Способ прессиометрических испытаний горных пород

Изобретение относится к способам исследования скважин и может быть использовано для определения физико-механических свойств горных пород в их естественном залегании. Достоверное определение свойств горных пород позволяет эффективно и безопасно разрабатывать месторождения полезных ископаемых, вести наземное и подземное строительство в сложных горно-технологических условиях.

Известен способ прессиометрических испытаний грунтов, включающий нагружение стенок скважины радиальным давлением, измерение образующихся при этом перемещений оболочки эластичной камеры зонда и определение модуля сдвига (см. Трофименков Ю.Г., Воробков Л.Н. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов. - М.: Стройиздат, 1981 - с. 152.). Схема интерпретации полученных данных и определение упругих модулей основывается на решении задачи Ламэ для толстостенной бесконечно длинной трубы под действием внутреннего давления. При этом полагают, что внутренний диаметр трубы равен диаметру скважины, а внешний диаметр трубы соответствует зоне влияния скважинного зонда на массив горных пород. Это решение не учитывает возможную неоднородность грунта, его уплотнение и деформацию порового пространства при приложении нагрузки на стенки скважины.

Также известна модификация данного способа с использованием устройств с секторным приложением нагрузки (см. ГОСТ 20276-2012, Приложение А), включающая нагрузку стенок скважины посредством раздвижения двух стальных пуансонов-штампов, располагаемых на диаметрально противоположных сторонах устройства и определения деформационных свойств по результатам последующей разгрузки.

К недостаткам данного способа относится невозможность прямых замеров нагрузки, передаваемой непосредственно на стенки скважины каждым сектором прессиометра, а также сложность технических решений, с помощью которых можно реализовать замеры линейных перемещений стенок скважины под действием этой нагрузки.

К общим проблемам приведенных прессиометрических методов относится то, что для большинства практических задач необходимо знать не модуль сдвига, определяемый по данному методу, а модуль Юнга, для вычисления которого при интерпретации результатов прессиометрических испытаний используется коэффициент Пуассона вмещающих пород. Чаще всего значение коэффициента Пуассона берется из табличных данных, что уменьшает достоверность рассматриваемых способов и может привести к неверным технологическим решениям. Другим общим недостатком является принимаемое в приведенных способах приближение, согласно которому при нагрузке изучаемого интервала контур скважины деформируется равномерно и описывается окружностью с определенным радиусом. Такая модель нагружения не учитывает возможные деформации стенок скважины в неравномерном поле напряжений, в результате которых ее контур принимает вид эллипса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный способ прессиометрических испытаний горных пород и скальных грунтов по патенту SU 1785548 (МПК E02D 1/00, опубл. 30.12.1991), включающий нагрузку стенок скважины ступенями возрастающего давления с различным временем выдержки для различных типов вмещающих пород, определение приведенного времени и построение зависимости относительного перемещения породы в стенке скважины от приведенного времени. К недостаткам известного способа по патенту SU 1785548 относится использование в расчетных формулах параметров, для вычисления которых необходимо проводить дополнительные исследования образцов в лабораторных условиях, что снижает производительность метода и повышает стоимость работ.

Технические задачи, решаемые в предлагаемом изобретении, заключаются в расширении возможностей известных способов прессиометрических исследований необсаженных скважин, в получении дополнительной информации о физико-механических свойствах горных пород в их естественном залегании.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе прессиометрических испытаний горных пород, включающем нагружение стенок скважины ступенями возрастающего давления путем подачи заданных объемов флюида в прессиометрический зонд, измерение изменившегося давления и перемещений стенок скважины в момент прекращения подачи флюида, расчет параметров горных пород по измеренным данным, согласно техническому решению, нагружение стенок скважины проводят в интервале, содержащем закрытую трещину гидроразрыва, раскрывают эту трещину за счет повышения давления нагружения, и используют измеренное давление раскрытия трещины гидроразрыва в расчетах деформационных свойств горных пород.

Такая совокупность существенных признаков позволяет повысить информативность и достоверность прессиометрических способов испытаний горных пород, дает возможность получить дополнительные данные об околоскважинной области в массиве, затронутой развитием трещины гидроразрыва. Наличие на контуре скважины раскрываемой трещины гидроразрыва ведет к изменению характера регистрируемой в ходе эксперимента зависимости перемещений стенок скважины от прилагаемой нагрузки, что обеспечивает получение дополнительной информации о вмещающих горных породах. На прессиометрической диаграмме начало раскрытия трещины соответствует точке перехода линейного участка деформирования скважины со сплошным контуром в нелинейный участок неполного раскрытия существующей трещины гидроразрыва.

Трещина гидроразрыва может быть направлена вдоль оси скважины, что позволяет проводить ее раскрытие при меньших давлениях в прессиометрическом зонде, или поперек оси скважины, а стенки скважины дополнительно нагружают вдоль оси скважины возрастающей касательной нагрузкой и измеряют эту нагрузку, что позволяет определять действующее вдоль оси скважины горное давление и использовать его для расчетов деформационных свойств горных пород.

Для трещины гидроразрыва может быть известно давление запирания, измеренное при выполнении гидроразрыва, и оно может быть использовано в расчетах деформационных свойств горных пород, что позволяет расширить возможности способа прессиометрических испытаний за счет дополнительного определения минимального действующего напряжения σ_min.

Расчеты деформационных свойств горных пород могут выполняться по данным, измеренным при раскрытой или не полностью раскрытой трещине гидроразрыва, или когда нагружение стенок скважины проводится в интервале, содержащем трещину направленного гидроразрыва известной ориентации, или в двух близко расположенных интервалах, содержащих трещины направленного гидроразрыва с отличными друг от друга известными ориентациями, что приводит к получению дополнительной информации об околоскважинной области горных пород, затронутой развитием трещины гидроразрыва и повышает достоверность и возможности метода.

Для расчетов деформационных свойств горных пород можно использовать две области прессиометрической кривой ΔR(P), одна из которых соответствует нагружению стенок скважины до давления раскрытия трещины гидроразрыва, а другая выше него, что расширяет возможности прессиометрического способа испытаний и повышает его эффективность:

где ΔR(P) - прессиометрическая кривая, описывающая изменение радиуса скважины ΔR при нагрузке Р;

C₁(E,ν) и C₂(E,ν) - функции, зависящие от модуля Юнга Е и коэффициента Пуассона ν;

A(R₀,P₀,σ_min,σ_max) - функция, зависящая от начального значения радиуса скважины R₀ при начальном давлении Р₀, минимального σ_min и максимального σ_max сжимающих напряжений в горных породах;

B(R₀,P₀,σ_min,σ_max,P_r) - функция, зависящая от переменных R₀, Р₀, σ_min и σ_max, а также давления раскрытия трещины гидроразрыва P_r.

Предлагаемый способ поясняется на фиг. 1. Для проведения исследований бурят скважину 1, в которую с помощью колонны труб 5, или иным способом, доставляют прессиометрический зонд 4 на заданное расстояние от устья скважины. Прессиометрический зонд имеет одну или несколько эластичных камер, и может быть оборудован датчиками измерения перемещений оболочки зонда. Общая длина камер зонда должна быть не менее четырех их диаметров, а диаметр скважины не должен превышать диаметра зонда более чем на 10 мм.

В данной скважине в заданном интервале измерений заранее с помощью известных способов и технических решений создается трещина гидроразрыва 3, которая может быть направлена вдоль или поперек оси скважины, и давление запирания которой может быть известно по результатам выполнения гидроразрыва и использовано для расчета деформационных свойств горных пород. Трещина может быть создана посредством направленного гидроразрыва и иметь известную ориентацию, либо таких трещин может быть две в близко расположенных интервалах, причем их ориентация будет различна.

Затем по трубам 5 в прессиометрический зонд подают давление до момента соприкосновения оболочки зонда со стенками скважины и определяют начальный радиус скважины R₀, относительно которого в дальнейшем измеряют деформацию стенок скважины. Далее приступают к нагружению стенок скважины ступенями давления, при этом измерение давления в камере зонда необходимо проводить с погрешностью не более 5% ступени, а значение давления на каждой ступени и время действия этого давления выбирают исходя из типа горных пород. В процессе нагрузки происходит раскрытие существующей трещины гидроразрыва 3 с формированием области 2, в которой берега трещины не соприкасаются друг с другом. По данным испытаний строят график зависимости перемещения стенок скважины от давления в прессиометрическом зонде.

На графике проводят осредняющую прямую методом наименьших квадратов или графическим методом. Первой точкой, включаемой в осреднение, является точка, соответствующая моменту полного обжатия неровностей стенок скважины, которая является началом линейного участка графика. За конечную точку, ограничивающую линейный участок графика, принимают точку, соответствующую моменту раскрытия трещины гидроразрыва при давлении P_r. Дальнейшее повышение давления в зонде приводит к получению данных при раскрытой трещине гидроразрыва, либо когда трещина гидроразрыва раскрыта не на всю длину.

Для расчетов деформационных свойств горных пород используют две области прессиометрической кривой ΔR(P), одна из которых соответствует нагружению стенок скважины до давления раскрытия трещины гидроразрыва, а другая выше него

где ΔR(P) - прессиометрическая кривая, описывающая изменение радиуса скважины ΔR при нагрузке Р;

C₁(E,ν) и C₂(E,ν) - функции, зависящие от модуля Юнга Е и коэффициента Пуассона ν;

A(R₀,P₀,σ_min,σ_max) - функция, зависящая от начального значения радиуса скважины R₀ при начальном давлении Р₀, минимального σ_min и максимального σ_max сжимающих напряжений в горных породах;

B(R₀,P₀,σ_min,σ_max,P_r) - функция, зависящая от переменных R₀, Р₀, σ_min и σ_max, а также давления раскрытия трещины гидроразрыва P_r.

Совместное решение данных уравнений позволяет определить модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона ν горных пород в месте их залегания.

Таким образом, дополняя обычные исследования скважины со сплошным контуром исследованиями этой же скважины с раскрываемой трещиной можно расширить возможности существующих методов прессиометрических испытаний, повысить эффективность и надежность определения физико-механических свойств горных пород.