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 проведении 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.
