что такое керн в бурении нефтяных и газовых скважин
Отбор керна: размер имеет значение
Образец породы, извлечённый из скважины, даёт информацию, которая представляется для добывающих компаний едва ли не истиной в последней инстанции — некоторые характеристики пласта иными методами получить просто невозможно. Причём чем большего размера — тем лучше.
Крупные образцы дают геологам и инженерам больше возможностей для более точного определения геологического строения, геомеханических и петрофизических характеристик пород. Всё чаще для поиска новых месторождений применяют технологию разработки нетрадиционных залежей. Поэтому отбор репрезентативных образцов пород, не связанный с большими затратами и неэффективностью традиционных методов керноотбора, стал насущной задачей.
Методы отбора керна
В нефтегазовой отрасли их два: вырезание цельных кернов при помощи буровой компоновки и отбор бокового керна. Традиционный метод чаще всего позволяет получить качественные образцы керна, но в отличие от обычных операций бурения он является дорогостоящим и длительным процессом.
Экономической альтернативой служит боковой отбор керна — дополнительный способ получения данных там, где это невозможно при помощи традиционных способов. За один рейс можно извлечь до 90 образцов на выбранных глубинах, что позволяет охватить сразу несколько целевых интервалов.
«У геологов и инженеров появилась возможность использовать большие керны для исследования нетрадиционных залежей и определения механических свойств горных пород. При большом количестве доступного для анализа кернового материала нефтегазодобывающие компании имеют намного больше шансов успешной разработки нетрадиционных залежей», — указали в статье «Rotary Sidewall Coring—Size Matters» для компании «Schlumberger Limited» Abhishek Agarwal, Robert Laronga и Larissa Walker.
Речь идёт о методах ударного или вращательного бокового отбора керна.
«Хотя ударный метод является экономичным и быстрым, его применение может вызвать некоторые осложнения. В результате удара бойков о породу может произойти повреждение керна. И твёрдые, и мягкие породы разрушаются под действием удара бойка, и это приводит к изменениям свойств образца. Слабоцементированные породы при ударе бойка подвергаются сжатию, а глинистая корка с внутренней стенки скважины может вдавливаться в скелет породы керна, изменяя тем самым его характеристики. Добывающие и сервисные компании знают об ограничениях ударного метода и мирятся с этими ограничениями на протяжении почти пятидесяти лет. Это положение изменилось в 80-х годах прошлого века, когда появились первые вращательные керноотборники», — сообщают авторы статьи.
По словам специалистов, преимущество этого метода в том, что он позволяет сохранить поровую структуру породы и исключить механические повреждения керна.
Детали
Основные требования к процессу заключаются в обеспечении стопроцентного выноса, скорости бурения и максимальном количестве метров за рейс.
«Наше оборудование позволяет собрать сколько угодно секций, в зависимости от тех требований, которые предъявляет геолог. Например, он предполагает, что на глубине от 1000 до 1020 м может быть нефть. Эти самые 20 метров можно пройти одной секцией, или двумя секциями за один рейс. А два рейса — это лишние средства. Максимально за рейс мы отбирали 56 метров.
Сейчас заказчики предъявляют новое требование — отбор на глубине 18 метров. Для этих целей был разработан КСК с 6-метровой секцией. Отбирая по три секции, можно получить эти 18 метров. Геологи увеличивают интервал отбора, одна из тенденций — отбирать за рейс 27, 36 метров. Причём разработки новых конструкций касаются не только длины, но и совершенствования внутренних частей», — поделился руководитель направления «Керн» ООО «ВНИИБТ-БИ» Степан Макаров.
Во время проходки нагрузку на долото устанавливают на поверхности, перед спуском в скважину. При низкой нагрузке отбор происходит излишне долго. А при слишком высокой может произойти прихват долота с преждевременным прекращением работ.
В «изолятор»
Чтобы минимизировать повреждения керна и добиться более точного анализа, инженер по отбору должен использовать технологию изолированного герметизированного керна.
Неоднородные проблемы
Неоднородность пропластков предполагает сминание и расслоение породы, что приводит к заклинке, поэтому всё чаще заказчики обращают внимание на наличие гидравлического индикатора заклинки керна. При выходе на поверхность керн должен «не растерять» все флюиды нефти и газа. Для этого применяются специальные клапаны подачи изолирующего агента.
«По мере того, как керн поднимается наверх, за счёт того, что внизу избыточное давление достаточно большое, газ начинает отделяться от керна. Для того, чтобы не возникало декомпрессии и выделяющийся газ своевременно стравливался с керна, мы применяем клапан сброса давления», — прокомментировал представитель «Бурсервиса».
Хранение и транспортировка
Для дополнительной защиты используют технологию укладки керна не просто в одноразовую трубу, но ещё и в гель, который создаёт своеобразный вакуум и обеспечивает более высокую информативность для исследования в лаборатории.
«Мы предоставляем тёплый контейнер, чтобы предотвращать разрушение керна, так как он содержит флюиды, в том числе, воду, которая при минусе превращается в лёд. Также для безопасной транспортировки используются виброгасящие прокладки на ящике, либо специальная пена. Керн укладывается в ящики, затем специальным образом запенивается, чтобы в процессе транспортировки не подвергаться вибрационным нагрузкам», — рассказал Эдуард Зарипов.
Что такое керн в бурении нефтяных и газовых скважин
Керн – столбик горной породы, получаемый в результате бурения скважины. Керн выносится на поверхность промывочной жидкостью или сжатым воздухом, нагнетаемым в скважину буровым насосом или компрессором. Таким образом, керн попадает в колонковую трубу. По мере увеличения глубины разрабатываемой скважины осуществляют непрерывную транспортировку керна на поверхность, отмечая при этом глубину его отбора. После этого керн распиливают на две части для проведения комплексного анализа породы.
100%-ный выход керна позволяет с полной достоверностью изучать горные породы, пересеченные буровой скважиной, и определять запасы полезного ископаемого.
Отбор керна с научной целью начался как метод исследования океанического дна. Вскоре метод был освоен для исследования озер, ледников, почвы и древесины. По керну можно судить об изменении климата, геодинамической обстановке, видах фауны и флоры, существовавших в определенную геологическую эпоху, а также об осадочном строении земной коры.
— (нем. Kern — ядро, сердцевина) — цилиндрический столбик горной породы, получаемый при колонковом бурении скважины с кольцевым забоем.
Керн — важный геологический документ, используемый для изучения геологического разреза скважины (литология, стратиграфический возраст, условия залегания горных пород), определения кондиций полезных ископаемых месторождений. Показателем работы скважины является линейный выход керна — процентное соотношение длины керна к длине пробуренного интервала пород. Лишь в редких случаях получают и поднимают 100% керна. Выход керна менее 60% считается браком в работе скважины.
Синонимы:
Бурение скважин на нефть и газ
Различают 3 вида бурения:
При бурении разрушение ведется:
Основными составляющими бурения скважин являются:
Наряду с перечисленным выше бурение включает в себя другие техпроцессы и операции:
Совокупность выполняемых в процессе сооружения скважин работ устанавливается индивидуальным или групповым техническим проектом, какое-либо отклонение от него санкционируется техническим советом бурового предприятия.
Применение дорогостоящего оборудования, потребление материалов высокой стоимости в значительных объемах делает буровые работы весьма затратными.
Строительство скважин является самым капиталоемким видом работ в нефтегазовом комплексе.
Затраты на строительство скважин переносятся на себестоимость добытой из них продукции и/или извлекаемых запасов и имеют тенденция к увеличению с ростом глубины и продолжительности сооружения.
Особенно дорого обходится бурение скважин в акваториях, затраты на него могут превышать затраты на бурение аналогичной скважины на суше на порядок.
Конечной целью бурения скважин является:
Независимо от источника финансирования буровых работ их выполнение должно быть рентабельным если не по каждой отдельной скважине, то по объему проходки в целом.
От выбора места заложения скважины методом wild cat практически повсеместно отказались.
Выдаче точки бурения разведочной скважины в натуре предшествует выполнение сложного комплекса сложных изысканий, включающего полностью или частично:
Разнообразие способов, методов и технических средств бурения на нефть и газ приведено в таблице ниже.
В приведенном выше сочетании это называется механическим бурением, оно характеризуется набором интервальных параметров режима бурения.
Численные значения параметров устанавливаются:
Для каждого интервала бурения с одинаковыми горно-геологическими и техническими условиями задаются:
Для интервалов вскрытия продуктивного пласта (заканчивания скважины) составляются режимно-технологические карты, содержащие дополнительную информацию.
Рациональность назначенных параметров режима бурения имеет место при достижении максимума рейсовой скорости, которая вычисляется как отношение походки на долото к суммарным затратам времени на механическое бурение и спускоподъемные операции (СПО), включая время на наращивание бурильной колонны.
Анализируя эти показатели в динамике, можно выявить тренды, предусмотреть и предпринять своевременные меры для предотвращения нежелательных последствий.
Выполнение буровых работ организуется одним из 2 х способов:
— безподрядным, все работы выполняются буровым предприятием с использованием имеющихся у него производственных мощностей;
— сервисным, значительная часть специфичных работ (геофизические исследования скважин, тампонажные работы, разработка рецептур и приготовления промывочных агентов, подбор компоновок бурильных колонн и выбор ПРИ, перфорация обсадных колонн и др.) выполняется сервисными специализированными компаниями по заказу бурового предприятия на подрядных принципах.
2 й способ дает ускоренное выполнение работ, высокое их качество, снижение аварийности и затрат на строительство, но он применим лишь в районах с высокой концентрацией объёмов проходки.
Информационное обеспечение буровых работ на нефть и газ значительно улучшилось, многие буровые установки оснащены бортовыми компьютерами, способны воспринимать, обрабатывать и хранить информацию, получаемую от десятков датчиков, контролировать параметры режима бурения, выбирать и задавать их значения, рекомендовать ПРИ эффективных типоразмеров.
Созданы региональные банки геолого-технической информации.
РАЗВЕДОЧНОЕ БУРЕНИЕ
В последние годы при разведочном бурении активнее остальных средств применяются электрические турбобуры.
В ходе разведочного бурения особая роль принадлежит буровому раствору.
Буровой раствор должен:
Прежде чем приступать к разведочному бурению, необходимо заранее определить его объемы, а также разработать, согласовать и утвердить технический проект на строительство скважины.
Количественно объем разведочного бурения определяется как запланированный прирост запасов по категориям / принятая эффективность ГРР
Объемы разведочного бурения будут неизбежно расти и в связи с этим будут создаваться новые или наращиваться существующие производственные мощности предприятий разведочного бурения. Далее стартует фаза разбуривания месторождения добывающими, нагнетательными и другими скважинами.
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ БУРЕНИЕ
рис. 1 Типы профилей наклонно-направленных скважин
Керн (геология)
Керн — образец горной породы, извлеченный из скважины посредством специально предназначенного для этого вида бурения. Часто представляет собой цилиндрическую колонку (столбик) горной породы достаточно прочной, чтобы сохранять монолитность.
В последние годы керн при бурении для лучшей сохранности отбирается (попадает) в пластиковые или алюминиевые трубы (контейнеры). После извлечения из бурового инструмента эти трубы (контейнеры), заполненные керном, для удобства режутся на отрезки, обычно метровой длины. Для детальных исследований эти отрезки в свою очередь разрезаются вместе с керном пополам вдоль оси, как представлено на фотографии.
Выход керна определяют в процентах к пробуренному метражу. 100%-ный выход керна позволяет с полной достоверностью изучать горные породы, пересечённые буровой скважиной, и определять запасы полезного ископаемого.
Информационная ценность образцов керна
Отбор керна с научной целью начался как метод исследования океанического дна. Вскоре метод был освоен для исследования озёр, ледников, почвы и древесины. Керны, взятые с очень старых деревьев, дают информацию об их годичных кольцах, при этом не требуется спиливать дерево.
По керну можно судить об изменении климата, геодинамической обстановке, видах фауны и флоры, существовавших в определенную геологическую эпоху, а также об осадочном строении земной коры. Динамические явления на поверхности Земли в большинстве областей цикличны, особенно это касается температуры и выпадения осадков.
Существует много способов датировки керна. После датировки можно получить ценную информацию об изменении климата и ландшафта. Например, образцы керна, взятые со дна океана, из недр земли и ледников полностью изменили наше понимание геологической истории плейстоцена.
Развитие техники и технологии отбора керна
The development of equipment and technology for core sampling
G. ISHBAEV,
A. LOZUKOV,
A. ZHADAN,
«BURINTEKH» LLC
В последние годы техника и технология отбора керна, как и другие направления нефтяной отрасли, развивается ударными темпами. Новейшие методы исследования керна поднимают требования к его качеству при отборе даже в самых сложных условиях. В то же время ужесточаются требования со стороны буровых компаний, для которых экономия времени при строительстве скважины является главной задачей. И конечно, линейный вынос керна – основной количественный показатель результата отбора керна. Еще 10 лет назад хорошим результатом было 50 – 80 % выноса, теперь же для заказчика результат ниже 95 – 100 % считается неприемлемым. Для того чтобы соответствовать всем современным требованиям, необходимо постоянное развитие и совершенствование. Анализируя результаты работы оборудования, компания ООО НПП «БУРИНТЕХ» разрабатывает и внедряет новые технологии, что позволяет находить решение любой проблемы.
In a recent years, the technique and technology of core selection, like other areas of the oil industry, is developing at a rapid pace. The newest methods of core research raise the requirements for its quality in selection, even in the most difficult conditions. At the same time, the requirements on the part of drilling companies are toughened, for which time savings in the construction of a well are the main task. And of course, linear core removal is the main quantitative indicator of the core selection result. Another 10 years ago, a good result was 50 – 80 % removal, but now for the customer the result is below 95 – 100 % is considered unacceptable. In order to meet all modern requirements, constant development and improvement is necessary. Analyzing the results of the operation of the equipment, «BURINTEKH» LLC develops and implements new technologies, which allows finding a solution to any problem.
ЗАКЛИНИВАНИЕ КЕРНА В ГРУНТОНОСКЕ
К заклиниванию керна приводят такие факторы как естественная трещиноватость, набухание и низкая прочность горных пород. В результате заклинки нагрузка, подаваемая на бурильную головку, передается на столбик керна. В мягких горных породах это приводит к полному его разрушению и бурению «сплошным забоем». В средних и твердых горных породах наблюдается снижение механической скорости проходки, но, как правило, проходит слишком много времени, прежде чем долбление будет прекращено, происходит дробление керна, вплоть до состояния щебня. В подавляющем большинстве случаев бурение с заклинкой керна вызывает значительное снижение качества или низкие выносы.
Для решения проблемы разрушения и бурения «сплошным забоем» нами разработан регистратор заклинки керна. Это устройство позволяет в режиме реального времени идентифицировать заклинку с помощью гидравлического канала связи (рис. 1). Внедрение регистратора заклинки керна позволило добиться впечатляющего результата. Значительно улучшилось качество, а средний процент выноса приблизился к 100 %.
На месторождениях Тульской и Саратовской областей, на глубинах 520 – 750 м (Живетский и Эйфельский ярусы), где разрез представляет собой чередование рыхлых песчаников, глин и алевритов, существенна проблема с возникновением заклинок керна из-за набухания глин и низкой прочности горной породы. До применения регистратора заклинки керна средний вынос на этих месторождениях составлял 75 – 80%. С внедрением регистратора было пробурено 7 скважин с суммарной проходкой 676,3 м и средним выносом 98,7 %.
ОТБОР КЕРНА В ТРЕЩИНОВАТЫХ 
ГОРНЫХ ПОРОДАХ 
Трещиноватость как физико-механическое свойство обусловлена неоднородностью состава и строения горных пород. Отбор керна в трещиноватых горных породах характеризуется его разрушением по направлению трещин, снижением процента выноса, а также небольшими рейсовыми проходками из-за частых заклинок. В особо сложных условиях проходка за рейс может составлять не более 1 – 2 м. Увеличение количества рейсов приводит к большим временным потерям на проведение спуско-подъемных операций.
Для решения этой проблемы нами разработана специальная система телескопических керноприемных труб. В данной системе в основной керноприемной трубе находятся один или два телескопических вкладыша. При возникновении заклинки вкладыш сдвигается и перемещается вместе с заклинившим керном (рис. 2), что позволяет продолжить отбор без проведения СПО.
Наиболее наглядный результат получен при работе на месторождениях Республики Коми и Ненецкого автономного округа. В табл. показано сравнение стеклопластиковых керноприемных труб и системы телескопических керноприемных труб при работе в интервале сильнотрещиноватых известняков с переслаиванием аргиллитов, на одной скважине.
ОТБОР КЕРНА В РЫХЛЫХ, СКЛОННЫХ К РАЗМЫВУ ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Работа в горных породах четвертой категории является наиболее сложной задачей. Разрезы представлены слабосцементированными, рыхлыми песчаниками, суглинками и др. Основным негативным фактором при работе в таких породах является буровой раствор. Воздействие потока бурового раствора может сопровождаться уменьшением диаметра керна из-за размыва, сильной его фильтрацией в керн, низким выносом.
Для повышения качества при работе в рыхлых и склонных к размыву горных породах была внедрена технология «CleanCore» (англ. – «чистый керн»). Это комплекс оборудования (рис. 3), состоящий из бурильной головки, комплекта кернорвателей специальной формы и комбинации пружинного кернорвателя с цанговым. За счет очень короткой кернообразующей части бурильной головки и комплекта кернорвателей со специальным щелевым уплотнением минимизируются время воздействия и объем бурового раствора на керн. Форма бурильной головки и насадки распределяют основной поток бурового раствора в сторону. А кернорватель пружинного типа обеспечивает надежную фиксацию керна при подъеме на поверхность.
ОСЛОЖНЕНИЯ ПРИ СПУСКЕ КОМПОНОВКИ ДЛЯ ОТБОРА КЕРНА 
Ввиду особенностей строения некоторых разрезов горных пород нередки случаи появления осложнений при проводке скважины, в виде осыпей и обвалов. Такие осложнения во время отбора керна приводят к скоплению шлама в призабойной зоне или на наклонно-направленных участках. В результате при спуске компоновки шлам попадает в керноприемную трубу, он препятствует свободному поступлению керна, что приводит к заклинкам, разрушению и низким выносам.
При использовании технологии со сбросовым шаром без изолирующей жидкости есть возможность произвести промывку керноприемной трубы до сброса шара. В случае применения технологии с изолирующей жидкостью произвести промывку керноприемной трубы невозможно. Так же попадание шлама при спуске означает преждевременный контакт изолирующей жидкости с буровым раствором и загрязнение им керна.
Для решения проблем зашламования керноприемной трубы нами разработана клапанная система для защиты керна от шлама и бурового раствора (далее пробка башмака). Это специальный пакер (рис. 4), который устанавливается в комплекте кернорвателей. Пробка башмака изолирует керноприемную трубу, защищает ее от попадания шлама, позволяя сохранить изолирующую жидкость в течение спуска компоновки.
На месторождениях Ханты-Мансийского автономного округа в районе города Нягань в интервалах ниже абалакской свиты возникают проблемы с зашламованием керноприемной трубы. После внедрения пробки башмака на этих месторождениях в 2017 г. было отобрано более 600 м керна со средним выносом 100 % и не зафиксировано ни одного долбления с попаданием шлама в керноприемную трубу. Удалось увеличить проходку до 36 м за рейс.
С 1999 г. компания ООО НПП «БУРИНТЕХ» работает над совершенствованием техники и технологии отбора керна. С уверенностью можно сказать, что сегодня мы не уступаем ведущим мировым сервисным компаниям и способны отобрать качественный керн в любой точке земного шара.