Технологии отбора керна из скважин и его подготовки к петрофизическим исследованиям

Лабораторная работа №1

1. Теоретическая часть

Основные источники геологической информации, получаемой в процессе геологоразведочных работ (ГРР) приведены на рисунке 1.1. В процессе нефтегазодобычи к ним добавляются результаты промысловых исследований скважин (залежи). Особое место среди перечисленных источников информации занимают результаты исследований каменного материала: керна, шлама, боковых образцов. Так, по разным оценкам, объем геологической информации об исследуемых геологических разрезах и объектах нефтегазодобычи результатам прямых исследований каменного материала может достигать 80-85 %. Керн, как прямой источник информации о составе и свойствах пород слагающих литосферу, следует рассматривать как национальное достояние, значение которого со временем и появлением новых технологий может только возрастать. По известным, очевидным причинам, основным предназначением его является петрофизическое обеспечение геологической интерпретации материалов ГИС.

В настоящее время отбор образцов для петрофизического исследования на месторождениях нефти и газа производится в процессе бурения скважин. (Скважина - цилиндрическая горная выработка, которая характеризуется большим отношением длины к диаметру). В процессе бурения скважины отбирается шлам – кусочки горной породы отделяемой бурильной головкой от забоя. Для исследований отбираются информативные фракции шлама диаметром 4-6 мм (частицы меньшего диаметра менее информативны, а большего – принадлежат обвальным глинистым породам).

Отбор образцов горных пород (керна) осуществляется с помощью специальных керноотборных снарядов. Отбор боковых образцов осуществляется с помощью геофизических приборов на кабеле, путем высверливания их из стенок скважин или с помощью стреляющих грунтоносов – полых «стаканчиков» - бойков выстреливаемых в стенку скважины.

Основным способом отбора керна является колонковое бурение, сущность которого состоит в том, что горная порода разрушается по наружной кольцевой части поперечного сечения скважины с сохранением в центре столбика породы – керна. На рисунке 1.2. приведена фотография применяемой для этих целей бурильной головки. Различают отбор керна с помощью традиционной технологии, с применением «не фильтрующихся» буровых растворов – растворов на углеводородной основе (РУО); изолированного керна или керна с сохраненным пластовым водонасыщением; герметизированного керна – отбираемого по изолирующей технологии с герметизацией полости керноотборника с керном от бурового раствора на забое скважины; ориентированного керна – обеспечивающего ориентацию керна относительно частей света. Упрощенная схема керноотборного снаряда для отбора керна по традиционной технологии приведена на рисунке 1.3.

		Рис. 1.1 Основные источники геологической информации при производстве ГРР

Рис. 1.2. Образец бурголовки для колонкового бурения

Рис.1.

Рис.1.3. Упрощенная схема керноотборного снаряда для традиционно колонкового бурения.

1. Бурильная головка. 2. Секция кернорвателей. 3. Цанговый кернорватель. 4. Колонковая труба. 5. Переходник. 6. Замковый ниппель. 7. Бурильная труба.

Информативность отбираемого керна определяется следующими критериями: а) полнотой выноса керна, определяемой отношением длины вынесенного керна к длине проходки с отбором керна (рейса); б) сохранностью керна, определяемой сохранением его механической целостности и свойств или его естественной текстуры и структуры; в) представительностьюкерна – отсутствием избирательного выноса отдельных литологических типов пород; г) сохранностью пластового флюидонасыщения и характера смачиваемости твердой фазы; д) сохранностью пластового напряженного состояния; е) сохранностью или регистрацией пространственной ориентации керна.

Важное значение имеет диаметр отбираемого керна: с увеличением диаметра керна прочность его возрастает пропорционально квадрату диаметра. Кроме того, снижается степень промытости керна фильтратом бурового раствора (РВО) и роль кольматации (загрязнения) дисперсной фазой (РВО), возрастает сохраненная нефтенасыщенность и отличие её от остаточной (Кно).

Рис. 1.

Практически весь фонд скважин в Западной Сибири пробурен с применением глинистого раствора на водной основой (РВО). При таком способе бурения и традиционной технологии отбора керна физико-химические характеристики образца керна, вынесенного на поверхность, состав поровых флюидов и даже состав глинистой компоненты не соответствуют тем, в которых находилась данная порода в условиях естественного залегания.

Отметим, что изменение термобарических условий от «пластовых» до «атмосферных» приводит к неизбежному изменению петрофизических характеристик пород (керна).

При бурении скважин на «нефильтрующемся» буровом растворе (РУО), изменение флюидонасыщенности порового пространства керна ограничивается частичным вытеснением нефти выделяющимся из неё газом и возможными незначительными потерями остаточной воды в процессе её дегазации. Аналогичный результат может быть обеспечен при использовании изолированной технологии отбора керна. Принципиальным преимуществом её является то, что отбор керна осуществляется с применением обычного бурового раствора РВО, исключающего пожаро- и экологическую опасность, исключающего дополнительные расходы.

На рисунке 1.3. приведена схема керноотборника применяемого для отбора изолированного керна. Основные особенности его – это размещение керноприемной трубки внутри трубы – кожуха снаряда и, тем самым, подача РВО на забой по межтрубному пространству (мимо керна). Внутренняя полость керноприемной труды заполнения инертным изолирующим агентом (в частности, маслом). Расстояние между нижними кромками резцов бурголовки и низом керноприемной трубы минимизировано, каналы выхода РВО из бурголовки направляют струю на внешнюю стенку забоя, все это снижает а) время контакта выбуриваемого керна с РВО, а в сочетании с противоточным вытеснением керном изолирующего агента на забой, минимизирует опережающую фильтрацию РВО в керн.

В дополнение к изолирующей технологии, специальный способ отбора с герметизацией внутренней полости керноприемной трубки под забойным давлением, позволяет сохранить пластовые условия не только по остаточной водонасыщенности, но по флюидонасыщению и геохимическим показателям пород.

В настоящее время возрастает отбор керна в стеклопластиковых тонкостенных трубах – вкладышах вставляемых внутрь керноприемной трубы. Специальными технологиями обеспечивается гарантированный вынос керна не менее 90% от интервала бурения с отбором керна практически из всех типов пород, за исключением мелкотрещиноватых (против 35-65 при обычной технологии работ).

Первым, весьма важным, этапом отбора и исследований керна является первичная документация его на скважине. Современные технологии отбора и первичной, полевой, документации керна включают следующие операции: а) извлечение керна из керноприемной трубы; б) укладку его в керновые ящики и маркировку их (в случае отбора керна в стеклопластиковых трубах – разрезание

Рис. 1.3. Схема изолирующего керноотборного снаряда типа КИМ, односекционного

(разработчик и производитель НПП «СибБурМаш).

Диаметр отбираемого керна: 80, 100 и 120 мм; длина отбора 6,5 м и 13 и 19 м, соответственно для одно-, двух- и трех- секционных снарядов. Расстояние от низа снаряда до разделительной эластичной диафрагмы 2,5-3,5 см.

керна на метровые секции и герметизация их с торцов); г) послойное макроскопическое описание литологии керна, маркировку керна и керновых ящиков (указание верха и низа керна в ящике, паспортные данные керна – месторождение скважина и т.д., интервал отбора и вынос керна. Обеспечивается «этикетирование» каждого отобранного образца керна, включая присвоение ему полевого номера.

После извлечения керна из керноприемной трубы, при необходимости обеспечивается изоляция его от атмосферы (высыхания), препарирование (отбор образцов), герметизация полиэтиленовой пленкой и парафином и маркировка – наклеивание этикетки на образцы. Герметизация керна позволяет определить прямым методом остаточную водонасыщенность пород (при бурении скважин с применением изолирующей технологии или с использованием РУО) или остаточную нефтенасыщенность (при бурении с применением РВО).

Последующим этапом должна стать физическая документация керна, неконтактными методами исследований: фото- и видео- документация керна или продольных (вдоль оси керна) срезов, в дневном и ультрафиолетовом свете; измерение физических параметров (естественной радиоактивности, плотности методами рентгенографии или рентгеновская томография и другими).

Дальнейшей задачей работ является отбор представительной коллекции образцов для петрофизических и литолого-минералогических исследований. Первоочередной задачей этих работ является обоснование петрофизических характеристик «опорных» пластов – т.е. пластов «чистых» песчаников и глин (аргиллитов), а также плотных пород достаточной толщины обеспечивающей уверенную характеристику их по данным ГИС. Следующей задачей – обоснование взаимозависимостей петрофизических характеристик пород между собой. Регламентированная инструкцией ГКЗ РФ плотность отбора образцов для исследований составляет не менее 4-ех образцов на метр разреза (керна). В случае заметной неоднородности разреза плотность отбора образцов и анализов должна возрастать. Важное обеспечить пропорциональное представительство в отобранной для исследований взаимозависимости свойств коллекции всех выделенных в керне литологических типов пород.

Порядок дальнейших работ зависит от вида и состояния каменного материла и задач исследований. На рисунке 1.4 приведен перечень основных направлений исследований каменного материала и пластовых флюидов.

Общие требования к подготовке керна к анализам (препарирование), к отбору и обработке образцов изложены в ГОСТ 26450.0 - 85 - ГОСТ 26450.2 - 85 “Породы горные. Методы определения коллекторских свойств” и детальнее они изложены в стандартах предприятия НПЦ «Тюменьгеофизика» (СТП 50 – 28 – 02 и др.). Кроме того, существуют соответствующие отраслевые регламенты. На приложениях 1, 2 и 3 приведены типовые схемы петрофизических исследований, предложенные НПЦ «Тюменьгеофизика». На рисунке 1.5. приведена схема препарирования кусков отобранного керна. Обеспечивается выпиливание или высверливание образцов правильной геометрической формы (цилиндрической, кубической). Для отдельных исследований отбирают куски породы (шлама).

		Рис. 1.4 Основные направления исследований каменного материала и пластовых флюидов.

Рис. 1.5. Общая схема препарирования керна в лаборатории или схема препарирования керна с сохраненным водонасыщением на скважине (то же – в лаборатории для керна отобранного в стеклопластиковые трубы – пеналы).

Процесс очищения порового пространства образца от нефти, битумов, воды и солей называют экстрагированием. От углеводородов образцы экстрагируют органическими растворителями в аппаратах Сокслета (см. рисунок 1.6). В качестве растворителей применяют петролейный эфир, бензин, бензол, толуол, хлороформ,

(Образец указан стрелкой)

Рис. 1.6. Схема аппарата Сокслета.

четыреххлористый углерод, спиртобензольную смесь в соотношении 1:10 и более сложные смеси, например четырехкомпонентную смесь спирта, хлороформа, четырех-хлористого углерода и бензола в соотношении 1:1:1:4. Выбор того или иного растворителя или смеси определяется способностью растворять нефти и битумы. Наиболее сильными растворителями являются хлороформ, спирто-бензольная и четырехкомпонент-ные смеси. Оптимальный растворитель, обеспечивающий требуемую полноту извлечения углеводородов и одновременно обеспечить сохранность образцов, следует подбирать индивидуально.

Правильность выбора растворителя может не только позволить очистить образец от углеводородов, но и количественно оценить содержание в легких и тяжелых нефтей, битумов и смол. Трубка (5) сообщается с экстрактором тонкой сифонной трубочкой (6) и трубкой (7). В верхней части экстрактора находится шариковый холодильник (8), соединенный с пришлифованной горловиной экстрактора (4).

В процессе отмывки, в колбу наливается растворитель, а в экстрактор помещается образец керна. Колба с растворителем нагревается с помощью колбонагревателя. Пары растворителя проникают в экстрактор, а затем в холодильник, где охлаждаются, конденсируясь на стенках холодильника. Охлажденный растворитель снова попадает в экстрактор, постепенно заполняя его до верхнего уровня трубки (7) через которую растворитель снова попадает в колбу. По мере отмывки растворитель в колбе становится более темным, а в экстракторе более светлым. Время экстракции зависит от объема колбы и температуры нагревания растворителя и подбирается таким образом, чтобы обеспечить более полную экстракцию и сохранность структуры порового пространства образца.

Следующей операцией в подготовке образцов к исследованию является их сушка. Эта операция

необходима при изучении абсолютной газопроницаемости, пористости, водонасыщенности. Сушка образцов производится в сушильных шкафах с терморегуляторами. В зависимости от вещественного состава, для плотных неглинистых пород поддерживают температуру в камере 103-105° С. Глинистые породы сушат при температуре 70° С. Увеличение температуры сушки глинистых пород может привести к необратимому разрушению структуры породы. Для предотвращения адсорбции влаги из воздуха, образцы перед взвешиванием охлаждают в эксикаторе с находящемся в нем поглотителем влаги, например, хлористым кальцием. Конец сушки определяют по стабилизации массы сухого образца.

Многие физические свойства изучаются на образцах, насыщенных моделью пластовой воды или нефти или просто керосином. Насыщение может осуществляться разными способами: капиллярным впитыванием, насыщением под вакуумом, насыщением под давлением и т. д. Наиболее часто образцы насыщают под вакуумом в эксикаторах.

Практическая часть

Задание: По предложенному керновому материалу сделать макроописание его литологии; по полученному описанию, либо по материалам полевого послойного макроскопического описания литологии керна и построить литологическую колонку.

Порядок работы.

1. Измерить длину (мощность) предложенных образцов.

2. Для каждого из образцов выполнить визуальное макроскопическое описание его литологии. Выделить следующие литологические типы: песчаник крупнозернистый, песчаник среднезернистый, песчаник мелкозернистый, алевролит крупнозернистый, алевролит среднезернистый, алевролит мелкозернистый, глина, аргиллит, плотный карбонатный песчаник (алевролит). Описать тип текстуры образцов – монолитная (однородная), параллельно слоистая, линзовидно-слоистая. Описать включения растительных остатков и организмов (если присутствуют).

3. Построить литологическую колонку в соответствии с порядком разложенных образцов. Толщины пластов принять равными длине образцов ´ 100 [м]. Масштаб по глубине выбрать 1:400. Пример построенной литологической колонки приведен на рисунке 1.7.

Рис. 1.7. Пример литологической колонки смоделированной по образцам керна.

4. Сформулировать выводы по работе.

Контрольные вопросы:

1. Обосновать значение керна как уникального источника прямой информации о недрах.

2. Обосновать цели и задачи отбора керна и оптимизацию объемов отбора керна.

3. Перечислить новые специальные технологии отбора керна и дать характеристику их геологической информативности.

4. Перечислить основные этапы подготовки образцов к исследованиям.

5. Назвать характерные отличия керна отобранного из скважины на РУО от керна из скважины на РВО.

6. Перечислить основные литотипы пород, слагающие разрезы месторождений Западной Сибири.

7. Что называется текстурой и структурой горной породы? Какие текстуры вы знаете?

8. Дать определения следующим литологическим типам пород:

- песчаник крупнозернистый;

- песчаник среднезернистый;

- песчаник мелкозернистый;

- песчаник глинистый;

- алевролит крупнозернистый;

- алевролит мелкозернистый;

- алевролит глинистый;

- глина алевритистая (алевритовая);

- глина;

- аргиллит, битуминозный аргиллит;

- плотный карбонатный (карбонатизированный) песчаник (алевролит).