RU2559327C2

RU2559327C2 - Method of study of rock samples

Info

Publication number: RU2559327C2
Application number: RU2013145156/28A
Authority: RU
Inventors: Юлий Андреевич Гуторов; Лилия Ринатовна Фурсова; Азат Мухаматович Гареев
Original assignee: Юлий Андреевич Гуторов
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-08-10
Also published as: RU2013145156A

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: invention relates to mining engineering and operations, mining, in particular to devices for studying of physico-mechanical properties of rocks, and can be used in geology, mining, oil and gas industry for calculation of limiting values of pressure of hydraulic fracturing of formation. Essence of the invention is as follows: the rock sample is subjected to external pressure and the speeds of distribution of longitudinal and transversal elastic waves in the sample are measured. A cyclic external pressure load on the sample with alternation of loading and unloading, with gradual growth of external pressure up to the nominal value the achievement of which is obvious at the moment of stabilisation of correlation of the speed of propagation of longitudinal and transversal waves and the increase of external pressure on the sample, as a consequence the resulted values of speed of propagation of longitudinal and transversal waves are considered as true values for calculation of elasticity modulus and Poisson's constant.

EFFECT: minimising the error of measurement of speed of propagation of elastic waves in core samples.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для изучения физико-механических свойств горных пород, и может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности для расчета предельной величины давления гидроразрыва пласта.The invention relates to mining technology, mining, in particular, to devices for studying the physicomechanical properties of rocks, and can be used in geology, mining, gas and oil industry to calculate the maximum hydraulic fracturing pressure.

Известно, что для расчета предельной величины давления гидроразрыва горной породы при интенсификации притока нефтепродуктов в скважинах используют средние значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона, вычисленные через регистрацию скорости продольных и поперечных волн, измеренные на отобранном керне при определении физико-механических свойств горных пород.It is known that to calculate the maximum hydraulic fracturing pressure of a rock during intensification of oil product inflow in wells, the average values of Young's modulus and Poisson's ratio are used, calculated by recording the velocity of longitudinal and shear waves, measured on a selected core in determining the physical and mechanical properties of rocks.

Такие измерения могут производиться на поверхности при атмосферном давлении, в условиях, отличных от скважинных, поэтому результаты измерений отличаются от истинных на 35-40% и более (В.М. Добрынин. Деформация и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра, 1970).Such measurements can be made on the surface at atmospheric pressure, under conditions different from the borehole, therefore the measurement results differ from the true ones by 35-40% or more (V. M. Dobrynin. Deformation and changes in the physical properties of oil and gas reservoirs. M .: Nedra, 1970).

Отсутствие истинных значений параметров для расчета гидроразрыва приводит к ошибке при определении давления, которое необходимо применить в процессе гидроразрыва в скважинах. В результате трещина развивается не по проекту, что приводит к возникновению аварийных ситуаций и выпадению проппанта (реагент, используемый при гидроразрыве) на забой, что усложняет процесс ввода скважины в эксплуатацию.The lack of true parameter values for the calculation of hydraulic fracturing leads to an error in determining the pressure that must be applied in the process of hydraulic fracturing in wells. As a result, the fracture does not develop according to the design, which leads to emergencies and proppant (the reagent used during hydraulic fracturing) to fall to the bottom, which complicates the process of putting the well into operation.

Известно устройство для исследования насыщенных водой и нефтью кернов, в частности для определения коэффициента сжимаемости пор, коэффициента пористости, коэффициента проницаемости, скорости распространения упругих волн, а также для измерения электрического сопротивления керна (Известия высших учебных заведений. Нефть и Газ. Институт нефти и химии. Баку, 1968, №7, с.3-7).A device is known for researching cores saturated with water and oil, in particular for determining the pore compressibility coefficient, porosity coefficient, permeability coefficient, elastic wave propagation velocity, and also for measuring core electrical resistance (Izvestia Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Oil and Gas. Institute of Oil and Chemistry . Baku, 1968, No. 7, p. 3-7).

Устройство включает корпус гидравлической камеры, кернодержатель в виде резиновой обоймы для изоляции керна от нагружающей жидкости, гидравлическую систему для моделирования радиального давления на керн, гидравлическую систему и поршни для моделирования осевого горного давления, втулки, изолирующие поршни от корпуса, дозатор непрерывного действия для фильтрации жидкости через керн, компрессор для создания пластового давления.The device includes a housing for a hydraulic chamber, a core holder in the form of a rubber holder for isolating the core from the loading fluid, a hydraulic system for modeling radial pressure on the core, a hydraulic system and pistons for modeling axial rock pressure, bushings, insulating pistons from the body, a continuous metering unit for filtering the liquid through a core compressor to create reservoir pressure.

В процессе исследования керна в известном устройстве на образец керна воздействуют давлением и моделируют пластовые условия, что несколько снижает погрешность при измерении скорости распространения упругих волн.In the process of core research in a known device, the core sample is subjected to pressure and reservoir conditions are simulated, which somewhat reduces the error in measuring the propagation velocity of elastic waves.

Недостатком метода является то, что при исследовании керна не учитывают релаксацию горного давления в образце керна после поднятия его на поверхность. Релаксация (ослабление) горного давления в керне приводит к нарушению его структуры из-за образования вторичных микротрещин. Структура образца горной породы нарушается, и в процессе измерения возникают погрешности, влияющие на результат вычислений скорости продольной и поперечной волн (скорость распространения упругих волн), влияющие в дальнейшем на расчет давления гидроразрыва.The disadvantage of this method is that in the study of core do not take into account the relaxation of rock pressure in the core sample after raising it to the surface. Relaxation (weakening) of rock pressure in the core leads to a violation of its structure due to the formation of secondary microcracks. The structure of the rock sample is violated, and in the measurement process errors occur that affect the calculation result of the longitudinal and transverse wave velocities (elastic wave propagation velocity), which subsequently affect the calculation of fracture pressure.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности при измерении скорости распространения упругих волн в образцах керна.The task of the invention is to reduce the error in measuring the propagation velocity of elastic waves in core samples.

Поставленная задача достигается тем, что в способе исследования образцов горных пород, содержащем воздействие на образец горной породы (образец) внешним давлением, имитирующим горное давление, измерение величины скорости распространения продольных и поперечных упругих волн в образце, производят циклическое воздействие внешним давлением на образец с чередованием нагрузки-разгрузки, с постепенным увеличением внешнего давления до номинальной величины, о достижении которой судят по моменту стабилизации зависимости скорости распространения продольной и поперечной волн от увеличения горного давления на образец, и в результате полученные значения скорости распространения продольной и поперечной волн используют как истинные величины для расчета значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона.This object is achieved by the fact that in the method of studying rock samples, containing the impact on the rock sample (sample) with external pressure simulating rock pressure, measuring the propagation velocity of longitudinal and transverse elastic waves in the sample, a cyclic effect of external pressure on the sample alternating load-unloading, with a gradual increase in external pressure to a nominal value, the achievement of which is judged by the moment of stabilization of the distribution velocity dependence eniya longitudinal and transverse waves by increasing the overburden pressure on the sample, and as a result the velocity of propagation of longitudinal and transverse waves the obtained values are used as true values for calculating values of Young's modulus and Poisson's ratio.

На прилагаемой фигуре представлен графически процесс стабилизации величины скорости распространения продольной (V_p) и поперечной (V_s) волн при многоциклическом нагружении внешним давлением (Pгор.) образца горной породы.The attached figure shows graphically the process of stabilization of the velocity of propagation of longitudinal (V _p ) and transverse (V _s ) waves under multicyclic loading with an external pressure (Phor.) Of a rock sample.

Повторное нагружение давлением образца в гидравлической камере приводит к смыканию микротрещин, образованных в результате релаксации после поднятия его на поверхность, которое происходит не сразу, а только спустя выполнения нескольких циклов нагрузки-разгрузки.Repeated pressure loading of the sample in the hydraulic chamber leads to the closure of microcracks formed as a result of relaxation after raising it to the surface, which does not occur immediately, but only after several load-unloading cycles are performed.

Это явление лежит в основе предлагаемого метода.This phenomenon underlies the proposed method.

Чтобы получить истинные значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона, соответствующие реальной глубине залегания горной породы, необходимо при измерениях воспроизвести горное давление, при котором образцы находились в горной породе.In order to obtain the true values of Young's modulus and Poisson's ratio corresponding to the actual depth of the rock, it is necessary to reproduce the rock pressure during measurements at which the samples were in the rock.

С этой целью измерения на керне проводятся под давлением, которое постепенно увеличивают циклически с чередованием циклов нагрузки-разгрузки до номинальной величины. При этом наблюдается явление, подобное «гистерезису», когда при сбросе давления скорость распространения упругих волн имеет тенденцию к уменьшению своей величины и достигает своего предельного значения после нескольких циклов нагрузки-разгрузки образца давлением.For this purpose, core measurements are carried out under pressure, which is gradually increased cyclically with alternating load-unloading cycles to a nominal value. In this case, a phenomenon similar to “hysteresis” is observed when, when the pressure is released, the propagation velocity of elastic waves tends to decrease and reaches its limit value after several pressure-unloading cycles of the sample.

На прилагаемой фигуре видно, что кривые «гистерезиса» с ростом прилагаемого давления имеют рост «пик» значений скорости распространения упругих волн, которые в дальнейшем стабилизируются на одном уровне, что соответствует номинальной величине давления, при котором физические свойства керна не изменяются, и образец горной породы находится в состоянии, соответствующем его нахождению в горной породе в скважине.It can be seen from the attached figure that the “hysteresis” curves with increasing applied pressure have an increase in “peak” values of the propagation velocity of elastic waves, which further stabilize at the same level, which corresponds to the nominal pressure value at which the physical properties of the core do not change, and the rock sample the rock is in a state corresponding to its location in the rock in the well.

Способ можно осуществить на известном устройстве для исследования насыщенных водой и нефтью кернов (Известия высших учебных заведений. Нефть и Газ. Институт нефти и химии. Баку, 1968, №7, с.3-7), которое имеет возможность воздействовать на образец внешним давлением, подаваемым циклически, с контролем его уровня на выходе компрессора.The method can be implemented on a known device for the study of cores saturated with water and oil (News of higher educational institutions. Oil and Gas. Institute of Oil and Chemistry. Baku, 1968, No. 7, p. 3-7), which has the ability to influence the sample with external pressure supplied cyclically, with control of its level at the compressor output.

Измеряют скорости распространения продольной (V_p) и поперечной (V_s) волн при многоциклическом нагружении внешним давлением (Pгор.) образца горной породы с чередованием циклов нагрузки-разгрузки, строят график зависимости скорости распространения продольной и поперечной волн от увеличения горного давления на образец, определяют момент стабилизации на одном уровне изменений скорости распространения продольной и поперечной волн, фиксируют сравнительно одинаковые «пиковые» значения и эти значения принимают как истинные значения горного давления, при котором образец горной породы находился в породе.Measure the propagation velocity of longitudinal (V _p ) and transverse (V _s ) waves under multicyclic loading with an external pressure (Phor.) Of a rock sample with alternating load-unloading cycles, plot the dependence of the propagation velocity of longitudinal and transverse waves on the increase in rock pressure on the sample, determine the stabilization moment at one level of changes in the propagation velocity of longitudinal and transverse waves, record relatively identical "peak" values and take these values as true values of the mountain pressure at which the rock sample was in the rock.

Полученные предлагаемым способом истинная величина горного давления и соответствующие ей значения скорости распространения продольной (V_p) и поперечной (V_s) волн используют для расчета модуля Юнга и коэффициента Пуассона для определения реального значения давления гидроразрыва в пласте горной породы, из которого был отобран керн.Obtained by the proposed method, the true value of rock pressure and the corresponding values of the propagation velocity of longitudinal (V _p ) and transverse (V _s ) waves are used to calculate Young's modulus and Poisson's ratio to determine the real value of the fracture pressure in the rock formation from which the core was taken.

На прилагаемой фигуре видно, что стабилизация «пиковых» значений скорости распространения продольной волны (V_p) происходит на отметке 3450-3500 м/с, а поперечной (V_s) волны - 2100-2150 м/с, при многократном циклическом увеличении внешнего давления (Pгор.) от 50 до 550 МПа.The attached figure shows that the stabilization of the "peak" values of the longitudinal wave propagation velocity (V _p ) occurs at around 3450-3500 m / s, and the transverse (V _s ) wave - 2100-2150 m / s, with a multiple cyclic increase in external pressure (Phor.) From 50 to 550 MPa.

Claims

A method for studying rock samples, including external pressure acting on a rock sample (sample), measuring the propagation velocity of longitudinal and transverse elastic waves in a sample, characterized in that a cyclic external pressure is applied to the sample with alternating load-unloading, with a gradual increase external pressure to a nominal value, the achievement of which is judged by the moment of stabilization of the dependence of the propagation velocity of longitudinal and transverse waves on the increase in Schnega pressure on the sample, resulting in the propagation velocity of the longitudinal and transverse waves the obtained values are used as true values for calculating Young's modulus and Poisson's ratio.