СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ СЛАБОСЦЕМЕНТИРОВАННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
PROCEDURE FOR ASSAY OF ELASTIC PROPERTIES OF POORLY CEMENTED ROCK

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при определении упругих свойств и прочностных характеристик слабосцементированных пород, результаты определений которых могут использоваться при бурении нефтяных и газовых скважин, разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.
Известен способ определения упругих свойств осадочных пород, который включает в себя отбор сцементированного образца керна, изготовление образцов цилиндров, ступенчатое нагружение образцов с выдержкой до стабилизации давления при каждом нагружении и определение объема пор до и после каждого нагружения (патент РФ №2253855).
Данный способ определения упругих свойств не может использоваться при определении упругих свойств слабосцементированных пород, так как предусматривает использование при проведении работ сцементированных образцов керна.
Известен способ определения упругих свойств горных пород, где количественные определения показателей упругих свойств пород проводят в лабораторных условиях на специальной установке с использованием сцементированных образцов керна, которые устанавливают в герметичную оболочку, в камеру обжима с регистрацией регулируемого давления в керне и камере (А.Х.Мирзаджанзаде, И.М.Аметов, А.Г.Ковалев. Физика нефтяного и газового пласта. - Москва-Ижевск. Институт компьютерных технологий, 2005, с.62-74).
Осуществляемые в процессе исследования определения коэффициента сжимаемости считаются приближенными и не фиксируют необратимых деформаций в горных породах.
Результаты данных экспериментальных исследований не могут быть приняты для составления проектов строительства скважин и проектов разработки месторождений, так как не учитывают возможности разрушения пород.
Наиболее близким к предлагаемому способу определения упругих свойств пород является способ определения упругих свойств пород, включающий отбор керна, изготовление образцов цилиндрической формы, ступенчатое нагружение образцов с выдержкой до стабилизации давления при каждом нагружении (Л.М.Марморштейн. Петрофизические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах. - М.: Недра, 1985. - С.38-40, с.162-163). Для измерения деформаций используется акустический метод, основанный на определении скорости продольных и поперечных волн через образец, и метод измерения изменения объема пор при нагружении по количеству вытесненной жидкости в калиброванный капилляр.
Указанный способ, как предыдущий, может применяться для сцементированных пород и непригоден для проведения измерений на слабосцементированных образцах, где должен применяться другой способ подготовки образцов керна при проведении измерений.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка способа, обеспечивающего определение упругих свойств слабосцементированных пород.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата повышения точности определения упругих свойств слабосцементированных пород.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения упругих свойств пород, включающем отбор керна, изготовление образцов цилиндрической формы, ступенчатое нагружение образцов с выдержкой до стабилизации давления при каждом нагружении и определение объема пор до и после каждого нагружения, в отличие от известного цилиндры образцов керна формируют из песка, определенной фракции и глинистости, в цилиндрическом контейнере при сжатии их давлением, равным эффективному горному давлению, затем сформированный образец цилиндрической формы извлекают из контейнера, определяют его размеры, пористость и водонасыщенность, методом капиллярной вытяжки в образце моделируют остаточную водонасыщенность, затем образец устанавливают в пресс и подвергают ступенчатому нагружению с выдержкой до стабилизации давления при каждом нагружении с определением изменения длины и диаметра образца до достижения предела упругости.
Способ определения упругих свойств слабосцементированных пород осуществляют следующим образом.
Поскольку керн слабосцементированных пород сеноманских отложений поступает в разрушенном виде, т.е. нет представительного образца керна, из которого можно изготовить цилиндр для проведения работ по определению упругих свойств слабосцементированных пород, отбирают пробу песка, которую промывают водой, высушивают, просеивают на ситах по фракционному составу, взвешивают и подбирают по классам коллекторов сеноманских отложений. По данным геофизических исследований скважин глинистость пород-коллекторов сеномана изменяется от 10% до 60%. Подбираются пробы глины, близкие по своему литолого-минералогическому составу к составу цементирующего вещества породы-коллектора, которые высушивают в сушильном шкафу и взвешивают. Устойчивость и прочность пород-коллекторов сеномана определяет количество цементирующего глинистого материала. В отобранную пробу песка добавляют пробу глины и перемешивают. Для определения глинистости образца используют известное выражение:
,
г
где К - коэффициент глинистости, доли ед.;
1
М - масса пробы песка, г;
2
М - масса пробы глины, г.
2
п
В пробу песка и глины добавляют минерализованную воду с минерализацией 16 г/л, что соответствует минерализации воды сеномана, и перемешивают. Далее пробу вакуумируют под вакуумом с целью удаления воздуха в течение двух часов. После вакуумирования пробу размещают в цилиндрическом контейнере. Цилиндрический контейнер устанавливают в пресс, где сжимается давлением, равным эффективному горному давлению, для пород сеноманских отложений - 16,0 МПа. Отжатая из пробы вода и частицы глинистого материала собирают на бумажном фильтре, который в конце эксперимента высушивают и взвешивают, вносят поправку в первоначальную массу пробы глины - М. По данным взвешиваний для сформированного образца определяют объем пор V:
п
3
где V - объем пор образца, см;
3
М - масса цилиндрического контейнера и образца, насыщенного водой, г;
1
2
5
М+М+М - массы проб песка, глины и цилиндрического контейнера, г;
3
ρ - плотность воды, г/см.
Сформированный образец извлекают из цилиндрического контейнера, взвешивают, измеряют его размеры и рассчитывают его объем:
V=S·h,
3
где V - объем образца, см;
3
S - площадь образца, см;
h - длина образца, см.
По полученным расчетным данным определяют открытую пористость:
п
где K - открытая пористость, доли ед.;
п
3
V - объем пор образца, см;
3
V - объем образца, см.
У сформированного образца моделируют остаточную водонасыщенность методом капиллярной вытяжки, которую рассчитывают по формуле:
ов
где К - остаточная водонасыщенность, доли ед.;
4
М - масса образца с остаточной водой, г;
3
М - масса цилиндрического контейнера и образца, насыщенного водой, г;
1
2
5
М+М+М - масса пробы песка, глины и цилиндрического контейнера, г.
Для пород-коллекторов сеномана остаточная водонасыщенность может колебаться в пределах от 0,18 до 0,23.
Сформированный образец с известными параметрами, глинистостью, пористостью, остаточной водонасыщенностью, устанавливают в прессе и подвергают ступенчатому сжатию с изменением давления сжатия 0,1 МПа с выдержкой до стабилизации давления. На каждом этапе сжатия измеряют изменения длины и диаметра образца и рассчитывают коэффициент Пуассона.
По проведенным экспериментам определяют упругие свойства слабосцементированных пород, которые приведены в таблице.
По проведенным экспериментальным исследованиям на слабосцементированных образцах удалось установить, что наиболее устойчивыми по упругим свойствам являются образцы 2 и 3 с глинистостью от 18,3% до 25,3%, а давление разрушения образцов изменяется от 0,8 до 1,2 МПа. С понижением глинистости образцов до 10,0% и 15% давление разрушения снижается от 0,5 до 0,6 МПа.
Для повышения точности измерений упругих свойств слабосцементированных пород рассчитывался коэффициент Пуассона на каждой ступени сжатия по данным измерения изменения длины и диаметра образца, который позволяет проследить изменение упругих свойств в процессе экспериментов. Точность измерений упругих свойств повышает моделирование объема глинистости слабосцементированных пород, которая определяет их прочностные характеристики.
Используя заявленный способ, можно определить устойчивость коллекторов в призабойной зоне скважин, сложенных слабосцементированными породами.