Изменение упруго-прочностных свойств горной породы, при смене насыщения, играет важную роль при геомеханическом моделировании устойчивости стенок скважины, интенсификации нефтедобычи, заводнении объекта разработки, подъеме уровня газоводяного и водонефтяного контактов. При этом основная часть исследований, направленных на изучение упруго-прочностных свойств горных пород в зависимости от насыщающего флюида, в первую очередь ориентирована на выявление особенностей процессов бурения или добычи углеводородов [1–4]. Данные работы направлены на решение частных задач (таких как подбор оптимальной жидкости бурения, влияние кислот на прочность и проводимость трещин) и не раскрывают фундаментальной значимости поставленных вопросов и дальнейшего использования полученных результатов в масштабах промышленного моделирования.

Понимание напряженно-деформированного состояния горных пород в прискважинной зоне и в межскважинном пространстве является одним из ключевых факторов при геомеханическом моделировании. Особенно актуальной данная проблематика является в условиях газонасыщенных коллекторов [5]. Очевидно, что в межскважинном пространстве порода пласта находится в условиях естественного насыщения и характеризуется определенными упруго-прочностными свойствами. При бурении скважин наличие проницаемых зон приводит к фильтрации бурового раствора в пласт, что сопровождается изменением упруго-прочностных свойств горной породы и, как следствие, изменением напряженно-деформированного состояния в окрестности скважины.
В настоящее время отсутствуют расчетные методики, учитывающие влияние технологических жидкостей на изменение упруго-прочностных свойств горной породы, что, в свою очередь,
не позволяет однозначно сопоставить данные широкополосного акустического каротажа
с результатами лабораторных измерений.

Целью работы является изучение влияния природы насыщающего агента — жидкости (естественного насыщения, воды и керосина) и газа (азота) — на упруго-прочностные свойства схожих по литологии, ФЕС и ГИС образцов керна газовых месторождений, а также адаптация существующих методов проведения лабораторных исследований по уточнению упруго-прочностных свойств горной породы, необходимых для достоверного одномерного и трех/четырехмерного геомеханического моделирования.

Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии насыщающего флюида на динамические, статические и прочностные характеристики горной породы. При этом наилучшую сходимость с данными ГИС в заданных условиях демонстрируют образцы, насыщенные керосином.

В рамках исследования изучены образцы керна газового месторождения, отобранные с двух различных продуктивных горизонтов. Рассматриваются отложения Кузнецовской свиты, характеризующиеся переслаиванием алевролита крупно-мелкозернистого песчанистого, глинистого с низкой проницаемостью, равной 1 мД, и пористостью 20–25 %. Также приведены результаты лабораторных исследований образцов керна, отобранных с Покурской свиты, которые представлены песчаником средне-тонко-мелкозернистым с проницаемостью до 1 200 мД и пористостью до 35 %. При этом с целью снижения набухаемости глин бурение скважин выполнено на растворах на углеводородной основе.

В скважине № 1 исследования керна выполнены при естественном насыщении, а в скважинах
№ 2–5 — при донасыщении образцов керосином. Дополнительно на скважинах № 2 и 3, на схожих образцах керна по литологии, ФЕС и ГИС, выполнены исследования при донасыщении образцов водой, керосином и азотом. При этом, согласно [6], тестирование керна для изучения упруго-прочностных свойств необходимо выполнять при естественном насыщении. Следует отметить, что исследуемый материал является слабоконсолидированным, поэтому для его выбуривания используется метод быстрой заморозки, подробно описанный в следующем разделе.

Эксперименты по определению упруго-прочностных свойств керна традиционных коллекторов проводятся согласно методике, разработанной в Центре исследований керна ООО «ТННЦ» на основе [6, 7]. Более сложными, с точки зрения проведения лабораторных исследований, являются тесты на слабоконсолидированной горной породе, поэтому в Центре исследований керна
ООО «ТННЦ» также разрабатываются оригинальные методики, учитывающие их специфику.

Для выбуривания стандартных образцов керна из слабоконсолидированной породы применяется метод предварительной быстрой заморозки породы в жидком азоте. Быстрая заморозка позволяет сохранить слабые межзерновые связи при вибрации бурильной коронки и избежать насыщения породы лишней влагой, образующейся при конденсации воздуха в случае медленного замораживания породы, а также снизить процент некондиционных образцов до ~ 10 %.

Для контроля качества целостности готовых образцов керна используется томограф [8] (рис. 1). Образцы со скрытыми и видимыми дефектами и крупными включениями исключались из дальнейшего рассмотрения (рис. 1b, c).

Упруго-прочностные свойства керна определены на модернизированной испытательной установке Shimadzu AG-300kN, оснащенной механическим приводом, жидкостными насосами и камерой для создания обжимного давления.

Для расчета динамических упругих свойств через скорости пробега продольной и поперечной волн необходимо в первую очередь определить объемную плотность породы. Поэтому перед загрузкой в кернодержатель образцы предварительно подвергаются донасыщению рабочей жидкостью путем капиллярной пропитки под вакуумом. Далее путем замера массы насыщенного образца и его геометрии вычисляется объемная плотность породы. Однако данный подход неприменим в случае насыщения слабоконсолидированной породы жидкостями, поскольку образцы, изготовленные методом быстрой заморозки, хранятся в таком состоянии вплоть до проведения лабораторных исследований и размораживаются непосредственно внутри кернодержателя. Таким образом, донасыщение образца керосином или водой производится с помощью подведенных к кернодержателю линий жидкостных насосов. При этом геометрия образца измеряется перед проведением лабораторных исследований, а масса — после. При определении объемной плотности естественно-насыщенных образцов и при насыщении их газом применяется стандартный подход.

В качестве флюидов насыщения используются модель пластовой воды (дистиллированная
вода + NaCl) и осветительный керосин согласно ГОСТ 4753-49 [9]. Выбор керосина обусловлен его инертностью к породе пласта, исключающей набухание глинистых фракций.

В случае насыщения образцов газом установка подверглась модернизации путем отсечения жидкостных насосов и присоединения баллона с газом непосредственно к линии порового давления через редуктор. При проведении лабораторных исследований используется газообразный азот, так как эффективный диаметр его молекулы близок к эффективному диаметру молекулы метана (~ 0,34 нм — молекула азота N₂; ~ 0,38 нм — молекула метана CH₄; ~ 0,2 нм — молекула гелия He). При проведении геомеханических исследований не происходит фильтрация порового флюида, поэтому при выборе газа его вязкость не учитывается.

При проведении экспериментов для воспроизведения начальных пластовых условий на редукторе вручную выставляется необходимое поровое давление, контролируемое при помощи цифровых датчиков. Так как пластовое давление в исследуемых интервалах представленных скважин лежит
в диапазоне от 9,0 до 11,5 МПа, а рабочее давление стандартного оборотного баллона с азотом составляет 14,7 МПа, то реализуемый метод позволяет воссоздать полноценные условия проведения лабораторных исследований как при насыщении образцов жидкостями, так и газом.
В случае рассмотрения естественно-насыщенных образцов исследования проводились без создания порового давления. При этом давлением обжима является эффективное давление эквивалентное образцам, на которых воспроизводилось поровое давление. При подготовке образцов к исследованиям экстракция не проводится с целью сохранения их целостности. Таким образом, исследования проводятся при текущей водонасыщенности с донасыщением рабочими флюидами, кроме тестов, выполненных на естественно-насыщеных образцах.

Исследования при объемном сжатии на слабоконсолидированных образцах (в сравнении с традиционными) проводятся при различных значениях скоростей осевой нагрузки [10]. Так, при извлечении на поверхность слабоконсолидированная горная порода разуплотняется, и для того, чтобы вернуть ее в исходное состояние, требуется гораздо большее время при приложении эффективного давления, чем для традиционной породы. Таким образом, после загрузки образца в установку и стабилизации температуры происходит этап консолидации, при котором порода уплотняется. Впоследствии из диаграммы «Нагрузка-деформация» рассчитывается оптимальная скорость деформации образца, на основе которой выполняется тест при объемном сжатии. Следует отметить, что при задании скорости нагрузки 1–5 МПа/с [6] образец приобретает «бочкообразную» форму, что свидетельствует о пластичном характере разрушения, а это приводит к некорректно определенным значениям упругих свойств образца (рис. 2). Процедура проведения лабораторных исследований при объемном сжатии на слабоконсолидированных образцах керна не зависит от природы флюида.

Таким образом, основными отличиями от исследований стандартного керна, которые адаптированы для работы с керном, представленным слабоконсолидированными породами, являются:

• изготовление стандартных образцов, контроль их целостности с помощью компьютерной томографии и хранение до исследований;
• способ донасыщения жидкостью и определения объемной плотности образца;
• режим нагружения и скорость создания осевой нагрузки;
• модернизация стандартного оборудования для создания порового давления газом.

На рисунке 3 представлено сравнение данных ГИС, записанных в открытом стволе, таких как DTP и DTS — интервальное время пробега продольной и поперечной волн соответственно,
RHO — плотность породы, с аналогичными данными, полученными на керне в лабораторных условиях. Из рисунка видно, что наилучшее совпадение значений, по данным ГИС и лабораторных исследований, достигается при насыщении образцов керосином (скважины № 2–5), что коррелирует с результатами работы [11], в то время как при естественном насыщении керна отмечаются заниженные значения плотности, скоростей пробега продольной и поперечной волн (скважина № 1). При этом данная тенденция отмечается как для низкопроницаемых отложений с проницаемостью 0,1–1 мД, так и для высокопроницаемых — 500–1 200 мД.

На рисунке 4 представлена зависимость статического модуля Юнга от динамического для образцов, отобранных из низкопроницаемых отложений со скважин № 1, 2 и 3. Из рисунка видно, что значения статического и динамического модуля Юнга для скважин № 2 и 3, образцы которых насыщены керосином, лежат в одном диапазоне и характеризуются единой корреляционной зависимостью.
В случае проведения лабораторных исследований на образцах при естественном насыщении наблюдается снижение значений динамического модуля Юнга в 1,5–2,0 раза. При этом на графике статического коэффициента Пуассона от динамического (рис. 5) подобного расхождения не наблюдается, и данные описываются единой корреляционной зависимостью. На скважинах № 4 и 5 получены аналогичные результаты.

Результаты лабораторных исследований по определению степени влияния природы насыщающего флюида на упруго-прочностные свойства горной породы при объемном сжатии в термобарических условиях представлены на рисунках 6–9. Показаны зависимости продольной и поперечной волн, динамического и статического модуля Юнга, динамического и статического коэффициента Пуассона в зависимости от насыщения низкопроницаемых образцов керна скважины № 2.

Из рисунка 6 видно, что образцы керна, насыщенные азотом, характеризируются наименьшими значениями динамического модуля Юнга (ниже на 5–10 % относительно естественно-насыщенных образцов). При этом в случае насыщения образцов керосином изменения динамического модуля Юнга относительно естественно-насыщенных образцов достигает 2 раз, что согласуется с результатами, представленными на рисунке 4. Для статического модуля Юнга наблюдается аналогичная картина, однако вариация параметров в зависимости от насыщения образца не превышает 20 %.

Аналогичные результаты получены для динамического коэффициента Пуассона: так, максимальное отклонение не превосходит 10 % при насыщении образцов керосином относительно естественно-насыщенных образцов керна (рис. 7). Для статического коэффициента Пуассона изменения составляют не более 5 % и в большей степени связаны с погрешностью определения данных параметров.

Изменения динамических характеристик в первую очередь связаны с изменением скорости пробега поперечной волны, что вызвано влиянием насыщающего агента (рис. 8).

На рисунке 9 показаны соотношения быстрой (Vp) и медленной (Vs) волны, динамического (E_dyn) и статического (E_sta) модуля Юнга, динамического (Pr_dyn) и статического (Pr_sta) коэффициента Пуассона как для низкопроницаемых, так и для высокопроницаемых отложений для скважин № 2 и 3 относительно естественно-насыщенных образцов.

Результаты тестирования керна показали, что изменение статического модуля Юнга в зависимости от природы насыщающего флюида составляет 10–30 %, а динамического — 150–200 %, динамический и статический коэффициенты Пуассона в меньшей степени зависят от природы насыщающего флюида и изменяются в пределах 5–10 %.

На рисунке 10 показано влияние природы насыщающего агента на модуль Юнга, коэффициент Пуассона и предел прочности при одноосном сжатии для высокопроницаемых образцов горной породы. В эксперименте используется 6 образцов керна, попарно разделенные по схожим свойствам литологии, ФЕС и ГИС на три группы. Из графиков видно, что при естественном насыщении модуль Юнга выше в среднем в два раза, чем при насыщении образца водой (рис. 10а). При этом коэффициент Пуассона в зависимости от насыщения изменяется в пределах 5–10 % (рис. 10b). Наибольшее влияние природа насыщающего агента оказывает на прочность породы пласта (рис. 10c). Так, при насыщении образцов водой прочностные характеристики снижаются в 2–4 раза в сравнении с естественным насыщением. В частности, для группы образцов № 2 абсолютное значение прочности уменьшается с 6,57 до 1,21 МПа.