>п</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>+</mo><mi>V</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>к</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
2
где А - коэффициент, характеризующий интенсивность изменения скорости распространения продольной волны от общей пористости образцов. Аппроксимацию осуществляют методом наименьших квадратов в Excel. Степень достоверности аппроксимации определяется величиной, обозначаемой R. Чем ближе R к единице, тем выше достоверность получаемой зависимости. 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.2). 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 22 образцов песчаника.
- Определили общую пористость (Кп общ атм) каждого из образцов методом жидкостенасыщения при атмосферных условиях.
- 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.
- Определили скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемого песчаника (Vp ск), используя линейную зависимость (9) (при А=0,11) и полученные экспериментально значения скорости распространения продольной волны в образцах и общей пористости всех образцов в условиях, моделирующих пластовые (фиг.3). Полученная Vp ск=5,8824 км/с.
- Определили величину трещинной пористости (Кп тр) для каждого из образцов исследуемого песчаника, используя формулу (7).
- Определили величину поровой пористости (Кп пор), используя уравнение (1), для каждого из исследуемых образцов.
Полученные экспериментальные и расчетные данные приведены в табл.1.
Точность определения трещинной пористости исследуемых образцов определяется погрешностью, допущенной при определении общей пористости в условиях, моделирующих пластовые, и составляет±0,01%.
В предлагаемом способе для определения трещинной пористости используют только определение общей пористости и скорости распространения упругой продольной волны в образцах исследуемой породы в лабораторных условиях, которое выполняется с высокой точностью.
Таблица 1
№
Кп общ атм, %
Кп общ пл, %
Vp пл, км/с
Кп тр пл, %
Кп пор пл, %
1
8.9
7.95
4.65
0.41
7.55
2
7.5
6.69
5.18
0.06
6.63
3
6.9
6.45
5.15
0.11
6.34
4
10.9
10.20
4.53
0.33
9.86
5
11.1
10.42
4.90
0.01
10.41
6
11.1
10.31
4.74
0.14
10.17
7
12.9
12.20
4.46
0.23
11.96
8
10.3
9.75
4.90
0.06
9.69
9
10.5
9.66
4.82
0.13
9.53
10
12.8
12.15
4.53
0.17
11.98
11
12.6
11.98
4.60
0.13
11.85
12
11.9
11.22
4.67
0.13
11.09
13
10.5
9.88
4.81
0.12
9.76
14
8.4
7.77
5.05
0.08
7.68
15
6.9
6.32
5.23
0.05
6.27
16
5.5
4.86
5.33
0.08
4.77
17
11.2
10.74
4.73
0.11
10.62
18
10.1
9.61
4.89
0.07
9.53
19
10.0
9.39
4.89
0.09
9.30
20
10.1
9.52
4.73
0.21
9.31
21
10.7
10.17
4.82
0.09
10.08
22
4.7
4.09
5.51
-0.01
4.11