Главная
страница 1



Деформационные и прочностные характеристики пород баженовских отложений.
Владимир Карев, к.ф.-м.н., Юрий Коваленко, к.ф.-м.н., Юрий Кулинич, к.ф.-м.н., Михаил Прихно,

Институт проблем механики РАН,

ООО «ПерфоЛинк».
Огромные запасы углеводородного сырья залегают в коллекторах с преобладающим содержанием глин. Такие породы обладают специфическими механическими свойствами, которые еще недостаточно изучены. В № 6 «Технологии ТЭК» [ 1 ] были опубликованы основные результаты исследований устойчивости горизонтальных стволов скважин в баженовских отложениях, бурящихся на депрессии, выполненных по заказу ОАО «Сургутнефтегаз». В данной статье более подробно изложена методика этих исследований и обсуждены их результаты, касающиеся деформационных и прочностных свойств пород, составляющих баженовские отложения.
Для изучения деформационных и прочностных свойств пород баженовских отложений ОАО «Сургутнефтегаз» был предоставлен керновый материал из нефтесодержащего пласта ЮС 0 из ряда скважин Ульяновского, Камынского и Сыхтынглорского месторождений. Исследования проводились на уникальной экспериментальной установке - Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН), позволяющей на образцах породы размером 5х5х5 см создавать любые напряженные состояния, заданным образом изменять их независимо по каждой из трех осей и измерять при этом деформации по каждой оси.

Важнейшей механической характеристикой горных пород является анизотропия их деформационных и прочностных свойств. Для определения типа анизотропии исследованных пород были измерены скорости распространения продольных волн в изготовленных образцах. Скорости измерялись в трех направлениях: по оси 1, совпадающей с осью керна, и по осям 2 и 3 в двух взаимно перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости. Измерения проводились на специальной установке. Установка представляла собой два датчика-генератора ультразвуковых волн, между которыми устанавливался исследуемый образец. Для визуализации результатов измерений электрические сигналы с обоих датчиков выводятся на осциллограф. Между датчиками-генераторами пропускались ультразвуковые волны длиной 5 мм, частотой 1,25 МГц и фиксировалось время прохождения волн через образец и затухание амплитуды колебаний.

Схема установки представлена на рис. 1. В таблице 1 приведены скорости продольных волн для ряда образцов по трем осям.

Таблица 1.




Месторождение

№ скв.

№ обр.

Глубина отбора, м

a1, м/сек

a2, м/сек

a3, м/сек

Сыхтынглорское

3303

4

2890,6

3486

4187

4187

Сыхтынглорское

3303

8

2892,1

2202

3698

3698

Сыхтынглорское

3303

12

2893,5

3118

3726

3718

Камынское

3236



2822,0

2661

4290

4290

Камынское

3236



2823,5

3346

4157

4134

Камынское

3236



2846,6

2970

3795

3671

Ульяновское

3304

21

3135,0

2853

4359

4380

Ульяновское

3304

28

3140,0

4048

4951

4951

Ульяновское

3305

158

2783,0

2825

4382

4382

Ульяновское

3305

159

2785,3

3017

4089

4089

Ульяновское

3306

148

3306,1

2495

3671

3671

Западно-Ульяновское

3309



2912,2

2558

3294

3302

Западно-Ульяновское

3309



2915,2

2794

3556

3542

Западно-Ульяновское

3309

10б

2934,6

2836

3718

3637

a1 – скорость распространения продольных волн вдоль оси 1

(в вертикальном направлении),

a2 – скорость распространения продольных волн вдоль оси 2

(в горизонтальной плоскости),

a3 – скорость распространения продольных волн вдоль оси 3

(в горизонтальной плоскости).
Как видно из таблицы, скорости распространения продольных волн в горизонтальной плоскости по осям 2 и 3 практически одинаковы. Скорости распространения продольных волн в вертикальном направлении, т.е. по оси 1, оказались в 1,2 - 1,8 раз меньше, чем в горизонтальном.

Полученные результаты позволили сделать вывод, что исследуемая порода по своим свойствам близка к трансверсально изотропной среде, т.е. среде, свойства которой в плоскости изотропии (в данном случае в горизонтальной плоскости) одинаковы, а в вертикальном направлении вдоль оси изотропии – отличны.

В ходе измерения скоростей продольных волн был получен еще один интересный результат: коэффициент затухания амплитуды волн в вертикальном направлении был очень большим и превосходил коэффициент затухания амплитуды волн в горизонтальном направлении на десятки и сотни раз. Этот факт свидетельствует о наличии значительно более существенных структурных нарушений: поверхностей ослабления, трещин в породе в горизонтальном направлении. Об этом же свидетельствует и наблюдавшееся при изготовлении образцов дискование керна при резке его алмазными кругами, поскольку наличие горизонтальной трещиноватости приводит к значительному снижению прочности породы на сдвиг в горизонтальных плоскостях.

На основании результатов измерения скоростей прохождения продольных волн через образцы в качестве упругой деформационной модели для пород баженовских отложений была принята модель трансверсально изотропного тела, у которого плоскость изотропии совпадает с плоскостью напластования.

Деформирование трансверсально-изотропного упругого материала характеризуется пятью независимыми упругими константами: E, E’- модули Юнга в плоскости изотропии и перпендикулярно ей; , ’- коэффициенты Пуассона в плоскости изотропии и перпендикулярно ей; G’- модуль сдвига для любой плоскости, перпендикулярной плоскости изотропии. Для определения упругих свойств породы были специально изготовлены 4 образца - 2 образца из скв. № 3303 Сыхтынглорского месторождения и 2 образца из скв. № 3304 Ульяновского месторождения. Особенностью образцов, предназначенных для определения упругих модулей породы, является высокая точность их изготовления: непараллельность противоположных граней образца не превышала 1-2 мкм.

Напряжения и деформации для трансверсально изотропного материала с учетом расположения осей связаны следующими уравнениями:



(1)
(2)
(3)

Для определения упругих констант E, E’, , ’ образцы испытывались по определенным программам нагружения, по каждой из осей давалось заданное приращение напряжения и измерялись соответствующие приращения деформаций. Для получения замкнутой системы уравнений для определения 4-х неизвестных констант были проведены испытания каждого образца по трем программам нагружения: объемное сжатие, обобщенный сдвиг, обобщенное сжатие.

Программа нагружения 1 – объемное сжатие: образец равномерно сжимался по всем трем осям.
(4)
Уравнения (1)-(3) при подстановке в них (4) дают два независимых уравнения:
(5)
(6)

где - заданное приращение напряжения, - приращение деформации по соответствующей оси при объемном сжатии.


Программа нагружения 2 – обобщенный сдвиг: по одной из горизонтальных осей образец сжимался, по другой в той же степени разгружался, по вертикальной оси напряжение сохранялось на одном уровне (см. рис. 1).
, , (7)
Испытания по программе обобщенный сдвиг позволяет записать еще одно независимое уравнение:
(8)
где - приращение деформации по соответствующей оси при объемном сжатии.

Программа нагружения 3 – обобщенное сжатие: по вертикальной оси образец сжимался, по двум горизонтальным осям одинаково разгружался, но вдвое меньшей степени, чем сжимался по вертикальной оси (см рис. 2).


, , (9)

Уравнение, полученное при испытаниях по программе обобщенное сжатие, замыкает систему для определения E, E’, , ’.


(10)
где - приращение деформации по соответствующей оси при объемном сжатии.

Надо заметить, что при испытаниях по программам обобщенный сдвиг и обобщенное сжатие среднее давление сохранялось на одном уровне.

Решение системы (5),(6),(8),(10) дает:
(11)
(12)
(13)
(14)
Испытания каждого образца по трем программам нагружения и определение упругих констант проводились при различных уровнях всестороннего сжатия: при 100 атм, 200 атм, 300 атм, 400 атм и 500 атм. Образец всесторонне и равномерно сжимался сначала до 100 атм, нагружался и разгружался в том же порядке по каждой из трех программ, затем та же процедура проводилась для 200 атм и так далее. Это было сделано с целью установления зависимости упругих характеристик от уровня объемного сжатия. Упругие константы для четырех образцов породы из баженовских отложений, рассчитанные по данным испытаний с использованием формул (11)-(14), приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Образец № 4


Обжатие (ат)

Е 10-5 ат

ν

10-5 ат

ν1

500

2,33

0,10

1,63

0,14

400

2,44

0,14

1,56

0,14

300

2,41

0,13

1,51

0,15

200

2,50

0,22

1,51

0,11

100

2,05

0,23

1,48

0,08

Образец № 8




Обжатие (ат)

Е 10-5 ат

ν

E’ 10-5 ат

ν1

500

2,16

0,10

1,40

0,16

400

2,31

0,17

1,43

0,14

300

2,25

0,14

1,38

0,14

200

2,33

0,14

1,38

0,14

100

2,01

0,11

1,30

0,16

Образец № 21




Обжатие (ат)

Е 10-5 ат

ν

E’ 10-5 ат

ν1

500

2,98

0,07

1,91

0,21

400

3,15

0,12

1,79

0,14

300

2,95

0,15

1,73

0,15

200

2,90

0,13

1,46

0,12

100

2,40

0,02

1,35

0,12

Образец № 28




Обжатие (ат)

Е 10-5 ат

ν

E’ 10-5 ат

ν1

500

3,61

0,13

2,35

0,19

400

3,74

0,17

2,35

0,19

300

3,71

0,17

2,35

0,19

200

3,50

0,24

2,31

0,18

100

2,98

0,15

2,21

0,19

Из таблицы 2 видно, что модули Юнга исследуемых образцов в плоскости изотропии примерно в 1,5 – 1,7 раз превышают модули Юнга вдоль вертикальной оси, что хорошо согласуется с приведенными выше результатами измерения скоростей распространения продольных волн через образцы и подтверждает сделанный вывод о трансверсально-изотропном виде анизотропии породы.

При увеличении объемного сжатия происходило упрочнение образцов, как в плоскости изотропии, так и перпендикулярно ей. Увеличение объемного сжатия от 100 ат до 200 ат всех испытанных образцов приводило к росту модуля Юнга в плоскости изотропии примерно на 25 %. При дальнейшем увеличении объемного сжатия до 400 ат величина E сохранялась примерно на одном уровне. При изменении обжатия с 400 ат до 500 ат происходило небольшое уменьшение E. Модуль Юнга в направлении, перпендикулярном плоскости изотропии постепенно возрастал при объемном сжатии образца, его рост при увеличении объемного сжатия от 100 ат до 500 ат составил для разных образцов от 6 % до 40 %.

Рост модуля упругости Е в плоскости изотропии при увеличении объемного сжатия может быть связан с закрытием имеющихся в породе вертикальных трещин, имеющих техногенное происхождение. При выбуривании керна с помощью керноотборника в первую очередь происходит разгрузка породы в горизонтальной плоскости. При определенных условиях это может приводить к образованию техногенных трещин в плоскостях, ортогональных направлению разгрузки, т.е. параллельно оси керна. Вероятно, на этапе объемного сжатия от 100 до 200 ат происходило смыкание именно таких трещин. На техногенный характер этих трещин указывает их быстрое закрытие, что связано с их более гладкими, более точно прилегающими друг к другу поверхностями. Небольшое уменьшение E на этапе объемного сжатия от 400 до 500 ат связано, по-видимому, с процессом перегруппировки зерен грунтового скелета при высоком уровне сжатия. В плоскостях изотропии, т.е. в направлениях вдоль напластования, в породе имеется система природных трещин, которые, как известно, закрыть значительно сложнее, чем техногенные. С постепенным смыканием этих трещин связан рост E’, наблюдавшийся на всех уровнях объемного сжатия. Естественно предположить, что аналогичная картина трещиноватости имеет место в породе в непосредственной окрестности скважины после ее пробуривания.

Модуль сдвига G’ можно определить, испытывая на одноосное сжатие образцы породы, вырезанные под углом 45о к вертикальной оси. Однако из предоставленного кернового материала диаметром 80 мм было невозможно вырезать образец в виде куба с ребром 50 мм под углом 45о к оси керна. Поэтому для определения G’ пришлось воспользоваться эмпирическими формулами, как это описано в [ 1 ].

В процессе исследования устойчивости пород баженовских отложений [ 1 ] при нагружении образца напряжениями, соответствующими депрессии определенного уровня, порода начинала проявлять свойства ползучести, т.е. при неизменных напряжениях образец деформировался с течением времени. На рис. 3-5 приведены диаграммы ползучести для трех образцов породы баженовских отложений, характеризующихся малой прочностью. Уже при небольших депрессиях образцы начинали «ползти». Этот процесс характеризовался определенной скоростью для каждого уровня депрессии. Скорость деформации с увеличением депрессии возрастала. Разрушение породы происходило при достижении критического значения деформации около 2 %. Таким образом, разрушение этого типа породы на стенке скважины даже при небольших депрессиях может происходить за время от часа до десяти часов.


Таблица 3

Образец № 148




Депрессия, атм

Скорость деформации, % в час

Время разрушения, час

25

1,3

1,5

50

1,7

1,2

75

3

0,7

Образец № 6б




Депрессия, атм

Скорость деформации, % в час

Время разрушения, час

25

0,3

6,7

50

0,5

4

75

0,6

3,3

100

1,1

1,2

Образец № 12




Депрессия, атм

Скорость деформации, % в час

Время разрушения, час

25

0,2

10

50

0,6

3,3

75

0,7

2,9

100

0,9

2,2



Заключение.
Описанная в статье методика определения деформационных и прочностных свойств породы применима для любых типов горных пород. Знание этих свойств необходимо для прогнозирования устойчивости стволов скважин различной геометрии и выбора оптимальных режимов бурения. На них основано также определение технологических параметров методов повышения нефтеотдачи пластов, связанных со структурными изменениями в призабойной зоне пласта, таких как гидроразрыв пласта, георыхление.

Проведенные исследования пород, слагающих баженовские отложения, позволили определить величины технических упругих констант для этих пород, показали ярко выраженную анизотропию их деформационных и прочностных свойств, связанную с их слоистостью, позволили прогнозировать устойчивость пород при бурении горизонтальных стволов на депрессии.



Литература





  1. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Негомедзянов В.Р., Харламов К.Н. Исследование и прогнозирование устойчивости горных пород в горизонтальных скважинах баженовских отложений, бурящихся в условиях депрессии // Технологии ТЭК, 2004, № 6, с. 18-23.

Рисунки


F

2 C9-8

3

1 Г5-63



1 – излучатель, 2 – приемник, 3 – образец,

С9 – осциллограф, Г5-63 – генератор импульсов.


Рис.1 Схема установки для определения скорости распространения продольных волн в породе.



B

2



1


A


B

3



B

0

2




Рис.2 Программа нагружения - обобщенный сдвиг.


B

11


A


B

2,3

0

1




Рис.3 Программа нагружения - обобщенное сжатие.



Рис.4 Диаграмма ползучести образца 148.


Рис.5 Диаграмма ползучести образца 6б.


Рис 6. Диаграмма ползучести образца 12.




Смотрите также:
Юрий Коваленко, к ф. м н., Юрий Кулинич, к ф. м н., Михаил Прихно
189.01kb.
1 стр.
Анохин юрий михайлович
22.27kb.
1 стр.
Решение 3 тур с каких игр начинается отсчет олимпийских успехов белорусских спортсменов?
21.89kb.
1 стр.
Урок №22. Святая София Слуцкая Юрий старший Княжеские палаты Юрий младший Какие-нибудь другие палаты
78.03kb.
1 стр.
Юрий Никитин Десант центурионов Далекий светлый терем – Юрий Никитин
918.92kb.
6 стр.
Ю. С. Павловец. Декабрь 19, 2010 год. Павловец Юрий Сергеевич
159.31kb.
1 стр.
Юрий арустамов
29.14kb.
1 стр.
Статья: Юрий Визбор Юрий Иосифович Визбор
341.01kb.
1 стр.
Юрий Тригубович «Осторожно, Слово!» Отрывки из книги о профессиональной этике
105.41kb.
1 стр.
Добрый день! Юрий Юрьевич Коротченко. Юрий Коротченко
25.64kb.
1 стр.
Юрий башмет «Я хочу поставить музыку и культуру выше политики»
56.58kb.
1 стр.
Георгий (юрий) всеволодович – основатель нижнего новгорода
52.63kb.
1 стр.