Лабораторная работа №1 технологии отбора керна из скважин и его подготовки к петрофизическим исследованиям

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.

Отбор и подготовка образцов горных пород к исследованию

Отбор керна из скважин. Комплексная интерпретация материалов ГИС и высокая достоверность определения параметров пластов могут быть обеспечены только на основе изучения широкого круга физических свойств (электрических, акустических, коллекторских) продуктивных пород. Указанные свойства на образцах пород предварительно определяются в атмосферных условиях, а затем наиболее информативные из них (удельное сопротивление, скорость продольных волн, водонасыщенность. пористость и др.) устанавливаются на тех же образцах в термобарических условиях, моделирующих пластовые.

Физические свойства горных пород изучаются на образцах, которые отбираются с естественных выходов их на дневную поверхность (обнажений) или из горных выработок (скважин и шахт - цилиндрической горной выработки, которая характеризуется большим отношением длины к диаметру). В настоящее время 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 столбика породы - керна. Керн - это часть выбуренного интервала горной породы, поднятой на поверхность с помощью специальных колонковых долот (основной способ) или после бурения с помощью устройства, называемого керноотборником. Долото имеет трех- или четырехшарошечную коронку, изготовленную из твердых сплавов. В колонковом долоте устанавливается специальная колонковая труба диаметром от 40 до 73 мм (керноприемник), снабженная в нижней части кернорвателем "плавающею’' типа для срезания столбика выбуренного керна и удержания его внутри трубы при подъеме колонковою снаряда на поверхность (см. рисунок).

Т.к. объем образца очень мал по сравнению с объемом изучаемого пласта, образцы должны быть правильно отобраны. Только тогда они будут отражать действительные свойства горных пород. Образцы пород для изучения разрезов продуктивных пород отбирают из керна скважин.

Колонковый набор (рис. 1) состоит из следующих элементов: 1. Бурильная коронка: 2. Корпус кернорвателя; 3. Рвательное кольцо; 4.Колонковая труба; 5. Переходник; 6. Замковый ниппель; 7. Бурильная труба. Размеры колонковой трубы определяют максимальный интервал отбора керна, равный 6-8 м.

Бурение может быть вертикальным и наклонным,в том числе вдоль напластования (горизонтальные скважины). Керн отбирается из стенок бурящихся скважин специальными стреляющими грунтоносами. Частота отбора образцов зависит от многих причин и, в первую очередь, от целевого назначения исследований.

1. При изучении разреза с целью выявления возможных коллекторов нефти и газа (в поисковых скважинах) образцы обычно отбирают из всех литологических разностей, слагающих пласты, мощностью более 1 м. В случае частого чередования пород пластов интервалы отбора сокращаются.

2. В разведочных скважинах основное внимание уделяется породам нефтегазосодержащих горизонтов, интервалы отбора образцов могут сокращаться до 0.2-01 м. Керн, поднятый из разведочных скважин, которые в дальнейшем вводятся в эксплуатацию, может быть полностью взят на исследование. Особое внимание при этом должно быть уделено определению коэффициента нефте- и водонасыщенности, т.к. это необходимо для подсчета запасов залежи или месторождения.

Особенно много данных требуется для составления технологической схемы и проекта разработки месторождения.

3. Аналогична методика отбора и исследования керна при поисках и разведке поглощающих горизонтов (для подземного хранения газа и утилизации промышленных вод). Сплошной отбор керна - трудоемкая и дорогостоящая задача. Поэтому изучение свойств пласта проще построить комплексно по отдельным скважинам, равномерно расположенным по площади пласта, с установлением корреляционной зависимости между каротажными диаграммами и непосредственными определениями свойств коллектора на основе анализа керна.

При отборе керна желательно, чтобы каждый погонный метр разреза скважины был представлен не менее чем тремя-четырьмя характерными образцами для анализа. Это позволит построить кернограммы, по которым можно будет судить об изменении свойств коллектора по толщине пласта.

Оценка пласта по одному-двум образцам породы может только исказить представление об его продуктивности, т.к. в пределах разреза скважины параметры отдельных пропластков могут отличаться друг от друга в десятки и даже сотни раз (особенно по проницаемости).

После отбора керна производится отбор образцов, каждый из которых снабжается этикеткой, где указана его адресная привязка (см. табл.1).

Таблица 1.

ОПИСАНИЕ КЕРНА.

Район Скважина Пласт

Глубина залегания и наименование пород	Разрез с каротажной характеристикой	№ образца	Интервал глубины залегания образца	Описание образца

Дата описания керна……………….

Подпись составителя описания…………….

В процессе подготовки образцов к изучению петрофизических характеристик исследователь должен решить ряд предварительных задач. Первая - герметизация керна на скважине для доставки его в исследовательскую лабораторию. Вторая - правильно выбрать и создать коллекцию. Следующим этапом является составление схемы изучения образцов, в которой должны быть предусмотрены не только петрофизические, но и петрографические, химические и другие исследования, определена частота исследования, предусмотрены образцы на внешний и внутренний контроль и т.д.

Извлеченный из скважины керн должен быть макроописан, привязан по глубине, снабжен этикеткой с указанием интервала отбора и литологической характеристики и тщательно загерметизирован (если он был выбурен с применением специальных буровых растворов). Для лучшей привязки керна по глубине необходимо проводить массовые определения на всем керновом материале какого-либо физического свойства (например, γ- активность с последующим сопоставлением результатов исследования керна с диаграммой гамма-метода).

Герметизация керна позволяет определить прямым методом остаточную водонасыщенность порол (при бурении на промывочной жидкости на безводной основе - РНО) или остаточную нефтенасыщенность (при бурении на глинистом растворе или воде). В настоящее время существует достаточно много способов надежной консервации керна после его извлечения на поверхность: хранение в полиэтиленовых мешочках: герметизация в стальных, алюминиевых или пластмассовых трубах; охлаждение сухим льдом; пластические покрытия; парафинирование с предварительным оборачиванием в марлю и др.

Исследования начинаются с отмывки, сушки и насыщения образцов.

Изучение кернового материала происходит по следующей схеме: отбор керна на скважине, его макроописание и герметизация, изготовление образцов, исследование (общее, детальное, петрофизическое, петрографическое). Следующий этап работы - изготовление образцов, который включает выпиливание или высверливание образцов правильной геометрической формы (цилиндрики, кубики), кусочков породы для проведения исследований, в которых не требуется правильная форма образцов, либо есть необходимость разрушения образцов. Изготовление образцов может производиться после отмывки керна от углеводородов, либо до этого. В последнем случае изготовленные образцы должны быть в дальнейшем отмыты от углеводородов и солей.

Затем с целью изучения фильтрационно-емкостных свойств образцов, получения данных для определения подсчетных параметров и решения других геологических задач, проводят общие исследования керна, которые можно подразделить на детальные, петрофизические и петрографические.

Отсюда можно рекомендовать приблизительно следующую последовательность петрофизического изучения кернового материала в лаборатории:

1. Отмывка отобранных кусочков керна и образцов правильной формы от солей и углеводородов.

2. Дезинтегрирование кусочков для определения плотности твердой фазы (10-20 г), если же проводится гранулометрический анализ, то навеска увеличивается до 50 г.

3. Сушка 2-3 кусочков породы (для измерения плотности сухой породы), порошка и образцов

правильной формы до постоянной массы.

4. Исследование на порошке (плотность твердой фазы, гранулометрический анализ, можно химический анализ) и на кусочках образца (плотность сухой породы).

5. Исследование на сухих образцах правильной геометрической формы и измерение коэффициента проницаемости и скорости продольных волн.

6. Насыщение образцов правильной формы моделью пластовой воды и

последовательное измерение на одних и тех же образцах породы влажности, удельного сопротивления, скорости продольных волн, распределения пор по размерам.

7. Проведение детальных петрофизических исследований.

Отбор и методы подготовки образцов горных пород. Отбор образцов горных пород осуществляется по ГОСТ 26450.0-85 со следующим дополнением: представительность отбора керна из интервалов однородных пород должна составлять не менее 2 образцов на 1 метр и возрастать в зависимости от степени их неоднородности, обеспечивая представительство каждой литологической разновидности. При изучении керна с естественным нефтеводонасыщением отбор образцов осуществляют в соответствии с требованиями методики работ и исследований герметизированного керна.

Линейные или весовые размеры и форма керна или кусков породы зависят от вида анализа и литологических особенностей породы.

1. При определении коэффициента открытой пористости методом жидкостенасыщения используют образцы правильной (цилиндрической, кубической) и произвольной формы массой от 20 до 800 г. При определении пористости литологически однородных пород используют образцы массой от 20 до 60 г и менее.

2. При определении абсолютной газопроницаемости используют образцы правильной (ци­линдрической, кубической) формы диаметром 15-35 мм и высотой 20-50 мм или с длиной ребра 15-35 мм.

3. При определении карбонатности керна используют кусочки породы массой 0.5-5 г. произвольной формы, которые затем измельчаются в ступке до порошкообразного состояния (для ускорения реакции с соляной кислотой).

4. Для определения остаточной водонасыщенности керна используют образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 30±2 мм. Допускается использование образцов, размеры которых не менее 20 х 20 мм.

5. Для определения плотности скелета горных пород используют образцы как правильной, так и неправильной геометрической формы массой от 20 до 60 г (для литологически однородных пород).

При изготовлении образцов ось цилиндров должна быть ориентирована параллельно плоскости напластования: маркировку образцов выполняют согласно ГОСТ 26450.0-85.

Дальнейшую подготовку, образцов (экстракцию, отмывку, сушку) проводят в соответствии с ГОСТ 26450.0-85 и завершают определением массы сухих образцов (m₀) на лабораторных аналитических весах; результат записывают с точностью до 0,001 г.

Насыщение подготовленных образцов пластовой водой или ее моделью производят в соответствии с ГОСТ 26450.1-85.

Аппаратура и материалы для исследования образцов.

Для подготовки образцов горных пород применяют оборудование по ГОСТ 26450.0-85:

станок вертикально-сверлильный - по ГОСТ 1227-79 или ему подобный с твердосплавными - по ГОСТ

11108-70 или алмазными коронками с внутренним диаметром 20-32 мм;

станок камнерезный, с отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм - по ГОСТ 10110-87; станок шлифовальный.

Для очистки экстрагированием, сушки и насыщения образцов применяют аппаратуру, материалы и реактивы по ГОСТ 26450.0- 85:

шкаф сушильный любой конструкции с регулируемой температурой нагрева до 110°С; насос вакуумный, обеспечивающий разряжение до 10^-2 мм рт. ст.; краны стеклянные соединительные - по ГОСТ 7995-80Е;

эксикатор вакуумный типа ЭВ - по ГОСТ 25336-82; с дополнениями: хлористый натрий, марки ЧДА - по ГОСТ 4233- 77; пластовая вода или ее модель; трубка резиновая вакуумная.

Для определения водоудерживающей способности применяют:

центрифуга рефрижераторная типа ЦР1-21 или ей подобные: ЦДР-1, ЦДР-3, РСУ-6 и др., комплектуемые ротором углового типа РУ 8x90 с наклонным (под 45°) расположением гнезд и с максимальной частотой вращения ротора не менее 6000 об./мин; бумага фильтровальная - по ГОСТ 12026-76; пинцет медицинский;

кристаллизатор или другая емкость для образцов и раствора; герметичные центрифужные стаканы;

песок сухой кварцевый фракции >0.25 мм или другой водоудерживающий материал; циркуль-измеритель чертежный для контроля радиуса центрифугирования; дробь мелкая, свинцовая для уравновешивания стаканов.

Для определения массы образцов и проведения измерений необходимы:

весы лабораторные аналитические типа ВЛА-200м - по ГОСТ 24104-88Е или им подобные, обеспечивающие точность взвешивания до 0,001 г;

весы технические 4-го класса типа ВЛКТ-500- м - по ГОСТ 24104-88Е или им подобные, обеспечивающие точность взвешивания до 0,1 г; штангенциркуль любого типа.

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 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).

В случае отбора керна из скважин, пробуренных на РВО, подготовка образцов начинается с очищения порового пространства.

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 для определения

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.