RU2789252C1 - Method for determining horizontal stresses in a rock mass - Google Patents
Method for determining horizontal stresses in a rock mass Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789252C1 RU2789252C1 RU2022115454A RU2022115454A RU2789252C1 RU 2789252 C1 RU2789252 C1 RU 2789252C1 RU 2022115454 A RU2022115454 A RU 2022115454A RU 2022115454 A RU2022115454 A RU 2022115454A RU 2789252 C1 RU2789252 C1 RU 2789252C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- core
- rock
- disks
- ratio
- rock mass
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород при подготовке геомеханической модели для проектирования гидроразрыва пласта (ГРП).The invention relates to the oil and gas industry and can be used to determine horizontal stresses in a rock mass in the preparation of a geomechanical model for the design of hydraulic fracturing (HF).
Известен способ оценки предельного напряженного состояния горных пород и устройство для его осуществления [RU 2106493, МПК Е21С 39/00, опубл. 10.03.1998] включающий бурение скважины из горной выработки в зоне опорного давления, измерение радиальных и осевых смещений пород и интерпретацию замеров, выбор в качестве характеристик напряженного состояния первого инварианта тензора деформаций и второго инварианта девиатор деформаций, построение графика зависимости первого инварианта тензора деформаций от времени, определение момента времени наступления предельного состояния горных пород по точке перехода первого инварианта через максимум и расчет соответствующего ему значения относительной энергетической прочности материала по определенной формуле.A known method for assessing the ultimate stress state of rocks and a device for its implementation [RU 2106493, IPC E21S 39/00, publ. 03/10/1998] including drilling a well from a mine working in the bearing pressure zone, measuring radial and axial displacements of rocks and interpreting measurements, choosing the first strain tensor invariant and the second strain deviator invariant as characteristics of the stress state, plotting the dependence of the first strain tensor invariant on time , determination of the moment of occurrence of the limiting state of rocks by the transition point of the first invariant through the maximum and calculation of the corresponding value of the relative energy strength of the material according to a certain formula.
Недостатком данного способа является сложность оценки предельного напряженного состояния горных пород, связанная с необходимостью привлечения сложного устройства для измерения радиальных и осевых смещений пород.The disadvantage of this method is the complexity of assessing the ultimate stress state of rocks, associated with the need to involve a complex device for measuring radial and axial displacements of rocks.
Также известен способ определения напряжений в массиве горных пород [RU 2339815, МПК Е21С 39/00, опубл. 27.11.2008] включающий извлечение из массива серии образцов в направлении, совпадающем с направлением действия максимального главного напряжения в массиве, тестовое механическое нагружение каждого образца, измерение активности акустической эмиссии в процессе этого нагружения и величины нагрузки, при которой указанная активность скачкообразно возрастает, принятие за соответствующие главные напряжения в массиве значений осевого и бокового напряжений испытанные при тестовом нагружении.Also known is a method for determining stresses in a rock mass [RU 2339815, IPC E21C 39/00, publ. November 27, 2008] including the extraction of a series of samples from the array in the direction coinciding with the direction of the maximum principal stress in the array, test mechanical loading of each sample, measurement of the acoustic emission activity during this loading and the magnitude of the load at which the specified activity increases abruptly, taking as the corresponding principal stresses in the array of axial and lateral stress values tested under test loading.
Недостатком данного способа является сложность и трудоемкость определения напряжений в массиве горных пород связанная с необходимостью механического нагружения каждого образца, измерения активности акустической эмиссии в процессе этого нагружения и величины нагрузки, при которой указанная активность скачкообразно возрастает.The disadvantage of this method is the complexity and laboriousness of determining stresses in a rock mass associated with the need for mechanical loading of each sample, measuring the activity of acoustic emission during this loading and the magnitude of the load at which the specified activity increases abruptly.
Также известен способ определения природных напряжений в массиве горных пород [RU 2540694, МПК Е21С 39/00, опубл. 10.02.2015] включающий измерение напряжений в массиве горных пород за пределами зоны влияния очистных (горных) работ на различной глубине при использовании подземных выработок, построение графиков (зависимостей) изменения полученных главных напряжений с глубиной, разделение каждой из главных напряжений на постоянную и переменную (пульсирующие) во времени составляющие, получение зависимости изменения постоянных составляющих с глубиной, нахождение закономерности изменения переменных (пульсирующих) напряжений во времени, и затем суммирование этих составляющих на требуемой глубине и в нужное время.Also known is a method for determining natural stresses in a rock mass [RU 2540694, IPC E21C 39/00, publ. 10.02.2015] including the measurement of stresses in the rock mass outside the zone of influence of mining (mining) operations at different depths when using underground workings, plotting graphs (dependencies) of changes in the obtained principal stresses with depth, dividing each of the principal stresses into constant and variable ( pulsating) components in time, obtaining the dependence of the change in constant components with depth, finding patterns of change in variable (pulsating) stresses over time, and then summing these components at the required depth and at the right time.
Недостатком данного способа является трудоемкость определения природных напряжений в массиве горных пород связанная с необходимостью измерений напряжений в массиве горных пород на различной глубине.The disadvantage of this method is the complexity of determining natural stresses in a rock mass associated with the need to measure stresses in a rock mass at different depths.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выявления сейсмически опасного горного массива [RU 2137919, МПК Е21С 39/00, опубл. 20.09.1999] включающий керновое бурение скважин по сетке с поверхности на глубину 200-220 м, выявление сейсмически опасного горного массива путем оценки степени разрушения кернов по длине на мелкие обломки менее диаметра керна и/или на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм.The closest in technical essence and the achieved result is a method for detecting a seismically dangerous mountain range [RU 2137919, IPC E21C 39/00, publ. 09/20/1999] including core drilling along a grid from the surface to a depth of 200-220 m, identifying a seismically dangerous rock mass by assessing the degree of core destruction along the length into small fragments less than the core diameter and / or into convex-concave disks with a thickness of not more than 20 mm .
Недостатком данного способа является не достаточная точность определения горных напряжений, обусловленная только лишь с их качественной, но не количественной оценкой.The disadvantage of this method is the insufficient accuracy of determining rock stresses, due only to their qualitative, but not quantitative assessment.
Техническими задачами изобретения являются упрощение, а также повышение точности и эффективности способа определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород при подготовке геомеханической модели для проектирования ГРП.The technical objectives of the invention are to simplify, as well as improve the accuracy and efficiency of the method for determining horizontal stresses in a rock mass when preparing a geomechanical model for hydraulic fracturing design.
Техническим результатом является упрощение, а также повышение точности и эффективности способа определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород.The technical result is a simplification, as well as an increase in the accuracy and efficiency of the method for determining horizontal stresses in a rock mass.
Поставленные технические задачи решаются способом определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород, включающем бурение скважин с отбором керна, оценку характера разрушения горных пород по керну.The set technical problems are solved by a method for determining horizontal stresses in a rock mass, including drilling wells with core sampling, assessing the nature of the destruction of rocks from the core.
Новым является то, что предварительно проводят экспериментальные исследования с целью установления количественных зависимостей параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород, по результатам проведенных экспериментальных исследований строят номограмму зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород, причем по оси абсцисс откладывают отношение толщины образующихся дисков к их диаметру (t/D), а по оси ординат отношение горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие (σгор/σ0), бурят скважины с отбором керна, обследуют керновый материал и выявляют цельные интервалы и интервалы дискования керна с одновременной привязкой их по глубине, в интервалах с цельным керном определяют предел прочности горной породы на одноосное сжатие, в интервалах с дискованием керна определяют среднюю толщину дисков, причем для оценки принимают диски толщиной не более половины диаметра керна, причем толщину дисков измеряют по их оси штангенциркулем, вычисляют отношение средней толщины дисков к их диаметру, по номограмме находят абсциссу отношения средней толщины дисков к их диаметру и соответственно ординату отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие, величину горизонтального напряжения находят путем умножения отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие на предел прочности горной породы на одноосное сжатие.What is new is that preliminary experimental studies are carried out in order to establish quantitative dependences of the core disking parameters on the level of tension of the rock mass, based on the results of the experimental studies, a nomogram of the dependence of the core disking parameters on the level of tension of the rock mass is built, and the ratio of the thickness of the formed disks to their diameter (t/D), and along the y-axis, the ratio of horizontal stress to the uniaxial compressive strength of the rock (σ hor / σ 0 ), wells are drilled with core sampling, core material is examined and whole intervals and intervals of core disking are identified with their simultaneous binding in depth, in the intervals with a solid core, the ultimate strength of the rock for uniaxial compression is determined, in the intervals with the disking of the core, the average thickness of the disks is determined, and for evaluation, disks with a thickness of not more than half the core diameter are taken, and the thickness of the disks from they measure along their axis with a caliper, calculate the ratio of the average thickness of the disks to their diameter, from the nomogram find the abscissa of the ratio of the average thickness of the disks to their diameter and, accordingly, the ordinate of the ratio of the horizontal stress to the uniaxial compressive strength of the rock, the horizontal stress is found by multiplying the ratio of the horizontal stress to the uniaxial compressive strength of the rock to the uniaxial compressive strength of the rock.
На фигуре представлена номограмма зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород.The figure shows a nomogram of the dependence of the core disking parameters on the level of tension of the rock mass.
Способ реализуют следующим образом.The method is implemented as follows.
Проводят серию экспериментальных исследований на образцах массива горной породы и устанавливают количественные зависимости параметров дискования керна от различного вида и уровня напряженного состояния массива горной породы. Экспериментальные исследования проводят на гидравлическом стабилометре который состоит из: камеры высокого давления в которую помещается образец массива горной породы правильной цилиндрической формы, бурового оборудования для выбуривания из образца массива горной породы керна, гидравлическую систему для создания, регистрации, распределения и сброса осевых и радиальных нагрузок на образец массива горной пород в камере высокого давления. По результатам проведенных экспериментальных исследований строят номограмму зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород (фиг.), причем по оси абсцисс откладывают отношение толщины образующихся дисков к их диаметру (t/D), а по оси ординат отношение горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие (σгор/σ0).A series of experimental studies is carried out on samples of the rock mass and quantitative dependences of the core disking parameters on the different type and level of stress state of the rock mass are established. Experimental studies are carried out on a hydraulic stabilometer which consists of: a high-pressure chamber in which a sample of a rock mass of a regular cylindrical shape is placed, drilling equipment for drilling out a core from a rock mass sample, a hydraulic system for creating, registering, distributing and dumping axial and radial loads on rock mass sample in a high pressure chamber. Based on the results of the experimental studies, a nomogram is constructed for the dependence of the core disking parameters on the level of tension of the rock mass (Fig.), and the ratio of the thickness of the resulting disks to their diameter (t/D) is plotted along the abscissa axis, and the ratio of the horizontal stress to the tensile strength is plotted along the ordinate axis rock for uniaxial compression (σ mountains /σ 0 ).
На месторождении бурят скважины с отбором керна, обследуют керновый материал и выявляют цельные интервалы и интервалы дискования керна с одновременной привязкой их по глубине. В интервалах с цельным керном определяют предел прочности горной породы на одноосное сжатие любым известным способом. В интервалах с дискованием керна определяют среднюю толщину образующихся дисков, причем для оценки принимают диски толщиной не более половины диаметра керна, причем толщину дисков измеряют по их оси штангенциркулем. Далее вычисляют отношение средней толщины дисков к их диаметру и по номограмме находят абсциссу отношения средней толщины дисков к их диаметру и соответственно ординату отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие. Величину горизонтального напряжения находят путем умножения отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие на предел прочности горной породы на одноосное сжатие.Wells are drilled at the field with core sampling, core material is examined and whole intervals and intervals of core disking are identified with simultaneous reference to their depth. In intervals with a solid core, the uniaxial compressive strength of the rock is determined by any known method. In intervals with core disking, the average thickness of the resulting disks is determined, and for evaluation, disks with a thickness of not more than half the core diameter are taken, and the thickness of the disks is measured along their axis with a caliper. Next, the ratio of the average thickness of the disks to their diameter is calculated and the abscissa of the ratio of the average thickness of the disks to their diameter is found from the nomogram and, accordingly, the ordinate of the ratio of the horizontal stress to the ultimate strength of the rock in uniaxial compression. The value of the horizontal stress is found by multiplying the ratio of the horizontal stress to the uniaxial compressive strength of the rock by the uniaxial compressive strength of the rock.
Пример практической реализации способа.An example of the practical implementation of the method.
С целью установления количественных зависимостей параметров дискования керна от различного вида и уровня напряженного состояния массива горной породы провели серию экспериментальных исследований на образцах массива горной породы. Экспериментальные исследования провели на гидравлическом стабилометре, состоящем из: камеры высокого давления, бурового оборудования и гидравлической системы для создания, регистрации, распределения и сброса осевых и радиальных нагрузок на образцы массива горной породы в камере высокого давления.In order to establish quantitative dependences of the core disking parameters on various types and levels of the stress state of the rock mass, a series of experimental studies was carried out on samples of the rock mass. Experimental studies were carried out on a hydraulic stabilometer, consisting of: a high pressure chamber, drilling equipment and a hydraulic system for creating, registering, distributing and discharging axial and radial loads on rock samples in a high pressure chamber.
Известно, что причиной разрушения массива горной породы в приствольной и торцевой областях скважины является высокая концентрация напряжений, вызывающих деформации сдвига или отрыва. Диски различной толщины образуются в результате изменения коэффициента концентрации напряжений на забое кольцевой обуривающей щели в зависимости от длины керна. Толщина дисков t, образующихся при выбуривании из массива горной породы керна диаметром D, при неизменном соотношении между горизонтальным напряжением σгор и пределом прочности горной породы на одноосное сжатие σ0, при прочих равных условиях, зависит от величины горизонтальных напряжений σгор. Чем больше действующие напряжения σгор, тем интенсивнее процесс образования дисков, тем меньше толщина дисков керна. При равных напряжениях толщина дисков больше у керна большего диаметра.It is known that the reason for the destruction of the rock mass in the near-wellbore and end areas of the well is a high concentration of stresses that cause shear or detachment deformations. Discs of various thicknesses are formed as a result of a change in the stress concentration factor at the bottom of the annular drilling slot, depending on the length of the core. The thickness of the disks t formed when drilling a core from a rock mass with a diameter D, with a constant ratio between the horizontal stress σ gor and the ultimate strength of the rock for uniaxial compression σ 0 , other things being equal, depends on the magnitude of the horizontal stresses σ hor . The greater the acting stress σ hor , the more intense the process of formation of disks, the smaller the thickness of the core disks. At equal stresses, the thickness of the discs is greater for the core of a larger diameter.
По результатам проведенных экспериментальных исследований построили номограмму зависимости параметров дискования керна от уровня напряженности массива горных пород (фиг.), причем по оси абсцисс отложили отношение толщины образующихся дисков к их диаметру (t/D), а по оси ординат отношение горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие (σгор/σ0).Based on the results of the experimental studies, a nomogram was constructed for the dependence of the core disking parameters on the level of tension of the rock mass (Fig.), and the ratio of the thickness of the resulting disks to their diameter (t/D) was plotted along the abscissa axis, and the ratio of the horizontal stress to the tensile strength was plotted along the ordinate axis rock for uniaxial compression (σ mountains /σ 0 ).
При бурении скважин на месторождении отобрал керновый материал и выделили цельные интервалы и интервалы дискования керна с одновременной привязкой их по глубине. В интервалах с цельным керном определили предел прочности горной породы на одноосное сжатие в соответствии с ГОСТ 21153.2-84 «Методы определения предела прочности при одноосном сжатии». В интервалах с дискованием керна определили среднюю толщину образующихся дисков, причем для оценки выбирали участки с дисками толщиной не более половины диаметра керна, причем толщину дисков измерили по их оси штангенциркулем. Далее вычислили отношение средней толщины дисков к их диаметру и по номограмме нашли абсциссу отношения средней толщины дисков к их диаметру. Проекцией на ось ординат нашли отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие. Величину горизонтального напряжения вычислили путем умножения отношения горизонтального напряжения к пределу прочности горной породы на одноосное сжатие на предел прочности горной породы на одноосное сжатие. Полученное значение горизонтального напряжения использовали при подготовке геомеханической модели для проектирования ГРП.When drilling wells in the field, I took core material and identified whole intervals and intervals of core disking with simultaneous reference to their depth. In intervals with a solid core, the uniaxial compressive strength of the rock was determined in accordance with GOST 21153.2-84 "Methods for determining the uniaxial compressive strength." In the intervals with core disking, the average thickness of the resulting disks was determined, and for evaluation, sections with disks with a thickness of not more than half the core diameter were selected, and the thickness of the disks was measured along their axis with a caliper. Next, the ratio of the average thickness of the disks to their diameter was calculated, and the abscissa of the ratio of the average thickness of the disks to their diameter was found from the nomogram. The projection on the y-axis was used to find the ratio of the horizontal stress to the uniaxial compressive strength of the rock. The horizontal stress value was calculated by multiplying the ratio of the horizontal stress to the uniaxial compressive strength of the rock by the uniaxial compressive strength of the rock. The obtained value of horizontal stress was used in the preparation of a geomechanical model for hydraulic fracturing design.
Способ определения горизонтальных напряжений в массиве горных пород позволяет упростить, а также повысить точность и эффективность определения горизонтальных напряжений при подготовке геомеханической модели для проектирования ГРП.The method for determining horizontal stresses in a rock mass makes it possible to simplify, as well as improve the accuracy and efficiency of determining horizontal stresses when preparing a geomechanical model for hydraulic fracturing design.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2789252C1 true RU2789252C1 (en) | 2023-01-31 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU889849A1 (en) * | 1980-03-24 | 1981-12-15 | Всесоюзный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Горной Геомеханики И Маркшейдерского Дела Вними | Method of determining strain in rock body |
| RU2065962C1 (en) * | 1994-07-04 | 1996-08-27 | Акционерное общество открытого типа "Сибирская иновационная нефтяная корпорация АООТ "Сибинкор" | Method for determining maximal horizontal stresses in rock |
| RU2137919C1 (en) * | 1995-03-10 | 1999-09-20 | Гомельский государственный университет им.Франциска Скорины | Method for detection of seismic-dangerous rock mass |
| CN106198230A (en) * | 2016-07-04 | 2016-12-07 | 中国矿业大学 | Rock stratum physico-mechanical properties rapid measurement device and method |
| CN109060539B (en) * | 2018-09-20 | 2021-08-24 | 西南石油大学 | Method for obtaining micron-scale elastic modulus and yield strength of rock |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU889849A1 (en) * | 1980-03-24 | 1981-12-15 | Всесоюзный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Горной Геомеханики И Маркшейдерского Дела Вними | Method of determining strain in rock body |
| RU2065962C1 (en) * | 1994-07-04 | 1996-08-27 | Акционерное общество открытого типа "Сибирская иновационная нефтяная корпорация АООТ "Сибинкор" | Method for determining maximal horizontal stresses in rock |
| RU2137919C1 (en) * | 1995-03-10 | 1999-09-20 | Гомельский государственный университет им.Франциска Скорины | Method for detection of seismic-dangerous rock mass |
| CN106198230A (en) * | 2016-07-04 | 2016-12-07 | 中国矿业大学 | Rock stratum physico-mechanical properties rapid measurement device and method |
| CN109060539B (en) * | 2018-09-20 | 2021-08-24 | 西南石油大学 | Method for obtaining micron-scale elastic modulus and yield strength of rock |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ПАНОВ А.В. и др. Метод определения горизонтального напряжения и свойств горных пород путем решения обратной задачи, 2013, Ж. Горный информационно-аналитический бюллетень, с.61-72. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ljunggren et al. | An overview of rock stress measurement methods | |
| Meng et al. | Evaluation methodology of brittleness of rock based on post-peak stress–strain curves | |
| Villaescusa et al. | Stress measurements from oriented core | |
| Wang et al. | Macro-meso failure behavior of pre-flawed hollow-cylinder granite under multi-level cyclic loads: insights from acoustic emission and post-test CT scanning | |
| AU2013246743B2 (en) | Method for determining geomechanical parameters of a rock sample | |
| Nazir et al. | Prediction of unconfined compressive strength of limestone rock samples using L-type Schmidt hammer | |
| CN114096828A (en) | Laboratory measurements of dynamic fracture porosity and permeability changes in rock core plug samples | |
| Sheshde et al. | New method for estimating unconfined compressive strength (UCS) using small rock samples | |
| Jiang et al. | Failure characteristics of surrounding rocks along the radial direction of underground excavations: An experimental study | |
| Mutaz et al. | On the evaluation of crack initiation stress threshold | |
| RU2789252C1 (en) | Method for determining horizontal stresses in a rock mass | |
| He | A case review of the deformation modulus of rock mass: scale effect | |
| Wang et al. | Acoustic emission and computed tomography investigation on fatigue failure of fissure‐contained hollow‐cylinder granite: Cavity diameter effect | |
| Wen et al. | Estimation of crack initiation stress based on axial crack strain expansion rate | |
| Zhao | Application of the Kaiser effect of acoustic emission to measure vertical stress in an underground mine | |
| CN112014240B (en) | Rock mass shearing parameter evaluation method based on in-situ surface single fracture | |
| MMIJ | In situ stress determination by acoustic emission techniques from McArthur River mine cores | |
| CN108614947B (en) | Method for discriminating weathering and unloading value of rock mass | |
| RU2797309C1 (en) | Method for determining the strength properties of rocks based on the results of the sludge tests | |
| RU2625360C2 (en) | Materials stress state evaluation method | |
| Fuenkajorn et al. | Shape effect on ring test tensile strength | |
| Paneiro et al. | Applicability of acoustic emission technique for vertical stress determination in mine pillars | |
| Han et al. | Numerical Modeling of Pressuremeter Test (PMT) in Rock Formations | |
| Vibert et al. | Moving towards a reliable assessment of deformability of rock masses: examples from large dams foundations | |
| RU2678919C1 (en) | Method for determining elastically strength characteristics of rocks |