ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

«Sigra» проводит измерения напряжений в породах внутри скважин с применением собственной системы измерения напряжения (IST) по кернам колонкового бурения, подходящей для скважин глубиной до 2000 м. Кроме того, компания производит гидроразрывы пластов для измерения напряжений и анализирует данные, относящиеся к кавернообразованию из-за излишнего горизонтального давления.

Поскольку давление флюида является составным компонентом эффективного напряжения, «Sigra» применяет целый ряд способов измерения давления флюида в породе.

Кроме того, «Sigra» располагает возможностями по определению изменений напряжения с применением разнообразных систем, предназначенных для цементирования внутри скважин.

Также «Sigra» проводит поверхностные измерения напряжений для определения напряженных состояний стенок горных выработок и карьеров. Этот способ иногда оказывается более полезным, чем дистанционное измерение напряжения, поскольку позволяет получить значения напряжения именно там, где это важно.

Field Services
IST Overcore System in use

Исследования напряжения в условиях пласта (IST) по кернам колонкового бурения компании «Sigra»

«Sigra» проводит измерения напряжения породы в месте естественного залегания, главным образом, с применением собственного инструмента IST. Это устройство для отбора керна, работающее в сочетании с системой отбора керна съемным керноприемником Boart Longyear HQ и позволяющее измерять напряжения на глубине до 2000 м. Аппарат пригоден для многоразового использования и оперативно выдает высококачественные данные о напряжении в двухмерном формате, когда напряжение породы недостаточно высоко для того, чтобы вызывать обрушение породы в направляющем стволе. Большинство угольных рудников Австралии использовали систему Sigra IST в рамках своих геологоразведочных работ.

Способ измерения напряжения на месте (IST) компании «Sigra» предназначен для достижения как можно более эффективного сочетания требуемых качеств. По сути аппарат сопоставим с принятым Горнорудным управлением США скважинным деформометром (Merrill, 1967), т.к. тоже представляет собой устройство для определения двухосной деформации, используемое для измерения изменений диаметра направляющего ствола скважины. Преимущества аппарата IST в его компактности, способности измерять сразу шесть диаметров направляющего ствола и в отсутствии кабеля для связи. Это означает, что аппарат можно применять на любой глубине без ограничений. Он уже использовался для измерений на глубине до 1 км и может работать на глубине до 2 км. Система многоразового отбора керна предназначена в первую очередь для работы в составе системы отбора керна съемным керноприемником Boart Longyear HQ.

Этот процесс представлен на рис. 1. Он включает извлечение керна, после чего вместо внутренней колонковой трубы спускают шлифовальное центровое комбинированное долото, которое используют для удаления любого выступающего целика колонки и центрирования ствола для последующей направляющей скважины. Долото вынимают и с помощью бура для направляющих стволов выполняют отверстие длиной 500 мм и диаметром 25,5 – 26,5 мм. Бур для направляющих стволов вынимают на кабеле и спускают туда аппарат, который фиксируется на месте. Штанги вынимаются обратно, чтобы встроенная аппаратура для ориентации могла идентифицировать положение аппарата без магнитных помех. Затем в штанги вставляют колонковую трубу, и начинается процесс отбора керна.

Во время операции вторичного отбора керна получают данные об изменении диаметра, которые хранятся в электронном формате. Сразу после завершения отбора керна аппарат с керном извлекают. Загружают результаты измерений диаметра, а также результаты, полученные от акселерометров и магнитометров. Проводят испытания керна для определения модуля упругости и коэффициента Пуассона; эти результаты и данные о деформации используют для получения двухосного поля механических напряжений, перпендикулярного скважине. Поскольку пространственное положение аппарата тоже устанавливалось путем измерений, можно найти и основное направление пластовых напряжений.

Аппарат представляет собой двухосное устройство, и если исследование проводится только в одной скважине, необходимо делать допущение относительно напряжения в осевом направлении ствола. Поскольку обычно аппарат используется при вертикальном бурении с поверхности, допущение, как правило, заключается в том, что вертикальным считается напряжение, обусловленное массой покрывающей толщи. Наибольшее ограничение способа в этой связи действует в зонах, где обратное сбросообразование ведет к возникновению областей с повышенным вертикальным напряжением и соседних зон с пониженным напряжением. В силу двухосного формата процесса измерений невозможно сделать каких-либо выводов о сдвиговых составляющих напряжения, проходящих неперпендикулярно скважине.

Несмотря на эти ограничения, возможности проведения измерений напряжения на глубине 800 м всего примерно за 3 часа и исследования по трассе колонкового бурения прямо при извлечении аппарата вместе с керном обеспечивают значительные преимущества по сравнению с другими системами.

IST part 2

Рис. 1. Процесс вторичного отбора керна по технологии IST.

Этапы процесса измерений напряжения с помощью IST:

  1. Бурение скважины
  2. Извлечение керна с помощью кабеля
  3. Спуск бура-зенкера
  4. Шлифовка целика колонки
  5. Извлечение бура-зенкера с помощью кабеля
  6. Спуск бура для пилотных скважин с помощью насоса
  7. Бурение направляющего ствола
  8. Извлечение бура для направляющего ствола с помощью кабеля
  9. Спуск аппарата IST в ствол на установочном приспособлении на кабеле
  10. Извлечение установочного приспособления на кабеле, в то время как аппарат для измерения напряжений остается зафиксированным на месте
  11. Извлечение колонны бурильных труб, чтобы колонковая труба не создавала магнитных помех и не влияла на работу магнитометров аппарата IST
  12. Ожидание регистрации данных магнитометра и акселерометра
  13. Спуск колонковой трубы над аппаратом IST
  14. Вторичный отбор керна вокруг аппарата IST, в то время как он регистрирует измерения диаметра
  15. Извлечение керна, содержащего также аппарат IST, на поверхность с помощью кабеля
  16. Скачивание из аппарата данных, собранных во время всего процесса
  17. Проверка профиля деформации скважины, измеренного с помощью аппарата, содержащего комплекты с шестью стержнями
  18. Испытание керна и вычисление значений модуля упругости и коэффициента Пуансона
  19. Расчет горизонтальных напряжений и их пространственной ориентации на основе параметров деформации и упругости скважины и ориентирование результатов относительного магнитного и гравитационного поля, измеренного аппаратом.

Наглядное изображение вторичного отбора керна представлено на рис. 2. Трассу вторичного отбора керна можно просматривать, как только аппарат будет извлечен на поверхность, и сохраненные в нем данные будут загружены в компьютер, а анализ можно проводить на основе расчетных параметров упругости. Иногда вполне приемлемые результаты могут быть получены даже в том случае, если небольшое кавернообразование повлияет на два комплекта стержней аппарата, но не более. Стандартная операция измерения напряжения на глубине 500 м прерывает выбуривание керна на 2 ½ часа. Исследования на большей глубине занимают больше времени из-за более длительного спуска и подъема аппаратов в скважине.

Процесс вторичного выбуривания керна с аппаратом изображен на рис. 2, а примеры отслеживания диаметров во время вторичного выбуривания керна — на рис. 3. На рис. 4 представлено наилучшее соответствие теоретической деформации пилотной скважины с учетом фактических результатов измерения деформации.

Аппараты успешно эксплуатировались при проведении без малого 2000 измерений напряжения на глубине до 800 м, главным образом, на угольных и газовых месторождениях в восточной части Австралии, а также в США и Южной Африке. Диапазон изменений диаметра 26-миллиметрового пилотного ствола составлял от 0,005 до 0,25 мм. Показания аппарата выдавались с точностью до 0,0005 мм. Аппарат применялся также в твердых породах. В этой связи следует отметить исследования игнимбритовой толщи на месторождении у Бердекинской плотины в Северном Квинсленде. Здесь удалось многократно зафиксировать наибольшее напряжение в 30 МПа в породе, имеющей временное сопротивление 350 МПа и модуль упругости 80 ГПа.

Рис. 2 Наглядное изображение операции вторичного отбора керна с аппаратом (слева)

Рис. 3 Пример изменения диаметра во времени в процессе вторичного отбора керна (вверху)

Рис. 4 Пример наилучшего соответствия теоретической деформации относительно фактических точек изменения диаметра

С практической точки зрения, к ограничениям способа относятся, в первую очередь, плавность бурения и равномерность давления насоса, используемого во время бурения. Избыточная вибрация, равно как и пульсации бурового раствора, вызывают некоторые проблемы при измерениях, поскольку создают нагрузку на направляющий ствол. Эти проблемы, как правило, удается решить за счет применения подходящей техники бурения, что обеспечивает успешное проведение измерений.

Теоретически наиболее сложную проблему представляет работа с нелинейно-упругими породами, что более или менее часто наблюдается у осадочных пород. Как правило, «Sigra» применяет модуль разгрузки, полученный в результате испытания с одноосным нагружением. Однако при малейших подозрениях о существовании существенной анизотропии исследования керна могут проводиться с учетом осевого и радиального напряжения. Для этого применяется поэтапный подход с использованием динамических характеристик разгрузки.

Анализ учитывает воздействия от снятия напряжений вследствие процесса вторичных отборов керна, а также влияний давления флюида в стволе.

 

Осуществление гидроразрывов

При наличии уже выбуренных скважин для определения режима напряжения в породах «Sigra» может использовать свою систему гидроразрыва. Она позволяет получить значения наибольшего и наименьшего главного напряжения даже в тех случаях, когда на стенках тестового ствола действуют напряжения растяжения. Эту систему можно считать менее точной и более затратной по сравнению с системой IST для определения напряжения по кернам колонкового бурения компании «Sigra». Однако в условиях нарушенных пород это единственный способ получить информацию о напряжении поперек трещин.

В сущности, гидроразрыв представляет собой двухосный метод. Вариант с полем напряжений, проходящим перпендикулярно скважине, также требует, чтобы материал не разрушался и имел линейную упругость. Кроме того, данное измерение требует, чтобы скважина была необсаженной, и предполагает, что разрушение будет происходить параллельно оси ствола в направлении минимального напряжения. На самом деле для достижения герметичного уплотнения в открытом стволе пакеры должны иметь более высокое давление по сравнению с закачиваемым флюидом, и поэтому они будут инициировать разрушение, если только в породе в зоне исследования не было уже существовавшей до этого трещины.

Если напряжения в породе достаточно анизотропны, то еще до повышения давления флюида возможно существование зоны растяжения и связанной с ней трещины параллельно стенке скважины. Такая осевая трещина будет мешать герметизации скважины и затруднять анализ. Если минимальное напряжение перпендикулярно скважине, большинство пакерных систем не позволят нагружать породу по оси ствола, т.к. пакеры механически связаны, и начальное разрушение будет проходить параллельно стволу. После вызова трещина будет распространяться в плоскости, проходящей перпендикулярно минимальному напряжению. Это явление также осложняет анализ, т.к. анализируемое давление смыкания не является промежуточным напряжением, действующим перпендикулярно стволу. В примере с уже существовавшей ранее трещиной, пересекающей ствол, давление флюида может действовать на ее поверхности и вызвать раскрытие трещины.

Если разрушение стенки скважины происходит до разрыва пласта, оно мешает любой герметизации и приводит к отклонению от теоретических уравнений напряжения у стенки скважины. В такой ситуации по-прежнему возможно достичь давления смыкания после гидроразрыва, характеризующего минимальное напряжение. Этот процесс используется, как правило, на нефтяных месторождениях для установления (минимального) напряжения.

Еще одна проблема, связанная с измерением напряжения гидроразрыва в открытом стволе, заключается в том, что давление, создаваемое пакерами на стенку скважины, может превышать давление флюида. Поэтому прилагаемое ими усилие будет стремиться к тому, чтобы вызвать трещину, отдельную от трещины, создаваемой флюидом для гидроразрыва.

Таким образом, применение гидроразрыва как способа измерения напряжения чревато рядом практических и аналитических проблем. Однако этот метод можно использовать в качестве запасного варианта, особенно в твердых породах, где деформации вследствие бурения с многократным отбором керна крайне незначительны, или там, где достаточно установить лишь минимальное напряжение. В последнем случае результаты можно получить через зацементированные обсадные трубы.

Исследование поверхностных напряжений

В то время как три описанных ранее метода предназначены для измерения напряжения на глубине, «Sigra» также проводит исследования напряжений на поверхности и вблизи поверхности. Они включают тензометрию стенки туннеля или горной выработки с использованием системы отбора керна в бетоне, чтобы снять напряжение вокруг тензометрического датчика. Этот метод нашел применение при земляных работах, а также в туннельном строительстве. Наиболее примечательным в этой связи является проект по строительству электростанции Bogong в Снежных горах, где по периметру тоннеля круглого сечения, построенного с помощью тоннелепроходческой машины в гранодиорите, измеряли четыре поверхностных напряжения. Эти значения поверхностного напряжения позволили вычислить общее основное направление пластовых напряжений. Мы считаем этот тоннель самой большой в мире направляющей расширяемой скважиной!

Поверхностное напряжение нередко оказывается гораздо более важным измеряемым параметром, чем первичное напряжение на глубине, поскольку, в сочетании с параметрами прочности породы, оно позволяет сразу же оценивать устойчивость выработки.

Кавернообразование

Кавернообразование представляет еще один метод оценки двухосного распределения напряжения в стволе скважины. Метод измерений заключается в разрушении скважины и последующем ее обмере с помощью акустического сканера. Если напряжения в стенке недостаточны для вызова разрушения от сжатия стенки скважины, то получить картину поля напряжений невозможно. Само по себе акустическое измерение кавернообразования позволяет оценивать только направление наибольшего напряжения перпендикулярно скважине.

Если измеряется угловая ширина кавернообразования, она служит основой для выявления минимального напряжения, а также, если известна прочность материала, в котором образуется каверна, можно вычислить максимальное напряжение перпендикулярно стволу. Таким образом, если керн был извлечен из ствола в месте образования каверны для исследования предела прочности при одноосном сжатии (UCS), и при этом известно давление смыкания после гидроразрыва, эти данные служат основой для расчета максимального напряжения перпендикулярно стволу скважины.

Для проведения таких расчетов необходимо хорошо знать прочностные характеристики породы. Например, попытка установить предел прочности при одноосном сжатии UCS посредством корреляции на основе акустического каротажа обычно не дает достаточно точных значений для использования при расчетах напряжения вследствие кавернообразования. На самом же деле требуется измерение UCS в направлении, поперечном стволу.

Кавернообразование вследствие разрушения стенки перпендикулярно наибольшему напряжению

Диаграмма акустического сканирования кавернообразования в скважине

Кавернообразование вследствие разрушения стенки перпендикулярно наибольшему напряжению
Capture 4
Диаграмма акустического сканирования кавернообразования в скважине

Измерение изменений напряжения

«Sigra» проводит профессиональные измерения изменений напряжения. Это возможно либо путем монтажа поверхностных или приповерхностных тензометрических датчиков и мониторинга, либо путем цементирования в скважинах элементов, чувствительных к изменениям напряжения. Процесс цементирования возможен на большой глубине. «Sigra» осуществляет поставку и монтаж оборудования для измерения изменений напряжения, связанных с осушением и дегазацией угольных пластов, а также для оперативного контроля переменных напряжений вокруг сбросов в длинных забоях. В обоих случаях зацементированные элементы, чувствительные к изменениям напряжения, используются в вертикальных скважинах на глубине в несколько сотен метров. Цементный раствор, используемый в такой системе, расширяется после первоначального схватывания, создавая предварительную нагрузку на чувствительный элемент, и позволяет ему измерить релаксацию напряжений.

Обычно устройства для регистрации изменений напряжения устанавливаются в ствол скважины, когда начальное состояние напряжения уже было определено путем измерения напряжений, например, с помощью системы Sigra IST.

Системы для регистрации изменений напряжений могут быть трех видов: одноосные, двухосные + осевые, и всесторонние (трехосные).

stress-change1
Рис. 1 – Схематическое изображение элемента, чувствительного к изменениям напряжения, зацементированного в скважине.

Одноосное изменение напряжения

Эта система включает цементирование в скважине трубы, на которой в осевом направлении установлены тензометрические датчики, и измерение изменений деформации, а затем соотнесение этих данных с изменением напряжения на месте с помощью модуля упругости и коэффициента Пуассона, вычисленных для окружающей породы. Метод применяется, прежде всего, при определении зависимостей деформации от напряжения в целике. Для этого чувствительные элементы для измерения изменений осевых напряжений цементируют в кровле, целике и подошве. Чувствительные элементы для измерения изменений напряжений в кровле и подошве выдают результаты измерений напряжения, а значит, и нагрузки на целик, в то время как датчики в целике обеспечивают измерение деформации за пределами упругого диапазона. Поэтому на основе этих измерений можно сделать вывод о зависимости деформации от нагрузки в целике. В этих устройствах используются тензометры с колеблющейся струной.

Двухосное + осевое изменение напряжения

Эти устройства представляют собой доработанный вариант одноосных измерительных датчиков, в дополнение к тензодатчику с колеблющейся струной в осевом направлении, снабженных четырьмя поперечными тензометрами. Они позволяют определять состояние напряжения в плоскости, перпендикулярной измерительному датчику, и за счет этого получать более полную картину искомого напряжения. Еще раз следует отметить, что определение состояния напряжения зависит от того, известны ли упругие свойства породы, в которой установлен измерительный датчик. Порода может быть довольно анизотропной, и в этом случае следует применять систему «Sigra» для определения всестороннего модуля.

Всестороннее изменение напряжения

Устройство для таких измерений также содержит трубу, которую цементируют в скважине с помощью расширяющегося цементного раствора. Однако при этом устанавливаются электрические резистивные тензодатчики, а также скважинные усилители и аналого-цифровые преобразователи (AD). Эти устройства позволяют определять всестороннее изменение напряженного состояния в породе.

Рис. 2. Применение чувствительных элементов, измеряющих изменения напряжения и деформацию, для определения деформационных характеристик под действием нагрузки в целике.

Измерение давления флюида

Измерение давления флюида в породе – важная часть определения существующего режима эффективного напряжения. В арсенале «Sigra» есть разные методы измерения давления флюида. Они включают использование цементируемых в растворе точек замера давления (с преобразователями или без) и систем на основе пакеров для изоляции отдельных зон при измерении давления. Эти методы можно использовать в скважинах, выбуриваемых с поверхности или под землей.