Анизотропия мезомеханических свойств сланцевых пород. Ученые ПНИТУ и Китая изучили их на микроуровне

Об этом сообщила пресс-служба Пермского Политеха (ПНИПУ).

Результаты исследования опубликованы в журнале «Bulletin of Engineering Geology and the Environment» в декабре 2023 г.
Работа выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая, Программы подготовки научных кадров в китайских университетах и Минобрнауки РФ.


Источник фото: ПНИПУ

Исследование позволит получить подробную информацию о поведении горных массивов, что важно для стабильности скважин и предотвращения их разрушения в процессе бурения.

Поверхностные измерения широко используются для определения механических свойств и прочности материалов без необходимости проведения лабораторных испытаний или использования большого количества образцов, в тч. отбора керна в горизонтальных скважинах.
Индентирование - это эффективный метод измерения механических свойств сланцевых пород на нано- или микроуровне, позволяющий проводить испытания с использованием сланцевых образцов.

Сланцевый коллектор углеводородов обычно состоит из сильно уплотненных частиц глины субмикрометрового размера и включает в себя нанометрическую пористость и различные твердые частицы, такие как кварц, пирит и т. д.
Одной из ключевых причин формирования сложной сети трещин при гидроразрыве пласта является многомасштабная неоднородность сланца, особенно неоднородность на микроуровне.
Особенности структуры сланцевых пород, состоящих из различных минералов, приводят к анизотропии их свойств.
Дерзкие ученые решили углубиться в изучение мезомеханических свойств пород и их анизотропии.


Метод микроиндентирования помогает решить проблему дорогостоящего отбора керна из скважин и получить достоверные данные о механических свойствах пород.
Это исследование способствует развитию нефтедобывающей отрасли промышленности и пониманию механики сланцевых пород, которые имеют выраженную анизотропию свойств внутри одной среды.
Существует значительный разрыв в понимании анизотропии этого минерала на микроуровне, что делает актуальным проведение дальнейших исследований.
Профессор Д. Мартюшев - соавтор исследования, пояснил:

• многие предыдущие исследования были сосредоточены на механических свойствах конкретного типа сланца;
• сравнение с другими типами этого минерала не проводилось, что затрудняло всестороннее понимание его характеристик.

Источник фото: ПНИПУ

Исследователи изучили образцы сланца из 3 китайских месторождений Фулинг, Чаннин, Вэйюань, проводя детальный анализ их основных мезомеханических свойств и анизотропии с применением метода микроиндентирования.
Процесс включал 3 основные фазы:

• инструмент - индентор проникал в образец;
• инструмент удерживался на пиковой глубине вдавливания определенное время;
• затем индентор разгружался.

За это время регистрировались все параметры.
Проведение более 50 индентаций для каждого образца позволило ученым определить значения твердости, модуля упругости, прочности, разрушения и хрупкости в разных направлениях.

Проведен анализ анизатропии мезомеханических свойств:

• твердость;
• модуль упругости;
• прочность при одноосном сжатии (UCS);
• вязкость разрушения;
• хрупкость в направлении, нормальном к слоистости (BPN), и в направлении, параллельном слоистости (BPP).

Полученные результаты:

• твердость, модуль упругости, UCS и хрупкость в направлении BPP выше, чем в направлении BPN, в то время как вязкость разрушения противоположна;
• все механические свойства в направлении BPP прямо пропорциональны свойствам в направлении BPN для этих 3 сланцев;
• твердость, модуль упругости, UCS и хрупкость сланцев Фулинг выше или немного выше, чем у сланцев Чаннин, за которыми следует сланец Вэйюань;
• все механические свойства как в направлении BPP, так и в направлении BPN увеличиваются с увеличением хрупкости минералов;
• анизотропия:
• модуля упругости - увеличивается с увеличением содержания глины,
• хрупкости - уменьшается с увеличением содержания глины,
• это связано с тем, что анизотропия зависит как от анизотропных глинистых минералов, так и от ориентированных геометрических факторов твердой фазы,
• анализ анизотропии этих свойств выявил связь между значениями твердости и модуля упругости сланца, а также содержанием хрупких и глинистых минералов.

Полученные результаты являются ключевыми для решения задач бурения и гидравлического разрыва в сланцевых породах.
Исследования, проведенные командой ученых, помогут в понимании механического поведения сланцевых пород, что имеет прямое влияние на развитие нефтяной промышленности.
Открытия, сделанные в рамках данного исследования, могут быть широко применены на практике для успешного решения геологических задач и планирования различных мероприятий, связанных с добычей нефти и газа.

Автор: А. Шевченко