RU2798081C1

RU2798081C1 - Method for determining rocks brittleness

Info

Publication number: RU2798081C1
Application number: RU2022129465A
Authority: RU
Inventors: Григорий Аронович Шехтман; Александр Петрович Жуков
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-06-15

Abstract

FIELD: well logging.

SUBSTANCE: invention can be used when combining logging methods with seismic exploration and other methods for studying rocks that require knowledge of their mechanical and petrophysical properties. The method for studying the brittleness of rocks is based on using the dependence of deformation on mechanical stress; to increase the reliability of the results, the dependence of deformation on stress is studied in natural occurrence of rocks, for which purpose a mechanical stress source controlled from the earth's surface is immersed in a borehole, which is controlled from the earth's surface, made in the form lever. Using the lever, controlled pressure is exerted on the borehole wall up to its discontinuity in the selected depth interval, while measuring the pressure on the rock at the contact of the lever with the borehole wall and the distance from the contact to the axis of the downhole tool.

EFFECT: more reliable assessment of the brittleness of the studied rocks in comparison with laboratory methods due to its study in natural conditions.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизических исследований в скважинах (ГИС) и может быть использовано при комплексировании методов ГИС с сейсмической разведкой и другими методами исследования горных пород, в которых требуются знания об их механических и петрофизических свойствах.The invention relates to the field of well logging (GIS) and can be used when combining logging methods with seismic exploration and other methods of studying rocks that require knowledge of their mechanical and petrophysical properties.

Хрупкость горных пород является одним из важнейших параметров, влияющих на успешное проведение гидроразрыва пласта и последующую добычу углеводородов. Под хрупкостью горной породы принято понимать ее способность к разрушению без заметной пластической деформации. Она зависит от множества различных факторов, таких как минеральный состав, слоистость, неоднородность пород, пористость, содержание органического вещества, температура, давление и др.. Данный параметр в значительной мере определяет формирование и сохранение природных трещин, создание и распространение искусственных трещин, а также их «заживление» со временем. Хрупкость пород является одним из важнейших факторов, которые необходимо учитывать при разработке нетрадиционных коллекторов. Однако способы ее количественной оценки, остаются весьма сложными и не вполне достоверными.The fragility of rocks is one of the most important parameters affecting the successful implementation of hydraulic fracturing and subsequent hydrocarbon production. Under the fragility of the rock, it is customary to understand its ability to fracture without noticeable plastic deformation. It depends on many different factors, such as mineral composition, layering, heterogeneity of rocks, porosity, organic matter content, temperature, pressure, etc. This parameter largely determines the formation and preservation of natural cracks, the creation and propagation of artificial cracks, as well as their "healing" over time. Rock fragility is one of the most important factors to consider when developing unconventional reservoirs. However, the methods of its quantitative assessment remain very complex and not entirely reliable.

Известны способы изучения хрупкости по данным ГИС. Среди них одним из наиболее популярных является метод, предложенный Рикманом и др. [Rickman et al., 2008]. В этом, чисто эмпирическом, методе динамический индекс хрупкости (ДИХ) определяют путем оценки нормализованных упругих модулей:Known methods of studying fragility according to GIS data. Among them, one of the most popular is the method proposed by Rickman et al. [Rickman et al., 2008]. In this purely empirical method, the dynamic fragility index (DFI) is determined by estimating the normalized elastic moduli:

где

и

являются нормализованными значениями модуля Юнга и коэффициента Пуассона, соответственно:Where

And

are the normalized values of Young's modulus and Poisson's ratio, respectively:

где

и

являются максимумом и минимумом модуля Юнга в геологической формации, а

являются максимумом и минимумом коэффициента Пуассона в формации.Where

And

are the maximum and minimum of the Young's modulus in the geological formation, and

are the maximum and minimum of the Poisson's ratio in the formation.

Входящие в приведенные выше соотношения упругие модули получают из данных акустического и плотностного каротажей. В этом состоит один из существенных недостатков способа, поскольку в нем не учитываются зависимости между механическим напряжением и деформацией горных пород, проявляющиеся в явном виде при изучении хрупкости.The elastic moduli included in the above ratios are obtained from acoustic and density logging data. This is one of the significant drawbacks of the method, since it does not take into account the relationship between mechanical stress and deformation of rocks, which manifest themselves explicitly in the study of brittleness.

Наиболее близким прототипом к изобретению является способ определения хрупкости горных пород по зависимости деформации образца горной породы от оказываемого на него давления [Hucka, V. and В. Das (1974). Brittleness determination of rocks by different methods. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Elsevier]. В этом способе используют положение точки разрушения на кривой, отображающей зависимость давление - деформация и о хрупкости горных пород судят по отношению обращаемого участка деформации к полной деформации или по отношению обращаемой энергии деформации к полной энергии деформации образца горной породы.The closest prototype to the invention is a method for determining the fragility of rocks according to the dependence of the deformation of a rock sample on the pressure exerted on it [Hucka, V. and B. Das (1974). Brittleness determination of rocks by different methods. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Elsevier]. In this method, the position of the fracture point on the curve representing the pressure-strain relationship is used, and the brittleness of rocks is judged by the ratio of the reversible deformation area to the total deformation or by the ratio of the reversible strain energy to the total strain energy of the rock sample.

Основным недостатком прототипа является его ограниченность областью лишь лабораторных измерений. Образец горной породы, взятый для исследований, извлекают из условий естественного залегания, поэтому его свойства могут существенно отличаться от петрофизических свойств изучаемой формации. Достаточно близкими эти свойства могут быть лишь для весьма крепких пород. При бескерновом бурении значительных интервалов глубин данные о хрупкости пород в этих интервалах вообще могут быть не получены.The main disadvantage of the prototype is its limited area only laboratory measurements. A rock sample taken for research is extracted from natural occurrence conditions, so its properties may differ significantly from the petrophysical properties of the studied formation. These properties can be close enough only for very strong rocks. During coreless drilling of significant depth intervals, data on the fragility of rocks in these intervals may not be obtained at all.

Цель предлагаемого изобретения - определение хрупкости горных пород в условиях естественного залегания.The purpose of the invention is to determine the fragility of rocks in natural conditions.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изучения хрупкости горных пород, основанном на использовании зависимости деформации от механического напряжения, зависимость деформации от напряжения изучают в условиях естественного залегания пород, для чего погружают в буровую скважину прикрепленный к скважинному прибору управляемый с земной поверхности источник механического напряжения, выполненный в виде рычага, при помощи которого оказывают контролируемое давление на стенку скважины вплоть до нарушения ее сплошности в выбранном интервале глубин, при этом измеряют величину давления на породу в контакте рычага со стенкой скважины и величину расстояния от контакта до оси скважинного прибора. В одной из модификаций предлагаемого способа в фиксированной точке скважины оказывают механическое воздействие на ее стенку в разных азимутах и путем сопоставления хрупкости для разных азимутов судят об анизотропии горных пород в исследуемом интервале глубин.This goal is achieved by the fact that in the method of studying the fragility of rocks, based on the use of the dependence of deformation on mechanical stress, the dependence of deformation on stress is studied in the conditions of natural occurrence of rocks, for which purpose a source of mechanical stress controlled from the earth's surface is attached to the borehole and is immersed in the borehole. , made in the form of a lever, with the help of which a controlled pressure is exerted on the borehole wall up to its discontinuity in the selected depth interval, while measuring the pressure on the rock at the contact of the lever with the borehole wall and the distance from the contact to the axis of the downhole tool. In one of the modifications of the proposed method at a fixed point of the well, a mechanical effect is exerted on its wall in different azimuths, and by comparing the fragility for different azimuths, the anisotropy of rocks in the studied depth interval is judged.

Суть предлагаемого способа поясняется фигурой, на которой схематически представлена зависимость деформации от давления на горную породу.The essence of the proposed method is illustrated by a figure, which schematically shows the dependence of the deformation on the pressure on the rock.

Давление постепенно возрастает до тех пор, пока участок горной породы в точке давления не разрушится. Жирной линией показана зависимость деформации от давления, используемая для оценки хрупкости. Эта кривая имеет характерные участки: линейный участок OA, участок нелинейной упругой деформации АВ, точка разрушения В, участок нарушения сплошности BQ, зона релаксации QK. Кривая давление-деформация дополнена участком разгрузки ВС - потенциальным участком линейной разгрузки с наклоном, равным наклону, наблюдаемому на участке линейной упругой нагрузки OA. В результате этого точка разрушения может быть охарактеризована полной деформацией, равной длине участка OL, и ее обращаемой частью, равной длине участка CL. Одновременно с этим, можно использовать энергетический подход: площадь криволинейной трапеции OABL представляет собой количество полной энергии, накопленной в образце до момента разрушения, в то время как площадь треугольника CBL соответствует обращаемой части накопленной энергии.The pressure gradually increases until the section of rock at the pressure point collapses. The thick line shows the strain-pressure dependence used to evaluate brittleness. This curve has characteristic sections: linear section OA, section of nonlinear elastic deformation AB, fracture point B, discontinuity section BQ, relaxation zone QK. The pressure-strain curve is supplemented with a section of unloading BC - a potential section of linear unloading with a slope equal to the slope observed in the section of linear elastic load OA. As a result, the failure point can be characterized by a total deformation equal to the length of the OL section, and its reversible part, equal to the length of the CL section. At the same time, an energy approach can be used: the area of the curvilinear trapezoid OABL represents the amount of total energy accumulated in the sample until destruction, while the area of the triangle CBL corresponds to the reversible part of the accumulated energy.

Количественно коэффициент хрупкости можно оценить следующими соотношениями:The brittleness coefficient can be quantified by the following relationships:

СИХ1 = (обращаемая деформация)/(полная деформация) = CL/OL,SIR1 = (reversible strain)/(total strain) = CL/OL,

СИХ2 = (обращаемая энергия)/(полная энергия) = (площадь CBL)/(площадь OBL).SIR2 = (reversed energy)/(total energy) = (area CBL)/(area OBL).

В этих соотношениях аббревиатурами СИХ1 и СИХ2 обозначены статические индексы хрупкости. Они, в отличие от приведенного выше соотношения ДИХ, не требуют знания величин сейсмических волн, а определяются непосредственно путем статических измерений.In these ratios, the abbreviations SIH1 and SIH2 denote the static brittleness indices. They, in contrast to the above ratio of CIR, do not require knowledge of the values of seismic waves, but are determined directly by static measurements.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ сейсморазведки в соответствии с изобретением характеризуется следующими существенными отличиями:Compared with the prototype, the proposed method of seismic exploration in accordance with the invention is characterized by the following significant differences:

1. Хрупкость определяют непосредственно в условиях естественного залегания горной породы (in situ).1. Fragility is determined directly in the natural occurrence of the rock (in situ).

2. Исключаются искажения в определении хрупкости, обусловленные извлечением из породы керна и выпиливанием из керна образца для последующих измерений.2. Distortions in the determination of brittleness due to the extraction of the core from the rock and cutting the sample from the core for subsequent measurements are excluded.

3. Обеспечивается возможность определения хрупкости горных пород при бескерновом бурении, когда какие-либо лабораторные измерения в процессе бурения вообще исключены.3. It is possible to determine the fragility of rocks during coreless drilling, when any laboratory measurements during the drilling process are generally excluded.

Современные технические возможности позволяют создать скважинный прибор, содержащий гидравлическое управляемое прижимное устройство, аналогичное применяемому в приборах для вертикального сейсмического профилирования (ВСП) или в пластовой наклонометрии. На ранних стадиях развития метода ВСП использовали такие устройства, содержащие на конце прижимного рычага датчики давления, позволяющие контролировать силу прижима прибора к стенке скважины. Удаление точки прижима от оси скважинного прибора можно измерить, обеспечив прибор системой для измерения диаметра скважины, аналогичной каверномеру. Прижимное устройство предпочтительно электрогидравлического типа.Modern technical capabilities make it possible to create a downhole tool containing a hydraulically controlled clamping device, similar to that used in tools for vertical seismic profiling (VSP) or in reservoir tiltmetry. In the early stages of the development of the VSP method, such devices were used, containing pressure sensors at the end of the clamping lever, which made it possible to control the force of pressing the device against the borehole wall. The distance of the pressure point from the axis of the downhole tool can be measured by providing the tool with a borehole diameter measurement system similar to a caliper. The pressing device is preferably of the electro-hydraulic type.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

В буровую скважину на заданную глубину погружают прибор с управляемым и контролируемым с земной поверхности прижимным устройством. Начиная с момента касания прижимного рычага стенки скважины, увеличивают силу прижима, одновременно контролируя изменение расстояния от точки прижима до оси скважинного прибора. Достижение точки разрушения горной породы под действием прижимного рычага будет отмечено скачкообразным уменьшение силы прижима и увеличением расстояния от конца прижимного рычага до оси скважинного прибора.A device with a pressure device controlled and controlled from the earth's surface is immersed into a borehole to a predetermined depth. Starting from the moment the pressure lever touches the borehole wall, the pressure force is increased, while controlling the change in the distance from the pressure point to the axis of the downhole tool. Reaching the point of destruction of the rock under the action of the clamping lever will be marked by an abrupt decrease in the clamping force and an increase in the distance from the end of the clamping lever to the axis of the downhole tool.

Последовательность процедур в соответствии с предлагаемым изобретением является следующей:The sequence of procedures in accordance with the invention is as follows:

1. В пределах интервала глубин, представляющего разведочный интерес, намечают одну из точек в скважине, не содержащую каверн.1. Within the depth interval of exploration interest, one of the points in the well is marked that does not contain caverns.

2. В намеченную для исследований точку помещают скважинный прибор, содержащий прижимное устройство, датчик давления прижимного рычага на стенку скважины и датчик расстояния от точки прижима до оси скважинного прибора.2. A downhole tool containing a clamping device, a pressure sensor of the clamping lever on the borehole wall and a distance sensor from the pressure point to the axis of the downhole tool are placed at the point intended for research.

3. Путем управления с земной поверхности увеличивают прижимное усилие рычага скважинного прибора, одновременно регистрируя силу давления на стенку скважины и расстояние от точки прижима до оси скважинного прибора.3. By control from the earth's surface, the clamping force of the downhole tool lever is increased, while simultaneously registering the pressure force on the borehole wall and the distance from the pressure point to the axis of the downhole tool.

4. По изменению силы тока в цепи управления прижимным рычагом или непосредственно по зависимости деформации стенки скважины от силы давления определяют точку нарушения прочности стенки скважины, прекратив на этом увеличивать давление на нее.4. By changing the current strength in the control circuit of the clamping lever or directly by the dependence of the deformation of the well wall on the pressure force, the point of violation of the strength of the well wall is determined, ceasing to increase the pressure on it.

5. По зависимости деформация-давление, полученной в исследуемой точке скважины определяют динамический индекс хрупкости по приведенным выше соотношениям.5. According to the dependence of the deformation-pressure obtained at the investigated point of the well, the dynamic fragility index is determined according to the above ratios.

Применение предлагаемого способа позволит более надежно оценивать хрупкость изучаемых пород по сравнению с лабораторными методами. Связь хрупкости с проницаемостью горных пород позволит более обоснованно прогнозировать фильтрационно-емкостные свойства коллекторов углеводородов.The application of the proposed method will make it possible to more reliably assess the fragility of the studied rocks in comparison with laboratory methods. The relationship between brittleness and permeability of rocks will make it possible to more reasonably predict the reservoir properties of hydrocarbon reservoirs.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Hucka, V. and В. Das (1974). Brittleness determination of rocks by different methods. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Elsevier.1. Hucka, V. and B. Das (1974). Brittleness determination of rocks by different methods. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Elsevier.

2. Rickman, R.; Mullen, M.; Petre, E.; Grieser, В.; Kundert, D. A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulation Design Optimization: All Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale; Society of Petroleum Engineers: Richardson, TX, USA, 2008.2. Rickman, R.; Mullen, M.; Peter, E.; Grieser, V.; Kundert, D. A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulation Design Optimization: All Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale; Society of Petroleum Engineers: Richardson, TX, USA, 2008.

Claims

1. A method for studying the fragility of rocks, based on the use of the dependence of deformation on mechanical stress, characterized in that, in order to increase reliability, the dependence of deformation on stress is studied under conditions of natural occurrence of rocks, for which purpose a controlled device attached to a downhole tool is immersed in a borehole. surface of the earth's surface, a source of mechanical stress, made in the form of a lever, with the help of which a controlled pressure is exerted on the borehole wall up to its discontinuity in the selected depth interval, while measuring the pressure on the rock at the contact of the lever with the borehole wall and the distance from the contact to the axis downhole tool.

2. The method according to claim 1, characterized in that at a fixed point of the well, a mechanical effect is exerted on its wall in different azimuths, and by comparing fragility for different azimuths, the anisotropy of rocks in the studied depth interval is judged.