Аспекты физического моделирования процессов структурных изменений образцов горных пород при термобарических условиях больших глубин

При проектировании параметров разработки нефтяных и газовых месторождений на больших глубинах необходимо иметь представление о влиянии на поведение пород-коллекторов и вмещающих их пород таких факторов, как высокий уровень напряженного состояния пород, температурное поле окружающей среды, гидро- и газодинамические процессы в массиве [1–3]. Воздействие как одного, так и комбинации данных факторов может привести к изменениям в строении, структуре, составе и свойствах породного массива [4–6] и, как следствие, несоответствию реальным условиям принятых проектных решений.

2023;8(4):290–302

В настоящее время существуют две основные диаметрально противоположные теории происхождения углеводородов: биогенная (органическая) и абиогенная (неорганическая) [7–9].

Согласно биогенной (органической) теории можно выделить следующие основные этапы образования месторождений углеводородов. Изначально на дне водоема происходит формирование пласта органических остатков (нефтематеринских пород). Затем в результате движения земной коры и осадконакопления происходит постепенное опускание пласта на большие глубины, что приводит к увеличению температуры и давления и, как следствие, образованию из органических веществ битумоидов (диффузионно-рассеянной нефти). В дальнейшем под воздействием гравитационных и тектонических сил происходит вытеснение нефти из материнских пород и ее миграция по породам- коллекторам к местам образования залежей (рис. 1) [10].

Наиболее распространенными типами резервуаров, в которых осуществляется аккумуляция нефти, являются сводовые и тектонически экранированные антиклинальные ловушки [11, 12]. Образование сводовых ловушек обусловлено совместным горизонтальным и вертикальным деформированием пластов без разрыва сплошности (рис. 2, а ). Тектонически экранированные ловушки образуются с разрывом сплошности в виде сброса, взброса или надвига, когда из-за смещения пластов коллектор перекрывается непроницаемыми пластами по линии тектонического нарушения (рис. 2, б ).

Теория абиогенного происхождения предполагает, что углеводороды образуются в мантийных очагах вследствие неорганического синтеза на сверхбольших глубинах в условиях колоссальных давлений и высоких температур из неорганического углерода и водорода. Согласно этой концепции образовавшиеся в глубине мантии Земли углеводороды по глубинным разломам мигрируют в земную кору и аккумулируются в месторождения углеводородов [13–15].

Если не учитывать принципиальные отличия в генезисе образования углеводородов, а рассматривать данные теории исключительно с точки зрения оценки термобарических и фильтрационных процессов, можно отметить их качественную схожесть. И в том и другом случае образование углеводородов и их миграция по породам происходят в условиях повышенного горного давления и температур [16–18]. Различие присутствует только в численных значениях данных показателей [19].

Оценка влияния пластовых термобарических условий на физико-механические характеристики горных пород, как правило, проводится экспериментальными методами с моделированием реальных условий залегания с применением испытательного оборудования. В последнее время в связи с развитием программного обеспечения и вычислительной техники результаты лабораторных исследований дополняются математическим моделированием на базе различных численных методов [20–22]. Последние позволяют более детально изучить процессы деформирования и разрушения горных пород, но корректность их результатов напрямую

Аккумуляция

Газ

Нефть

Газ

Нефть

Первичная миграция

Вторичная миграция

атёРинская пор°Да

Рис. 1. Принципиальная схема образования залежей нефти согласно биогенной теории [10]

Рис. 2. Схемы образования залежей нефти: а – сводовая ловушка; б – тектонически экранированная ловушка

2023;8(4):290–302

зависит от выбранной геомеханической модели и обоснованных параметров поведения материала. В связи с этим выявление экспериментальных закономерностей и зависимостей, отражающих влияние тех или иных факторов на поведение образцов горных пород, является основной исходной информацией для дальнейшей оценки поведения горных пород и пород-коллекторов в массиве [23, 24].

Цель работы – разработка методики лабораторных исследований влияния условий залегания коллекторов нефтяных и газовых месторождений на больших глубинах при изучении свойств образцов горных пород. Предусматривалось решение следующих задач: теоретический анализ и выявление основных факторов, влияющих на поведение и изменение внутренней структуры пород, разработка методики лабораторных исследований с комплексным моделированием данных факторов и проведение пробных экспериментов по оценке их влияния.

Методика и методы

Лабораторные исследования горных пород должны максимально отражать влияние на их структуру природных процессов, протекающих в массиве при формировании месторождения углеводородов [25–27]. Как уже отмечалось выше, по типу пустот различают поровые и трещиноватые коллекторы. Образование поровых пустот связано с процессами уплотнения пород вследствие воздействия горного давления. Возникновение трещиноватых пустот связано с тектоническими пликативными или дизъюнктивными дислокациями в земной коре [28, 29].

Исходя из этого проведение лабораторных исследований предлагается выполнять на образцах трех типов:

– первый тип – образцы пород с поровым типом пустот (рис. 3, а ), без какого-либо дополнительного внешнего механического воздействия;

– второй тип – образцы пород с поровым типом пустот и наличием природной или искусственно созданной микро- и макротрещиноватости (рис. 3, б), образующейся за счет пластических деформаций при формировании антиклинальной складчатой структуры пласта;

– третий тип – образцы пород с наличием как одиночных, так и систем дизъюнктивных нарушений, расположенных под различными углами к образующей образца (рис. 3, в , г ), моделирующие наличие тектонических разрывных нарушений в пласте пород.

Основным критерием формирования группы (выборки) образцов для проведения исследований в рамках одного литотипа пород является высокая степень однородности первоначального кернового материала.

При подготовке боковых и торцевых поверхностей образцов должны быть выполнены требования нормативных документов по подготовке образцов горных пород при испытании на объемное сжатие [30–32].

Граничные условия, задаваемые в процессе испытания образцов, должны соответствовать глубинам залегания пород-коллекторов, равным 6–10 км, а также иметь некоторый диапазон их изменения, учитывающий неоднородность строения земной коры. Установлено, что напряженное состояние для данных глубин может составлять 250–280 МПа, величины порового (пластового) давления 200–220 МПа, а температура горных пород доходить до 300 ºС [33–35]. При этом также должен быть учтен процесс фильтрации флюида по телу образца. Для оценки факторов, влияющих на изменение внутренней структуры и деформирование в условиях объемного напряженного состояния образцов горных пород, предлагается следующая схема проведения испытаний (рис. 4).

Для достижения данных граничных условий требуются сложные испытательные прессовые системы. Большинство прессовых установок конструктивно рассчитаны на проведение стандартных (ГОСТиро-ванных) методов испытаний образцов горных пород. В связи с этим сервогидравлическая испытательная система MTS 815, имеющая в базовом варианте силовую раму на 4600 кН с камерой трехосного сжатия, позволяющей создавать боковое давление до 80 МПа, контроллеры и программное обеспечение, предназначенные для автоматического управления режимом

а                 б                в                 г

Рис. 3. Типы лабораторных образцов для проведения исследований: а - первый тип; б - второй тип; в , г - третий тип

2023;8(4):290–302

нагружения, а также сбора информации с датчиков силы и деформаций, была дооснащена встроенными в камеру трехосного сжатия термонагревателями с регулировкой температуры от 20 до 200 ºС, насосными установками, позволяющими моделировать величину порового давления на входе и выходе из образца (P1 и P2, рис. 5, а) в диапазоне от 0 до 80 МПа. В данной комплектации испытательная система позволяет установить особенности деформирования и разрушения образцов под воздействием механической нагрузки и определить статические показатели дефор- мационных свойств образцов горных пород (модули упругости и деформаций, коэффициенты Пуассона и поперечной деформации), а также установить особенности изменения объема образцов (дилатансии) на различных стадиях нагружения. Также стоит отметить, что испытательная система в данной компоновке с использованием современных датчиков обеспечивает получение более высокой точности сигналов, поступающих с измерительных каналов (класс точности 0,2), и, как следствие, достоверность результатов испытаний в целом повышается.

Рис. 4. Алгоритм создания граничных условий при проведении испытаний образцов горных пород в объемном напряженном состоянии

б

Рис. 5. Принципиальная схема проведения эксперимента ( а ) и образец, подготовленный к испытаниям в камере трехосного сжатия ( б ), с установленными датчиками акустической эмиссии:

1 – образец; 2 – верхняя торцевая накладка; 3 – нижняя торцевая накладка; 4 – боковая гидроизоляционная оболочка образца; 5 – канал в верхней торцевой накладке для подачи воды на торец образца; 6 – канал в нижней торцевой накладке для оттока воды, профильтровавшейся через образец; F – дифференциальная осевая нагрузка на образец; σб – боковое давление на образец; P1, P2 – поровое давление жидкости на входе и выходе из образца https://mst.misis.ru/

2023;8(4):290–302

Другим важным направлением лабораторных исследований является изучение акустической эмиссии образцов горных пород в процессе их испытания [36-38]. На практике это позволит повысить уровень детализации результатов геофизических исследований, проводимых при разведке месторождений, за счет установления корреляционных зависимостей между акустическими свойствами горных пород и их структурой. А с точки зрения теоретических результатов – получить объемную картину формирования и развития микро- и макротрещин в теле образца в процессе нагружения с локализацией их мест нахождения. Для реализации этого направления в состав испытательной системы MTS 815 была интегрирована система акустической эмиссии ErgoTech, позволяющая фиксировать акустическую эмиссию образцов горных пород в камере трехосного сжатия и состоящая из следующих основных блоков:

• –    измерительный блок, полностью интегриро-ваный в камеру трехосного сжатия системы MTS 815 и состоящий из 6 ультразвуковых и 18 датчиков акустической эмиссии (АЭ) (рис. 5, б );

• –    блок предусилителей акустического сигнала, служащий для усиления сигналов и передачи на систему сбора информации;

• –    блок генерации, сбора и обработки ультразвуковых импульсов, предназначенный для определения скоростей прохождения волн на контрольных стадиях проведения эксперимента.

Обработка результатов испытаний производится с применением специализированного программного обеспечения PicoScope 6 и ASC InSite. При помощи PicoScope 6 определялись скорости прохождения продольных и поперечных волн на различных этапах нагружения образца. В программе ASC InSite обрабатывались сигналы, пришедшие на акустические датчики, и строились объемные модели изменения локации сигналов и активности акустической эмиссии для различных стадий испытания образца.

В рамках лабораторных исследований были выполнены испытания образцов песчаников, отобранных с глубин от 3,5 до 4 км месторождения углеводородов. Исследования проводились с моделированием термобарических пластовых условий залегания: температуры, горного и пластового давлений. Принципиальная схема моделирования пластовых условий при проведении испытаний приведена на рис. 5, а .

Процесс проведения испытаний образцов заключался в следующем.

Образцы диаметром 100 мм и высотой 200 мм изготавливались из «полноразмерного» кернового материала. Подготовленные в соответствии с ГОСТ 21153.8 «Породы горные. Метод определения предела прочности при объемном сжатии» образцы помещались в камеру трехосного сжатия. Осуществлялось последовательное повышение со скоростью 1 МПа/мин бокового давления до величины 55 МПа и порового до 30 МПа. Затем в течение двух часов осуществлялось нагревание камеры трехосного сжатия до температуры 100 ºС. После выхода на пластовые условия для реализации возможных деформаций ползучести образец выдерживался до стабилизации показаний с датчиков продольных и поперечных деформаций. Нагружение образцов осевой нагрузкой до разрушения производилось со скоростью деформирования, равной 1 мм/мин. На протяжении всего процесса испытания образца заданные граничные условия поддерживались постоянными. Таким образом, проведение лабораторных испытаний с комплексным моделированием условий залегания пород было максимально приближено к реальным условиям их поведения в горном массиве, в отличие от стандартных методик определения прочностных и деформационных свойств.

Результаты

Результаты проведенных испытаний показали, что образцы одного и того же литотипа пород, отобранные примерно с одинаковых глубин залегания, обладают различными свойствами. Обобщенно их можно подразделить на три группы. Далее описаны характерные особенности поведения данных групп образцов.

На этапе выхода на пластовые условия осуществлялось измерение скоростей прохождения продольных и поперечных волн. На рис. 6 представлены зависимости изменения акустических показателей пород от величины бокового давления. Верхняя группа графиков относится к скоростям продольных волн, нижняя – к скоростям поперечных. Увеличение бокового давления не приводит к существенному увеличению скоростей прохождения ультразвуковых колебаний. Для продольных волн в интервалах боковых давлений от 0 до 55 МПа скорость увеличивается в пределах 5–10 %, для поперечных – еще меньше и составляет 1–5 %. Учитывая тот факт, что величина скорости прохождения ультразвуковых колебаний является косвенной характеристикой показателя плотности материала (горной породы), можно сделать вывод о том, что пластовые условия не оказывают значительного влияния на процессы уплотнения внутреннего пространства образцов по сравнению с нормальными атмосферными.

Рис. 6. Зависимости изменения скоростей распространения продольных и поперечных волн от величины бокового давления:

2023;8(4):290–302

На рис. 7, а приведены зависимости относительных продольных и поперечных деформаций от дифференциального напряжения при испытании данных групп образцов песчаника в условиях объемного сжатия. Образцы (группа 3) с более высокими значениями скоростей прохождения ультразвуковых волн обладают и более высокими прочностными свойствами. Полученный разброс значений прочности от 80 до 220 МПа, с учетом практически одинаковых условий испытания, позволяет говорить о наличии существенного различия во внутреннем строении образцов. Данный факт также подтверждается и при анализе зависимостей изменения объемных деформаций при нагружении образцов (рис. 7, б). Для образцов с самой низкой прочностью (группа 1) как на всей стадии допредельного, так и начальной стадии запредельного деформирования, характерной особенностью является изменение объема в отрицатель- ной области. Это может быть объяснено процессами уплотнения и пластического течения, связанными с закрытием внутреннего порового пространства, но проходящими без разрушения скелета пород. Образцы 2-й и 3-й группы такой особенности не имеют, переход из отрицательной к положительной области изменения объема происходит до момента их разрушения. Однако и для них можно выделить отличие, связанное с интенсивностью увеличения объема образцов при значениях напряжений, близких к пределу прочности. Если для образцов 2-й группы отмечается плавное приращение скорости объемных деформаций на всем интервале нагружения, то для образцов 3-й группы интенсивность при подходе к пределу прочности возрастает, а непосредственно само разрушение характеризуется резким скачком значений объемных деформаций. Все это говорит о присутствии структурных отличий в группах образ-

Относительные поперечные и продольные деформации, ×103

Рис. 7. Графики зависимостей изменения относительных продольных и поперечных деформаций ( а ) и объемных деформаций ( б ) от величины дифференциального напряжения при испытании образцов на объемное сжатие: 1, 2 , 3 - группы образцов песчаника

2023;8(4):290–302

цов, связанных не со слагающими их минералами, а с текстурно-структурными особенностями и историческими условиями формирования пласта пород. В развитие этого можно предположить, что образцы 3-й группы имели более однородную начальную внутреннюю структуру, процесс в начале пластического течения, а затем и разрушения в основном развивался за счет превышения возникающих в теле образца напряжений сил внутренних связей частиц. В свою очередь, процесс деформирования и разрушения образцов группы 1 и 2 в большей или меньшей степени происходил за счет наличия внутренних дефектов, слоистости и ее ориентации и т.п.

В рамках ранее проведенных экспериментов [39] была установлена принципиальная возможность использования метода акустической эмиссии для исследования механизмов зарождения и дальнейшего развития микро- и макротрещиноватости в процессе объемного сжатия образцов горных пород. Результаты показали, что система акустической эмиссии горных пород ErgoTech позволяет устанавливать пространственное и временное распределение гипоцентров событий акустической эмиссии с фиксацией амплитудно-частотных характеристик сигналов. На рис. 8 представлены зависимости интенсивности сигналов акустической эмиссии от дифференциального напряжения для образцов пород одинакового литотипа, испытанных при величине бокового давления 40 МПа. В обоих случаях максимальная интенсивность сигналов приурочена к области значений напряжений, близких к разрушающим, что объясняется образованием диагональной поверхности сдвига, по которой осуществляется последующее разрушение образцов. Однако если для второго образца на протяжении всего нагружения наблюдается планомерное возрастание интенсивности, то у первого образца при величине примерно 50 % от предела прочности присутствует скачок интенсивности сигналов до близких по значению к максимальным. Анализ локации сигналов на данной стадии нагружения показал, что в образце происходило зарождение и развитие поверхности ослабления (трещины), но по достижении определенных значений напряжений ее дальнейший рост прекратился и разрушение реализовалось уже по другой сдвиговой поверхности. Также можно отметить некоторое отличие в локации акустических сигналов на момент разрушения образцов (приведены на рис. 8 в правой части).

200 аЗ

CD

жим*'

“I 1 П

0   2000 4000 6000 8000 10000 12000

Time, sec.

Stress AE Activity AE b-factor

а

Time, sec.

Stress AE Activity AE b-factor

Рис. 8. Результаты испытаний двух образцов пород ( а , б) в условиях объемного напряженного состояния с фиксацией акустической эмиссии [14]

б

2023;8(4):290–302

Обсуждение результатов

Приведены методические подходы комплексного лабораторного изучения факторов, влияющих на изменение структуры горных пород и включающих вид напряженного состояния, величины главных напряжений, значения порового давления и температуры. Существующая нормативная документация на проведение испытаний образцов горных пород в условиях объемного сжатия не предусматривает воспроизведения комплекса данных факторов в процессе испытаний, что требует внесения дополнительных требований при разработке технического задания к лабораторным исследованиям. Только в этом слу-

чае результаты позволят корректно описывать поведение пород-коллекторов в условиях естественного залегания.

Представлены результаты экспериментов по исследованию поведения образцов горных пород с максимальным приближением к естественным условиям залегания пород коллекторов 3,5–4 км. Установлено, что образцы пород одной литологической разности и отобранные практически с одинаковых глубин могут иметь существенные отличия в характере деформирования как в до-, так и запредельной области нагружения. Результаты данных исследований служат исходными данными при разработке и уточнении геомеханических моделей поведения материалов (модель Кулона–Мора, Друкера–Прагера, Хука– Брауна и т.д.), которые учитывают не только прочностные

критерии разрушения, но и дилатансионные процессы на различных этапах деформирования пород, опи-

сываемые с применением показателя угла дилатансии согласно формуле [40]:

V = arcsin

p

£v____

к

-2e p

p v 7

где £ p - скорость пластических объемных деформаций; s p - скорость пластических главных максимальных нормальных (продольных) деформаций.

Увеличение бокового давления в интервалах от 0 до 55 МПа приводит к относительно незначительному изменению скоростей ультразвуковых колебаний (от 1 до 10 %), что не позволяет судить о необходимости использования данных результатов при косвен-

ной оценке изменения свойств горных пород в массиве. Однако в рамках геофизических исследований учет изменения численных значений скоростей позволит повысить качество интерпретации результатов, что связано с большими геометрическим размерами изучаемых массивов.

Исследования акустической эмиссии пород в сложнонапряженном состоянии позволяют отслеживать процессы пространственного образования и развития микро- и макротрещиноватости на всей стадии нагружения образцов и дают более полное представление об изменении их внутренней структуры.

Заключение

В работе выполнен анализ факторов, оказывающих влияние на процессы структурного изменения образцов горных пород при термобарических условиях, характерных для больших глубин. Это является актуальным направлением научных исследований, направленных на получение новой информации о существующем структурном состоянии горных пород и его изменении, связанном с историей геологического развития месторождения.

Представлены результаты комплексных лабораторных исследований, показывающие необходимость проведения дальнейших более обширных лабораторных исследований для установления количественных зависимостей влияния как единичных факторов, так и их суммарного результирующего влияния на характер деформирования и изменение внутренней структуры горных пород. Для выполнения данных исследований необходимы высококвалифицированные специалисты, специализированное прессовое оборудование и время для проведения эксперимента.

Предложены подходы и методика проведения лабораторных исследований, которые в дальнейшем могут быть использованы при актуализации и разработке новых нормативных документов в области исследования физико-механических свойств пород-коллекторов. Коллектив авторов планирует провести дальнейшие исследования в направлении увеличения диапазонов воздействия температуры и давления на характер поведения пород-коллекторов с использованием различных типов флюидов.

2023;8(4):290–302

2023;8(4):290–302

2023;8(4):290–302