CC BY
73
УДК 552.08, 550.85
1 2 2 2 1 В.А. Киндюк , Л.А. Назаров , О.М. Усолъцева , П.А. Цой , И.Н. Ельцов
1ИНГГ СО РАН, Новосибирск
2ИГД СО РАН, Новосибирск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОДНОГО МАССИВА В ОКРЕСТНОСТИ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН
В работе приведено описание и результаты испытаний керна, добытого из нефтегазовой скважины севера Новосибирской области с глубины 2300 м. Испытания проводились по схеме Кармана. Предметом измерений были упругие коэффициенты и прочностные свойства пород. Данные свойства являются параметрами геомеханической модели (Назарова Л. А., 2010), описывающей изменение напряженного состояния пород во время бурения скважины. Подход может быть актуален для всех видов технологических операций на стадии разведки и разработки месторождений (M.N. Ayala, 2007).
V.A. Kindyuk1, L.A. Nazarov, O.M. Usoltseva2, P.A. Tsoy2, I.N. Yeltsov1 1Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG)
Acad. Koptyug av. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation 2IGD SB RAS
Zelenaya gorka, 3, Novosibirsk, 630060, Russian Federation
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF ROCK MASS DEFORMATION AND STRENGTH INDEXES IN THE VICINITY OF DEEP BOREHOLES
The paper present the results single stage triaxial compressive test, which have been carried out on cores obtained from production wells on north of the Novosibirsk region. The purpose of the measurements were to determine the rock mass elastic modules and strength parameters. These parameters are input information for geomechanical model (Назарова Л. А., 2010), which describes a stress state of rocks during drilling. This model should be useable for all types of technical operations as at the stage of exploration so production (M.N. Ayala, 2007).
В настоящее время в связи с успешным развитием геофизических методов исследования скважины (ГИС) возникает необходимость в описании свойств пород и предсказаний их поведения во время воздействия буровым инструментом (C. Stamm, 2007). Такое описание позволит интерпретировать данные ГИС, используя параметры бурения на основе геомеханической модели околоскважинного пространства. Геомеханическое описание необходимо для предсказания формы и геометрии разрушающих деформаций породы вокруг скважины и оценки изменения петрофизических свойств коллекторов при их
вскрытии в зависимости от параметров бурения. Для повышения достоверности такой оценки необходимо экспериментальное исследование свойств керна коллекторов.
Целью данной работы было получение необходимых параметров геомеханической модели, описывающей деформацию пород около скважины. Измерения выполнялись на отдельных образцах керна.
Для проведения измерений была использована установка фирмы INSTRON 8802 (Центр коллективного пользования СО РАН). На рис. 1 приведена принципиальная схема установки, в составе которой нагружающее устройство, датчики измерения напряжений и деформаций, осциллограф и компьютерная система.
преьс
образа и керна
маспо
Ириерв
ПОЕЫШеННО-ГО __
давлення
Рис. 1. Схема установки трехосного нагружения керна
На образцах (рис. 2), отобранных из скважины Верх-Тарского месторождения, проведены эксперименты на двухосное нагружение для определения модуля Юнга, коэффициента Пуассона, предела прочности на одноосное сжатие, коэффициента сцепления и угла внутреннего трения.
Рис. 2. Образцы для исследование на двухосное сжатие
Керн представлен светло серым мелкозернистым песчаником, местами с субгоризонтальной слоистостью, обусловленной присутствием глинистого материала и состоял преимущественно из кварца и полевого шпата. Пласт, из
которого выбраны образцы, относится к прибрежно-морским отложениям, на что указывает хорошая сортировка песчаного материала. Керн предположительно датируется юрским периодом. Образцы отбирались с разной ориентацией: вдоль (№ 1, 3) и поперек (№ 2, 4, 5) напластования.
Программа эксперимента: 1) нагружение до заданного бокового давления; 2) увеличение осевого напряжения до полного разрушения образца.
Обычно петрофизические исследования на керне проводятся для образцов, извлекаемых параллельно напластованию. Но геомеханические свойства породы в зависимости от ориентации образца различны. Поэтому измерения делались для двух типов образцов. В эксперименте для пары образцов разной ориентации прикладывалось одинаковое боковое давление, что позволяет оценить влияние анизотропии на механические свойства.
Для трех образцов первой группы были выбрано боковое давление в 18, 11 и 4 Мпа, которое на первом этапе было равным осевому напряжению. Таким образом, образцы находились в гидростатическом напряженном состоянии. Далее при постоянном боковом давлении увеличивалось осевое напряжение до разрушения образца. По результатам измерений для были построены диаграммы деформирования (рис. 4-6).
150 -/ ✓' \
ши /
50 1 0
-0,005 0,000 0,005 0,010 0,015
Деформация осевая е2, радиальная ^
Рис. 4. Диаграммы зависимости осевого деформации (сплошная линия) и радиальной деформации (пунктир) от осевого нагружения(а2)
у = 196Ш -21,623
§
к
л
ч
ей
К
«
ей
СР
«
К
а
ей
2
СР
О
0,0025
0,0020
0,0015
0,0010
0,0005
у = 0,1655x + 0,0008
0,0000
Деформация осевая е2
0,000 0,005 0,010
Деформация осевая є2
Рис. 5. Определение модуля Юнга
Рис. 6. Определение коэффициента Пуассона
Используя критерий Кулона-Мора, можно построить зависимость максимального главного напряжения от бокового давления, из которой рассчитывались угол внутреннего трения и сцепления (рис. 7, 8).
Зависимость предела прочности
§100
К
*
&50
ей
К
у = 0,229х + 116,14 ______R2 = 0,967
„ ,.50 100 150 Л 200
Обжимное давление СУ„, МПа
ф’
Рис. 7. Предельное состояние образов, Рис. 8. Предельное состояние образов, ориентированных поперек скважины ориентированных вдоль скважины
Зависимости для предельного вертикального нагружения описываются
следующей формулой:
где <71 -предел прочности образца на одноосное сжатие, сг3 - боковое давление (о3=а2). Пересечение этой кривой с осью ординат дает параметр Со, а коэффициент к определяет наклон этой зависимости. Таким образом, из построенных зависимостей можно найти параметры критерия разрушения Кулона-Мора ^. Khaksar, 2009):
0
где в- угол внутреннего трения, а 80 - коэффициент сцепления.В таб. 1 приведены результаты обработки экспериментов, выполненных для образцов, ориентированных вдоль скважины. Число образцов, ориентированных поперек скважины (параллельно напластованию), было не достаточно для построения зависимостей.
Таблица 1
Угол внутреннего трения в, град 38.9
Сцепление £0, МПа 24.3
Модуль Юнга Е, Г па 20.7
Коэффициент Пуассона V 0.185
Выводы
Представленные образцы обладают высокими прочностными и плохими коллекторскими свойствами.
Все они выбраны из одного интервала, что позволяет определять геомеханические свойства данного продуктивного интервала достоверно.
Ориентация образцов относительно напластования сильно на величину геомеханических свойств пород. В частности для керна с параллельной напластованию ориентацией, модуль Юнга выше, а коэффициент Пуассона ниже, чем у керна с ориентаций поперек напластованию.
Вышеописанная методика позволяет получать необходимые коэффициенты для создания математических геомеханических моделей.
В дальнейшем есть необходимость исследовать влияние вида цементирующего материала на деформационные и прочностные свойства пород.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Назарова Л. А. Некоторые геомеханические аспекты бурения глубоких скважин в массиве горных пород [Текст] / Л. А. Назарова, Л. А. Назаров, И. Н. Ельцов, В.А. Киндюк // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 2010.- № 6. - С. 3 -10.
2. Ayala M.N. Applications of geomechanical models in northern Mexico using information from boreholes imaging and electric logs to reduce drilling nonproductive time and to characterize fractured reservoirs [Текст] /M.N. Ayala A. N. Patino, J. Tome, C. Kessler // SPWLA 48th Annual Logging Symposium. - Austin, 2007.
3. Stamm C. Barnett Shale - New LWD sensor technology provides crucial formation evaluation information at reduced cost and risk for land operations [Текст]/ C. Stamm, H. Homann, S. Creden, H.-C. Freitag, C. Flulda, G. Lindsay // SPWLA 48 th Annual Logging Symposium. - Austin, Jun 3-6, 2007.
4. Khaksar P. G. Rahman Rock Strength from Core and Logs: Where We Stand and Ways to Go [Текст] /Khaksar P. G. Taylor, Z. Fang, T. Kayes, A. Salazar, K. // Spe EUropec / EAGE Annual Conference and Exhibition. - Amsterdam: SPE, 2009.
© В.А. Киндюк, Л.А. Назаров, О.М. Усольцева, П.А. Цой, И.Н. Ельцов, 2011
