Предпосылки использования ГИС для исследования изменений физических свойств горных пород

  Результаты моделирования в известном смысле являются решением прямой задачи — изучение отклика образца горной породы (модельного аналога исследуемого объекта) в форме вариаций его физических свойств на заданный режим нагружения, имитирующий различные геодинамические ситуации. Для «замыкания» этих результатов необходимо изучение динамики физических свойств, получаемых в естественном залегании. Оптимальными для решения этой задачи являются методы геофизических исследований скважин.
В числе методов, применяемых для оценки изменений напряженного состояния недр в режиме мониторинга, могут быть использованы и методы геофизических исследований скважин (ГИС). Методы ГИС обладают уникальной возможностью изучения напряженно-деформационного состояния горных пород в их естественном залегании. Современное состояние развития геофизических методов позволяет их широко использовать для определения численных значений физико-механических свойств горных пород.
Возможности использования методов ГИС в современной геодинамике обусловлены высокой точностью и детальностью определения физических свойств пород-коллекторов, в которых происходят изменения напряженного состояния. Зачастую на объектах нефтегазовой отрасли уже проводятся долговременные наблюдения за процессами разработки месторождений или эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ). Но, к сожалению, при их планировании не учитываются особенности современных геодинамических процессов, и, как следствие, результаты ГИС используются только для решения промыслово-геологических задач. Хотя при этом результаты ГИС могут быть использованы и для исследования динамики физических свойств пород во времени.

В работах ряда авторов [Зайченко 2000; Малышев. Журба, 2001; Черноглазое, 2001; Жардецкий и др., 2002; Полоудин, Пучков, Жуков, 2002: Жуков, Кузьмин, 2003в; Жуков, Кузьмин, Скворцова, 2003; Арутюнов и др., 2003] рассматривается, в какой степени могут быть использованы геофизические методы для изучения динамики физических свойств при изменениях напряженно- деформированного состояния геологических сред. В настоящее время имеется достаточно развитой теоретический и методический аппарат для решения этих вопросов.
Наличие значительного количества определений физических свойств горных пород на образцах керна, полученных на установках, моделирующих пластовые условия, позволяет широко использовать данные ГИС для установления деформационных параметров и изменений физических свойств горных пород.
Разработка залежей углеводородов сопровождается комплексным контролем в соответствии с руководящими документами [Арутюнов, Бузинов, Ворожбицкий и др., 1994; Регламент ..., 1992, Инструкция ..., 2000], которые регламентируют проведение наблюдений за изменением ряда характеристик. В их числе, продук тивные характеристики скважин (коэффициентов фильтрационного сопротивления); техническое состояние скважин (герметичность колонн, цементного камня). Данные для них определяются как прямыми измерениями параметров, так и по комплексу газодинамических, геофизических и лабораторных исследований. Эти исследования подразделяются на первичные, текущие (мониторинговые) и специальные.
Первичные исследования проводятся на всех скважинах эксплуатационного фонда в процессе бурения и сразу после его завершения, перед вводом в эксплуатацию. По ним определяют начальное пластовое давление, продуктивную характеристику пласта или объекта разработки, оценивают интегральную фильтрационноемкостную характеристику пласта. Начальные значения параметров будут являться базовыми при сопоставлении изменений полученных в процессе проведения дальнейших мониторинговых и специальных исследований.
Задачи мониторинговых наблюдений заключаются в получении информации о текущем состоянии прискважинной зоны пласта, осуществлении оперативного контроля поведения пласта, ока- 204

зании помощи для установления оптимального технологического режима работы скважин и определении текущих параметров пласта.
Имеются многочисленные данные о том, что длительная разработка месторождений углеводородов приводит к нарушению сложившихся равновесных условий в недрах и значительным изменениям напряженно-деформированного состояния как горных пород-коллекторов, так и вышележащих пород-покрышек, а следовательно, и их физико-механических и фильтрационно-емкостных свойств, которые во многом определяют эксплуатационные характеристики пластов-коллекторов.
Ведущим методом определения величины напряжений горных пород в разрезе скважины является метод акустического каротажа (АК), по данным которого можно вычислять горизонтальные и вертикальные составляющие напряжений в пластах, пересекаемых скважиной, а также наблюдать за их изменениями во времени.
Однако следует указать, что определяемые по АК величины упругих параметров горных пород в пластах могут существенно отличаться от аналогичных величин, устанавливаемых по данным сейсморазведки. Это вызвано прежде всего влиянием самой скважины и проникающих в пласты буровых растворов на прискважинную зону горных пород, что вызывает существенные изменения их физических и физико-механических свойств, а следовательно, и напряженного состояния по сравнению с ненарушенной частью горного массива. Они могут достигать 20—30 %, что необходимо учитывать при использовании данных акустического каротажа для оценки напряженного состояния геологических сред.
Г.А. Малышев и В.Н. Журба (2001) показали возможности практического использования результатов лабораторных исследований керна акустическими методами и данных промысловогеофизических исследований методом широкополосной акустики (АКШ) для определения механических свойств. Использование лабораторных акустических методов позволяет с высокой точностью определить упругие свойства образцов керна, однако в большинстве случаев подбор представительной коллекции образцов для конкретной скважины практически невозможен.
Кроме того, в процессе отбора, транспортировки и подготовки к исследованиям образцы керна претерпевают неконтролируемые, а иногда и необратимые изменения. Это не позволяет однозначно судить о соответствии измеряемых параметров свойствам отложений в условиях их естественного залегания.

Для определения механических свойств коллекторов, в условиях их естественного залегания, используется метод AKLLI. Он обеспечивает определение свойств горных пород через обсадную колонну, но на расстоянии до 1 м от стенки скважины. При этом затрубное пространство скважины должно быть заполнено цементным камнем более чем наполовину. Достоинством метода является то, что имеется возможность определения фактических значений таких механических свойств пород, как коэффициент Пуассона, величины модуля Юнга, модулей сдвига и всестороннего сжатия исследуемых пород.
Сравнение результатов определения модуля Юнга и коэффициента Пуассона по данным исследований методом широкополосной акустики, проведенных до и после гидравлического разрыва пласта (ГРП) [Малышев, Журба, 2001], показывает, что ни в одной из скважин не наблюдается совпадения измеряемых параметров во всем исследованном интервале. Это свидетельствует об изменениях в структуре пласта, вызванных ГРП. Интервал существования трещин может быть выделен по изменению величины коэффициента Пуассона в результате ГРП — чем выше «разуплотненность», тем меньше коэффициент Пуассона (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Изменение модуля Юнга и коэффициента Пуассона пласта БС10 в скв. 1968 Западно-Сургутского месторождения по результатам интерпретации данных АКШ, полученных до и после ГРП



Малышев и Журба используют термин «разуплотненность», характеризуя увеличение степени трещиноватости пласта. Необходимо отметить, что в геолого-геофизической литературе очень часто термин «уплотнение» означает «ужесточение» и наоборот. Действительно. во многих случаях более плотные породы имеют большую жесткость (прочность).
Однако не будем забывать, что плотность гранита составляет величину р = 2,9-10'’ кг/м3, а например, ртути р = 13,6- Ю3 кг/м3. Поэтому термины «плотность» и «жесткость» не являются идентичными понятиями. Для описания процессов трещинообразования более уместно использование термина «разупрочнение» («размягчение»).
Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в зависимости от класса твердых тел, их структурного состояния и температуры коэффициент Пуассона может изменяться практически от нуля (что характерно для пористых тел) до значения, почти достигающего 0,5 (для твердых тел с повышенной текучестью). Поэтому, если в качестве предельных значений коэффициента Пуассона брать ноль и 0,5, то эти значения следует отнести соответственно к абсолютно хрупкому и абсолютно текучему состоянию материала. Этими двумя состояниями материала обусловлены два типа нелинейного деформирования твердого тела — путем растрескивания и путем растекания (текучести) [Рейнер, 1963].
В этой связи уменьшение коэффициента Пуассона (см. рис. 8.1) означает интенсификацию трещинообразования. обусловленного гидравлическим разрывом пласта и, следовательно, «размягчение (разупрочнение)» в данном интервале глубин. При этом следует иметь в виду, что для большинства твердых тел, включая горные породы, при больших растягивающих напряжениях признаком интенсивного развития процессов разупрочнения является уменьшение (от уровня 0,5) коэффициента Пуассона с ростом напряжений, а при больших сжимающих напряжениях ситуация меняется на противоположную [Кузьменко, 1973]. Таким образом, очевидно, что в данном случае процесс трещинообразования обусловлен активизацией трещин отрыва.

Из приведенного примера видно, что при использовании метода АКШ возможно выявление изменений пористости (трещиноватости) пород во времени, обусловленных не только ГРГ1, но и активизацией геодинамических процессов.
Рядом исследователей проводились работы для оценки величины и направлений главных напряжений. Они использовали данные о разрушении стенок скважин и степени искривления их стволов в процессе бурения. Такие данные можно получить методами кавернометрии, профилеметрии и инклинометрии, выполняемыми в режиме мониторинга в процессе проводки стволов скважин.
Однако их необходимо отнести к полуколичественным методам, использование которых целесообразно в комплексе с данными АК и других методов. Более существенный вклад методов каротажа в проблему изучения напряженно-деформационного состояния горных пород и его связей с другими явлениями заключается в возможности формирования базы данных о физических и физикомеханических свойствах пород, без знания которых невозможно решать столь сложные задачи.
В числе геофизических методов, которые могут быть использованы для определения динамики пористости пород во времени: разновидности метода электрического сопротивления (КС, БКЗ и др.), метод самопроизвольной поляризации (ПС), акустические методы (АК, ВАК и др.), разновидности метода нейтронного каротажа (НК, НКТ, НТК и др.). Методы плотностного каротажа (акустического, нейтронного) непосредственно реагируют на объем поро- вого пространства исследуемых пород. Метод ПС только косвенно отражает свободный от дисперсной глинистости объем пород. Точность и достоверность определения пористости методами ТИС в значительной степени зависит от остаточной нефтегазонасыщенно- сти прискважинной части пласта. Причем радиоактивные методы (НК, НТК и др.) более чувствительны к ней, а акустический метод менее подвержен ее влиянию.
Далее мы рассмотрим несколько примеров динамики во времени комплекса параметров горных пород из числа регистрируемых методами ТИС при эксплуатации Пут инского ПХГ. 
<< | >>
Источник: Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер.. 2012

Еще по теме Предпосылки использования ГИС для исследования изменений физических свойств горных пород:

  1. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  2. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  3. Свойства горных породи их роль в рельефообразовании
  4.   § 1. СОСТОЯНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
  5. Г л а в а 1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  6. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  7. § 1. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
  8. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  9. § 2. МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ВИДЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
  10. СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ (ПЕТРОГРАФИЯ)
  11.   § 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МИНУВШИХ ЭПОХ
  12. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (ЭЛЕМЕНТЫ ТЕКТОНИКИ)
  13. § 3. ФОРМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
  14. ПРОЦЕССЫ ДИАГЕНЕЗА ОСАДКОВ И МЕТАМОРФИЗМА ГОРНЫХ ПОРОД