Основные показатели отбора керна

4 Методы отбора керна



4.1  Актуальность темы



Эффективное ведение геологоразведочных работ при поиске и разведке скоплений углеводородов, последующей разработке залежей невозможно без детального и своевременного исследования керна, который является главным носителем реальной информации о недрах земли. 

Объем бурения  с отбором керна в России составляет примерно 4-5 % от общей проходки в разведочном бурении и 0,5-1% в эксплуатационном. В то же время стоимость бурения интервала с отбором керна в несколько раз дороже бурения сплошным забоем.  Керн-главный источник и носитель информации о свойствах горной породы. Отобранный кольцевым забоем образец породы, дает возможность их визуального и непосредственного изучения. Несмотря на большие возможности геофизических методов исследования земных недр, только полноценные образцы керна позволяют достоверно установить состав, физико-механические свойства и возраст пород, аргументированно подтвердить запасы нефти и газа, составить обоснованные проекты на бурение скважин и разработку месторождения в целом.

В связи с этим результаты исследований керна при его качественном отборе и оперативной обработке непосредственно на скважине могут обеспечить до 70-80 % от общего объема необходимой информации геологоразведочных работ на нефть и газ, создавая основную геолого-промысловую информации о недрах. 

Известно, что критериями полноценности керна являются процент его выноса, степень сохранения структуры, состава, флюидов и других свойств по отношению к естественным условиям залегания пород. Из них наиболее информативен процент выноса керна, по которому оценивается уровень совершенства керноотборных инструментов и технологий бурения .

Повышенная информативность керна обеспечивается:

- в процессе бурения - техникой и технологией, обеспечивающей максимальное сохранение свойств горной породы (керна) в скважинных условиях; 

- после подъема - оперативным сохранением характеристик горной породы в образцах на неопределенно долгое время;

- выполнением работ по анализу керна.

Отбор керна является сложной технологической операцией, требующей значительных финансовых и временных затрат. В то же время получение достоверной информации о продуктивных пластах часто осложняется тем, что при бурении и подъеме на поверхность керн длительное время контактирует с промывочной жидкостью. Это приводит к искажению такой важной характеристики керна, как остаточная нефте-водонасыщенность, которая используется для обоснования параметров подсчета запасов нефти и газа. Кроме того, «загрязнение» керна твердой фазой, содержащейся в буровом растворе, не позволяет в дальнейшем достоверно оценить коллекторские свойства исследуемых образцов.

	Для решения вышеперечисленных проблем используются стандартные методы бурения с отбором керна буровыми наконечниками или методы бокового отбора керна,которые мы рассмотрим в дано работе и отметим их достоинства и недостатки.



4.2 Основные показатели отбора керна



Принцип разрушения горной породы кольцевым забоем не отличается от принципа разрушения сплошным забоем. Основными особенностями являются калибровка вооружением долота двух цилиндрических поверхностей (стенки скважины и керна ) и предохранение керна от размыва промывочной жидкостью. 

Основные показатели, характеризующие отбора керна. 

Коэффициент керноотбора:



Кк0 = Dk / Dr ,                                                                                                          (4.1)

где 	Dk – диаметр керна;   

Dr – диаметр бурильной головки.

Чем выше Кк0 , тем больше долото удовлетворяет требованию отбора керна максимально возможного диаметра.

Коэффициент керноприёма: 



	Ккп = Dk / hk ,                                                                                                         (4.2)

где 	hk – расстояние от забоя до входа в керноприёмное устройство долота.        



Чем больше Ккп, тем меньше керн подвергается прямому воздействию промывочной жидкости и вращающегося инструмента, т.е. тем меньше керн размывается и разрушается.

	

	4.3 Обзор методов и инструментов для отбора керна



КНБК при отборе керна может быть, как роторная, так и с ГЗД. К преимуществам роторного способа можно отнести:

- уменьшение частоты вращения n, что повышает стойкость бурильной головки и увеличивает проходку;  

- сокращает затраты времени на СПО;

- возможность создания более высоких крутящих моментов на забое;

- широкий диапозон варьирования параметрами режимов бурения (нагрузка 5-10 т. расход раствора 25-42 л/с.).

Вместе с тем имеем:

- более низкие механические скорости;

- повышение аварийности с элементами бурильной колонны и увеличение её веса.

Использование ГЗД выгодно отличается более высокими скоростями бурения и возможностью применения ЛБТ в колонне. Можно отметить более высокое давление нагнетания и одновременно более низкую нагрузку на долото. 

Так же по конструкции керноотборные снаряды делятся: на снаряды со съёмной, несъёмной грунтоноской (керновой трубой) и керноотборные турбодолота.

Рассмотрим кратко наиболее распространенные в отечественной и зарубежной практике керноотборные инструменты.

Для бурения с отбором керна выпускаются керноприемные устройства, применяемые при различных по физико-механическим свойствам горных породах и условиях бурения:

- серия "Недра" - для неосложненных условий бурения скважин;

- серия "Кембрий" - для условий бурения в рыхлых слабосцементиро-ванных и трещиноватых породах;

- серия "Силур" - для бурения в осложненных осыпями и обвалами условиях;

- серия "Тенгиз" - для бурения в условиях, осложненных нефтегазоп-роявлениями и поглощениями промывочной жидкости в породах с высокими коллекторскими свойствами.

- серия "Риф" - для отбора керна из отложений рыхлых, сыпучих,сильно трещиноватых, в том числе, рифогенных горных пород с высокими коллекторскими свойствами роторным способом;

- серия "МАГ" - для отбора керна в интервалах залегания твердых консолидированных и абразивных горных пород, в том числе из пород кристаллического фундамента турбинным способом.

Общий вид керноприемных устройств большинства серий однотипен и приведен на рисунке 4.1, который состоит из корпуса и керноприемника. Керноприемник вверху подвешен на регулировочной головке и оснащен узлом подшипников, предотвращающим его вращение, а внизу оснащен кернорвателями  различной конструкции (цанговые и лепестковые в различном сочетании).

Керноприемные устройства отечественного производства имеют преимущества по сравнению с известными зарубежными аналогами. Наиболее существенным преимуществом является конструкция регулировочной головки требуемый зазор между башмаком кернорвателя и бурильной головкой достигается без извлечения керноприемника и его подвески, что экономит время вспомогательных работ на буровой и повышает безопасность труда персонала. Корпус и керноприемник изготавливаются из цельнотянутых легированных стальных труб. Специальная обработка корпуса снижает интенсивность износа и повышает срок службы соединений. Конструкция узла подшипников подвески предотвращает вращение керноприемника.

Керноприемные устройства "Недра" и "Силур" могут использоваться в одно-, двух-, трех-  секционной сборке длиной 8, 16, 24 м и более.





1 – верхний переводник; 2 – кольцевой кернорватель; 3 – колпак;                       4 – подшипник; 5 – вал; 6 – кернорватель; 7 –шаровой клапан; 8 – корпус;                       9 – контргайка; 10 – керноприёмная труба; 11 – расширитель; 12  – кернодержатель; 13  – бурильная головка; 14 – рычажковый кернорватель

Рисунок 4.1 - Общий вид керноприемных устройств



Изготавливаются также и другие модификации керноприемных устройств, являющиеся аналогом устройства серии "Недра", в том числе, под названием "керноотборники изолирующие модернизированные" типа "КИМ", "КИС".

Для отрыва и удержания керна различных по составу и свойствам горных пород отечественной промышленностью выпускаются различные виды компановок кернорвателей, основные виды которых включают цанговый и рычажный кернорватели.

Кроме того, отечественной промышленностью изготавливаются и другие специальные керноприемные устройства:

- устройство керноприемное "Структура" УКС-178/60-80, предназначенное для бурения морских, исследовательских и инженерно-геологических скважин диаметром 212,7 мм с отбором керна из нелитифицированных дон-ных отложений (илов и т.п.) диаметром 57 мм способом динамического гидровдавливания в породу пробоотборной трубы и отбором керна диамет-ром 80 мм роторным способом; 

- комплекс инструментов для бурения с отбором керна в горизонтальных скважинах;

- керноотборные устройства с принудительным отрывом керна от забоя и полным перекрытием торца керноприемника типа КИМ, КГТИ,КИС,СКИ позволяющие отбирать керн с сохранением пластового давления.

Устройство керноприемное "Структура" эксплуатируется в компановке с серийными бурильными головками любых типов размерами 212,7/80 мм.

Комплекс инструментов для бурения с отбором керна в горизонтальных скважиннах представляет собой комплекс специальных технических средств, включающий бурильную головку, керноприемное устройство и шарнирную муфту-центратор. Бурильная головка, как правило, шарошечная, разработана специально для условий бурения с отбором керна в горизонтальных участках скважин. Она снабжена оригинальными элементами, обеспечивающими чистоту керноприемника до начала отбора керна и предохранение от размыва керна в процессе бурения. Керноприемный снаряд, включающий корпус и керноприемник, содержит устройства, центрирующие керноприемник в корпусе и предотвращающие вращение керноприемника при поступлении керна. Керноприемник снаряда обеспечивает беспрепятственное заполнение его керном. Шарнирная муфта-центратор служит для присоединения керноотборного инструмента к гидравлическим забойным двигателям. Оригинальная конструкция ее обеспечивает спуск инструмента в скважины с малым радиусом искривления и устойчивый процесс бурения.

Турбобур для отбора керна типа 2УКТ - 172/40 со сменным керноприемником предназначен для бурения нефтяных и газовых скважин диаметром 187,3 и 190,5 мм с отбором керна диаметром 40 мм. Турбобур разработан на базе турбобура с плавающими статорами и состоит из трех турбинных и одной шпиндельной секции. Длина турбобура 26,485 м, керноприемной полости - 17,085 м). 

Сверлящий керноотборник типа КС 140 – 130 предназначен для отбора керна в необсаженных скважинах и в обсаженных колоннами диаметром 168 мм. Телескопический бур позволяет производить отбор образцов длиной 130 мм и диаметром 16 мм, а также длиной 95 мм и диаметром 22 мм. В качестве рабочего инструмента используется твердосплавная или алмазная коронка. Керноотборник оборудован системой автономной промывки с производительностью 2 дм3/мин.

Несмотря на разнообразие керноотборных снарядов, большое внимание надо уделять на бурголовки. В основном используются двух типов: шарошечные и алмазные. Шарошечные долота конструктивно отличаются друг от друга количеством шарошек, различным вооружением и по типу воздействия на породу. Например бурголовка типа СЗ имеет три чечевицеобразные шарошки, вооружённые клиновыми зубками и относятся к инструментам истирающее-режущего действия. Бурголовки для работы со снарядами «Недра 2» типов СТ, ТКЗ и К – шестишарошечные. Они имеют два вида шарошек: три шарошки для разрушения периферийной части забоя и три – для разрушения части забоя, прилегающей к керну. Они относятся к инструментам дробящее-скалывающего действия.

У шарошечных долот есть некоторые недостатки:

- при высокой абразивности горных пород происходит быстрое изнашивание вооружения и в связи с этим ограничение времени отбора керна и механической скорости;

- увеличение люфтов шарошек при длительном бурении и связанная с этим повышенная вибрация на забое, приводящая к разрушению керна, а также вероятности оставления шарошек в скважине. 

В сумме это приводит к потере времени, недостаточному выносу керна и увеличению аварийности в бригаде.





	

	4.5  Ориентированный отбор керна

	

	4.5.1 Общие положения.

	Азимутально ориентированный керн - это керн с высокой информационной значимостью для Заказчиков. Он позволяет увидеть природу образования пластов, их простирание, изучить и использовать простирание трещин в пространстве.

	Примерный перечень исследований, проводимых с ориентированным керном приведен ниже:

	Определение угла падения пластов.

	Направление простирания пластов в пространстве.

	Пространственное распределение характеристик коллекторов и тенденции изменения пористости и проницаемости.

	Построение 2-х мерной карты вектора наименьшей пористости и проницаемости.

	Седиментационные исследования:

	- напластование;

	- седиментационные стилолиты; 

	- ангидритовое ограничение; 

	- стратификационные соединения. 

	Исследование тектонических особенностей пластов:

	– открытые трещины;

	– тонкие трещины с заполнением кальцитом.

	Определение природы трещин:

	– естественные;

	– появляющиеся во время отбора;

	– стрессовые.

	Подсчет пористости и проницаемости на основе кернового материала с учетом объема трещин и их простирания.

	Обработка результатов по проведенным исследованиям кернового материала для определения наилучшего места бурения эксплуатационных скважин.

	

	4.5.2 Особенности отбора ориентированного керна.

	Для отбора ориентированного керна используется стандартный керноотборный снаряд, в башмачной сборке которого над бурголовкой устанавливаются ножи для маркировки керна (рисунке 4.4).

	Метка с главного ножа по внутренней трубе переносится на переводник, соединяющий внутреннюю трубу с подшипниковой сборкой (рисунке 4.5). 

	После сборки снаряда производится присоединение немагнитной УБТ к корпусу снаряда.

	В немагнитной УБТ устанавливается измерительный комплекс, включающий в себя 2 прибора электромагнитной съёмки ЕМС.

	Приборы замеряют азимут каждые 10-60 сек, в зависимости от механической скорости бурения. После подъёма оборудования на устье записанные данные переносятся на компьютер.

	

	

	Рисунок 4.2 - Положение посадочного места для прибора

	по ориентированию и главного ножа

	

	

	Рисунок 4.3 – Ножи для маркировки керна

	

	

	Спуск снаряда в скважину и процесс отбора керна не отличаются от стандартного проведения работ по отбору обычного керна. От буровой бригады не требуется наличие специальных инструментов и/или оборудования.  

	В процессе отбора керна ножи формируют три полосы на теле кернового материала. Данные полосы “привязываются” к показаниям прибров EMC путём переноса меток от ножей к месту установки прибров ЕМС, и даже в случае поворота керна в керноприёмной трубе  информация не будет потеряна.

	После подъёма снаряда на устье керноприёмная трубка с керном укладывается на мостки, разрезается на метровые отрезки.  Керн проверяется на наличие полос-маркеров (рисунок 4.6). Снимаются показания приборов EMC, и выдается окончательное заключение по замеру азимутального направления кернового материала.

	

	 

	Рисунок 4.4 – Ориентированный керн

	

	4.6 Отбор герметизированного керна

	Отбор герметизированного керна продиктован необходимостью прямого определения по керну пластовых значений нефте-газонасыщения и установления фазового состава флюидов. Информативность герметизированного керна выше керна, отобранного без герметизации, так как кроме сохранения остаточного водонасыщения в герметизированном керне возможно сохранение нефте-газонасыщения, а также и температуры при термостатировании керноприемника, благодаря чему обеспечивается возможность:

	- прямого определения по керну пластовых и текущих значений нефте-газонасыщения;

	- сохранения фазового состава флюидов, что особенно важно при отборе керна из газогидратных залежей.

	Отбор герметизированного керна осуществляется герметическими керноотборными снарядами. Они обеспечивают (после отделения керна от забоя) герметичное перекрытие керноприемника в нижней и верхней частях. При этом исключается гидродинамическое сообщение полости керноприемника, заполненного керном, со скважиной и сохраняется забойное давление.

	При отборе герметизированного керна выполняются следующие операции:

	- бурение с отбором керна герметическим керноотборным снарядом, оснащенным аппаратурно-измерительным комплексом записи термобарических параметров в полости керноприемника;

	- контроль герметичности керноприемника снаряда на поверхности;

	- ступенчатая дегазация керноприемника с замером расхода и отбором проб газа для его последующего анализа;

	- разгерметизация керноприемника и извлечение керна;

	- считывание данных аппаратурно-измерительного комплекса, их компьютерная обработка и интерпретация;

	- обработка, экспресс-анализ керна, препарирование и консервация образцов.

	При отборе герметизированного керна используют специальные пластиковые тубы.

	

	4.7 Система отбора керна Gel Coring

	 

	Преимущество применения кернового геля для скважинной герметизации керна и улучшения выноса: 

	- отбор с низким проникновением фильтрата БР в керн за счет сокращения контакта керна с промывочной жидкостью и хорошего сохранения образцов для высокоточного анализа;

	- предотвращает статическое проникновение фильтрата БР в керн внутри керноотборника;

	- улучшает смазывающую способность между керном и внутренним стенкой грунтоноски, предотвращая заклинивание и позволяет применение керноотборных сборок большей длины;

	- снижает время бурения за счет меньшего количества спуско-подъемных операций;

	- имеются гели разных составов для различных условий применения. 

Общий вид системы показан на рисунке 4.7.



	

	Рисунок 4.5 - Система отбора керна Gel Coring

	

	Преимущества для анализа керна:

			снижает проникновение фильтрата БР в керн;

			обеспечивает практически неизмененный керн;

			сводит к минимуму изменение смачиваемости ;

			сохраняет весь керн, а не только выбранные интервалы;

			высококачественная флюидонасыщенность; 

			высококачественные данные для специального анализа керна; 

		керна с самого начала работ с целью сокращения риска.

		

		4.8 Метод бокового отбора керна.

		Отбор керна влияет на показатели эффективности бурения, поскольку для отбора и извлечения керна на поверхность требуется  дополнительное  время.  В зависимости от целей отбора керна и ограничений бюджета, добывающие компании могут отказываться от применения традиционных технологий отбора  керна.  В этом случае для получения ценной информации о породе-коллекторе  могут применяться методы ударного или вращательного бокового отбора керна. Из  этих двух методов ударный метод отбора керна является наиболее распространенным. Однако в некоторых условиях, особенно в твердых породах и при поисковом бурении в глубоководных и нетрадиционных коллекторах  предпочтительным  методом является вращательный отбор керна. Боковой керн  используется для проверки результатов каротажа и эмпирического исследования петрофизических и геофизических характеристик. Глубины отбора керна   выбираются по результатам интерпретации  данных  каротажа; гамма-каротаж и каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации применяются для  корреляции  глубин между результатами каротажа в открытом  стволе  и  глубинами  отбора керна.

		4.8.1 Боковой ударный метод отбора керна.

		Первый  инструмент  для  отбора  керна  ударным  способом  был  изобретен в 30-х годах прошлого века. В настоящее время спускаемые на кабеле ударные   инструменты выпускаются всеми крупными сервисными компаниями.  Стреляющие     керноотборники, такие как хpoнoлoгичecкий  кepнooтбopник (chronological    sample    taker) CST  компании  Schlumberger,  внешне похожи  на  обычные  ударные  инструменты,  изобретенные  почти  сто  лет назад,  но  в  результате  усовершенствований  стреляющие  керноотборники стали надежными и экономически  эффективными  инструментами, применяющимися по сей день. Стреляющие  керноотборники снабжены  полыми  цилиндрическими бойками, установленными на корпусе.  Бойки  выстреливаются в породу из корпуса при   помощи  заряда  взрывчатого  вещества.  После спуска на необходимую глубину бойки  выстреливаются  по  очереди при  помощи  электрических  взрывателей. Бойки прикреплены к корпусу  стальными  тросами,  которые  облегчают извлечение керна из стенки ствола.  После  выстреливания  бойка  в  пласт  оператор  использует  вес керноотборника и натяжение лебедки для извлечения керна.

		

	Рисунок 4.6 – Стреляющий керноотборник 

	

	Данный метод является более экономичным и быстрым по сравнению со стандартными методами и дают  надежную  информацию  о  гранулометрическом   составе   породы,  её  минералогическом  составе,  условиях осадконакопления  и  характере   насыщения.

		4.8.2. Боковой вращательный метод отбора керна.

		Вращательные  инструменты  для  отбора  керна оборудованы  миниатюрными  бурами  с  алмазными  наконечниками,   которые   выглядят  как  уменьшенные версии  обычных долот,  применяющихся   для   отбора  керна.  Для  отбора  керна  вращательным  способом,  как  и  для  обычного  бурения  и  отбора  керна,  создан  целый  ряд  долот  различной  конструкции,  предназначенных  для применения   в   различных   породах.  Долото   прорезает   цилиндрический   канал  в  породе  непосредственно  из  стенки    скважины.    Затем    инструмент отрезает цилин-дрический керн и  втягивает  керн  внутрь  корпуса.  В  зависимости  от  конструкции  снаряда,  процесс  повторяется  до  тех  пор,  пока  керноотборник  не  заполнится керновым материалом.

		

	Рисунок 4.7 – Боковой вращательный керноотборник

	Вращательный  способ  отбора  бокового  керна  обладает   несколькими  преимуществами  по  сравнению с ударным  методом.  Механические  искажения   образцов   породы   в   результате  удара  бойка  отсутствуют  в  кернах,  отобранных   вращательным  способом.  Вращательный  способ  отбора   керна  позволяет сохранить поровую структуру породы. В отличие от кернов, полученных ударным методом, керны, отобранные вращательным методом, позволяют проводить  точные  измерения  пористости,  проницаемости и капиллярного давления.  Стандартный  анализ  керна , полученного  вращательным  способом,  позволяет  получить более   точные   результаты   по   сравнению  с  анализом  керна,  добытого ударным способом. 

	

		

		4.9 Метод отбора дисковым керноприемником.



Одним из методов, повышающих качество геологоразведочных работ, является отбор керна из стенок необсаженных скважин дисковым призматическим керноотборником на кабеле. Этот прибор позволяет отбирать в различных категориях пород за одну спускоподъемную операцию несколько образцов значительной длины. Вырезание образцов осуществляется двумя расположенными под углом один к другому алмазными дисками, которые в процессе работы прибора врезаются в стенку скважины и, перемещаясь вдоль ее продольной оси, вырезают трехгранный призматический образец





	Рисунок 4.8 – Дисковый керноотборник

	

Вращение на режущие диски передается от электродвигателя, одновременно включается гидронасос. При работе насоса рабочая жидкость подается под поршень прижимного устройства и гидроцилиндра подачи. В полости прибора рабочая жидкость через компенсатор давления воспринимает гидростатическое давление бурового раствора в скважине. После прижатия корпуса прибора к стенке скважины начинает перемещаться вверх поршень гидроцилиндра подачи, увлекая за собой шпиндельную каретку, которая перемещается по направляющим пазам и осуществляет врезание дисков в стенку скважины и их продольное перемещение по стволу. 

Перемещение режущих дисков контролируется на панели управления. После окончания проходки выпиленный керн направляется в приемную камеру, электродвигатель выключается, гидронасос останавливается. Рабочая жидкость из полости высокого давления перетекает в общую полость прибора. В это время разделитель операции, представляющий собой поршень, входящий в герметичную воздушную камеру, возвращает каретку в исходное положение; в исходное положение возвращается и прижимное устройство. Прибор подготовлен для отбора следующего образца. 

За один спуск прибор позволяет отобрать пять образцов. Время отбора одного образца порядка 15 мин. Дисковый керноотборник, как и все приборы, спускаемые в скважину на геофизическом кабеле, обеспечивает привязку отобранного керна по глубине и сопоставление его с материалами ГИС. Кроме того, выпиленный образец позволяет уточнить строение пласта, выделить в нем текстурные и структурные особенности, провести литолого-петрографические, стратиграфические, петрофизические исследования, т. е. получить полную информацию о пласте.















































Заключение



Отбор керна является одним из наиболее старых методов оценки пластов. Несмотря на высокую стоимость, отбор керна — оптимальный метод, дающий возможность получить образец пласта подземной породы на месте скважины для подробного литологического исследования, а также для последующих лабораторных исследований. Отбор породы можно проводить двумя основными способами: бурением с отбором керна буровым наконечником (стандартный способ) и боковым отбором керна.

Проанализировав данные методы отбора керна можно сделать вывод, что боковой отбор керна занимает меньше времени на отбор образцов породы, но при этом отбираются небольшие образцы; поэтому данные, полученные таким методом менее надежны. В то же время образцы отобранные стандартным способом дают больше информации о пористости, проницаемости, нефтенасыщенности пласта, но требуют больше затрат.



20.......................