УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ПОРОДЫ
DEVICE FOR EVALUATION OF ROCK STRENGTH

Предшествующий уровень техники
Изобретение относится к определению параметров прочности породы, в частности, к определению параметров прочности породы царапанием/с помощью царапающего устройства.
Способы, описанные в этом разделе, могут быть осуществлены, но не обязательно являются способами, которые предлагались или использовались ранее. Таким образом, если не указано иное, способы, раскрываемые в этом разделе, не представляют собой известный уровень техники относительно пунктов формулы изобретения, и не должны считаться известным уровнем техники вследствие их включения в этот раздел. Кроме того, все варианты осуществления изобретения не обязательно предназначены для решения всех или даже некоторых проблем, освещаемых в этом разделе.
В известном устройстве для оценки прочности породы, использовавшемся для определения прочности породы царапанием и определения параметров прочности породы, применяется измерение только параметра в направлении вдоль продольной оси керна.
Известное царапающее устройство было разработано в конце 1990-х годов в Университете штата Миннесота (US5670711A).
В царапающем устройстве известного уровня техники резак линейно перемещается относительно образца породы (в направлении параллельно продольной оси керна) с погружением на постоянную глубину, и при этом измеряют усилия, действующие на режущий элемент.
Резак зафиксирован на жесткой раме, чтобы можно было точно измерять различные усилия; и действительно, вертикальные и горизонтальные силы, воздействующие на резак, используемый для прорезания поверхности образца на определенную глубину (от 0,1 мм приблизительно до 1 мм), обеспечивает определение параметров прочности породы.
На основании зарегистрированных значений вертикальных и горизонтальных усилий можно определить эквивалентные величины предела прочности при одноосном сжатии и угла внутреннего трения (Митейм и др., 2004).
Эти параметры считаются параметрами прочности породы в направлении, параллельном оси керна, поскольку усилие, возникающее перед резаком, ориентировано в направлении оси керна, т.е. в направлении перемещения резака.
Таким образом, устройства и способы известного уровня техники дают возможность получения информации по параметрам прочности породы только в одном направлении, а именно, в направлении образца породы (т.е. в направлении оси керна). Параметры прочности породы в других направлениях не учитывают.
Однако хорошо известно, что большинству пород, особенно сланцу и газонасыщенному сланцу, свойственна анизотропия прочности. Например, параметры прочности в направлении, параллельном плоскости напластования могут быть значительно выше, чем значения параметров прочности в направлении, перпендикулярном или под углом 45° к указанной плоскости.
Параметры прочности в вышеупомянутых различных направлениях являются важными исходными параметрами при определении устойчивости ствола скважины, проведении гидроразрыва пласта (ГРП) газонасыщенного сланца, оценке риска выноса песка из пласта в скважину при её эксплуатации, и т.д.
Взятие цилиндрических образцов сланцевых пород в различных направлениях является очень сложной операцией из-за высокого риска разлома образца вследствие наличия плоскостей ослабления в сланцевой породе. Кроме того, высота цилиндрического образца, который можно взять в направлении, перпендикулярном оси керна, ограничивается диаметром керна. В большинстве случаев, невозможно получить отношение 2 высоты к диаметру цилиндрического образца, требующееся для регистрации результатов испытаний на механику пород.
Возможность определения параметров прочности породы в различных направлениях является очень важной, поскольку порода может обладать ярко выраженной анизотропией физико-механических свойств.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится к устройству для оценки прочности породы, содержащему:
раму;
опору резака, установленную на раме с возможностью вращения относительно рамы вокруг оси вращения;
резак, установленный на опоре резака;
опору для образца породы, установленную на раме.
По меньшей мере, одна из опоры резака и опоры для образца породы выполнена с возможностью перемещения относительно другой опоры в направлении скольжения.
Кроме того, ось вращения перпендикулярна направлению скольжения.
Таким образом, это устройство обеспечивает возможность оценки параметров прочности образца породы, по меньшей мере, в одном направлении, и это направление не является стандартным направлением скольжения устройства известного уровня техники для оценки прочности породы.
Введение в конструкцию вращающейся опоры резака дает возможность получения компактного/малогабаритного устройства для оценки параметров прочности породы без необходимости взятия цилиндрических образцов по различным направлениям пласта.
В качестве опоры резака может использоваться диск, пластина или любой другой опорный компонент.
В конкретном варианте осуществления, по меньшей мере, одна из опоры резака и опоры для образца породы выполнена с возможностью перемещения в направлении линейного перемещения относительно другой из указанных опор, причем указанное направление линейного перемещения перпендикулярно указанной оси вращения, и указанное направление линейного перемещения отличается от направления скольжения.
Это дополнительное перемещение в направлении линейного перемещения (отличающемся от направления скольжения) обеспечивает увеличение количества направлений, которые могут быть использованы для оценки параметров прочности породы.
Кроме того, резак выполнен с возможностью поворачиваться относительно опоры резака таким образом, что резак способен поворачиваться на первый угол при повороте опоры резака на второй угол, причем указанный первый угол поворота является противоположным указанному второму углу поворота.
Эта особенность обеспечивает возможность удержания резака в одном и том же положении независимо от поворота опоры резака.
Другие особенности и преимущества раскрываемого устройства станут очевидными после ознакомления с приведенным далее подробным описанием неограничивающих вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
В качестве неограничивающих примеров изобретение пояснено чертежами, на которых одинаковыми ссылочными обозначениями указаны одни и те же элементы.
На фиг. 1a и фиг. 1b показаны две различные конфигурации царапающего устройства согласно одному варианту осуществления изобретения, вид сбоку;
на фиг. 2a и фиг. 2b – две различные конфигурации (аналогичные конфигурациям, представленным, соответственно, на фиг. 1a и фиг. 1b) царапающего устройства согласно одному варианту осуществления изобретения, вид сверху;
на фиг. 3 – пример теста царапанием по кругу, осуществляемым с помощью царапающего устройства согласно одному варианту осуществления изобретения, вид сверху;
на фиг. 4 – пример конструкции царапающего устройства по одному из вариантов осуществления изобретения, используемого для обеспечения перемещения резака в одном и том же направлении, вид сверху.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1a и фиг. 1b показаны две различные конфигурации царапающего устройства согласно одному варианту осуществления изобретения, вид сбоку.
Как показано на этих фигурах, образец 101 породы установлен на двух жестких горизонтальных опорах 102 и 103 (а именно, на опорах образца, которые могут иметь множество различных форм).
Образец 101 породы поддерживается в положении множеством винтов (на этих фигурах видны только два винта 104 и 105).
Кроме того, рама 108 может перемещаться вдоль оси керна (т.е. по оси в этом варианте осуществления). Как вариант, перемещаться может опора для образца породы, а рама при этом остается неподвижной. Пластина 107 (т.е. опора резака) жестко соединена с указанной рамой 108 недеформируемым элементом 109. Однако пластина 107 может вращаться относительно вертикальной оси .
Пластина 107 содержит по меньшей мере один резак 106a, который не выровнен с осью вращения пластины 107. Например, расстояние между резаком и осью вращения пластины может быть больше 3 см. Кроме того, на пластине 107 могут быть установлены и другие резаки (106b или 106c) в разных точках пластины 107. Например, резак 106b может быть выровнен с осью вращения пластины, а другой резак 106c может быть установлен в точке пластины 107, расположенной симметрично точке установки резака 106a относительно оси вращения пластины.
Предпочтительно, размер недеформируемого элемента 109 равен размеру пластины 107 (например, диаметр элемента 109 может составлять от 25% до 100% величины диаметра пластины 107), с целью предотвращения возможности любой деформации пластины 107 при воздействии усилий на резак 106a, 106b или 106c.
Кроме того, как показано на фиг. 1b, рама 108 может перемещаться вдоль оси .
На фиг. 2a и фиг. 2b изображены две различные конфигурации (аналогичные конфигурациям, представленным, соответственно, на фиг. 1a и фиг. 1b) царапающего устройства согласно одному варианту осуществления изобретения, вид сверху.
Когда рама 108 расположена в центре образца породы (т.е. как показано на фиг. 2a), резак 106b может входить в контакт с образцом 101 породы (по плоскости/обработанной зоне 101p). Таким образом, при перемещении вдоль оси (то есть по оси скольжения) можно получать параметры прочности породы в этом направлении (царапина 201).
Кроме того, при прекращении линейного перемещения рамы 108 и вращении пластины 107, резаки 106a и 106c могут входить в контакт с образцом 101 породы. Таким образом, при вращении пластины 107 можно получать параметры прочности породы в направлениях, близких к направлению оси (царапины 204 и 205), а не только в продольном (основном) направлении образца породы (по оси ).
Когда рама 108 расположена не в центре образца породы (см. фиг. 2b), при вращении пластины 107 в контакт с образцом 101 породы могут входить резаки 106a и 106c (царапины 202 и 203). Таким образом, можно производить оценку параметров прочности породы в различных направлениях (в направлениях рисок). Эти различные направления зависят от расстояния от центра пластины 107 и оси основного направления образца породы (оси ).
На фиг. 3 показан пример теста царапанием по кругу, осуществляемого с помощью царапающего устройства согласно одному варианту осуществления изобретения, вид сверху.
Изображение на фиг. 3 может представлять собой увеличенное изображение рисок 202 или 203, показанных на фиг. 2b.
В рассматриваемом примере образец породы имеет две царапины 320 и 321. Эти царапины выполняют посредством вышеуказанного устройства при одном и том же расстоянии d между центром пластины 107 и осью основного направления образца породы (осью ). Таким образом, это дает возможность выполнения множества оценок параметров прочности породы при одной и той же конфигурации посредством перемещения опоры 107 резака вдоль оси (например, при перемещении пластины по вектору, определенному точками 351 и 352 или точками 301 и 350, на расстояние l). Следовательно, можно вычислить среднюю величину по результатам всех измерений, выполненных в одной и той же конфигурации, для точной оценки параметров прочности породы в данном направлении.
Вследствие специфической формы образца породы (т.е. наличия плоскости/обработанной зоны 101p), резаки (106a, или 106b, или 106c) могут находиться не в полном контакте с образцом породы. Например:
– резак в положении 302 (или 307) контактирует с образцом породы только одной кромкой;
– резак в положении 303 (или 306) контактирует с образцом породы только половиной своей длины.
И наоборот, когда резак расположен в определенном угловом диапазоне (308) (т.е. между положениями 304 и 305), он находится в полном контакте с образцом породы.
В одном возможном варианте осуществления оценка параметров прочности породы производится для каждого отдельного направления царапания (например, для направления 309 при нахождении резака в положении 304 и для направления 310 при нахождении резака в положении 305). Таким образом, можно вычислить средние значения параметров прочности для каждого отдельно взятого направления всех рисок (320, 321), получаемых в одной и той же конфигурации.
В другом возможном варианте осуществления оценка параметров прочности породы производится для усредненного направления рисок (т.е. среднего из направлений 309, 310, и т.д.). Кроме того, средние значения параметров прочности можно вычислять для всех рисок (320, 321) в одной и той же конфигурации.
На фиг. 4 более подробно показан пример выполнения царапающего устройства по одному из возможных вариантов осуществления изобретения, используемого для поддержания царапающего резака в одном и том же направлении, вид сверху.
Как показано на фиг. 3, резаки закреплены на пластине: углы их расположения относительно основной оси образца породы могут изменяться. Кроме того, при испытании царапанием, расстояние, проходимое частью резака, расположенной ближе к центру пластины 107, меньше, чем расстояние, проходимое частью резака, расположенной ближе к краю пластины 107. Таким образом, применение стандартных уравнений, используемых при линейном определении прочности породы царапанием, может оказаться затруднительным (поскольку параметры прочности зависят от объема образца, удаляемого в процессе царапания) и неточным (поскольку усилия, действующие на резак, неодинаковы).
Таким образом, предпочтительно динамически изменять угол резаков при вращении пластины 107, чтобы угол между резаком и основной осью образца породы оставался постоянным.
Это можно осуществить различными способами.
1
Один из возможных вариантов заключается в том, чтобы закрепить зубчатое колесо 401 (радиусом r) в центре пластины 107: это зубчатое колесо 401 остается неподвижным при вращении пластины 107 (в направлении 410).
1
Другое зубчатое колесо 403 (радиусом r) прикреплено к резаку таким образом, чтобы резак 106a мог поворачиваться при вращении зубчатого колеса 403. Резак 106a может быть прикреплен к зубчатому колесу 403 таким образом, чтобы резак проходил через центр зубчатого колеса 403.
2
1
Зубчатое колесо 402 (радиусом r, который может отличаться от радиуса r) может входить в зацепление с зубчатыми колесами 401 и 403. Таким образом, при вращении пластины 107 резак 106a остается параллельным.
Понятия «содержит», «включает в себя», «объединен», «вмещает», «представляет собой» и «имеет» следует истолковывать на неисключительной основе при интерпретации описания и соответствующих пунктов формулы изобретения, а именно, истолковывать таким образом, чтобы допускалось наличие других объектов или компонентов, не указанных явно в описании. Указание на какие-либо элементы в единственном числе может подразумевать наличие данных элементов во множественном числе, и наоборот.
Специалистам в данной области будет вполне понятно, что различные параметры, раскрываемые в описании, могут быть изменены, и что различные раскрываемые варианты осуществления могут использоваться совместно с другими вариантами без выхода за границы объема изобретения.