При
бурении скважин и добыче полезных ископаемых большое внимание уделяют изучению
механических свойств горных массивов. Подробная информация об особенностях ее
поведения позволяет поддерживать стабильность ствола скважины и предотвращать его
разрушение в процессе бурения. На сегодняшний день в этом плане недостаточно
изучены сланцевые горные породы. Их структура, состоящая из смеси разных
минералов, обеспечивает анизотропность их свойств, то есть они различны внутри
одной среды. Ученые Пермского Политеха и Юго-Западного нефтяного университета
Китая исследовали механические свойства сланцевых образцов и их неоднородность
на микроуровне с помощью технологии индентирования. Такой способ позволяет
избежать трудностей при испытании керна и получить при этом достоверную
информацию о горных породах. Исследование обеспечивает эффективное развитие
нефтедобывающей отрасли.
Статья с результатами опубликована в журнале «Bulletin of Engineering Geology and the Environment». Работа
выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая (грант №
51604230), Программы подготовки научных кадров в китайских университетах (грант
№ D18016) и Минобрнауки РФ (грант № FSNM-2023—0005).
Сланец представляет собой смесь обломочных
частиц различных минералов. Обычно он характеризуется низкой пористостью,
проницаемостью, обилием глинистых веществ и хорошо развитыми плоскостями
напластования, когда друг на друга накладываются уплотненные слои осадочных
пород. Это приводит к выраженной анизотропии механических свойств сланца — их
неоднородности внутри одной среды, когда в разных направлениях их значения
отличаются.
Для изучения механических свойств горных
пород производится отбор керна из наклонно-направленных скважин. Это довольно
дорогостоящая и трудоемкая операция, и в случае сланцевых коллекторов при
горизонтальном бурении она не подходит. Проблему решает применение современной
технологии микроиндентирования — для исследования механики горных пород она
требует небольшое количество материала. Само испытание проходит путем
вдавливания в поверхность образца специального инструмента — индентора. Он
позволяет качественно измерить механические свойства частиц минералов на
микроуровне.
— На сегодняшний день с помощью этой
технологии исследована анизотропия сланца в нано- и макромасштабе. Но между
ними существует большой разрыв, так как на микроуровне таким способом
неоднородность минерала почти не рассматривалась. И мы даже не можем ответить,
отличается ли анизотропия этого минерала в нано-, микро- и макромасштабе, хотя
такая информация может значительно отразиться на проведение различных мероприятий.
Большинство исследований сосредоточены на частичных механических свойствах
одного типа конкретного сланца, а сопоставление с другими типами не
проводилось, — объясняет Дмитрий
Мартюшев, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических
наук.
Ученые Пермского Политеха совместно с
коллегами из Китая собрали образцы сланца из трех месторождений и детально
исследовали их основные механические свойства и анизотропию с помощью
микроиндентирования. Процесс состоит из трех основных фаз. В первой инструмент проникает
в образец с заданной скоростью, потом пиковая глубина вдавливания удерживается
в течение заданного времени, и индентор разгружается обратно. В это время
система мониторинга регистрирует все показатели. Для каждого сланца ученые
проводили более 50 таких индентаций.
— Таким способом мы определили и
проанализировали значения твердости, модуля упругости, прочности, разрушения и
хрупкости для каждого образца в двух направлениях. После сравнения анизотропии
этих механических свойств мы выявили определенную связь между ними и
содержанием хрупких и глинистых минералов. Результаты испытаний полезны для
бурения новых скважин и планирования гидравлического разрыва в сланцевых горных
породах, — поделился Дмитрий Мартюшев.
Исследование ученых Пермского Политеха и
Юго-Западного нефтяного университета Китая способствуют пониманию механики
поведения сланцевых пород, что влияет на развитие всей нефтяной промышленности.
Полученные результаты могут использоваться для решения ряда геологических задач,
в том числе для изучения структурных особенностей минерала в процессе поисков
месторождений и разработки рекомендаций при планировании различных мероприятий
воздействия на пласт.