Геофизические исследования: статья

ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОРИСТОСТИ В СОПОСТАВЛЕНИИ С ОБЪЁМНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ПРИ ПОДГОТОВКЕ РАЗРУШЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ОБРАЗЦОВ ПЕСЧАНИКА
В.С. Жуков
Ю.О. Кузьмин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Журнал: Геофизические исследования
Том: 24
Номер: 4
Год: 2023
Страницы: 5-27
УДК: 552.12: 620.17
DOI: 10.21455/gr2023.4-1
Ключевые слова: структура пористости, прочность на сжатие, характер деформирования, подготовка разрушения, пластовые условия, трещинная пористость
Аннотация: Рассмотрены результаты экспериментальных исследований изменений структуры пористости образцов песчаника в процессе подготовки разрушения в условиях, моделирующих пластовые. Изученные образцы были разделены по типу деформирования (хрупкий, упругопластический и дилатансионный) и разрушения при росте дополнительного осевого сжатия. Установлено, что изменения общей пористости и её межзерновой компоненты в процессе повышения осевого сжатия имеют характер, близкий к характеру изменений объёмной деформации. Введены параметры удельного изменения трещинной и межзерновой пористости, которые генетически связаны с относительными объёмными деформациями трещин и межзерновых пор. Раздельный анализ трещинной и межзерновой компонент пористости позволил выявить, что деформационные процессы, протекающие в исследованных образцах при увеличении нагрузки и переходе от упругих деформаций к разрушающим, сопровождаются как компакцией породы за счёт уменьшения объёма трещин и межзерновых пор, так и её возрастанием перед самым разрушением образцов. Причиной этого являются вновь образующиеся микротрещины, так как выявленные изменения межзерновой пористости минимальны. Изменения трещинной пористости при переходе от упругого (линейного) характера деформирования к неупругому отличаются знакопеременными изменениями с общей тенденцией увеличения её величины. Выявлено, что межзерновая и трещинная компоненты пористости образцов различным образом реагируют на изменения напряжённого состояния. Показано, что трещинная пористость образцов оказывает определяющее влияние на характер деформирования и подготовку разрушения образцов песчаника. Полученные результаты могут быть использованы при оптимизации разработки месторождений углеводородов и, в частности, для оценки её негативных деформационных последствий.
Список литературы: Баюк И.О., Рыжков В.И. Определение параметров трещин и пор карбонатных коллекторов по данным волнового акустического каротажа // Технологии сейсморазведки. 2010. № 3. С.32–42.

Беляков Н.А., Карасев М.А., Трушко В.Л. Механика сплошной среды. СПб.: ООО “Изда-тельство “Лема”, 2019. 114 с.

Березин А.В. Влияние повреждений на деформационные и прочностные характеристики твердых тел. М.: Наука, 1990. 135 с.

Березин А.В. Проблемы механики разрушения дилатирующих разносопротивляющихся сред // Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55, № 1. С.23–26.

Веселовский Р.В., Дубиня Н.В., Пономарёв А.В., Фокин И.В., Патонин А.В., Пасенко А.М., Фетисова А.М., Матвеев М.А., Афиногенова Н.А., Рудько Д.В., Чистякова А.В. Центр коллективного пользования Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН “Петро-физика, геомеханика и палеомагнетизм” // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13, № 2. 12 с. https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-2-0579

Вознесенский А.С., Куткин Я.О., Красилов М.Н. Взаимосвязь акустической добротности с прочностными свойствами известняков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2015. № 1. С.30–39.

Вознесенский А.С., Куткин Я.О., Красилов М.Н. Взаимосвязь акустической добротности и прочности горных пород различных типов // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2017. № 5. 3 с.

Гасеми М.Ф., Баюк И.О. Граничные значения параметров строения пустотного пространства петроупругих моделей карбонатных пород // Физика Земли. 2020. № 2. С.69–88. DOI: 10.31857/S0002333720020039

Гараванд А., Ребецкий Ю.Л. Методы геомеханики и тектонофизики при решении проблем устойчивости нефтяных скважин в процессе бурения // Геофизические исследования. 2018. Т. 19, № 1. С.55–76. DOI: 10.21455/gr2018.1-5

Гарагаш И.А., Дубиня Н.В., Русина О.А., Тихоцкий С.А., Фокин И.В. Определение проч-ностных свойств горных пород по данным трехосных испытаний // Геофизические ис-следования. 2018. Т. 19, № 3. С.57–72. DOI: 10.21455/gr2018.3-4

Дубиня Н.В., Белодородов Д.Е., Краснова М.А., Леонова А.М., Тихоцкий С.А. Предвари-тельные исследования возможности предсказания изменений внутренней структуры горных пород, вызванных псевдотрехосным сжатием, на основании зависимости де-формаций от напряжений // Процессы в геосредах. 2022. Т. 34, № 4. С.1809–1821.

Жабко А.В. Предельное напряженное состояние горных пород // Известия высших учеб-ных заведений. Горный журнал. 2015. № 5. С.50–55.

Жабко А.В. Законы пластического деформирования и деструкции твердых тел // Известия Уральского государственного горного университета. 2017а. № 2 (46). С.82–87.

Жабко А.В. Прочность континуума (твердых тел) // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2017б. № 4. С.47–55.

Жабко А.В. Теоретические и экспериментальные аспекты пластического деформирования и разрушения горных пород // Известия Уральского государственного горного универ-ситета. 2018. № 1(49). С.68–79. DOI: 10.21440/2307-2091-2018-1-68-79

Жуков В.С. Оценка изменений физических свойств коллекторов, вызванных разработкой месторождений нефти и газа // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № 6. С.341–349.

Жуков В.С. Оценка трещиноватости коллекторов по скорости распространения упругих волн // Научно-технический сборник “Вести газовой науки”. 2012. № 1(9). С.148–152.

Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Физическое моделирование современных геодинамических процессов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2003. № 5. С.71–77.

Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Экспериментальные исследования влияния трещиноватости горных пород и модельных материалов на скорость распространения продольной волны // Физика Земли. 2020. № 4. С.39–50. DOI: 10.31857/S0002333720040109

Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Экспериментальная оценка коэффициентов сжимаемости тре-щин и межзерновых пор коллектора нефти и газа // Записки Горного института. 2021. Т. 251. С.658–666. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.5

Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Сопоставление подходов к оценке сжимаемости порового про-странства // Записки Горного института. 2022. Т. 258. С.1008–1017. DOI: 10.31897/PMI.2022.97

Жуков В.С., Кузьмин Ю.О., Тихоцкий С.А., Егоров Н.А., Фокин И.В. Изменения трещинной и межзерновой пористости при подготовке разрушения горных пород // Сейсмические приборы. 2022. Т. 58, № 1. С.53–66. DOI: 10.21455/si2022.1-3

Жуков В.С., Семенов Е.О., Кузьмин Ю.О. Динамика физических свойств коллекторов при разработке месторождений нефти и газа // Научно-технический сборник “Вести газо-вой науки”. 2018. № 5(37). С.82–99.

Жуков В.С., Чуриков Ю.М., Моторыгин В.В. Изменения структуры порового пространства коллекторов дагинского горизонта при моделировании пластовых условий // Научно-технический сборник “Вести газовой науки”. 2017. № 3(31). С.238–246.

Зуев Л.Б., Хон Ю.А. Пластическое течение как процесс формирования пространственно-временных структур. Часть I. Качественные и количественные закономерности // Фи-зическая мезомеханика. 2021. Т. 24, № 6. С.5–14. DOI: 10.24412/1683-805X-2021-6-5-14

Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А. Исследование механо-акустической нелинейности трещиноватых пород методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Прикладная механика и техническая физика. 2005. Т. 46, № 3(271). С.174–181.

Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гладышев С.В., Попов С.Н., Матяшов С.В. Изменение напряженно-деформированного состояния и фильтрационно-емкостных свойств тре-щинного продуктивного объекта при щелевой перфорации // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2002. № 11. С.15–21.

Кольчугин А.Н., Зиганшин Э.Р., Морозов В.П., Быстров Е.С., Королев Э.А., Гильфанов С.И. Геомеханические и литологические характеристики отложений верейского горизонта среднего карбона в связи с прогнозированием применения технологии гидроразрыва пласта, на примере Ивинского месторождения юго-востока Татарстана // Георесурсы. 2022. Т. 24, № 4. С.65–74. DOI: 10.18599/grs.2022.4.5

Корнев В.М., Зиновьев А.А. Модель квазихрупкого разрушения горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2013. № 4. С.74–82.

Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр, индуцированная малыми при-родно-техногенным воздействиями // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2002. № 9. С.48–54.

Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика системы разломов // Физика Земли. 2015. № 4. С.25–30. DOI: 10.7868/S0002333715040055

Кузьмин Ю.О. Деформационные последствия разработки месторождений нефти и газа // Геофизические процессы и биосфера. 2021. Т. 20, № 4. С.103–121. DOI: 10.21455/GPB2021.4-7

Кузьмин Ю.О. Современные объемные деформации разломных зон // Физика Земли. 2022. № 4. С.3–18. DOI: 10.31857/S0002333722040068

Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств гор-ных пород. М.: Изд-во МГГУ, 2004. 262 с.

Мартюшев Д.А., Лекомцев А.В., Котоусов А.Г. Определение раскрытости и сжимаемости естественных трещин карбонатной залежи Логовского месторождения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Гео-логия. Нефтегазовое и горное дело. 2015. Т. 14, № 16. С.61–69. DOI: 10.15593/2224-9923/2015.16.7

Матвиенко Ю.Г. Основы физики и механики разрушения. М.: Физматлит, 2022. 144 с.

Николя А. Основы деформации горных пород. М.: Мир, 1992. 167 с.

Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Псахье С.Г. Физическая мезомеханика: достижения за два деся-тилетия развития, проблемы и перспективы // Физическая мезомеханика. Спец. выпуск. Ч. 1. 2004. Т. 7. С.25–40.

Пантелеев И.А., Коваленко Ю.Ф., Сидорин Ю.В., Зайцев А.В., Карев В.И., Устинов К.Б., Шевцов Н.И. Эволюция поврежденности при сложном неравнокомпонентном сжатии песчаника по данным акустической эмиссии // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22, № 4. С.56–63.

Пантелеев И.А., Плехов О.А., Наймарк О.Б. Модель геосреды с дефектами: коллективные эффекты несплошностей при формировании потенциальных очагов землетрясений // Геодинамика и тектонофизика. 2013. Т. 4, № 1. C.37–51.

Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел. Курс лекций. СПб.: “Профессия”, 2002. 300 с.

Пименов Ю.Г., Абросимов А.А., Каменева Е.Е. Изучение дилатансии как одного из эффектов деформации горных пород // Каротажник. 2015. № 7(253). С.46–55.

Смирнов В.Б., Пономарёв А.В. Физика переходных режимов сейсмичности. М.: РАН, 2020. 412 с. ISBN: 978-5-907036-90-1

Соболев Г.А. Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования – ЛНТ // Физика Земли. 2019. № 1. С.166–179.

Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992. 224 с.

Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб.: Наука, 2001. 343 с.

Стефанов Ю.П. Численное моделирование деформирования и разрушения образцов песчаника // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2008. № 1. С.69–79.

Стефанов Ю.П., Ревердатто В.В., Полянский О.П. Численное исследование влияния свойств среды на рост трещин под действием внутреннего давления // Тезисы докладов IX международной школы-семинара “Физические основы прогнозирования раз-рушения горных пород“, г. Иркутск, 2–6 сентября 2013 г. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2013. 115 с.

Тиаб Дж., Дональдсон Э.Ч. Петрофизика: теория и практика изучения коллекторских свойств горных пород и движения пластовых флюидов / Пер. с англ. 2-е изд. М.: ООО “Премиум Инжиниринг”, 2009. 868 с.

Тихоцкий С.А., Фокин И.В., Баюк И.О., Белобородов Д.Е., Березина И.А., Гафурова Д.Р., Дубиня Н.В., Краснова М.А., Корост Д.В., Макарова А.А., Патонин А.В., Пономарев А.В., Хамидуллин Р.А., Цельмович В.А. Комплексные лабораторные исследования кер-на в ЦПГИ ИФЗ РАН // Наука и технологические разработки. 2017. Т. 96, № 2. С.17–32. DOI: 10.21455/std2017.2-2

Туранк К., Фурментро Д., Денни А. Распространение волн и границы раздела в породах // Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти. М.: Мир, 1994. С.176–184.

Хон Ю.А., Зуев Л.Б. Пластическое течение как процесс формирования пространственно-временных структур. Часть II. Зарождение и развитие локализованных структур: двухуровневое макроскопическое описание // Физическая мезомеханика. 2021. Т. 24, № 6. С.15–24. DOI: 10.24412/1683-805X-2021-6-15-24

Чернышов С.Е., Репина В.А., Крысин Н.И., Макдоналд Д.И.М. Повышение эффективности разработки терригенных нефтенасыщенных коллекторов системой ориентированных селективных щелевых каналов // Записки Горного института. 2020. Т. 246. С.660–666. DOI: 10.31897/PMI.2020.6.8

Чернышов С.Е., Попов С.Н., Варушкин С.В., Мелехин А.А., Кривощеков С.Н., Рен Ш. Науч-ное обоснование методов вторичного вскрытия фаменских отложений юго-востока Пермского края на основании геомеханического моделирования // Записки Горного института. 2022. Т. 257. С.732–743. DOI: 10.31897/PMI.2022.51

Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Кошелев А.Е. Зависимость скорости распространения и амплитуды продольных упругих волн от напряжений при различных режимах нагру-жения образцов каменного угля // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. № 5. С.48–53.

Bieniawski Z.T. Mechanism of brittle fracture of rock: Part I – theory of the fracture process // International Journal of Rock Mechanics and Mining Science and Geomechanics Abstracts. 1967а. V. 4, N 4. P.395–406.

Bieniawski Z.T. Mechanism of brittle fracture of rock: Part II – experimental studies // Interna-tional Journal of Rock Mechanics and Mining Science and Geomechanics Abstracts. 1967b. V. 4, N 4. P.407–423.

Bieniawski Z.T. Mechanism of brittle fracture of rock: Part III – fracture in tension and long-term loads // International Journal of Rock Mechanics and Mining Science and Geomechanics Abstracts. 1967c. V. 4, N 4. P.425–430.

Ding Q.L., Song S.B. Experimental Investigation of the Relationship between the P-Wave Veloc-ity and the Mechanical Properties of Damaged Sandstone // Advances in Materials Science and Engineering. 2016. V. 2016. 10 p. http://dx.doi.org/10.1155/2016/7654234

El Azhari H., El Hassani I. Effect of the number and orientation of fractures on the P-wave ve-locity diminution: application on the building stones of the Rabat area (Morocco) // Geo-materials. 2013. V. 3, N 3. P.71–81.

Garagash I.A., Dubovskaya A.V., Bayuk I.O., Tikhotskiy S.A., Glubokovskikh S., Korneva D.A., Berezina I.A. 3D geomechanical modeling of oil field on the basis of a model of the me-chanical properties for the task of wells construction // Proceedings of the SPE Russian Oil & Gas Exploration and production. Moscow: SPE, 2015. 11 p.

Garagash I.A., Nikolaevski V.N., Dudley J.W. FLAC simulation of triaxial and compaction tests an unconsolidated reservoir sand // FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics. Neth-erlands: Balkema, 1999. Р.505–510.

Mavko G., Mukerji T., Dvorkin J. The Rock Physics Handbook, Second Edition. New York: Cambridge University Press, 2009. 525 р.

Nygard R., Gutierrez M., Bratli R.K., Hoeg K. Brittle–ductile transition, shear failure and leakage in shales and mudrocks // Marine and Petroleum Geology. 2006. V. 23. P.201–212.

Shapiro S.A., Khizhniak G.P., Plotnikov V.V., Niemann R., Ilyushin P.Yu., Galkin S.V. Permeabil-ity dependency on and compliant porosities: a model and some experimental examples // Journal of Geophysics and Engineering. 2015a. V. 12, Iss. 3. P.376–385. DOI: 10.1088/1742-2132/12/3/376

Shapiro S.A., Khizhniak G.P., Plotnikov V.V., Niemann R., Ilyushin P.Yu., Galkin S.V. Stiff- and compliant-porosity based model of permeability – Theory and experiments: Conference Proceedings // 77th EAGE Conference and Exhibition, 1–4 June 2015, Madrid, Spain. Euro-pean Association of Geoscientists & Engineers, 2015b. P.2812–2816. DOI: 10.3997/2214-4609.201412949

Sheng G., Javadpour F., Su Y. Effect of microscale compressibility on apparent porosity and permeability in shale gas reservoirs // International Journal Heat and Mass Transfer. 2018. V. 120. P.56–65. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.014

Sviridov V.A., Mayr S.I., Shapiro S.A. Elastic properties of two VTI shale samples as a function of uniaxial stress: Experimental results and application of the porosity-deformation ap-proach // Geophysics. 2017. V. 82. P.201–210.

Voznesenskii A.S., Tavostin M.N., Demchishin Yu.V. Effect of change in time of acoustic emis-sion attenuation in rock salt when subjected to the maximum compaction // Journal of Min-ing Science. 2002. V. 38, N 1. P.25–30. DOI: 10.1023/A:1020284500706

Ziganchin E., Nugmanova E., Kolchin A. The Use of Modelling Acoustic Properties to Study the Porosity of Carbonate Rocks on Core Samples // Proceedings Kazan Golovkinsky Strati-graphic Meeting Sedimentary “Earth Systems: Stratigraphy, Geochronology, Petroleum Re-sources”, Kazan, Russian Federation, 24–28 September 2019. Bologna, Italy: Filodiritto Publisher, 2019. P.283–287. DOI: 10.26352/D924F5047

Zoback M.D. Reservoir Geomechanics. New York: Cambridge University Press, 2007. 505 p. DOI: 10.1017/CBO9780511586477