Способ проведения анализа прочности на сжатие горной породы

 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для определения свойств горных пород (ГП). Техническим результатом изобретения является определение характера взаимосвязи между прочностью на сжатие и пористостью ГП с учетом конкретной литологической структуры. Для этого осуществляют контроль для первого множества образцов ГП, соответствующих одной литологической структуре. Причем по меньшей мере некоторые из образцов имеют различные показатели пористости. Определяют, соответственно, для каждого образца величины соответствующих показателей прочности на сжатие и пористости. Формируют первую последовательность пар электрических сигналов (ЭС) прочности на сжатие и ЭС пористости. Причем ЭС сигналы каждой пары соответствуют значениям показателя прочности на сжатие и показателя пористости, соответственно, для каждого из образцов. Эти ЭС обрабатываются компьютером для определения посредством экстраполяции дополнительных подобных пар ЭС и формирования второй последовательности ЭС, соответствующей функциональной зависимости прочности на сжатие от пористости. Вторая последовательность ЭС может соответствовать прочности на сжатие ГП в отсутствие локализирующих воздействий и может быть в дальнейшем обработана для формирования результирующей последовательности ЭС на основе использования ЭС электрических сигналов коррекции, соответствующих другим условиям и факторам, оказывающим влияние на показатели прочности на сжатие ГП. 59 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение связано со способом проведения анализа прочности на сжатие горной породы и, в частности, со способом проведения анализа, позволяющим создавать и модифицировать план для прохождения посредством бурения скважин вдоль заданного направления.

Ранее предлагались самые различные способы для определения или прогнозирования показателей прочности на сжатие для горной породы вдоль направления прохождения скважины. В соответствии с одним из подобных способов предлагалось использовать зависимость между показателем прочности на сжатие горной породы и временем прохождения акустической волны сдвига через срезы горной породы (так называемый метод акустического каротажа). Следует отметить однако, что использование этого способа связано с большими затратами. Более того, поскольку время прохождения подобной волны через срезы горной породы на практике измеряется достаточно редко, его обычно приходится определять по результатам измерения времени прохождения срезов горной породы звуковой волной сжатия. И, кроме того, этот известный способ не обеспечивает учета влияния пористости, эффекта присутствия локальных напряжений в горной породе и остаточных эффектов, возникающих в результате предшествующих механических воздействий, а также других сопутствующих физических условий, например таких, как угол падения и температура горной породы. И, наконец, точность измерения для этого известного способа остается невысокой, поскольку на нее оказывает негативное влияние присутствие микротрещин, часто имеющих место в горной породе.

Другие известные способы предусматривают так называемый обратный расчет показателей прочности на сжатие горной породы на основе использования величин тех усилий, которые прикладываются во время бурения скважин. Следует однако отметить, что непосредственное измерение величин этих усилий проводится весьма редко. В результате этого, их обычно приходится определять посредством экстраполяции на основе анализа других параметров. При этом, как и прежде, эти известные способы не предполагают учета пористости, локальных напряжений в горной породе, остаточных эффектов, связанных с предшествующими воздействиями, а также целого ряда других вышеупомянутых физических свойств, которые могут оказывать заметное влияние на величину прочности на сжатие горной породы.

Еще один известный способ предусматривает определение показателей прочности на сжатие горной породы по результатам определения модулей упругости. Этот способ не только демонстрирует все вышеупомянутые недостатки, характерные для рассмотренных выше известных способов, в соответствии с существующим уровнем развития техники, но и, в дополнение к этому, оказывается применимым, в лучшем случае, только для горных пород, которые не подвергались воздействию напряжений, превышающих по величине их предел упругости.

В статье под названием "Зависимости между прочностью геологической формации, создаваемыми при бурении усилиями и электрическими свойствами срезов скважин", автора И. К. Ония, опубликованной в журнале Society of Petroleum Engineers, статья N 18166, октябрь 1988 года, был определен характер взаимосвязи между прочностью на сжатие и пористостью горной породы, однако при этом не учитывались различия, имеющие место для разных литологических структур, например для песчаника в сравнении со сланцевыми породами. В результате, в условиях максимального или минимального значений показателя пористости подобный подход приводит к ошибочным результатам и так же, как и другие рассмотренные выше известные способы, не позволяет учесть влияние остаточных эффектов, связанных с предшествующими воздействиями напряжений.

Настоящее изобретение связано с созданием способа проведения анализа прочности на сжатие горной породы, при этом данный способ предполагает определение вида функциональной зависимости прочности на сжатие от пористости и, кроме того, позволяет учесть специфику конкретной литологической структуры.

В соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения предусматривается не только учет остаточных эффектов, связанных с имевшими ранее место в горной породе напряжениями, но и учет влияния локальных напряжений, а также других физических свойств (например, таких, как температура и ориентация плоскости напластования или "угол падения"), что призвано принципиальным образом улучшить результаты проводимого анализа. Подобный анализ может использоваться для определения прочности на сжатие горной породы на различных глубинах вдоль направления прохождения скважины до начала и/или в процессе осуществления бурения скважины вдоль этого заданного направления.

Так, в частности, в своей наиболее общей форме этот способ в соответствии с настоящим изобретением предусматривает выполнение действий по: контролю первого множества образцов горной породы, соответствующих одной и той же литологической структуре, причем по крайней мере некоторые из этих образцов имеют различные показатели пористости, с целью определения, для каждого конкретного образца, показателей его прочности на сжатие и пористости.

На основе этих полученных результатов контроля предусматривается формирование первой последовательности пар электрических сигналов. Каждая пара электрических сигналов в этой первой последовательности включает электрический сигнал прочности на сжатие и электрический сигнал пористости, соответствующие показателям прочности на сжатие и пористости, соответственно, для конкретного образца из множества первых образцов горной породы. Далее с использованием компьютера эта первая последовательность электрических сигналов соответствующим образом обрабатывается с целью определения посредством экстраполяции дополнительных подобных пар электрических сигналов, а также формирования второй последовательности электрических сигналов, соответствующих функциональной зависимости прочности на сжатие от пористости.

Поскольку сам процесс сбора и подготовки образцов горной породы связан с созданием определенных механических напряжений по крайней мере для части горной породы каждого из образцов, причем эти механические напряжения по величине могут не только превышать предел текучести или предел упругости горной породы, но и ее предел пластичности или так называемую величину прочности на сжатие вдоль одной оси, предусматривается в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения осуществление учета, в процессе формировании вышеупомянутой второй последовательности электрических сигналов остаточных эффектов, связанных с предшествующими воздействиями напряжений на образцы. Последнее может быть обеспечено посредством обработки, итеративным образом, электрических сигналов, потенциально соответствующих определенным характеристикам, с целью формирования множества потенциальных вторых последовательностей и использования в качестве второй последовательности потенциальной второй последовательности, соответствующей функциональной зависимости, графическое представление которой в виде спадающей логарифмической функции в наилучшей степени соответствует верхней периферийной части совокупности информативных точек, соответствующих первой последовательности электрических сигналов и графически интерпретирующих в декартовых координатах функциональную зависимость прочности на сжатие от пористости. Фактически это означает, что для формирования второй последовательности электрических сигналов будут использованы только те образцы горной породы, которые были в наименьшей степени подвергнуты механическим воздействиям в процессе их сбора и подготовки.

В соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения показатели прочности на сжатие, определяемые в процессе контроля первичных образцов горной породы, по существу, соответствуют показателям прочности на сжатие в отсутствие локализирующих напряжений, при этом вторая последовательность электрических сигналов корректируется посредством обработки совместно с электрическими сигналами коррекции с целью формирования результирующей последовательности электрических сигналов, которые учитывают другие условия и свойства, влияющие на показатели прочности на сжатие, причем упомянутые условия и свойства включают, предпочтительным образом, локальные механические напряжения.

Для формирования электрических сигналов коррекции напряжения, предназначенных для выполнения вышеупомянутой операции коррекции с целью учета локальных напряжений горной породы, предусматривается проведение контроля в условиях создания боковых локализующих воздействий второго множества образцов горной породы с литологическими данными, аналогичными литологическим данным первых образцов, причем по крайней мере для некоторых из этих вторых образцов имеют место различные показатели пористости. И снова, как и прежде, для каждого из подобных образцов определяются локальные показатели прочности на сжатие и показатели пористости. При этом предусматривается формирование третьей последовательности пар электрических сигналов локальной прочности на сжатие и электрических сигналов пористости, которые в дальнейшем обрабатываются таким образом, чтобы определить посредством экстраполяции дополнительные подобные пары электрических сигналов и сформировать четвертую последовательность электрических сигналов, соответствующих функциональной зависимости локальной прочности на сжатие от пористости. Эта четвертая последовательность электрических сигналов может в дальнейшем использоваться в качестве результирующей последовательности электрических сигналов, последнее при условии, что не требуется производить ее коррекцию для учета других условий и свойств горной породы. И снова, как и прежде, может быть осуществлен учет остаточных эффектов, связанных с предшествующими напряжениями, последнее посредством определения кривой, представляющей собой графическую интерпретацию четвертой последовательности электрических сигналов и соответствующей верхней периферийной части совокупности информационных точек, соответствующих третьей последовательности электрических сигналов.

Электрические сигналы коррекции также могут соответствовать функциональным зависимостям, описывающим характер изменений показателей прочности на сжатие под влиянием других условий, например, таких, как угол падения и/или температура горной породы, при этом снова, как и прежде, предусматривается учет влияния остаточных эффектов, связанных с предшествующими воздействиями напряжении.

В любом случае процедура анализа предпочтительным образом повторяется для по меньшей мере еще одной литологической структуры, после чего две результирующих последовательности электрических сигналов могут использоваться для целей моделирования реальных показателей прочности на сжатие горной породы для множества позиций вдоль направления прохождения скважины в горной породе, содержащей упомянутые литологические структуры, непосредственно перед бурением и/или в реальном масштабе времени, т.е. в процессе бурения упомянутой скважины. Результаты подобного моделирования, в свою очередь, могут использоваться для целей подготовки и/или периодической коррекции плана бурения скважины вдоль упомянутого направления. Подобный план бурения может предусматривать такие действия, как выбор бура для прохождения посредством бурения различных промежутков скважины, выбор величины нагрузки на бур и скорости его вращения и, возможно, задание других параметров. Эти другие параметры на практике могут даже включать задание точным образом профиля или направлений бурения скважины. Так, в частности, результаты моделирования показателей прочности на сжатие могут указывать на факт нестабильности скважины, т.е. на возможность образования впадин для некоторых позиций вдоль первоначально заданного в горной породе направления, при этом имеется возможность, опять-таки на основе использования смоделированных показателей прочности на сжатие для различных позиций, несколько изменить направление прохождения скважины для того, чтобы избежать возникновения подобных проблем.

Следует отметить, что подробное описание некоторых частных наиболее предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, в которых предусматривается практическое использование упомянутого выше способа анализа прочности на сжатие горной породы, можно найти в материалах патентных заявок, испрошенных на имя тех же авторов и озаглавленных соответственно "Способ проведения анализа условий прохождения и параметров состояния нисходящих скважин" и "Способ регулирования условий бурения скважин буром", поданных одновременно с настоящей патентной заявкой и использующихся в данном описании для ссылочных целей. Тем не менее, следует особо подчеркнуть, что способ проведения анализа прочности на сжатие горной породы, в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться и в рамках других способов выбора буров для целей бурения, нагрузок на бур и скоростей его вращения, а также задания целого ряда других параметров для осуществления бурения скважин. Следует также отметить, что способы анализа прочности горной породы могли бы просто использоваться в сочетании с опытом оператора для целей выработки рекомендаций по прохождению скважины и помощи оператору в принятии им правильных и оптимальных решений.

В любом случае при осуществлении моделирования в реальном масштабе времени предусматривается определение показателей для различных позиций вдоль заданного направления в горной породе, включая и такие показатели, как пористость и другие физические свойства, аналогичные тем, которые использовались для формирования вышеупомянутых электрических сигналов коррекции. При этом предусматривается формирование соответствующих электрических сигналов и их обработка с целью формирования результирующей последовательности электрических сигналов, позволяющей определять реальные показатели прочности на сжатие горной породы для соответствующих позиций.

Следует отметить, однако, что для формирования электрических сигналов, соответствующих упомянутым показателям прочности, оказывается необходимым учитывать, предпочтительным образом, и другие условия, характерные для заданного направления прохождения в горной породе. Эти условия могут включать различие давлений между жидкой средой в скважине и жидкой средой в окружающей геологической формации ("нарушение равновесного состояния"), присутствие дополнительных напряжений, связанных с влиянием покрывающего пласта, и/или присутствие дополнительных напряжений, связанных с присутствием локального поля напряжений в геологических формациях.

Другие различные свойства, признаки и преимущества настоящего изобретения и/или предпочтительные варианты его реализации станут более понятными из приводящегося ниже его подробного описания, сопутствующих чертежей и формулы изобретения.

На фиг. 1 приведена диаграмма, позволяющая в общем случае проиллюстрировать пример реализации настоящего изобретения.

На фиг. 2 графически проиллюстрирован характер изменения параметров горной породы при воздействии механических напряжений.

На фиг. 3 графически проиллюстрированы первая, вторая, третья и четвертая последовательности электрических сигналов.

На фиг. 4 графически проиллюстрирован, по аналогии со случаем, проиллюстрированным на фиг. 3, принцип определения наиболее приемлемой кривой для нетипичного варианта реализации.

На фиг. 5 графически проиллюстрирована процедура, связанная с формированием электрических сигналов коррекции, позволяющих учесть относительный угол падения, для случая горной породы с относительно небольшими показателями пористости.

На фиг. 6 графически проиллюстрирована процедура, аналогичная проиллюстрированной на фиг. 5, для случая горной породы с относительно большими показателями пористости.

На фиг. 7 графически проиллюстрирована процедура, аналогичная проиллюстрированной на фиг. 5 и связанная с формированием электрических сигналов коррекции, позволяющих учесть температуру, для случая горной породы с относительно небольшими показателями пористости.

На фиг. 8 графически проиллюстрирована процедура, аналогичная проиллюстрированной на фиг. 7, для случая горной породы с относительно большими показателями пористости.

Перед переходом к детальному описанию настоящего изобретения весьма полезным оказывается напомнить некоторые характеристики осадочной горной породы, подвергающейся воздействию механических напряжений.

Типичная кривая, характеризующая связь напряжения и деформации для осадочной горной породы, приведена на фиг. 2. Эта кривая имеет четыре характерных участка: OA, AB, BC и CD. Величина напряжения к точке C принимается соответствующей прочности на сжатие вдоль одной оси или пределу пластичности и соответствует максимальной величине напряжения, которое может выдерживать конкретный образец горной породы без разрушения (без нарушения его структуры). На участках OA и AB горная порода демонстрирует в полной мере свои упругие свойства. Последнее означает, что при создании нагрузки, соответствующей этим участкам кривой, и ее последующем снятии результирующие остаточные деформации оказываются пренебрежимо малыми. Точка B, принимаемая в данном случае за предел текучести или предел упругости, является своего рода переходной точкой, указывающей на момент перехода из области OB, демонстрирующей реализацию упругих свойств, в область BC, подобных свойств уже не демонстрирующей. Механические воздействия на горную породу, приводящие к созданию напряжений, по величине соответствующих области пластичности BC, всегда влекут за собой появление остаточных деформаций (после снятия нагрузки) и могут являться причиной разрушения структуры. При повторном приложении нагрузки к горной породе изменения ее свойств могут происходить уже в соответствии с другой зависимостью, которая будет совпадать с исходной только в области пластичности BC (вплоть до точки C). При этом, несмотря на тот факт, что горная порода оказывается деформированной, она все-таки сохраняет первоначальные показатели прочности (если, конечно, не разрушается). В области пластичности BC горная порода может испытывать постоянные деформации без потери своей способности выдерживать максимальную нагрузку (хотя, как это уже упоминалось ранее, это происходит далеко не во всех случаях, что связано с возможными разрушениями структуры). Область CD в данном случае соответствует области хрупкости. В этой области возможности горной породы выдерживать нагрузку быстро ухудшаются с увеличением деформации. Другими словами, хрупкие горные породы демонстрируют постоянное ухудшение показателей прочности, причем последовательно сменяющие друг друга циклы создания нагрузки и ее снятия еще более ослабляют структуру горной породы. Ослаблению структуры горной породы в области хрупкости во многом способствует образование микротрещин. При этом можно даже сказать, что горная порода в области хрупкости пребывает постоянно в состоянии разрушения. При величине напряжения, соответствующей точке D, обычно происходит полное разрушение горной породы, если, конечно, оно не произошло на более ранних стадиях.

Обратимся теперь к фиг. 1 и к описанию собственно самого настоящего изобретения на одном из предпочтительных примеров его реализации. В рамках этого примера реализации обеспечивается возможность моделирования прочности на сжатие горной породы вдоль заданного направления прохождения скважины. Для большей наглядности на фиг. 1 показан бур 14, с помощью которого начато бурение скважины 12 вдоль упомянутого направления, которое в общем случае обозначено линией 1. Однако, как это будет более подробно пояснено ниже, описываемый способ моделирования мог бы использоваться и на более ранней стадии, т. е. до начала бурения и/или, в реальном масштабе времени, в процессе бурения скважины.

В любом случае еще до начала процедуры реального моделирования требуется в соответствии с настоящим изобретением проведение по меньшей мере одного анализа показателей прочности. Для осуществления подобного анализа предусматривается проведение контроля для первого множества образцов горной породы для случая литологической структуры, присутствующей вдоль заданного направления 1, как это проиллюстрировано блоком 16. Литологические данные для контролируемых образцов (блоком 16) соответствуют относительно чистой породе, т.е. соответствуют реальной сланцевой породе или песчанику, при этом специалисты в области геологии могли бы классифицировать эти данные, как соответствующие естественным горным породам. Литологические обследования в данном случае проводятся только вдоль заданного направления 1. При необходимости и при наличии достаточного числа образцов (кернов), собранных в конкретной области, контролируемые образцы могут соответствовать именно той области, где планируется прохождение скважины 14, а результирующие методы анализа, на которых основывается процедура моделирования, могли бы ориентироваться на использование определяемых оптимальным образом локальных кривых регрессии и соответствующих последовательностей электрических сигналов. Тем не менее, проведенные в связи с созданием настоящего изобретения исследования показали, что подобные усложнения являются излишними, поскольку образцы для определенных литологических структур, полученные для различных областей, обычно приводят к по существу идентичным результатам.

В рамках блока 16 в данном случае показан в качестве примера только один образец 18, однако представляется очевидным, что аналогичные методы контроля могут быть реализованы и в отношении каждого из образцов в рамках первого множества образцов горной породы. Так, в частности, в результате проведения упомянутого контроля для каждого образца могут быть определены соответственно показатели прочности на сжатие и пористости. Показатели пористости могут определяться в соответствии с одним из нескольких существующих стандартных методов, хорошо известных в данной области техники. Показатели прочности на сжатие определяются посредством приложения, вплоть до момента разрушения, к образцу сжимающего усилия, ориентированного параллельно центральной оси образца, как это показано стрелками в блоке 16. Величина усилия, при котором происходит разрушение образца, в данном случае обозначена с помощью символа σ₁ и, по существу, соответствует показателю прочности на сжатие образца горной породы. Разрушение образца будет происходить вдоль плоскости, показанной с помощью прерывистой линии f, являющейся характерной для литологической структуры и представляющей собой плоскость, в которой наблюдаются наибольшие напряжения. Первое множество образцов контролируется в условиях отсутствия воздействующих на них локализующих сжимающих усилий и, следовательно, не удерживаются с боковых сторон в условиях приложения усилия σ₁.

Как показано на фиг. 1, образцы имеют цилиндрическую форму и вырезаются, для целей проведения контрольных операций, проиллюстрированных с помощью блока 16, таким образом, чтобы ориентация слоев горной породы или плоскости напластования 20 обеспечивалась перпендикулярной оси этого цилиндра. Исходные образцы (керны) должны тщательным образом вырезаться и подготавливаться в соответствии с требованиями к стандартным размерам контрольных образцов, при этом особая осторожность требуется для того, чтобы не разрушить эти образцы в процессе их обрезания до нужных размеров. Следует отметить, что существуют и другие критерии для корректного проведения контроля показателей прочности горной породы, которые подробным образом описываются в многочисленных печатных работах, доступных для специалистов в данной области техники, и которые в настоящем описании подробно приводиться не будут.

Поскольку прочность на сжатие весьма заметным образом зависит от характера интергранулярных связей между компонентами горной породы, а пористость породы как раз и является мерой, характеризующей подобного рода связи, показатель пористости предлагается использовать в качестве основного критерия или переменной для целей определения прочности породы на сжатие. Подобный критерий не только является более точным в сравнении с другими критериями, известными в данной области техники, но и оказывается более простым в реализации и более удобным с практической точки зрения, поскольку, как уже отмечалось выше, показатели пористости оказывается весьма просто определять в лабораторных условиях, а также в ходе рутинных процедур, выполняемых в процессе бурения скважин.

После проведения контроля для всех первых образцов горной породы и определения для них соответствующих показателей прочности на сжатие и пористости предусматривается формирование для целей обработки компьютером 24 первой последовательности пар электрических сигналов прочности на сжатие и электрических сигналов пористости, как это показано линией 25 на фиг. 1. При этом электрические сигналы каждой подобной пары соответствуют показателям прочности на сжатие и пористости для конкретного первичного образца горной породы.

Обратимся теперь к фиг. 3. Нижняя "совокупность" информативных точек 22 (показаны в виде ромбов) соответствует парам значений показателя прочности на сжатие и показателя пористости, определенным для конкретных первых образцов и представленным в декартовых координатах в виде графической зависимости между прочностью на сжатие и пористостью.

На протяжении всего настоящего описания при упоминании числовых значений, и/или их графических интерпретаций, и/или результатов расчетов или каких-либо иных преобразований с этими значениями или интерпретациями следует считать, что подобные преобразования могут реализовываться посредством обработки соответствующих электрических сигналов с использованием соответствующим образом запрограммированного или сконфигурированного компьютера, например подобного компьютеру 24. Обратимся снова к фиг. 3. Из фиг. 3 следует, что для образцов с весьма близкими показателями пористости в результате контроля были получены различные показатели прочности на сжатие. Последнее связано с тем, что при сборе и подготовке образцов оказывается совершенно необходимым прикладывать, по крайней мере к частям образцов горной породы, например по крайней мере к периферийным областям образцов горной породы, определенные механические напряжения, которые по величине могут соответствовать пределу пластичности или величине прочности на сжатие вдоль одной оси (см. подробнее на фиг. 2 точку C), при этом все образцы подвергаются упомянутым воздействиям в различной степени. Подобные явления в настоящем описании часто будут упоминаться в виде "остаточных эффектов, являющихся следствием предшествующих напряжений", образцов горной породы.

Основной целью на том этапе анализа для компьютера 24, соответствующим образом запрограммированного и сконфигурированного для решения задач, которые будут более подробно описаны ниже, является обработка пар электрических сигналов 22 первой последовательности для определения посредством экстраполяции дополнительных подобных пар электрических сигналов и формирования второй последовательности электрических сигналов, соответствующих функциональной зависимости между прочностью на сжатие, в отсутствие локальных воздействий, и пористостью.

Для типичных методов анализа в соответствии с известным уровнем развития техники, ориентирующихся на использование показателей пористости или каких-либо иных базовых переменных, обычно предусматривалось в условиях обработки подобной "совокупности" информативных точек определение функциональной зависимости, графически интерпретируемой в виде кривой, проходящей через середину (по вертикали) этой совокупности. Однако в соответствии с настоящим изобретением с целью учета упоминавшихся выше остаточных эффектов, вызванных предшествующими напряжениями, создававшимися в процессе сбора и подготовки образцов горной породы, вторая последовательность задается таким образом, чтобы ее графическая интерпретация имела вид кривой типа кривой m_u, проходящей непосредственно вдоль верхней периферийной части совокупности информативных точек 22. (В рамках данного описания термин "соответствующий" используется в смысле "функционально связанный", например, при установлении соответствия электрического сигнала физическому явлению (или величине), электрического сигнала другому электрическому сигналу или физического явления (или величины) другому физическому явлению (или величине); в случае установления связи между электрическим сигналом и физическим явлением (или величиной) термин "точно соответствующий" будет означать, что электрический сигнал преобразуется или сводится точно к этой величине, характеризующей физическое явление или эффект, или к соответствующим данным.) В соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что кривая m_u в общем случае будет отвечать соотношению вида: σ_u= Scσ_umax+(1-S_c)σ_umin, (1) где S_c= (1-φ/φ_max)α, (2) σ_u = прочность на сжатие в условиях отсутствия локализующих воздействий, σ_umax = максимальное значение показателя прочности на сжатие в условиях отсутствия локализующих воздействий (и нулевых значений показателя пористости), σ_umin = минимальное значение показателя прочности на сжатие в условиях отсутствия локализующих воздействий (и максимальных значений показателя пористости), φ = показатель пористости, φ_max = максимальное значение показателя пористости,
α - минералогический показатель.

Следует отметить, что переменная S_с определяется в данном случае в виде "эффективного показателя твердости". Соотношение (2) представляет собой удобное математическое представление, поскольку, с теоретической точки зрения, если показатели пористости горной породы имеют тенденцию достигать их максимальных значений, интергранулярные связи между фрагментами породы будут практически полностью отсутствовать, что, соответственно, будет приводить к нулевым значениям показателя прочности на сжатие, т.е., другими словами, горная порода просто развалится на фрагменты; приведенное выше соотношение для переменной S_с может приводить и к минимальному, т.е. нулевому, значению для случая, когда показатель пористости соответствует максимальному значению. Следует также отметить, что минералогический показатель α определяется эмпирическим путем и оказывается различным для различных литологических структур.

Поскольку соотношение (2) позволяет в общем случае определить вид кривой m_u, как это проиллюстрировано на фиг. 3 в виде спадающей логарифмической кривой, показатель α может рассматриваться как величина, которая характеризует степень вогнутости кривой по отношению к прямой линии (не показана), соединяющей концы кривой m_u. При этом один из подходов состоит в использовании компьютера 24 для целей итеративной обработки электрических сигналов, потенциально соответствующих величине φ_max, а также парам значений для переменных σ_umax и σ_umin с целью формирования нескольких потенциальных вторых последовательностей в соответствии с видом кривой, проиллюстрированным соотношением (1), при этом выводимые графические данные (как это проиллюстрировано блоком 17) или другие выводимые данные позволяют воспроизвести в декартовых координатах подобную кривую, характеризующую зависимость между прочностью на сжатие и пористостью, наряду с упомянутыми информативными точками, например подобными точкам 22, соответствующими парам электрических сигналов первой последовательности, и последующего определения такой потенциальной второй последовательности, результирующая выводимая кривая для которой, как это несложно проследить визуальным образом, наилучшим образом соответствует, или располагается практически рядом с, верхней периферийной части совокупности информативных точек, как это опять-таки несложно видеть из фиг. 3.

Для дальнейшего пояснения значения термина "соответствия" верхней периферийной части совокупности информативных точек обратимся теперь к фиг. 4. Из фиг. 4 несложно видеть, что кривая m'_u, соответствующая по форме известной зависимости, располагается весьма близко к верхней периферийной части совокупности информативных точек, но одновременно, по существу, проходит лишь через две подобные информативные точки, в частности через точки 22'' и 22', а также в непосредственной близи от третьей точки 22'''. В данном случае на фиг. 4 проиллюстрировано два важных момента. Во-первых, основная масса информативных точек в совокупности располагается существенно ниже кривой m'_u при этом в соответствии с общепринятым подходом информативные точки 22', 22'' и 22''' вполне могут рассматриваться для всей совокупности в качестве точек выбросов и исключаться из анализируемых данных, в результате чего соответствующая типичная кривая неизбежно прошла бы через центр совокупности информативных точек, что, естественно, привело бы к значительному ухудшению результатов анализа. Однако проведенные экспериментальные исследования показали, что именно кривая m'_u соответствует достоверным электрическим сигналам в последовательности для заданной совокупности информативных точек. Во-вторых, на практике нет никакой необходимости, а, кстати, иногда это просто и не представляется возможным, в прохождении подобной кривой, имеющей определенную форму и в наилучшей степени соответствующей упомянутой совокупности, через все наиболее значимые (верхние) информативные точки. В подобном случае кривая не будет точным образом проходить через точку 22''', а на самом деле будет располагаться ниже этой точки, обеспечивая, тем не менее, наилучшее соответствие верхней периферийной части заданной совокупности информативных точек и одновременно сохраняя вид спадающей логарифмической зависимости.

Вышеописанный способ предусматривает использование комбинации из операции итеративной обработки упомянутых электрических сигналов, выполняемой компьютером 24, и операций интерактивного взаимодействия между компьютером и самим оператором, т.е. операций, связанных с визуальным контролем оператором кривых, отвечающих различным потенциальным вторым последовательностям электрических сигналов и располагающихся различным образом по отношению к совокупности информативных точек, для выбора наиболее оптимальной из них. В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения может оказаться возможным запрограммировать или сконфигурировать компьютер 24 таким образом, чтобы он самостоятельно выполнял все вышеупомянутые операции выбора.

В любом случае, посредством задания кривой m_u или m'_u, в наилучшей степени соответствующей верхней периферийной части совокупности информативных точек, удается обеспечить такую ситуацию, когда именно те образцы горной породы, которые были в наименьшей степени подвержены разрушениям в ходе их сбора и подготовки, будут использованы для определения вида взаимосвязи, описываемой соотношением (1), а те образцы, которые подверглись заметным повреждениям, будут просто исключены из рассмотрения. Таким образом, могут быть учтены остаточные эффекты, являющиеся следствием предшествующих напряжений, создававшихся в образцах горной породы, в результате чего удается более точно провести анализ для определения реальных показателей прочности горной породы на сжатие, в условиях отсутствия локализирующих воздействий, для соответствующих литологических структур, т.е. тех самых показателей прочности, которые будут наблюдаться в естественных условиях (так называемая прочность нетронутой горной породы).

Обратимся снова в фиг. 3, из которой следует, что информативные точки 22 не включают точек, для которых показатели пористости φ соответствуют нулю и для которых, следовательно, величина показателя прочности на сжатие σ является максимальной. Аналогичным образом, в рассмотрении отсутствуют точки 22, для которых показатели пористости φ соответствуют максимальному значению, а величина σ , как это отмечалось выше, соответствует нулю. Следует отметить, однако, что для описанной выше процедуры обработки представляется весьма желательным формировать последовательность электрических сигналов, отвечающую кривой m_u, таким образом, чтобы она учитывала такого рода максимальные и минимальные значения пористости, а определение пар показателей прочности σ_umax и σ_umin производить таким образом, чтобы кривая m_u, которая, как будет пояснено ниже, используется для целей моделирования, перекрывала все возможные на практике случаи.

Кроме того, весьма важным оказывается ограничить вторую последовательность электрических сигналов и соответствующую функциональную зависимость, описываемую кривой m_u, максимальной величиной показателя пористости, как это показано с помощью линии 1_b. В результате появляется возможность построения более адекватной модели, чем в том случае, когда кривая m_u спадает вплоть до пересечения ее с осью φ на фиг. 3. Последнее имеет место вследствие того, что та точка, в которой кривая могла бы пересечь эту ось φ должна была бы интерпретироваться в качестве точки с нулевым значением прочности на сжатие и максимальным значением пористости, соответствующим ста процентам (100%). Следует отметить, однако, что подобные условия никогда не реализуются в естественных горных породах. И действительно, любая из горных пород, существующая в естественных условиях, просто распалась бы на фрагменты, если бы показатели пористости и показатели прочности на сжатие для нее достигли соответственно максимального и минимального значений, причем разрушение произошло бы еще в условиях больших значений для параметра σ и меньших значений для параметра φ. Аналогичным образом, причиной того, что эффективная величина твердости S_c была определена именно в упомянутом выше виде, вместо того, чтобы быть представленной в общепринятом виде, т.е. в виде 1-φ, является требование по обеспечению соответствия с этой величиной S_с нулю в условиях максимального значения показателя пористости, последнее, кстати, и для того, чтобы наиболее точным образом описать поведение горной породы в естественных условиях.

Хотя, в соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, вторая последовательность электрических сигналов, соответствующих соотношению (1) и кривой m_u, может свободно использоваться для целей моделирования или по крайней мере для формирования "приблизительной оценки" различных условий, которые должны быть проанализированы в процессе подготовки плана бурения скважины, представляется более предпочтительным, чтобы взаимосвязь, описываемая соотношением (1), а следовательно, и соответствующая вторая последовательность электрических сигналов, могла корректироваться с учетом различных условий и факторов, которые оказывают влияние на показатели прочности на сжатие горной породы. Другими словами, соотношение (1) и кривая m_u позволяют описывать поведение горной породы только при некоторых типовых условиях. Таким образом, предусматривается также формирование электрических сигналов коррекции, соответствующих значениям влияющих переменных, и обработка этих электрических сигналов коррекции совместно с электрическими сигналами второй последовательности для целей формирования результирующей последовательности электрических сигналов, соответствующей скорректированным показателям прочности на сжатие, которые в этом случае будут пребывать в функциональной зависимости не только от показателей пористости, но и от других упомянутых выше условий.

Одним из наиболее важных факторов, для которого следовало бы произвести подобную коррекцию, является, предпочтительным образом, эффект присутствия локального напряжения в горной породе, что часто реализуется в естественных условиях. Для коррекции соотношения (1) и соответствующей последовательности электрических сигналов с учетом влияющего локального напряжения может быть использована следующая процедура.

Подобной процедурой предусматриваются сбор и подготовка, как это было пояснено в связи с описанием функций блока 16, второго множества образцов горной породы, с, по существу, теми же литологическими данными, что и для образцов первого множества. Как проиллюстрировано блоком 26, для этих вторых образцов, один из которых в блоке 26 обозначен цифрой 28, производятся аналогичные операции контроля показателей прочности на сжатие посредством приложения к ним сжимающего усилия в осевом направлении, как это показано соответствующими стрелками, до полного разрушения образца, которое происходит при величине сжимающего усилия σ. Однако при проведении подобного контроля образцы поддерживаются с боковых сторон посредством приложения к ним локализующего усилия σ₃, как это показано с помощью соответствующих векторов. На данный момент настоящее описание будет ориентироваться на использование совокупности результатов подобного контроля, производящегося в условиях применения одного конкретного локализующего давления σ₃, хотя, как будет более подробно пояснено ниже, эта процедура, предпочтительным образом, должна была бы повторяться и для других совокупностей вторых образцов с использованием других значений локализующих давлений. Конечно же, как и в случае с проведением контроля первых образцов, перед контролем прочности на сжатие для каждого из образцов определяется соответствующий показатель пористости.

Соответственно, как и прежде, предусматривается определение для каждого образца показателя локальной прочности на сжатие σ₁ и показателя пористости φ . После этого предусматривается формирование третьей последовательности электрических сигналов локальной прочности на сжатие и электрических сигналов пористости, которые совместным образом обрабатываются компьютером 24, как это показано линией 30. Электрические сигналы для каждой подобной пары отвечают соответственно величине локальной прочности на сжатие и величине пористости для конкретного второго образца, при этом упомянутые пары электрических сигналов графически интерпретируются информативными точками 32 (в виде квадратов) на фиг 3. Эта третья последовательность пар электрических сигналов обрабатывается компьютером 24 с целью определения посредством экстраполяции дополнительных подобных пар электрических сигналов и формирования четвертой последовательности электрических сигналов, соответствующих функциональной зависимости между локальной прочностью на сжатие и пористостью, которая графически проиллюстрирована в виде кривой m_c. При этом, как и прежде, подобная кривая может выводиться в виде выходных данных 17 компьютером 24.

Поскольку минералогический показатель α будет оставаться постоянным для всех образцов горной породы, соответствующих конкретной литологической структуре, как проконтролированных в условиях отсутствия локализующих воздействий, так в условиях их присутствия, и поскольку параметр α уже будет определен в процессе формирования последовательности электрических сигналов, соответствующей кривой m_u, кривая, например в виде кривой m_c, может задаваться соответствующей верхней периферийной части совокупности информативных точек 32, при этом не будет возникать необходимости в выполнении итеративных операций в отношении слишком большого числа переменных. Так, в частности, кривая m_c, соответствующая ей функциональная зависимость, а также четвертая последовательность электрических сигналов могут рассматриваться в качестве скорректированной кривой m_u, соответствующей ей функциональной зависимости и соответствующей четвертой последовательности электрических сигналов, соответственно, и может на практике использоваться в качестве вышеупомянутой результирующей последовательности электрических сигналов, последнее в том случае, если локальное напряжение является единственным фактором, для которого требуется скорректировать соотношение (1). В соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что эта четвертая последовательность электрических сигналов, если рассматривать ее в качестве скорректированного варианта второй последовательности электрических сигналов, т.е. в качестве результирующей последовательности электрических сигналов, будет соответствовать соотношению вида:

где σ_c = локальная прочность на сжатие,
σ₃ = локализующее усилие,
σ_3max = максимальная величина локализующего усилия, прикладывающегося к образцам в процессе лабораторного контроля,
β = показатель зависимости для главного напряжения,
Δσ_max = максимальное увеличение показателя прочности горной породы в условиях нулевого показателя пористости и максимального локализующего усилия (φ = 0, σ₃= σ_3max),
Δσ_min = минимальное увеличение показателя прочности горной породы в условиях максимального значения показателя пористости и максимального локализующего усилия (φ = φ_max, σ₃= σ_3max).

Следует отметить, что параметры в соотношении (3), которые связаны с изменениями переменных, например параметры Δσ_max и Δσ_min/ , соответствуют изменениям по отношению к показателю прочности на сжатие, определяющемуся в условиях отсутствия локализующих воздействий при тех же значениях показателя пористости. Кроме того, выражение (σ₃/σ_3max) могло бы быть скорректировано в соответствии с типовыми условиями для полного приведения его в соответствие с теорией, однако в данном случае это не было сделано для целей большей наглядности, а также по той причине, что различия в данном случае оказываются пренебрежимо малыми.

Хотя представляется весьма важным ограничить кривую m_c максимальными значениями показателя пористости (и соответствующими минимальными значениями показателя прочности на сжатие), последнее по тем же соображениям, которые были рассмотрены в связи с кривой m_u в описанном выше иллюстративном примере реализации, эта операция к определенному моменту уже будет выполнена, поскольку максимальная величина показателя пористости для конкретной литологической структуры является величиной постоянной и не изменяется при изменениях величины локализующего давления или напряжения.

На этом этапе следует также отметить, что, в то время как еще продолжается обсуждение процедуры построения кривой наилучшего соответствия, например подобной кривой m_c, для заданной совокупности вторых образцов, проконтролированных в условиях одного значения локализующего давления σ₃, предусматривается также контроль вышеупомянутым образом и других совокупностей вторичных образцов, но, соответственно, при других значениях локализующего давления σ₃, с тем, чтобы привнести оба параметра σ₃ и σ_3max в соотношение (3). Величина параметра σ_3max соответствует максимальной величине локализующего давления, используемой при проведении контрольных операций. (В данном случае полагается, что параметр σ_3max для операций контроля задается по величине большим любого локального напряжения, имеющего место в условиях реальной горной породы и моделируемого с помощью вышеупомянутых процедур, однако величина этого параметра не должна задаваться значительно превышающей эти реальные значения локальных напряжений; при этом в соответствии с менее предпочтительными примерами реализации настоящего изобретения параметр σ_3max в соотношении (3) может быть заменен любым заданным значением одного из локализующих давлений, используемых при осуществлении контроля образцов.)
Вернемся теперь снова к процедуре определения кривой, в наилучшей степени отвечающей верхней периферийной части совокупности информативных точек, например подобных точкам 32, в условиях, когда показатель α считается уже известным; представляется более простым начать рассмотрение с этой совокупности информативных точек и соответствующих электрических сигналов, которые образуются в результате контроля образцов при величине локализующего давления, равной σ_3max, при этом будем полагать, что точка 32 относится к упомянутой совокупности. На данный момент зададим показатель β = 1. Как отмечалось выше, показатель β (который входит в соотношение для определения переменной S_c) оказывается известным в результате выполнения предшествующих операций процедуры, описанных в связи с соотношением (1), а форма кривой m_c также оказывается известной из соотношения (3). Следовательно, для обеспечения наилучшего соответствия кривой m_c верхней периферийной части совокупности информативных точек 32, являющихся результатом контрольных операций, выполненных в условиях максимального локализующего давления σ_3max, можно просто выполнять операцию итерации в отношении параметров Δσ_max и Δσ_min до тех пор, пока визуально не будет найден наиболее удачный вариант для этой кривой. Таким образом, в то время как форма кривой m_c может быть выведена в виде выходных данных 17 по результатам совместной обработки электрических сигналов, соответствующих информативным точкам 32, совместно с электрическими сигналами, соответствующими соотношению (1), окончательный выбор кривой и определение окончательных значений для параметров Δσ_max, Δσ_min, σ_omax (см. фиг. 3) и σ_omin могут быть наилучшим образом осуществлены в режиме интерактивного визуального взаимодействия оператора с компьютером. В данном случае также полезно отметить, что в тех случаях, когда, как было отмечено выше, кривая m_c соответствует информативным точкам совокупности, полученным по результатам контроля в условиях максимального локализующего давления, значение параметра Δσ_max может быть визуализировано в виде расстояния между точками σ_umax и σ_omax на фиг. 3 и, аналогичным образом, значение параметра Δσ_min может быть визуализировано в виде расстояния между точками σ_umin и σ_omin.

Как уже упоминалось выше, предусматривается проведение контроля для нескольких совокупностей вторых образцов, каждый раз при соответствующем локализующем давлении σ₃. До этого момента проводилось обсуждение порядка формирования четвертой последовательности электрических сигналов, соответствующих кривой вида m_c только для одной из этих упомянутых совокупностей, т.е. для той совокупности, которая была проконтролирована в условиях максимальной величины локализующего давления. Теперь предположим, что предусматривается формирование вышеупомянутым образом альтернативных четвертых последовательностей электрических сигналов уже для нескольких упомянутых совокупностей контрольных образцов, при этом показатель β в соотношении (3) по прежнему будет соответствовать единице, а вместо параметра σ_3max будет использоваться та реальная величина локализующего давления, которая применялась при контроле соответствующей совокупности вторых образцов. В результате выполнения этой процедуры будут формироваться соответствующие альтернативные последовательности электрических сигналов, которые соответствуют кривым (не показаны) определенной формы или профиля, отвечающим конкретным совокупностям информативных точек (не показаны). Тем не менее, если для рассматриваемой литологической структуры реальная величина показателя β соответствует единице, эти альтернативные кривые не будут располагаться поблизости от верхних периферийных частей соответствующих совокупностей информативных точек. Следовательно, придется определять, итеративным образом, значение для показателя β до тех пор, пока эти другие кривые не станут соответствовать верхней периферийной части соответствующих совокупностей информативных точек. В результате будет определена посредством итераций окончательная величина для показателя β, при которой упомянутые кривые будут наилучшим образом соответствовать верхним периферийным частям соответствующих совокупностей информативных точек. В результате удается определить окончательную величину для показателя β, при которой соотношение (3) будет оставаться корректным для любых возможных локализующих напряжений, а также приобретет статус соотношения, соответствующего результирующей последовательности электрических сигналов, последнее в том случае, если локальное напряжение является единственным фактором, для которого осуществляется коррекция последовательности электрических сигналов, соответствующей соотношению (1).

В рассмотренном выше примере реализации настоящего изобретения, носящем иллюстративный характер, все действия, связанные с данными, полученными в рамках блока 26, и соответствующими электрическими сигналами, могут рассматриваться как часть процедуры по формированию достоверного соотношения (3), а следовательно, и формирования результирующей последовательности электрических сигналов (последнее даже в том случае, если требуется проведение коррекции для ряда других факторов, как будет более подробно пояснено ниже); при этом электрические сигналы, соответствующие информативным точкам, например подобным точкам 32 (имеется в виду третья последовательность электрических сигналов), кривые, например подобные кривой m_c (имеется в виду четвертая последовательность электрических сигналов), и/или значение показателях β могут рассматриваться в соответствии с целями настоящего изобретения в качестве "электрических сигналов коррекции напряжения". В соответствии с другими примерами реализации настоящего изобретения в процессе определения результирующей последовательности электрических сигналов могут использоваться и другие процедуры для коррекции, позволяющие учесть влияние локального напряжения. Так, например, вместо непосредственного использования соотношения (3) и соответствующей последовательности электрических сигналов оказывается возможным реализовывать аналогичную процедуру с использованием соотношения вида:
Δσ_c= [S_cΔσ_max+(1-S_c)Δσ_min](σ₃/σ_max)β, (4)
где Δσ_c - изменение показателя прочности горной породы вследствие воздействия локального напряжения,
и затем уже обрабатывать результирующие электрические сигналы на основе создания электронной модели, обеспечивающей сложение параметра Δσ_c из соотношения (4) с параметром σ_u из соотношения (1) с целью определения соответствующей результирующей последовательности электрических сигналов.

В соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения можно вообще контролировать только одну совокупность образцов 28 в условиях единственного значения локализующего давления σ₃, определять вид кривой, например подобной кривой m_c, посредством обработки информативных точек 32 и соответствующих им электрических сигналов точно таким же образом, как это описывалось выше для случая определения вида кривой m_u, и после этого просто использовать последовательность электрических сигналов, соответствующую этой единственной кривой m_c, в качестве результирующей последовательности электрических сигналов. Действительно, в соответствии с этими менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, последняя процедура может быть выполнена даже без предварительного проведения операций контроля в отсутствие локализующих давлений (см. блок 16) и сопутствующих им операций обработки данных. Тем не менее, следует иметь ввиду, что моделирование в условиях использования подобной последовательности электрических сигналов демонстрировало бы те же самые недостатки, которые имеют место при моделировании с использованием последовательности электрических сигналов, соответствующих соотношению (1) и кривой m_u, и которые состоят в том, что подобная модель будет оставаться справедливой и корректной только для одного из конкретных значений локального напряжения.

Соотношение (3) и соответствующая последовательность электрических сигналов могут, предпочтительным образом, корректироваться и далее для того, чтобы учесть те изменения в прочности на сжатие, которые связаны с изменением угла падения, характеризующего ориентацию плоскости напластования горной породы. Влияние различных углов ориентации на показатели прочности на сжатие горной породы может быть весьма ощутимым, особенно в случае со в значительной степени слоистыми горными породами, например, подобными сланцевым породам. Так, например, в прошлом наблюдались уменьшения прочности сланцевой породы до величины порядка 40 процентов, максимум, в условиях достижения критических относительных углов падения величиной порядка 55 градусов. Подобные критические углы часто реализуются в тех ситуациях, когда плоскости напластования горной породы совпадают по расположению с внутренней плоскостью f, соответствующей максимальному напряжения сдвига (см. подробнее блок 16 на фиг. 1). Таким образом, предусматривается формирование дополнительных электрических сигналов коррекции в виде электрических сигналов коррекции ориентации, которые соответствуют такого рода изменениям.

При этом предусматривается использование третьего множества образцов 36 с литологическими данными, аналогичными литологическим данным предшествующих образцов, и отличающимися только тем, что плоскости отложении или напластования 38 располагаются под некоторым углом к центральным осям используемых для целей контроля цилиндрических образцов.

В подобном случае предусматривается проведение контроля для нескольких совокупностей подобных образцов в условиях отсутствия локализующих давлений, как это проиллюстрировано блоком 34, при этом образцы в каждой совокупности характеризуются аналогичными показателями пористости φ, но различными углами ориентации плоскости напластования Θ. Предусматривается также формирование соответствующих электрических сигналов, представленных электрическими сигналами прочности на сжатие, электрическими сигналами пористости и электрическими сигналами угла ориентации плоскости напластования и обрабатываемых далее совместным образом компьютером 24, как показано линией 35.

На фиг. 5 графически проиллюстрирован характер изменения показателей прочности на сжатие при изменении относительного угла падения Θ в условиях конкретного значения пористости φ горной породы. (Для целей настоящего рассмотрения термин "относительный угол падения" будет использоваться для обозначения угла падения, образуемого по отношению к оси формируемой, посредством бурения, скважины, а не по отношению к поверхности земли. Если величина относительно угла падения Θ соответствует 0 градусов, то это означает, что плоскости напластования перпендикулярны к оси скважины; и, соответственно, если величина угла Θ соответствует 90 градусам, то плоскости напластования будут располагаться параллельно оси скважины.) В соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что зависимость вида Θ/σ может быть графически интерпретирована с помощью кривой, например подобной кривой m₀, и что эта кривая в общем случае соответствует соотношению вида:

где: для случая 0<Θ≅Θ_c:γ = (Θ/Θ_c)π/2, (6)
f₁= (σ_Θ=90° - σ_Θ=0)/σ_Θ=0 для нулевого значения пористости, (7)
f₂ = f₁, для максимального значения пористости, (8)
C_omax = f₁sinⁿ(γ), (9)
C_0min = f₂sinⁿ(γ), (10)
а для случая Θ_c<Θ≅90°:γ = π/2+(Θ-Θ_c)/(1-Θ_c2/π), (11)
f₃= (σ_Θ=90° - σ_Θ=0)/σ_Θ=0 для нулевого значения пористости, (12)
f₄ = f₃, для максимального значения пористости, (13)
C_0max = (f₁ + f₃)sinⁿ(γ) - f₃, (14)
C_0min = (f₂ + f₄)sinⁿ γ - f₄, (15)
и σ_co = прочность на сжатие, скорректированная с учетом локальных напряжений и ориентации,
C_0max = максимальная величина коррекции, учитывающая ориентацию в условиях нулевого значения показателя пористости,
C_0min = минимальная величина коррекции, учитывающая ориентацию в условиях максимального значения показателя пористости,
f₁ = максимальное уменьшение, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях критического относительного угла падения Θ = Θ_c в сравнении со случаем Θ = 0 градусов) и нулевого значения показателя пористости,
f₂ = максимальное уменьшение, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях критического относительного угла падения (Θ = Θ_c, в сравнении со случаем Θ = 0 градусов) и максимального значения показателя пористости,
f₃ = минимальное увеличение, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях расположения под углом падения Θ = 90^o, в сравнении со случаем Θ = 0 градусов) и нулевого значения показателя пористости,
f₄ = минимальное увеличение, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях расположения под углом падения (Θ = 90^o, в сравнении со случаем Θ = 0 градусов) и максимального значения показателя пористости,
Θ = относительный угол падения по отношению к оси скважины,
Θ_c = критический относительный угол падения, когда показатель прочности на сжатие снижается до минимального значения,
γ = аргумент функции синуса, определяемый для относительного угла падения и достигающий максимального значения π/2 при условии Θ = Θ_c,
σ_Θ = значение показателя прочности на сжатие для конкретного относительного угла падения Θ,
n = показатель степени в соотношениях для учета ориентации.

Для одной из совокупностей третьих образцов предусматривается формирование последовательности пар электрических сигналов, при этом электрические сигналы в каждой паре представлены соответственно электрическим сигналом относительного угла падения Θ и электрическим сигналом прочности на сжатие σ для заданного образца; следует отметить, что эти электрические сигналы могут выводиться в виде выходных данных 17 и в любом случае могут быть визуализированы, например, в виде информативных точек, подобных точкам 40 на фиг. 5. В условиях, когда общий вид соотношения (5) является известным, равно как и общий вид графически интерпретирующей его кривой, например, в виде кривой m₀ (образуется в результате сопряжения частей двух различных синусоид), появляется возможность определения кривой m₀ и соответствующей ей последовательности электрических сигналов (формируемых посредством обработки электрических сигналов, соответствующих информативным точкам 40) для верхней периферийной части совокупности информативных точек 40 посредством определения, в результате выполнения операций итерации, оценок для параметров f₁, f₂, f₃, f₄, Θ_c и n, последнее путем дальнейшей обработки упомянутых электрических сигналов и/или по крайней мере частичного вмешательства оператора, осуществляющего визуальный контроль и выбор графических интерпретаций, например подобных показанным на фиг. 5. Как уже отмечалось выше в другом контексте, при определении вида кривой, соответствующей верхней периферийной части совокупности информативных точек, учитываются остаточные эффекты, связанные с предшествующими напряжениями горной породы.

Если предусматривается проведение контроля только для двух совокупностей образцов, то подобный контроль, предпочтительным образом, должен проводиться в условиях близкого к нулю (этот случай проиллюстрирован на фиг. 5) и в условиях близкого к максимальному (этот случай проиллюстрирован на фиг. 6) значений показателя пористости. На фиг. 6 информативные точки, соответствующие электрическим сигналам относительного угла падения Θ и электрическим сигналам прочности на сжатие σ, а также соответствующие электрические сигналы для второй последовательности, показаны в виде информативных точек 42, а кривая, соответствующая верхней периферийной части совокупности этих информативных точек, на фиг. 6 показана в виде кривой m₀.

После того, как завершается определение по меньшей мере двух подобных кривых, а также производится определение, в результате выполнения операций итерации, соответствующих значений параметров, появляется возможность определить величины параметров C_0max и C_0min и сформировать соответствующие электрические сигналы, которые являются совершенно необходимыми для проведения расчетов по соотношению (5). Таким образом, электрические сигналы, соответствующие значениям параметров C_0max и C_0min, представляют собой окончательные электрические сигналы коррекции ориентации, а соотношение (5) позволяет определить результирующую последовательность электрических сигналов, последнее в том случае, если локальное напряжение и ориентация являются единственными факторами, для которых должна производиться коррекция. С концептуальной точки зрения, параметры C_omax и C_0min могут также рассматриваться в качестве факторов, которые используются для коррекции положения кривой m_c (см. фиг. 3) посредством смещения ее концов в вертикальном направлении, при этом параметр S_c адекватным образом преобразуется для всех промежуточных точек, в результате чего и образуется кривая, соответствующая результирующей последовательности электрических сигналов, формирующихся в результате расчета по соотношению (5). Как уже упоминалось выше и в соответствии с иллюстративным примером реализации настоящего изобретения, те операции контроля, которые производятся в рамках блока 34, соответствуют случаю отказа от использования локализирующих воздействий. Однако в соответствии с более сложными примерами реализации настоящего изобретения имеется возможность определять дополнительные данные посредством повторения вышеописанной процедуры для других совокупностей третьих образцов, контролируемых в условиях одного или большего числа значений локализующего давления (по сравнению с блоком 26).

Как и прежде, имеется возможность использования и эквивалентных методов обработки данных. Так, например, ниже приводится соотношение, которое соответствует комбинации электрического сигнала коррекции прочности на сжатие и электрического сигнала коррекции ориентации, которая весьма простым образом могла бы быть добавлена к соотношению (1) для получения результирующего соотношения и, к тому же, компьютер 24 мог бы создавать соответствующую электронную модель, посредством обработки электрических сигналов, соответствующих соотношениям (7) и (1), с целью формирования результирующей последовательности электрических сигналов (последнее опять-таки в том случае, если локальное напряжение и ориентация являются единственными факторами, для которых производится коррекция):

В соответствии с наиболее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения представляется также предпочтительным производить дальнейшую коррекцию показателей прочности на сжатие для учета изменений, связанных с температурой горной породы, при этом в соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что подобные температурные эффекты функционально связаны с локальным давлением в горной породе. Влияние температуры на прочность на сжатие на практике относительно невелико и может составлять, например, всего порядка 2-7% для большей части, но все-таки не для всех, литологических структур, представляющих практический интерес. Следовательно, для некоторых литологических структур влияние температуры может оказаться более значительным. Кроме того, в условиях относительно больших значений локализующих давлений температурные эффекты становятся более ощутимыми и, следовательно, более значимыми.

Благодаря выявленной зависимости между локальным напряжением и температурой, предусматривается, предпочтительным образом, проведение контроля для большого числа подмножеств четвертых образцов, как это проиллюстрировано блоком 44 на фиг. 1.

В соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что полностью скорректированная результирующая последовательность электрических сигналов (имеется в виду коррекция, произведенная для эффектов локального напряжения, эффектов ориентации и температурных эффектов) отвечает соотношению вида:

где

f₅ = величина снижения, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях максимальной температуры контроля и максимального локализующего напряжения
контроля (T = T_max, σ₃= σ_3max), а также максимального значения показателя пористости (φ = φ_max),
f₆ = величина снижения, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях максимальной температуры контроля и типовой величины давления (T = T_max, σ_з= 0), а также максимального значения показателя пористости (φ = φ_max),
f₇ = величина снижения, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях максимальной температуры контроля и максимального локализующего напряжения контроля (T = T_max, σ₃= σ_3max), а также нулевого значения показателя пористости (φ = 0),
f₈ = величина снижения, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях максимальной температуры контроля и типовой величины давления (T = T_max, σ₃= 0), а также нулевого значения показателя пористости (φ = 0), σ_cot = показатель прочности на сжатие, скорректированный с учетом локального напряжения, ориентации и температуры горной породы,
T_max = максимальная температура в условиях контроля,
T_s = типовая температура,
T = температура,
a = величина показателя зависимости давление/прочность,
b = величина показателя зависимости температура/прочность.

Процедура, проиллюстрированная блоком 44, должна была бы, преимущественным образом, предусматривать проведение контроля по меньшей мере для восемнадцати (18) совокупностей четвертых образцов. Первая группа из этих совокупностей будет отвечать образцам с одинаковыми показателями пористости, величина которых φ₁ задается как можно меньшей. Эта группа предпочтительным образом должна включать три совокупности четвертых образцов, одна из которых контролируется в условиях отсутствия локализующих напряжений, вторая контролируется в условиях первого локализующего напряжения, а третья контролируется в условиях второго локализующего напряжения, превышающего по величине первое локализующее напряжение и соответствующее σ_3max (см. блок 26). Каждая из этих последовательностей, в свою очередь, включает, предпочтительным образом, по меньшей мере три подмножества, каждое из которых контролируется при различных температурах (хотя, в соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, оказывается возможным производить контроль лишь для двух подобных подмножеств). Вторая группа включает четвертые образцы, которые все характеризуются одинаковыми и относительно большими показателями пористости φ_h, и также образует совокупности и подмножества образцов по образу и подобию первой группы.

На фиг. 7 графически проиллюстрирована процедура определения оптимальной кривой, соответствующей верхней периферийной части совокупности информативных точек, отвечающих результатам контроля образцов упомянутой первой группы. При этом значения показателя пористости φ_L для всех информативных точек кривых m_T1, m_T2 и m_T3 остаются одними и теми же и задаются относительно небольшими. Кривая m_T1 характеризует изменения показателя прочности на сжатие σ при изменениях температуры T в условиях отсутствия локализующих напряжений, кривая m_T2 характеризует подобные изменения для случая первого (меньшего по величине) локализующего напряжения, а кривая m_T3 отвечает случаю подобных изменений в условиях, когда образцы подвергаются воздействию заметного по величине локализующего напряжения, соответствующего максимальному значению локализующего давления, используемого при контроле совокупностей образцов. Таким образом, каждая из кривых на фиг. 7 отвечает одному из вышеупомянутых подмножеств контролируемых образцов, для которых предусматривается изменение только температуры и прочности на сжатие, тогда как показатели пористости и локализующего напряжения для каждого подмножества остаются неизменными.

Соответственно, результаты контроля, на основе которых производилось бы определение упомянутых трех кривых, позволяли бы проанализировать, для каждого подобного подмножества, величины температуры T и прочности на сжатие σ для каждого образца. На основе полученных результатов могла бы быть сформирована соответствующая последовательность пар электрических сигналов, когда электрические сигналы каждой пары были бы представлены, соответственно, электрическим сигналом температуры T и электрическим сигналом прочности на сжатие σ для заданного образца соответствующего подмножества, и могли бы быть определены, как это графически проиллюстрировано на фиг. 7, информативные точки, соответствующие упомянутым парам электрических сигналов. Эти электрические сигналы, полученные для каждого из четвертых образцов подмножества, могли бы обрабатываться компьютером 24 с целью определения, посредством экстраполяции, дополнительных подобных пар электрических сигналов и формирования последовательности электрических сигналов, соответствующей конкретной кривой, при этом, как было отмечено выше в другом контексте, каждая подобная кривая обеспечивала бы наилучшее соответствие верхней периферийной части совокупности соответствующих информативных точек в результате определения, путем выполнения операций итерации, оценочных значений для параметров f₅, f₆, f₇, f₈, а и b.

Как и в случае с ориентацией, причина, по которой значение показателя пористости для всех результатов контроля, представленных графически на фиг. 7, должно задаваться относительно небольшим, состоит в том, что операции экстраполяции, осуществляемые компьютером 24 при формировании последовательности электрических сигналов, соответствующей соотношениям (17), (18) и/или (19), в этом случае будут выполняться более точным образом, особенно для нулевого значения показателя пористости (поскольку на практике просто невозможно получить образцы с нулевыми показателями пористости). Тот же самый вывод оказывается справедливым и для случая относительно больших значений показателя пористости для второй группы четвертых образцов (поскольку на практике оказывается невозможным получение образцов с максимальными значениями показателя пористости).

Как уже было отмечено выше, на фиг. 8 графически проиллюстрированы данные того же самого типа, что и на фиг. 7, однако уже для случая второй группы четвертых образцов, имеющих относительно большие значения показателя пористости.

После того, как завершается определение двух групп кривых, показанных на фиг. 7 и 8 (по меньшей мере по две кривые для каждого значения показателя φ), а также расчет окончательных значений для параметров f₅, f₆, f₇, f₈, а и b, появляется возможность определения величин параметров C_tmin и C_tmax на основе использования соотношений (18) и (19), а также формирования соответствующих электрических сигналов, которые до этого момента оставались в соотношении (17) неизвестными. Таким образом, электрические сигналы, соответствующие параметрам C_tmin и C_tmax, в соответствии с рассматриваемым вариантом реализации настоящего изобретения, отвечают окончательным электрическим сигналам коррекции температуры, а соотношение (17), как уже отмечалось выше, соответствует окончательной последовательности электрических сигналов. По аналогии с параметрами C_0min и C_0max параметры C_tmin и C_tmax могут рассматриваться в качестве факторов, позволяющих скорректировать кривую C_c (см. фиг. 3), посредством задания характера вертикального смещения конечных точек кривой, при этом параметр S_c соответствующим образом преобразуется для всех промежуточных точек.

Электрические сигналы, соответствующие значениям температуры T и прочности на сжатие σ и графически проиллюстрированные на фиг. 7 и 8, могут в соответствии с данным вариантом реализации настоящего изобретения рассматриваться в качестве электрических сигналов температурных изменений, параметры f₅, f₆, f₇, f₈ а и b могут рассматриваться в качестве промежуточных электрических сигналов температуры, а параметры C_tmax и C_tmin могут рассматриваться в качестве окончательных электрических сигналов коррекции температуры, которые соответствуют максимальной величине коррекции по температуре (в условиях минимального значения показателя пористости) и минимальной величине коррекции по температуре (в условиях максимального значения показателя пористости) соответственно.

Следует отметить, что соотношения (17), (18) и (19) представляются вполне корректными, если результаты контроля в блоке 44 были получены в условиях локализующего напряжения, равного σ_3max (см. соотношение (3)) и, по меньшей мере еще одного, меньшего по величине, локализующего напряжения. В противном случае пришлось бы модифицировать соотношения (17), (18) и (19) для привнесения в них различных параметров, учитывающих соответствующие максимальные локализующие напряжения, использовавшиеся при осуществлении контроля образцов в блоках 26 и 44. В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения последовательность электрических сигналов, которая может добавляться к последовательности электрических сигналов, соответствующей соотношению (1), с целью формирования результирующей последовательности электрических сигналов, скорректированных с учетом локального напряжения, ориентации и температуры, соответствует соотношению вида:

В соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения оказывается возможным сформировать индивидуальные электрические сигналы коррекции для каждого из условий, требующих коррекции, независимым образом и добавлять все эти сигналы к соотношению (1). В подобном случае в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения, один или большее число индивидуальных электрических сигналов коррекции могут определяться в виде функциональной зависимости от одного или большего числа условий; так, например, электрический сигнал коррекции температуры, который не обеспечивает одновременно проведения коррекции и в части локального напряжения, может, тем не менее, формироваться в виде функциональной зависимости от локального напряжения. Более того, в соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, если отсутствует необходимость в осуществлении коррекции для всех вышеупомянутых условий, к первой последовательности электрических сигналов могут добавляться только некоторые из этих индивидуальных электрических сигналов коррекции. В любом случае, после определения некоторой результирующей последовательности электрических сигналов, в виде, зависящем от тех условий, для которых требуется произвести коррекцию, и проведения общего анализа зависимости прочности на сжатие от (по меньшей мере) пористости для одной относительно чистой литологической структуры, например для случая песчаника, вся процедура может быть, предпочтительным образом, повторена с целью проведения анализа для относительно чистой сланцевой породы, являющейся совершенно иной литологической структурой, или же для любой другой литологической структуры (или структур), присутствующих в направлении прохождения скважины 1. Результаты одного или обоих подобных анализов в дальнейшем используются для целей моделирования прочности на сжатие по меньшей мере для некоторых позиций вдоль направления 1 скважины 14, а также, предпочтительным образом, для создания модели непрерывного типа для всех подобных позиций.

Так, в частности, предусматривается определение характеристик горной породы для множества различных позиций вдоль направления 1 по всей длине прохождения скважины, как если бы эта горная порода подвергалась воздействиям со стороны соответствующего бура. Эти характеристики горной породы для каждой позиции включают показатели пористости и другие физические свойства, аналогичные тем, которые использовались для формирования различных электрических сигналов коррекции, применявшихся для формирования результирующей последовательности электрических сигналов. В дополнение к этому, характеристики скальной породы для каждой позиции также должны включать значения, соответствующие процентным показателям содержания различных литологических структур (в данном случае песчаника и сланцевой породы) для каждой позиции. Определение этих значений может производиться заблаговременно еще до бурения скважины 12 посредством исследования срезов и определения других сопутствующих данных, что проиллюстрировано на фиг. 1 блоком 50, для расположенных поблизости скважин 52, которые ранее были пробурены в горной породе и которые, предположительно, имеет аналогичные или схожие характеристики с горной породой вдоль направления 1.

Далее предусматривается формирование электрических сигналов позиции, соответствующих характеристикам позиции и в последующем обрабатывающихся компьютером 24 с формированием результирующей последовательности электрических сигналов, соответствующих реальным показателям прочности на сжатие, т.е. реальным показателям прочности на сжатие для каждой упомянутой позиции. Так, в частности, компьютер создает электронную модель, позволяющую подставлять в нее характеристики для любой позиции, в виде соответствующих параметров соотношения, для определения результирующей последовательности электрических сигналов, и затем производить соответствующие вычисления.

Если характеристики позиции указывают на тот факт, что по крайней мере часть направления 1 проходит через горную породу со смешанной литологической структурой, эти характеристики позиции (отличные от процентного содержания песчаника и сланцевой породы) используются для формирования, для этой позиции, уже двух электрических сигналов прочности на сжатие: одного электрического сигнала на основе результирующей последовательности для случая песчаника и другого электрического сигнала на основе результирующей последовательности для сланцевой породы. После этого компьютер 24 совместно обрабатывает эти электрические сигналы с целью определения среднего взвешенного показателя в соответствии с вышеупомянутым процентным содержанием различных пород. Другие признаки предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения связаны с приемами формирования электрических сигналов для различных позиций. Характеристики некоторых позиций и соответствующие им электрические сигналы могут относиться к локальным условиям (например, наличие покрывающих пластов, неравновесного состояния, геологических напряжений), отличных от тех условий, которые соответствуют переменным в результирующей последовательности электрических сигналов, и могут использоваться для дальнейшего совершенствования модели.

Данные относительно угла падения могут быть получены непосредственно по результатам исследования срезов скважин или контроля забойных параметров в процессе бурения (MWD). Относительный угол падения также может быть рассчитан при наличии данных относительно направления прохождения скважины и угла ориентации геологической формации, а также данных относительно азимутального угла. Ниже будет подробно описан предпочтительный способ электронного расчета, например посредством формирования электрического сигнала, соответствующего относительному углу падения по отношению к заданному направлению 1. Для каждой позиции предусматривается формирование электрического сигнала угла наклона скважины, соответствующего углу наклона скважины, электрического сигнала азимутального угла скважины, соответствующего азимутальному углу скважины, электрического сигнала угла ориентации плоскости напластования, соответствующего углу ориентации плоскости напластования по отношению к поверхности земли, и электрический сигнал азимутального угла ориентации плоскости напластования, соответствующий "азимутальному углу падения" (углу отклонения стрелки компаса или азимутальному углу направления, в котором ориентирована плоскость напластования). Эти электрические сигналы в дальнейшем совместно обрабатываются для формирования электрического сигнала относительного угла падения, соответствующего относительному углу падения Θ для плоскости напластования по отношению к оси скважины, для каждой позиции вдоль скважины, при этом обработка производителя посредством создания электронной модели, предусматривающей выполнение операции определения векторного произведения следующего вида:
cos Θ = i_di_w + j_dj_w + k_dk_w, (21)
где компоненты (i_d, j_d, k_d) и (i_w, j_w, k_w) соответствуют единичным векторам u_d и u_w, использующимся для целей описания направления для линий, перпендикулярной плоскости пласта залегания формации и параллельной оси скважины, соответственно. Относительный угол падения Θ должен ограничиваться величиной 90 градусов, или в соответствии с логикой компьютера:
если Θ > π/2, то: Θ = π-Θ. (22)
Компоненты i, j, k единичного вектора u_d, использующегося для целей описания направления, перпендикулярного плоскости ориентации геологической формации, могут быть представлены в следующем виде:
i_d= sinλsin(A_d-π), (23)
i_d= sinλcos(A_d-π), (24)
k_d= cosλ. (25)
Компоненты i, j, k единичного вектора u_w, использующегося для целей описания направления, параллельного оси скважины, могут быть представлены в следующем виде:
i_w= sinλ_w sinA_w, (26)
j_w= sinλ_w cosA_w, (27)
k_w= cosλ_w, (28)
где λ_d = угол ориентации геологической формации,
A_d = азимутальный угол ориентации геологической формации,
λ_w = угол наклона скважины,
A_w = азимутальный угол наклона скважины.

Для любого электрического сигнала позиции, соответствующего локальному напряжению, при формировании соответствующего электрического сигнала позиции обеспечивается более высокий уровень точности, если предусматривается учет одного или большего числа из упомянутых локальных физических условий. К этим условиям или факторам относятся: разность давлений для жидкости в скважине и жидкости в окружающей скважину геологической формации (так называемое "нарушение равновесного состояния"), наличие напряжений, связанных с влиянием покрывающего пласта, и наличие напряжений, возникающих под действием локального поля напряжений геологической формации.

В общем случае, локализующее напряжение σ₃ может быть представлено, в виде результирующего вектора, в функциональной зависимости от эффективного напряжения, являющегося следствием нарушения равновесного состояния, эффективного напряжения, являющегося следствием воздействия покрывающего пласта, а также от эффективного напряжения, являющегося следствием влияния локального поля напряжений геологической формации.

Эффективное локализующее напряжение, являющееся следствием нарушения равновесного состояния на заданной глубине скважины, может быть определено по соотношению вида
σ_b= σ_md+σ_if+σ_pof-σ_pore (29)
где σ_b = эффективное напряжение, связанное с нарушением равновесия,
σ_md = давление, оказываемое на дно скважины динамически изменяющейся массой бурового раствора (это переменная может учитывать, например, последовательные увеличения массы бурового раствора вследствие потерь на трение по периферии бура),
σ_if = давление, оказываемое на дно скважины в результате приложения ударного усилия струи,
σ_pof = напряжение, возникающее вследствие откачки в условиях ограниченного кольцевого зазора между буром и стенками скважины,
σ_pore = поровое давление геологической формации (следует отметить, что в условиях, когда показатель проницаемости геологической формации, по существу, соответствует нулю или оказывается пренебрежимо малым по величине, величина эффективного порового давления также равна нулю.)
Эффективное напряжение, возникающее вследствие воздействия покрывающего пласта, σ_x имеет различные по величине горизонтальную и вертикальную компоненты. В соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения предлагается учитывать силы, действующие в точке на кольцевом сечении горной породы, перпендикулярном оси скважины, для каждой заданной представляющей интерес позиции. Горизонтальное локальное напряжение, связанное с воздействием покрывающего пласта, действует в радиальном направлении в упомянутой точке, располагающейся в любой позиции на вертикальной оси по всей глубине скважины, и оказывается одинаковым по величине во всех горизонтальных направлениях. Это горизонтальное локальное напряжение может быть представлено в виде вектора σ_hu_h, где σ_h соответствует величине горизонтального напряжения, связанного с воздействием покрывающего пласта, а u_h соответствует единичному вектору, указывающему направление, в котором действует напряжение σ_h в каждой представляющей интерес точке. Следует отметить, что направление для вектора u_h задается с помощью азимутального угла произвольной величины. Величина напряжения σ_h может быть определена по соотношению вида:
σ_h= σ_fp-σ_pore, (30)
где σ_fp = давление гидроразрывного пласта,
σ_pore = поровое давление геологической формации.

В соответствии с известным уровнем развития техники существуют и другие способы определения величины напряжения σ_h, например способ, описанный в материалах патента США N 4981037. В этом случае вектор u_h имеет следующие компоненты:
i_h = sin A = i (представляющий интерес), (31)
j_h = cos A = j (представляющий интерес), (32)
k_h = 0, (33)
где A = представляющий интерес азимутальный угол.

Вертикальное локальное напряжение, связанное с воздействием покрывающего пласта, оказывается ориентированным вертикально вниз для любой позиции на вертикали скважины и может быть представлено вектором σ_vu_v, где u_v соответствует единичному вектору, указывающему направление воздействия напряжения σ_v. В соответствии с известным уровнем развития техники существуют способы для оценки величины напряжения σ_v, например способ, описанный в материалах патента США N 4981037. При этом вектор u_v имеет следующие компоненты:
i_v = 0, (34)
j_v = 0, (35)
k_v = 1. (36)
Локальное напряжение, являющееся следствием влияния локального поля напряжений в геологической формации, может быть представлено в виде вектора σ_gu_g, где u_g соответствует единичному вектору, указывающему направление действия напряжения σ_g. Величина напряжения σ_g может быть измерена или определена, частичным образом, на основе анализа структурных характеристик. При этом вектор u_g имеет следующие компоненты:
i_g= sinλ_gsinA_g, (37)
j_g= sinλ_gcosA_g, (38)
k_g= cosλ_g, (39)
где A_g = азимутальный угол для локального поля напряжений геологической формации,
λ_g = угол ориентации для локального поля напряжений геологической формации.

Для того, чтобы имелась возможность использовать векторы σ_hu_h, σ_gu_g и σ_vu_v, следует определить для конкретной позиции вышеупомянутую представляющую интерес точку в вышеупомянутом кольцевом сечении горной породы. Последнее, в свою очередь, требует предварительного определения положения единичных векторов в направлениях, соответствующих направлениям воздействия крутящего, осевого и бокового усилий, создаваемых буром в представляющей интерес точке, по отношению к оси скважины (и самого бура).

Для этих целей вводится угол η, который определяется в виде любого произвольного угла, отсчитываемого от верхней стороны скважины (по часовой стрелке, в положительном направлении), и лежит в плоскости вышеупомянутого кольцевого сечения горной породы. При этом угол η_d задается в виде острого угла, отсчитываемого от верхней части до точки на периферийной окружности скважины, для которой крутящее усилие, создаваемое буром, оказывается параллельным направлению ориентации. Ввод в рассмотрение угла η_d оказывается необходим для того, чтобы точным образом определить относительный угол падения для представляющей интерес точки.

Следует напомнить, что определения для параметров Θ, u_d и u_w были даны соответственно в соотношениях (21), (23)-(25) и (26) - (28). Теперь следует определить вектор v₁, который является проекцией вектора u_d на направление, задаваемое с помощью вектора u_w:
v₁ = u_wcos Θ, (40)
i₁ = i_wcos Θ, (41)
j₁ = j_wcos Θ, (42)
k₁ = k_wcos Θ. (43)
Далее следует определить вектор v₂, который образуется при соединении концов вектора u_d и вектора v₁. Вектор v₂ оказывается ортогонален вектору u_w и фактически указывает в направлении ориентации геологической формации. Этот вектор, совместно с вектором верхней стороны, который будет более подробно описан ниже, образуют угол η_d :
V₂ = V₁ - u_d, (44)
i₂ = i₁ - i_d, (45)
j₂ = j₁ - j_d, (46)
k₂ = k₁ - k_d. (47)
Преобразуя вектор v₂ в единичный вектор u₂, указывающий в том же направлении, что и v₂, получим:
u₂= v₂/|v₂|. (48)
Далее следует определить вектор верхней стороны u_hs, представляющий собой единичный вектор, указывающий в направлении верхней стороны скважины, в плоскости кольцевого сечения горной породы в виде:
i_hs= sin(λ_w+π/2)sinA_w, (49)
j_hs= sin(λ_w+π/2)cosA_w, (50)
k_hs= sin(λ_w+π/2). (51)
И, наконец, упомянутый угол η_d может быть определен из соотношения для определения векторного произведения вида:
cosη_d= u₂•u_hs= i₂i_hs+j₂j_hs+k₂k_hs. (52)
Поскольку для угла η_d диапазон значений имеет вид π/2 ≅ η_d≅ π/2, этот угол η_d должен соответствовать этому диапазону, или в соответствии с логикой компьютера:
если η_d< π/2, то η_d= η_d-π (53)
Теперь, определив математически (а также в виде соответствующей электронной модели) вышеупомянутую представляющую интерес точку на кольцевом сечении горной породы, можно продолжить расчет (обработку электрических сигналов) электрического сигнала прочности на сжатие для этой точки. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения последнее осуществляется посредством разбиения полной величины прочности на сжатие на те компоненты, которые проявляются при противодействии горной породы создаваемым буром крутящему (действующему по касательной к окружности), осевому и боковому усилиям соответственно. В математической интерпретации это будет иметь следующий вид.

Полная реальная прочность на сжатие горной породы, реализующаяся при противодействии горной породы полному усилию, создаваемому буром, может быть выражена в следующем виде:
σ_i= f_tσ_1t+f_aσ_1a+f_lσ_1l (54)
и
1 = f_t + f_a + f₁, (55)
где σ_i = реальная прочность на сжатие горной породы, реализующаяся при противодействии горной породы полному усилию, создаваемому буром,
f_t = крутящая компонента полного усилия, создаваемого буром (прикладываемое усилие),
σ_1t = реальная прочность на сжатие горной породы, реализующаяся при противодействии горной породы крутящей компоненте усилия, создаваемого буром,
f_a = осевая компонента полного усилия, создаваемого буром (прикладываемое усилие),
σ_1a = реальная прочность на сжатие горной породы, реализующаяся при противодействии горной породы осевой компоненте усилия, создаваемого буром,
f₁ = боковая компонента полного усилия, создаваемого буром (сила реакции, со средним нулевым значением, пренебрежимо малая в условиях использования для нижней части конструкции скважины, ВНА, бурильных стабилизаторов),
σ_1l = реальная прочность горной породы, реализующаяся при противодействии горной породы боковому усилию, создаваемому буром.

Для определения прочности на сжатие, реализующейся при противодействии горной породы крутящему (действующему вдоль касательной окружности) усилию, создаваемому буром, для любой точки горной породы сначала следует определить вид единичных векторов, описывающих направления действия усилий σ_1t, σ_2t и σ_3t в представляющей интерес точке. (При этом направление действия локализующего усилия σ_2t оказывается перпендикулярным направлениям действия усилий σ_1t и σ_3t). При этом любая представляющая интерес точка может быть определена с помощью угла η соответствующей величины.

Для заданного значения угла η можно определить единичный вектор, перпендикулярный оси скважины и указывающий в направлении, задаваемом углом η. Для точного определения этого единичного вектора следует задать для него угол наклона и азимутальный угол в следующем виде:
tan A₃= tanη/cosλ_w, (56)
где A₃ = разность между азимутальными углами для векторов u₃ и u_w (следует отметить, что если λ_w= π/2, то A₃ = π/2),
A_t = A_w + A₃, (57)
cosλ_t= cosηsinλ_w, (58)
и
где A_t = азимутальный угол для единичного вектора u₃,
λ_t = угол наклона для единичного вектора u₃.

Далее следует определить единичный вектор u₃, ортогональный как оси скважины, так и направлению действия напряжения σ_1t, в следующем виде:
i₃= sinλ_t sinA_t, (59)
j₃= sinλ_t cosA_t, (60)
k₃= cosλ_t. (61)
И, наконец, единичный вектор u_σ1t, задающий направление для действия крутящего усилия σ_1b , создаваемого буром в представляющей интерес точке, может быть определен в результате следующего преобразования векторов (в данном случае векторное произведение соответствует правилу "левой руки", поскольку вертикальная ось указывает вниз и это направление принято за положительное):
u_σ1t= u₃× u_w, (62)
i_σ1t= j₃k_w-k₃j_w, (63)
j_σ1t= k₃i_w-i₃k_w, (64)
k_σ1t= i₃j_w-j₃i_w. (65)
Единичные векторы u_σ2t и u_σ3t, характеризующие направления действия усилий σ_2t и σ_3t, также являющихся компонентами, наряду с создаваемой буром крутящей компонентой, полного усилия, создаваемого в представляющей интерес точке, уже ранее были определены и имеют следующий вид:
u_σ2t= u₃, (66)
u_σ3t= -u_w. (67)
Локальное напряжение в представляющей интерес точке может быть определено в результате проецирования всех локальных составляющих напряжения на направления, задаваемые единичными векторами u_σ2t и u_σ3t, с последующим суммированием всех скалярных компонентов для каждого направления. Локальное напряжение в дальнейшем может быть определено в виде меньшей из двух величин напряжения, определяемых в результате векторного суммирования, поскольку локальное напряжение всегда определяется минимальной величиной главного напряжения.

Одно из упомянутых локальных напряжений σ_2t может определяться в следующем виде:
σ_2t= |(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ2t|. (68)
Следует отметить, что в соотношении (68) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ2t (т.е. вектор u_h имеет те же самые составляющие i и j, что и вектор u_σ2t. Абсолютное значение для каждой компоненты определяется посредством суммирования в условиях, когда подобное суммирование проводится для обоих направлений.

Другая ортогональная составляющая локального напряжения σ_3t определяется в виде:
σ_3t= σ_b-(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ3t. (69)
Следует отметить, что в соотношении (69) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ3t (т. е. u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ3t). При этом из напряжений, возникающих в результате нарушения равновесного состояния, следует исключать напряжения, возникающие в геологической формации. Следует отметить, что суммирование в данном случае следует производить только для положительных компонентов проекций векторов (на направление, задаваемое вектором u_σ3t), поскольку соответствующие отрицательные компоненты компенсируются давлением жидкости σ_b (т.е. все отрицательные компоненты следует исключить из рассмотрения). При этом если величина напряжения σ_2t оказывается меньшей величины напряжения σ_3t, то весьма вероятными оказываются нарушения циркуляции.

Реальная прочность на сжатие горной породы может далее определяться с использованием определенного выше минимального локального напряжения и относительного угла падения, задаваемого углом η. Относительный угол падения, соответствующий создаваемому буром крутящему усилию, Θ_r при угле η, определяется в виде:
Θ_t= π/2-Θ|η-η_d|2/π. (70)
Поскольку угол η_d определен в диапазоне -π/2 ≅ η_d≅ π/2, угол η должен ограничиваться следующим диапазоном значений:
(η_d-π/2) ≅ η ≅ (η_d+π/2) , или в соответствии принятой в компьютере логикой:
если η > (η_d+π/2) , то: η = η-π. (71)
Рассчитанный выше промежуточный показатель прочности на сжатие горной породы σ_1b должен быть уменьшен на величину, определяемую значением локализующего усилия, действующего в направлении вектора u_σ1t. В результате, величина σ_1t соответствует реальной прочности горной породы, реализующейся при противодействии горной породы крутящему усилию, создаваемому буром в представляющей интерес точке, и может быть определена по соотношению вида:
σ_1t= σ_1b-|(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ1t|, (72)
при этом величина σ_1b соответствует частному случаю соотношения для определения результирующей последовательности электрических сигналов, полученного в процессе предшествующего анализа, так что величина σ_1t соответствует модифицированной форме подобной результирующей последовательности, скорректированной с целью учета локальных условий, влияющих на показатели прочности на сжатие горной породы. Этот показатель может также рассматриваться в качестве инкрементирующей составляющей прочности на сжатие для направления, совпадающего с касательной к окружности.

Следует отметить, что в соотношении (72) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ1t (т.е. вектор u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ1t. Абсолютное значение для каждой компоненты определяется посредством суммирования при условии, что подобное суммирование производится для обоих направлений.

Прочность на сжатие горной породы, реализующаяся при противодействии горной породы осевому усилию, создаваемому буром, определяется аналогичным образом. При этом задаются
единичные векторы, характеризующие направления действия усилий σ_1a, σ_2a и σ_3a для представляющей интерес точки.

Единичный вектор u_σ1a задающий направление для усилия σ_1a, соответствующего осевому усилию, создаваемому буром, может быть задан в следующем виде:
u_σ1a= u_σ3t. (73)
Единичные векторы u_σ2a и u_σ3a, задающие направления действия усилий σ_2a и σ_3a, т.е. ортогональных локализирующих усилий, сопровождающих действие создаваемого буром осевого усилия, в представляющей интерес точке определяются в следующем виде:
u_σ2a= u_σ2t, (74)
u_σ3a= u_σ3t. (75)
Локализующее усилие для представляющей интерес точки может быть определено посредством проецирования всех соответствующих локализующих усилий в направлениях, задаваемых векторами u_σ2a и u_σ3a, и последующего суммирования всех скалярных компонентов для каждого направления. Локализующее напряжение далее определяется в виде меньшей из двух величин, образующихся в результате векторного суммирования усилий, поскольку локализующее усилие всегда определяется минимальной величиной главного напряжения. Одно из этих локализующих напряжений σ_2a может быть определено в следующем виде:
σ_2a= |(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ2a|. (76)
Следует отметить что в соотношении (76) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ2a (т.е. вектор u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ2a). Абсолютное значение для каждой компоненты определяется посредством суммирования, при условии, что подобное суммирование производится для обоих направлений.

Другое ортогональное локализующее напряжение, σ_3a определяется в виде:
σ_3a= |(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ3a|. (77)
Следует отметить, что в соотношении (77) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ3a (т.е. вектор u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ3a). Абсолютное значение для каждой компоненты определяется посредством суммирования при условии, что подобное суммирование производится для обоих направлений. Реальная прочность на сжатие горной породы может быть теперь рассчитана с использованием вышеопределенного минимального локализующего напряжения и относительного угла падения, задаваемого углом η. . Относительный угол падения, соответствующий создаваемому буром осевому усилию, Θ_a для угла η, определяется в виде:
Θ_a= Θ. (78)
При этом рассчитанное выше значение промежуточной прочности на сжатие σ_1ai должно быть уменьшено на величину, соответствующую локализующему напряжению, действующему в направлении, задаваемом вектором u_σ1a. В результате этого, величина σ_1a соответствует реальной прочности горной породы, реализующейся при противодействии горной породы создаваемому буром осевому усилию в представляющей интерес точке, и может быть определена в виде:
σ_1a= σ_1ai-σ_b-(σ_hU_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ1a, (79)
при этом величина σ_1ai соответствует частному случаю соотношения для определения результирующей последовательности электрических сигналов, полученного в процессе предшествующего анализа, а величина σ_1a соответствует модифицированной форме подобной результирующей последовательности электрических сигналов, скорректированной с учетом локальных усилий, влияющих на прочность на сжатие горной породы. Эта величина также может быть представлена в виде инкрементирующей составляющей прочности на сжатие для осевого направления.

Следует отметить, что в соотношении (79) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ1a (т.е. вектор u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ1a). При этом из величины σ_1ai следует вычитать значения напряжений, соответствующих нарушению равновесного состояния и влиянию самой геологической формации. Следует также отметить, что для направления, задаваемого вектором u_σ1a, следует суммировать только положительные компоненты векторных проекций, поскольку отрицательные компоненты компенсируются за счет воздействия давления жидкости σ_b (т.е. все отрицательные компоненты исключаются из рассмотрения).

Прочность горной породы, реализующаяся при противодействии горной породы создаваемому буром боковому усилию, определяется аналогичным образом. При этом предусматривается задание единичных векторов, соответствующих направлению действия напряжений σ_1L, σ_2L и σ_3L для представляющей интерес точки. Эта представляющая интерес точка задается углом η.

Единичный вектор u_σ1L, задающий направление действия напряжения σ_1L, соответствующего создаваемому буром боковому усилию, для представляющей интерес точки может быть задан соотношением вида:
u_σ1L= -u_σ2t. (80)
Единичные векторы u_σ2L и u_σ3L, задающие направления действия напряжений σ_2L и σ_3L, т.е. соответствующих ортогональных локализующих напряжений, сопровождающих создаваемое боковое усилие, для представляющей интерес точки определяются в виде:
u_σ2L= u_σ3t, (81)
u_σ3L= u_σ1t. (82)
Локализующее напряжение для представляющей интерес точки может быть определено посредством проецирования соответствующих локализующих напряжений на направления, задаваемые векторами u_σ2L и u_σ3L, и последующего суммирования всех скалярных компонентов для каждого направления. Локализующее напряжение далее определяется в виде меньшей из двух величин, полученных в результате векторного суммирования напряжений, поскольку локализующее напряжение всегда определяется минимальной величиной главного напряжения. Одно из этих локализующих напряжений σ_2L может быть определено в виде:
σ_2L= |(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ2L|. (83)
Следует отметить, что в соотношении (83) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ2L (т.е. вектор u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ2L). Абсолютное значение для каждой компоненты определяется посредством суммирования при условии, что подобное суммирование проводится для обоих направлений. Другое ортогональное локальное напряжение σ_3L определяется в виде:
σ_3L= |(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ3L|. (84)
Следует отметить, что в соотношении (84) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ3L (т.е. вектор u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ3L). Абсолютное значение для каждой компоненты определяется посредством суммирования при условии, что подобное суммирование проводится для обоих направлений. Реальная прочность на сжатие горной породы может далее рассчитываться с использованием определенного выше минимального локализующего усилия и относительного угла падения, заданного углом η. Относительный угол падения, соответствующий создаваемому буром боковому усилию, Θ_L при угле η определяется в виде:
Θ_L= π/2-Θ(1-|η-η_d|2/π). (85)
при этом угол η должен быть ограничен в соответствии с требованиями приведенного выше соотношения (71). Величина промежуточного показателя прочности на сжатие горной породы, рассчитанная описанным выше образом, σ_1Li должна в дальнейшем быть уменьшена на величину, соответствующую локализующему усилию, действующему в направлении, задаваемом вектором u_σ1L. В результате величина σ_1L соответствует реальной прочности горной породы, реализующейся при противодействии горной породы создаваемому буром боковому усилию для представляющей интерес точки и может определяться из соотношения вида:
σ_1L= σ_1Li-σ_b-(σ_hu_h+σ_vu_v+σ_gu_g)•u_σ1L, (86)
при этом величина σ_1Li соответствует частному случаю соотношения для определения результирующей последовательности электрических сигналов, полученного в процессе предшествующего анализа, а величина σ_1L соответствует модифицированной форме подобной результирующей последовательности электрических сигналов, скорректированной с учетом локальных усилий, влияющих на прочность на сжатие горной породы. Эта величина также может рассматриваться в виде инкрементирующей составляющей прочности на сжатие для бокового направления.

Следует отметить, что в соотношении (86) вектор u_h ориентирован в направлении вектора u_σ1L (т.е. вектор u_h имеет те же самые компоненты i и j, что и вектор u_σ1L). При этом из величины σ_1Li должны быть исключены значения напряжений, соответствующих нарушению равновесного состояния и влиянию самой геологической формации. Следует также отметить, что для направления, задаваемого вектором u_σ1L , необходимо производить суммирование только положительных компонентов, образовавшихся в результате проецирования векторов, поскольку отрицательные компоненты компенсируются за счет влияния давления жидкости σ_b (т.е. отрицательные компоненты должны быть исключены из рассмотрения).

Подставляя значениями σ_1l, σ_1a и σ_1t в соотношение (54), можно определить величину прочности на сжатие для представляющей интерес точки.

Усредненные значения для параметров σ_1t и σ_1L могут быть определены посредством повторения вышеупомянутой процедуры для многих точек на кольцевом сечении горной породы с использованием соответствующих углов η и последующего усреднения полученных результатов расчета. Следует отметить, что существует множество путей для решения этой задачи. Число точек может быть минимизировано на основе предварительного тщательного отбора. В дополнение к этому, представляется желательным задавать именно те точки, для которых реализуются максимальные и минимальные значения, что представляется важным с точки зрения анализа устойчивости скважины. Если подобные минимальные значения оказываются близкими к нулю, весьма вероятно, что скважина будет носить неустойчивый характер (например в ней будут образовываться "впадины"). Для параметра σ_1a расчет может быть повторен и для других точек, однако в дальнейшем следует использовать именно минимальное значение параметра σ, а не его среднее значение.

И, наконец, можно использовать упомянутые средние и минимальное значения совместно с соотношением (54) для определения реальной прочности на сжатие горной породы для конкретной позиции.

В соответствии с другими иллюстративными примерами реализации настоящего изобретения вместо того, чтобы проводить анализ на основе рассмотрения индивидуальных точек, располагающихся на окружности в заданной позиции, можно было бы использовать усредненные значения локальных усилий (крутящей, осевой и боковой компонент) и среднего относительного угла падения для формирования электрического сигнала прочности на сжатие для всего кольцевого сечения в заданной позиции, при этом упомянутый электрический сигнал прочности на сжатие сам бы носил усредненный характер.

Как уже отмечалось выше, процедура моделирования может проводиться предварительно перед началом бурения, на основе использования данных, полученных для расположенной поблизости скважины 52. Более того, поскольку необходимые для проведения подобного моделирования физические данные обычно оказываются легко доступными, процедура моделирования может также выполняться и в реальном масштабе времени, последнее вместо или в дополнение предварительной процедуры моделирования. При этом способ в соответствии с наиболее предпочтительным вариантом его реализации предполагал бы использование процедуры предварительного моделирования для формирования окончательных рекомендаций, а также модификацию разработанного на основе этой процедуры исходного плана бурения, как было показано выше, при условии, что процедура моделирования, реализующаяся в реальном масштабе времени, указывает на заметное расхождение результатов, что может происходить в том случае, если направление 1 проходит через горную породу с характеристиками, отличающимися от характеристик горной породы, имевших место для расположенной поблизости скважины 52.

Формула изобретения

1. Способ проведения анализа прочности на сжатие горной породы, включающий контроль первого множества образцов горной породы, соответствующих одной литологической структуре, причем по меньшей мере некоторые из упомянутых образцов имеют различные показатели пористости, для определения, соответственно, для каждого конкретного образца показателя прочности на сжатие и показателя пористости, формирование первой последовательности пар электрических сигналов прочности на сжатие и электрических сигналов пористости, причем электрические сигналы каждой пары соответствуют показателю прочности на сжатие и показателю пористости, соответственно, для соответствующего одного из первых образцов, и обработку электрических сигналов прочности на сжатие и электрических сигналов пористости для определения, посредством экстраполяции, дополнительных подобных пар электрических сигналов и формирование второй последовательности электрических сигналов, соответствующей функциональной зависимости прочности на сжатие от пористости.

2. Способ по п.1, в котором этап по обработке предусматривает действие по ограничению второй последовательности электрических сигналов электрическим сигналом максимальной пористости, соответствующим максимальному значению показателя пористости.

3. Способ по п.2, который дополнительно включает итеративную обработку электрических сигналов, потенциально соответствующих максимальному значению показателя пористости и соответствующим ему минимальному значению показателя прочности в отсутствие локализирующих напряжений, максимальному значению показателя прочности в отсутствие локализующих напряжений и значению минералогического показателя для литологической структуры, для формирования множества потенциальных вторых последовательностей, и использование в качестве второй последовательности электрических сигналов потенциальной второй последовательности, соответствующей функциональной зависимости, графическая интерпретация которой имеет вид спадающей логарифмической зависимости, наилучшим образом отвечающей верхней периферийной части совокупности информативных точек, соответствующих первой последовательности электрических сигналов, представленной, в декартовых координатах, в виде функциональной зависимости прочности на сжатие от пористости.

4. Способ по п.3, в котором определенный вышеуказанным образом для каждого из образцов показатель прочности на сжатие соответствует показателю прочности в отсутствие локализующего напряжения.

5. Способ по п.4, который дополнительно включает обработку вышеуказанным образом для формирования второй последовательности электрических сигналов таким образом, чтобы вторая последовательность электрических сигналов соответствовала функциональной зависимости вида
σ_u = S_cσ_umax+(1-S_c)σ_umin,
где S_c = (1-φ/φ_max)α - эффективная величина твердости;
σ_u - упомянутый показатель прочности в отсутствие локализующего напряжения;
σ_umax - упомянутое максимальное значение показателя прочности в отсутствие локализующего напряжения;
σ_umin - упомянутое минимальное значение показателя прочности в отсутствие локализующего напряжения;
φ - показатель пористости;
φ_max - упомянутое максимальное значение показателя пористости;
α - упомянутый минералогический показатель.

6. Способ по п.3, который дополнительно включает формирование множества электрических сигналов коррекции, соответствующих величинам для, по меньшей мере, еще одного фактора, оказывающего влияние на показатели прочности на сжатие для аналогичной литологической структуры горной породы, и обработку электрических сигналов коррекции для формирования результирующей последовательности электрических сигналов, соответствующей функциональной зависимости скорректированной прочности на сжатие от пористости и упомянутого еще одного фактора.

7. Способ по п.6, который дополнительно включает формирование, по меньшей мере, некоторых из электрических сигналов коррекции напряжения, соответствующих функциональной зависимости изменения прочности на сжатие горной породы вследствие присутствия локального напряжения.

8. Способ по п.7, в котором формирования электрических сигналов коррекции направления дополнительно предусматривает контроль, в условиях создания локализующих боковых напряжений, второго множества образцов горной породы, соответствующих той же самой литологической структуре, что и первые образцы, причем по меньшей мере некоторые из образцов имеют различные показатели пористости, для определения для каждого из вторых образцов, соответственно, показателя локальной прочности на сжатие и показателя пористости, формирование третьей последовательности пар электрических сигналов локальной прочности на сжатие и электрических сигналов пористости, причем электрические сигналы в каждой подобной паре соответствуют показателю локальной прочности на сжатие и показателю пористости, соответственно, для соответствующего одного из вторых образцов, обработку электрических сигналов локальной прочности на сжатие и электрических сигналов пористости третьей последовательности электрических сигналов для определения, посредством экстраполяции, дополнительных подобных пар электрических сигналов и формирование четвертой последовательности электрических сигналов, соответствующей функциональной зависимости локальной прочности на сжатие от пористости.

9. Способ по п.8, в котором обработка третьей последовательности электрических сигналов предусматривает ограничение четвертой последовательности электрических сигналов электрическим сигналом максимальной пористости, соответствующим максимальному значению показателя пористости.

10. Способ по п.9, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом множества подобных альтернативных четвертых последовательностей, причем каждая из альтернативных последовательностей образуются по результатам контроля вышеуказанным образом образцов горной породы в условиях соответствующего бокового локализующего усилия, использование электрических сигналов множества альтернативных четвертых последовательностей для определения величины показателя зависимости для главного напряжения, формирование электрического сигнала, соответствующего упомянутой величине показателя зависимости для главного напряжения, и обработку электрического сигнала, соответствующего величине показателя зависимости для главного напряжения, для формирования результирующей последовательности электрических сигналов.

11. Способ по п.7, который дополнительно включает формирование других из упомянутых электрических сигналов коррекции в виде электрических сигналов коррекции ориентации, соответствующих функциональной зависимости изменений прочности на сжатие вследствие изменений угла падения для плоскости напластования горной породы.

12. Способ по п.11, который дополнительно включает контроль, по меньшей мере, двух подмножеств из третьего множества образцов горной породы, соответствующих той же самой литологической структуре, причем каждое подмножество отвечает различным углам падения по отношению к горизонтали, но одним и тем же показателям пористости, для определения, для каждого из третьих образцов, совокупности переменных ориентации, формирование электрических сигналов коррекции ориентации с первоначальным формированием множества электрических сигналов переменных ориентации, соответствующих переменным ориентации, соответственно, причем переменные ориентации образуются попарно, по одной паре в расчете на каждый образец, таким образом, чтобы переменные ориентации для каждой пары были представлены, соответственно, относительным углом падения и показателем прочности на сжатие.

13. Способ по п.12, в котором показатели пористости для двух подмножеств третьих образцов горной породы задаются различными.

14. Способ по п.13, который дополнительно включает обработку электрических сигналов переменных ориентации для формирования электрических сигналов, соответствующих переменным ориентации в условиях максимального и минимального значений показателя пористости для литологической структуры.

15. Способ по п.14, который дополнительно включает обработку электрических сигналов переменных ориентации для формирования промежуточных электрических сигналов ориентации отвечающих, соответственно: Θ - углу падения относительно оси скважины, f₁ - максимальному уменьшению, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие, в условиях угла Θ_c и нулевого значения показателя пористости, из-за наличия угла падения, f₂ - максимальному уменьшению, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие, в условиях угла Θ_c и максимального значения показателя пористости, из-за наличия угла падения, f₃ - максимальному увеличению, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие, в условиях угла Θ = 90° и нулевого значения показателя пористости, из-за наличия угла падения, f₄ - максимальному увеличению, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие, в условиях угла Θ = 90° и максимального значения показателя пористости, из-за наличия угла падения, n - величине показателя ориентации для литологической структуры, где Θ_c - критический угол падения, для которого показатель прочности на сжатие минимален.

16. Способ по п.15, в котором промежуточные электрические сигналы ориентации обрабатываются для формирования электрических сигналов коррекции ориентации, причем электрические сигналы коррекции ориентации соответствуют максимальному значению коррекции ориентации, при минимальном значении показателя пористости, и минимальному значению коррекции ориентации, при максимальном значении показателя пористости.

17. Способ по п.16, который дополнительно включает формирование дополнительных электрических сигналов, отвечающих, соответственно:
γ - аргументу функции синуса, зависящему от угла Θ и имеющему максимальное значение 90° при Θ = Θ_c,
σ_Θ - величине показателя прочности на сжатие при угле Θ,
где: для случая 0<Θ≅Θ_c:γ = (Θ/Θ_c)π/2,
, при минимальном значении показателя пористости,
f₁=f₂, при максимальном значении показателя пористости,
C_omax=f₁sinⁿ (γ),
C_omin=f₂sinⁿ (γ),
для случая Θ_c<Θ≅90°:γ = π/2+(Θ-Θ_c)/(1+Θ_c2/π),
f₃ = (σ_Θ=90-σ_Θ=0)/σ_Θ=0, при минимальном значении показателя пористости,
f₄=f₃, при максимальном значении показателя пористости,
C_omax=f₁+f₃sinⁿ (γ)-f₃,
C_omin=f₂+f₄sinⁿ (γ)-f₄,
где C_omax - максимальное значение коррекции ориентации в условиях минимального значения показателя пористости,
C_omin - максимальное значение коррекции ориентации в условиях минимального значения показателя пористости,
и обработку вышеуказанным образом промежуточных электрических сигналов переменных совместно с дополнительными электрическими сигналами.

18. Способ по п.11, который дополнительно включает формирование электрических сигналов коррекции также в виде электрических сигналов коррекции температуры, соответствующих функциональной зависимости изменений прочности на сжатие вследствие изменений температуры.

19. Способ по п.18, который дополнительно включает контроль ряда подмножеств четвертого множества образцов горной породы, соответствующих той же самой литологической структуре, причем образцы каждого подмножества имеют одинаковые показатели пористости и локализующего напряжения, но контролируются при различных температурах, для определения, для каждого из четвертых образцов, совокупности переменных температуры, при этом формирование электрических сигналов коррекции температуры предполагает первоначальное формирование множества пар электрических сигналов переменных температуры, причем электрические сигналы каждой пары соответствуют показателю прочности на сжатие и температуре, соответственно, для соответствующего четвертого образца.

20. Способ по п.19, в котором некоторые подмножества четвертых образцов отвечают первому, относительно небольшому, значению показателя пористости, но различаются между собой величинами локализующих напряжений, а остальные из подмножеств четвертых образцов горной породы отвечают второму, относительно большому, значению показателя пористости, но различаются между собой в части локализующих напряжений.

21. Способ по п.20, который дополнительно включает обработку электрических сигналов переменных температуры для формирования электрических сигналов, соответствующих переменным температуры в условиях максимального и минимального значений показателя пористости для литологической структуры.

22. Способ по п.21, который дополнительно включает обработку электрических сигналов переменных температуры для формирования промежуточных электрических сигналов температуры, отвечающих, соответственно: f₅ - уменьшению, в процентном отношении показателя прочности на сжатие в условиях контроля при максимальной температуре и максимальном локализующем напряжении (Т = Т_max, σ₃ = σ_3max), а также при максимальном значении показателя пористости (φ = φ_max), f₆ - уменьшению, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях контроля при максимальной температуре и типовом давлении (Т = Т_max, σ₃ = 0), а также при максимальном значении показателя пористости (φ = φ_max), f₇ - уменьшению, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях контроля при максимальной температуре и максимальном локализующем напряжении (Т = Т_max, σ₃ = σ_3max), а также при нулевом значении показателя пористости (φ=0), f₈ - уменьшению, в процентном отношении, показателя прочности на сжатие в условиях контроля при максимальной температуре и типовом давлении (Т = Т_max, σ₃ = 0), а также при нулевом значении показателя пористости (φ=0), а - величине показателя зависимости давление/прочность, b - величине показателя зависимости температура/прочность.

23. Способ по п.22, в котором промежуточные электрические сигналы температуры обрабатываются для формирования электрических сигналов коррекции температуры, при этом электрические сигналы коррекции температуры соответствуют максимальному значению коррекции температуры, при минимальном значении показателя пористости, и минимальному значению коррекции температуры при максимальном значении показателя пористости.

24. Способ по п.6, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом электрических сигналов коррекции посредством обработки, по меньшей мере, некоторых из электрических сигналов пористости.

25. Способ по п.24, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом, по меньшей мере, некоторых из электрических сигналов коррекции в виде электрических сигналов коррекции напряжения, соответствующих изменениям прочности на сжатие горной породы вследствие влияния локальных напряжений.

26. Способ по п.25, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом других из упомянутых электрических сигналов коррекции в виде электрических сигналов коррекции ориентации, соответствующих изменениям прочности на сжатие горной породы вследствие наличия угла падения для плоскости напластования горной породы.

27. Способ по п.26, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом прочих из упомянутых электрических сигналов коррекции в виде электрических сигналов коррекции температуры, соответствующих изменениям прочности на сжатие горной породы вследствие температурных изменений.

28. Способ по п.27, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом упомянутых электрических сигналов коррекции температуры в виде функциональной зависимости для, по меньшей мере, некоторых из электрических сигналов коррекции напряжения.

29. Способ по п.24, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом, по меньшей мере, некоторых из упомянутых электрических сигналов коррекции в виде электрических сигналов коррекции ориентации, соответствующих изменениям прочности на сжатие вследствие наличия угла падения для плоскости напластования горной породы.

30. Способ по п.24, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом, по меньшей мере, некоторых из упомянутых электрических сигналов коррекции в виде электрических сигналов коррекции температуры, соответствующих изменению прочности на сжатие вследствие наличия температурных изменений.

31. Способ по п.6, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом упомянутых электрических сигналов коррекции посредством формирования и обработки электрических сигналов, соответствующих физическим переменным изменения прочности на сжатие, связанные с влиянием локального напряжения, наличием определенной ориентации и температурными изменениями.

32. Способ по п.31, который дополнительно включает повторение действия по упомянутому способу проведения анализа для, по меньшей мере, одной другой литологической структуры, определение характеристик позиции в горной породе вдоль направления прохождения для множества позиций вдоль направления скважины, на горную породу которой планируется воздействовать буром, причем характеристики позиции включают показатели пористости и физические переменные, аналогичные тем, которые использовались вышеуказанным образом для формирования электрических сигналов коррекции, и, кроме того, характеристики позиции для каждой позиции также включают величины, соответствующие процентному содержанию литологических структур, проанализированных вышеуказанным образом для упомянутой позиции; формирование множества электрических сигналов позиции, соответствующих упомянутым характеристикам позиции, соответственно, и обработку электрических сигналов позиций для каждой позиции совместно с результирующей последовательностью электрических сигналов для формирования электрических сигналов реальной прочности на сжатие, соответствующих реальному показателю на сжатие горной породы для каждой позиции.

33. Способ по п.32, который дополнительно включает формирование, для каждой упомянутой позиции, электрического сигнала угла скважины, соответствующего углу наклона скважины, электрического сигнала азимутального угла скважины, соответствующего азимутальному углу для скважины, электрического сигнала угла плоскости напластования, соответствующего углу падения по отношению к земле, и электрического сигнала азимутального угла плоскости напластования, соответствующего азимутальному углу для плоскости напластования, и совместную обработку электрического угла скважины, электрического сигнала азимутального угла скважины, электрического сигнала угла плоскости напластования и электрического сигнала азимутального угла плоскости напластования для формирования электрического сигнала относительно угла падения, соответствующего относительному углу падения для плоскости напластования по отношению к скважине для соответствующей позиции, а также обработку вышеуказанным образом электрического сигнала относительного угла падения совместно с результирующей последовательностью электрических сигналов.

34. Способ по п.32, который дополнительно включает формирование одного из упомянутых электрических сигналов позиции в виде электрического сигнала реального локального напряжения, соответствующего реальному напряжению.

35. Способ по п.34, в котором электрический сигнал реального локального напряжения формируется посредством обработки электрического сигнала, соответствующего эффективному напряжению, связанному с разностью давлений для жидкости в скважине и жидкости в окружающей геологической формации.

36. Способ по п.34, в котором электрический сигнал реального локального нaпpяжeния также формируется посредством обработки электрического сигнала, соответствующего эффективному напряжению, связанному с влиянием покрывающего пласта.

37. Способ по п.36, в котором электрический сигнал реального локального напряжения также формируется посредством обработки электрического сигнала, соответствующего эффективному напряжению, связанному с влиянием локального поля напряжений геологической формации.

38. Способ по п.32, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом, по меньшей мере, некоторых из упомянутых электрических сигналов позиции посредством обработки электрических сигналов крутящего усилия, соответствующих усилию, отличному от создаваемого буром усилия и действующему, в соответствующей позиции, на горную породу по касательной к окружности.

39. Способ по п.38, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом по меньшей мере некоторых из упомянутых электрических сигналов крутящего усилия, соответствующих эффективному усилию, связанному с разностью давлений жидкости в скважине и жидкости в окружающей геологической формации.

40. Способ по п.39, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом некоторых из упомянутых электрических сигналов крутящего усилия, соответствующих эффективному крутящему усилию, связанному с влиянием покрывающего пласта.

41. Способ по п.40, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом некоторых из упомянутых электрических сигналов крутящего усилия, соответствующих эффективному крутящему усилию, связанному с локальным полем напряжений геологической формации.

42. Способ по п.38, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом, по меньшей мере, некоторых из упомянутых электрических сигналов позиции посредством обработки электрических сигналов осевого усилия, соответствующих осевому усилию, отличному от создаваемого буром усилия и действующему, в соответствующей позиции горной породы, в направлении оси.

43. Способ по п.42, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом, по меньшей мере, некоторых из упомянутых электрических сигналов осевого усилия, соответствующих разности давлений жидкости в скважине и жидкости в окружающей геологической формации.

44. Способ по п.43, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом, по меньшей мере, некоторых из упомянутых электрических сигналов осевого усилия, соответствующих эффективному осевому усилию, связанному с влиянием покрывающего пласта.

45. Способ по п.44, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом некоторых из упомянутых электрических сигналов осевого усилия, соответствующих эффективному усилию, связанному с влиянием локального поля напряжений геологической формации.

46. Способ по п.42, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом по меньшей мере некоторых из упомянутых электрических сигналов позиции посредством обработки электрических сигналов бокового усилия, соответствующих боковому усилию, отличному от создаваемого буром усилия и действующему, в соответствующей позиции горной породы, в боковом направлении.

47. Способ по п.46, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом по меньшей мере некоторых из электрических сигналов бокового усилия, соответствующих эффективному боковому усилию, связанному с разностью давлений жидкости в скважине и жидкости в окружающей геологической формации.

48. Способ по п.47, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом некоторых из упомянутых электрических сигналов бокового усилия, соответствующих эффективному боковому усилию, связанному с влиянием покрывающего пласта.

49. Способ по п.48, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом некоторых из упомянутых электрических сигналов бокового усилия, соответствующих эффективному боковому усилию, связанному с влиянием локального поля напряжений геологической формации.

50. Способ по п.34, который дополнительно включает формирование электрического сигнала инкрементирования реальной прочности на сжатие, соответствующего показателю прочности на сжатие для точки на кольцевом сечении горной породы, перпендикулярном скважине в упомянутой позиции, и для одного из трех взаимно ортогональных направлений, касательного, осевого или бокового, по отношению к оси скважины.

51. Способ по п.50, который дополнительно включает формирование вышеупомянутым образом вышеупомянутого электрического сигнала инкрементирования реальной прочности на сжатие посредством обработки электрического сигнала инкрементирования локального напряжения, соответствующего меньшему из напряжений, действующих в упомянутой точке в двух других упомянутых взаимно ортогональных направлениях.

52. Способ по п.51, в котором формирование электрического сигнала инкрементирования реальной прочности на сжатие дополнительно включает обработку электрического сигнала, соответствующего усилиям, отличным от создаваемых буром усилий и действующим параллельно первому направлению.

53. Способ по п.52, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом другого подобного электрического сигнала инкрементирования реальной прочности на сжатие для второго из упомянутых трех направлений.

54. Способ по п.53, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом третьего подобного электрического сигнала инкрементирования реальной прочности на сжатие для третьего из упомянутых направлений.

55. Способ по п.54, который дополнительно включает формирование вышеуказанным образом дополнительных электрических сигналов инкрементирования реальной прочности на сжатие для других точек на кольцевом сечении и обработку дополнительных электрических сигналов инкрементирования реальной прочности на сжатие для формирования электрического сигнала реальной прочности на сжатие.

56. Способ по п.6, который дополнительно включает определение характеристик позиции в горной породе вдоль направления прохождения скважины для множества позиций вдоль всей длины скважины, на горную породу которой планируется воздействовать буром, причем характеристики позиции включают показатели пористости и физические переменные, аналогичные тем, который использовались вышеуказанным образом для формирования электрических сигналов коррекции, формирование множества электрических сигналов позиции, соответствующих характеристикам позиции, соответственно, и обработку электрических сигналов позиции совместно с результирующей последовательностью электрических сигналов для формирования электрических сигналов реальной прочности на сжатие, соответствующих реальной прочности на сжатие горной породы для соответствующих позиций.

57. Способ по п. 56, в котором характеристики позиции оцениваются на основе данных, полученных для скважины, расположенной поблизости от направления прохождения скважины, а электрические сигналы реальной прочности на сжатие соответствуют предварительным электрическим сигналам реальной прочности на сжатие, формируемым вышеуказанным образом перед бурением скважины в упомянутом направлении.

58. Способ по п.57, который дополнительно включает формирование и, по крайней мере, частичное исполнение плана бурения скважины на основе использования величин, соответствующих предварительным электрическим сигналам реальной прочности на сжатие, и проведение повторной оценки характеристик позиции в процессе бурения скважины на основе использования данных, в реальном масштабе времени, для упомянутых характеристик позиции, формирование вышеуказанным образом соответствующего множества электрических сигналов позиции в реальном масштабе времени, обработку вышеуказанным образом электрических сигналов позиции, в реальном масштабе времени, совместно с результирующей последовательностью электрических сигналов для формирования, в реальном масштабе времени, электрических сигналов реальной прочности на сжатие, и изменение упомянутого плана при условии, что для заданной позиции электрический сигнал прочности на сжатие, в реальном масштабе времени, заметно отличается от предварительного электрического сигнала прочности на сжатие, определенного для той же самой позиции.

59. Способ по п.56, который дополнительно включает бурение вдоль упомянутого направления прохождения и определение вышеуказанным образом упомянутых характеристик позиции на основе использования данных в реальном масштабе времени, получаемых в процессе бурения.

60. Способ по п.1, который дополнительно включает определение характеристик позиции в литологической структуре горной породы, в которой планируется бурение, посредством использования бура, вдоль направления прохождения скважины для множества позиции вдоль всей длины скважины в этой литологической структуре, причем характеристики позиции включают показатели пористости, формирование множества электрических сигналов позиции, соответствующих характеристикам позиции, соответственно, и обработку электрических сигналов позиции совместно со второй последовательностью электрических сигналов для формирования электрических сигналов реальной прочности на сжатие, соответствующих реальной прочности на сжатие для соответствующих позиций литологической структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8