Mechanical properties of rocks

Возникшая «на стыке» геологии и механики, нефтегазовая геомеханика становится все более востребованной из-за роста объемов и сложности операций гидроразрыва пласта, требований к снижению аварийности строительства скважин, повышению сложности динамических моделей месторождений, а также вовлечения в разработку сложнопостроенных тектонизированных коллекторов. Особенностями геомеханических исследований являются выполнение тестов в пластовых условиях – с воссозданием пластовой температуры, порового и горного (обжимного) давлений, а также использование образцов керна различного размера (от диаметра 30 мм до фрагментов полноразмерного керна диаметром до 110 мм).

Одним из ключевых и наиболее востребованных механических свойств горных пород являются так называемые упругие модули (модуль Юнга, модуль сдвига, модули деформации, коэффициент Пуассона), характеризующие способность образца горной породы упруго деформироваться под воздействием приложенной к нему силы. Упругие модули могут быть вычислены на основании скоростям прохождения через образец горной породы продольных и поперечных акустических волн – такие значения модулей называются акустическими или динамическими. К сожалению, ввиду неполной способности акустических волн характеризовать механические свойства порового (пустотного) пространства горных пород, значения динамических упругих модулей обычно могут заметно (в разы) отличаться от истинных значения для естественных горных пород, почти всегда имеющих некоторую (а в случае коллекторов – значительную) пористость. Поэтому особую ценность для решения задач геомеханики представляют определения механических параметров статическим методом, включающим прямые измерения изменения размеров образцов (длина, диаметр) при приложении к ним нагрузок. Стоит заметить, что современные установки для определения геомеханических свойств позволяют определять упругие модули динамическим и статическим способом одновременно, а также производить непрерывное измерение динамики порового объема и проницаемости в процессе нагружения образцов.

Установка для исследований упруго-прочностных свойств образцов керна ПИК-УИДК Геологика

Одним из самых распространенных тестов определения механических свойств образцов горных пород, выполняемых без создания давления обжима (горного), является определение предела прочности при одноосном сжатии (тест UCS) и одноосном растяжении (бразильский тест). Кроме собственно пределов прочности, характеризуемых значениями давлений, вызывающих нарушение сплошности образцов, при проведении тестов также вычисляются динамические и статические модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Пример определения предела прочности на сжатие с оценкой модуля Юнга и коэффициента Пуассона при проведении теста на одоосное сжатие (UCS, слева) и внешний вид образца после проведения эксперимента со сформированной трещиной скалывания

Выполнение теста на определение прочности при одноосном сжатии (бразильский тест)

Более сложные эксперименты, проводимые в условиях всестороннего (трехосного) сжатия и включающие создание и поддержание в образце порового давления и температуры, позволяют получать прочностные характеристики образцов горных пород в пластовых условиях. Такие эксперименты могут проводиться в режиме одностадийного или многостадийного нагружения образцов с одновременным измерением величин осевой нагрузки, динамики геометрических размеров образцов, оценкой скоростей прохождения через образец акустических волн, а также определением прочности на сжатие. Динамические и статические значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона измеряются на каждом цикле осевой нагрузки/разгрузки образца.

Результаты эксперимента по многостадийному трехосному сжатию образца керна в пластовых условиях. Красными отрезками на ветвях нагрузки/разгрузки графика «нагрузка –  относительная деформация» обозначены линейные тренды, используемые для вычисления упругих модулей

Комплекс геомеханических тестов для характеристики литологического (механического) типа горных пород, требующий исследований группы образцов, позволяет построить паспорт прочности горной породы – графическую характеристику пределов прочности породы в зависимости от величин приложенных к ней касательных и нормальных напряжений.

Паспорт прочности горной породы, построенного с использованием результатов тестов на одноосное растяжение, одноосное и нескольких тестов трехосного сжатия. В областях напряжений выше красной линии горная порода претерпевает разрушение

Существенным результатом геомеханических исследований является оценка сжимаемости порового пространства и динамика проницаемости образцов керна в зависимости от приложенных к ним внешних нагрузок и изменения порового давления. Последнее является особенно актуальным для месторождений, находящихся на поздних стадиях разработки, когда низкие темпы компенсации отбора сопровождаются значительным локальным или общим снижением начальных пластовых давлений, на слабосцементированных коллекторах сопровождаемые коллапсом порового пространства и полной потерей проницаемости призабойной зоны. Неучет динамики изменения порового пространства резервуара и изменения его проницаемости при снижении эффективных давлений может привести к фатальным ошибкам при оценке остаточных извлекаемых запасов нефти. Другим распространенным видом исследований для оценки устойчивости стенок скважины и величин пескопроявлений является тест на толстостенных цилиндрах (TWT). Оценка трещиностойкости (вязкости разрушения) выполняется для уточнения дизайна гидроразрыва пласта.

Определение трещиностойкости образца коры выветривания фундамента Западно-Сибирской плиты.

Геомеханическое сопровождение разработки месторождений нефти и газа требует углубленного изучения упругих свойств горных пород, в т.ч. раздельную оценку сжимаемости минерального скелета горных пород и порового пространства, а также значений упругой константы Био. Значение последней в большинстве случаев (и при отсутствии лабораторных определений) принимается равное единице, что, как правило, является существенным упрощением. В НЛЦ определение константы Био выполняется прямым способом – соотнесением объема выделившейся из порового образца жидкости к изменению объема образца в целом при его нагрузке.

Результаты оценки упругой константы Био прямым методом.