Отбор керна вращательным боковым

Абхишек Агарвал
Шугар-Ленд, штат Техас, США
Робер Ларонга
Кламар, Франция
Лариса Уокер
Shell Appalachia Exploration
Сьюикли, штат Пенсильвания, США
«Нефтегазовое обозрение», Сборник II: избранные
статьи из журнала «Oilfield Review», том 25, № 2
(лето 2013 г.); том 25, № 3 (осень 2013 г.); том 25, № 4
(зима 2013 — 2014 гг.).
Отбор керна вращательным боковым
керноотборником — размер имеет значение
Извлеченный из скважины образец породы может дать огромный объём
информации о характеристиках породы, которые невозможно получить
иными методами. Отбор керна вращательным боковым керноотборником
является альтернативным методом получения образцов породы, однако
Copyright © 2014 Schlumberger.
в прошлом небольшой размер кернов, извлекаемых таким способом,
Данная статья является русским переводом статьи
ограничивал возможности выполнения лабораторных исследований. Новый
"Rotary Sidewall Coring—Size Matters," Oilfield Review
25, no. 4 (Winter 2013/2014).
усовершенствованный вращательный инструмент для отбора боковых
Copyright © 2013 Schlumberger.
Благодарим за помощь в подготовке данной статьи
Чэда Олбери, Райана Чэпмена, Ленишана Фернандо
и Фарука Хамадеха (Перт, штат Западная Австралия,
Австралия), Джо Ломэна, Дэйси МакМануса и Криса
Тевиса (Хьюстон, штат Техас, США), Уильяма Мёрфи
(e4sciences, Сэнди-Хук, штат Коннектикут, США), Тима
Содергрена (Солт-Лейк-Сити, штат Юта, США) и Бенджамина Уайгэла (Натчез, штат Миссисипи, США).
CST, FMI, GPIT, MDT, MSCT, TerraTek, TerraTek HRA, TerraTek
TRA и XL-Rock являются товарными знаками компании
Schlumberger.
HRSCT и RSCT являются товарными знаками компании
Halliburton.
MaxCOR и PowerCOR являются товарными знаками
компании Baker Hughes.
86
кернов позволяет преодолеть ограничения, связанные с размерами керна. С
его помощью производится отбор кернов большего диаметра.
Петрофизика — это область геологии, изучающая физические свойства пород. Некоторые петрофизики
специализируются исключительно
на интерпретации данных дистанционных измерений в скважинах
в виде каротажных диаграмм; другие предпочитают изучать, наряду
с каротажными диаграммами, образцы пластовых пород. При изуче-
нии образцов пород предпочтение
отдается образцам более крупного
размера. Имея в своем распоряжении крупные образцы пород, геологи и инженеры могут проводить
большее количество экспериментов
для определения геологического
строения, геомеханических и петрофизических характеристик пород. Из-за повсеместного распро-
Нефтегазовое обозрение
Керновое долото
Продольно разрезанный керн
«Бисквитная» нарезка керна
Керн в ящиках
1 дюйм
1 фут
Рис. 1. Традиционный отбор керна. — Колонковое долото
(слева вверху на рис.) предназначено для отбора керна традиционным методом на буровой установке. Образцы керна поднимают на поверхность, укладывают в ящики (слева на рис.)
и отправляют в лабораторию на анализ. В лаборатории керн
обычно разрезают продольно (в центре рис.), чтобы получить
пригодные для испытаний образцы. После этого разрезанные
продольно образцы керна можно использовать для различных
странения технологии разработки
нетрадиционных залежей отбор репрезентативных образцов пород, не
связанный с большими затратами и
неэффективностью
традиционных
методов керноотбора, стал насущной задачей.
В нефтегазовой отрасли применяются два метода отбора керна: вырезание цельных кернов при помощи
буровой компоновки и отбор бокового керна. Боковые керны могут отбирать ударным или вращательным
методом. Буровой шлам, т.е. обломки породы, разрушаемой буровым
долотом и поднимаемые на поверхность при циркуляции бурового раствора, является еще одним источником образцов пород. Однако такие
образцы пород не могут использоваться для точного определения
характеристик пород из-за поврежЛето 2013 — Зима 2013/2014
испытаний, например, для измерения прочности на сжатие
(вдоль красных линий). После испытаний продольно разрезанные образцы обычно распиливают на цилиндры, которые применяют в дальнейших исследований. Нарезка керна в виде бисквита (справа на рис.) является одним из вариантов нарезки
цилиндров из продольно разрезанных кернов; такие образцы
используют для дополнительных лабораторных исследований.
(Фотографии предоставлены Тимом Содергреном.)
дений во время бурения и невозможности точного указания глубины, с
которой они были извлечены при
циркуляции раствора.
Полноразмерные керны или, как
их еще называют, традиционные
керны — это непрерывные фрагменты пластовой породы, вырезанные
при помощи полого колонкового
долота (рис. 1). 1 По мере вскрытия
пород колонковое долото вырезает
цилиндрический образец породы,
который проходит сквозь долото и
остаётся в керноприёмнике, являющемся частью буровой компоновки.
Обычно полноразмерные керны разрезают на несколько частей длиной
9 м (30 футов). Часто в глубоководных поисково-оценочных скважинах длина керна, отобранного за
одну спускоподъёмную операцию,
составляет до 81 м (270 футов). Чем
больше длина интервала отбора керна, тем больше риск прихвата керноприёмников и повреждения керна.
После отбора керна производят
подъём инструмента и извлечение
керноприёмников.
Отсоединение
керноприёмника
от
компоновки
низа бурильной колонны может
производиться при помощи механических приспособлений, при этом
сама компоновка может оставаться
1. Подробнее о полноразмерном керне и методах
анализа керна см.: Andersen MA, Duncan B and
McLin R: “Core Truth in Formation Evaluation,”
Oilfield Review 25, no. 2 (Summer 2013): 16–25. В
русском переводе: М. А. Андерсен, Б. Дункан и
Р. МакЛин: «Анализ керна: истина в последней
инстанции при оценке характеристик пласта»,
Нефтегазовое обозрение, Сборник II, избранные
статьи из журнала «Oilfield Review», том 25, № 2
(лето 2013 г.); том 25, № 3 (осень 2013 г.); том 25,
№ 4 (зима 2013 — 2014 гг.): 4–17.
87
A
Комбинированные бойки
B
C
7/ дюйма
8
11/
Боёк для твердых пород
11/
16 дюйма
Режущие кольца
0
дюймы
16 дюйма
E
2
D
Стальные тросы
Рис. 2. Ударный метод отбора керна. — Бойки выстреливаются в породу из стреляющего керноотборника (A) при помощи
заряда взрывчатого вещества, расположенного за каждым
бойком. Существуют различные типы бойков, в том числе и
комбинированные бойки (B) для отбора керна в породах средней твердости и в мягких породах. В канавке вокруг верхней
части бойка установлено режущее кольцо (C), фиксируемое
при помощи упорного кольца (не показано). Выбор типа режущего кольца зависит от породы, из которой отбирается керн. В
мягких породах чем больше кольцо, тем меньше глубина про-
в скважине для продолжения отбора керна. Предпринимаются особые
меры предосторожности, чтобы не
допустить повреждения керна в снаряде при подъёме на поверхность.
Традиционный метод отбора керна чаще всего позволяет получить
керн, качество которого достаточно
для проведения испытаний, анализа и оценки параметров коллекторов. Но по сравнению с обычными
операциями бурения отбор керна
традиционными методами является
дорогостоящим и длительным процессом.
88
никновения бойка. В бойках из закаленной стали, предназначенных для твердых пород, режущие кольца не применяются. К
каждому бойку прикреплён трос (D) для извлечения бойка из
породы после выстреливания. Керноотборники поднимают на
поверхность вместе с бойками (E), из которых извлекают керн,
который затем раскладывают по контейнерам. На контейнеры
приклеивают этикетки, контейнеры укладывают в ящики и отправляют в лабораторию на анализ. (Фото поднятого керноотборника предоставлено Бенджамином Уайгэлом.)
Боковые керны — это цилиндрические образцы пород, отобранные
перпендикулярно стволу скважины.
Обычно такой керн отбирается при
помощи инструментов, спускаемых
в скважину на кабеле. Подъём боковых кернов из скважины может
выполняться сравнительно быстро,
объём извлеченного за один рейс
керна может охватывать сразу несколько целевых интервалов. Боковой отбор керна — это экономичная
альтернатива традиционному методу отбора керна. Одним из удобств
бокового метода отбора керна яв-
ляется то, что отбор керна производится после записи каротажных
диаграмм. Это позволяет петрофизикам выбирать глубину отбора керна по интерпретации каротажных
диаграмм в открытом стволе. Кроме
того, боковой отбор керна является
дополнительным способом получения данных там, где это невозможно
при помощи традиционных методов.
Из-за своего относительно небольшого размера по сравнению с обычным керном, отобранный из неоднородных пластов боковой керн может
не отражать характеристики пород в
Нефтегазовое обозрение
масштабах пласта. Вдобавок к этому,
породы, из которых был взят боковой керн, могут не обладать важнейшими характеристиками, которые
нужны геологам для анализа характеристик коллектора, особенно
в сложенных из песка и глинистых
сланцев слоистых толщах, органогенных сланцах и трещинных коллекторах.
Существуют два способа отбора
бокового керна — ударный и вращательный. Ударные керноотборники,
которые впервые стали применяться
в 30-х годах прошлого века, состоят
из полых бойков («пуль»), выстреливаемых в пласт при помощи заряда взрывчатого вещества. Вращательные боковые керноотборники
оборудованы небольшим долотом,
позволяющим вырезать образцы
керна цилиндрической формы из
стенок ствола скважины. Вращательные керноотборники были разработаны главным образом, чтобы
устранить некоторые недостатки
ударных керноотборников.
Основное внимание в данной статье уделено разработке методов
бокового отбора керна и анализу
развития метода вращательного бокового отбора керна. Рассмотрены
примеры практического применения
инструмента XL-Rock, недавно разработанного для отбора большего
объёма бокового керна вращательным способом, в нетрадиционной
залежи на северо-востоке США и в
глубоководных скважинах на шельфе у побережья Австралии.
Методы отбора керна
Внедрение систем вращательного
бурения в начале XIX века сделало
возможным отбор полноразмерного
керна при бурении. Изобретение колонкового бурения приписывается
французскому инженеру-строителю
Рудольфу Лешо, который установил
алмазный резец на полом цилиндрическом долоте, чтобы получать
образцы породы. 2 Практика колонкового бурения прочно вошла в технологию разработки полезных ископаемых.
Самые ранние работы по отбору
керна производились в 60-х годах
XIX века в штате Пенсильвания,
Лето 2013 — Зима 2013/2014
США, для поиска угольных пластов
и измерения их мощности. 3 Геофизические исследования в скважинах
при помощи спускаемых на кабеле
инструментов, которые в 20-х годах
прошлого века впервые применил
Конрад Шлюмберже, изначально назывались «электрическим отбором
керна» и первое время использовались для поиска угольных залежей.
Геологи считают традиционные методы отбора керна в нефтяных и газовых скважинах, часто практикуемые и сегодня, основой начального
этапа разработки месторождений.
К сожалению, 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 отказывться 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.
Первый инструмент для отбора
кернов ударным способом был изобретен в 30-х годах прошлого века. 4
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
снаб же ны полыми цилиндричес кими
бойками, установленными на корпусе (рис. 2). Бойки выстреливают ся
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.
Геометрическую форму бойков и
силу зарядов подбирают в соответствии с характеристиками породы,
из которой отбирается керн. Твердые породы с пористостью менее
15% обычно требуют применения
специальных бойков и более мощных зарядов. Керны твердых пород
при выстреливании бойка обычно
разбиваются. Это может привести
к потере кернового материала из
керноотборника при подъёме на поверхность. Из мягких пород керн отбирать легче, хотя в слабосцементированных породах керноотборники
могут проникать так далеко, что их
подъём становится невозможным.
Образцы, взятые из слабосцементированных пород, могут вымываться
из бойков под действием турбулентности бурового раствора во время
подъёма на поверхность через столб
2. Bowman I: “Well-Drilling Methods,” Washington, DC:
US Government Printing Office, Water-Supply Paper
257, 1911.
3. Collom RE: “Prospecting and Testing for Oil and Gas,”
Washington, DC: US Government Printing Office,
August 1922.
4. Leonardon EG and McCann DC: “Exploring Drill Holes
by Sample-Taking Bullets,” Transactions of the AIME
132, no. 1 (December 1939): 85–99.
89
Рис. 3. Вращательное колонковое долото. — Вращательное долото с алмазным наконечником используется для
вырезания образцов керна из стенок
скважины. Когда долото достигает своей
максимальной длины, компоновка наклоняется вперед, при этом керн отламывается от пласта. После втягивания керна
в керноприемник оператор устанавливает инструмент в нужное положение для
отрезания следующего керна.
бурового раствора. Для отбора керна в слабосцементированных породах на бойки устанавливаются режущие кольца, сокращающие глубину
проникновения бойков. Кроме того,
чтобы облегчить извлечение бойков
из породы, в них могут закладываться заряды меньшей мощности.
Режущие кольца уменьшают глубину проникновения бойков в мягкие породы и способствуют созданию отверстий большего диаметра,
чем диаметр самого бойка. Это облегчает процесс извлечения керна.
Кольцо рассчитано на то, чтобы после выстреливания оно вышло из
канавки и осталось в отверстии, созданном в породе. Если боёк входит
в породу на слишком большое расстояние, и его извлечение становится невозможным, оператор может
отрезать трос натяжением лебедки.
В твердых породах режущие кольца
обычно не применяются, т.к. глубина проникновения в данном случае
редко дает повод для беспокойства,
а сами кольца могут осложнить проникновение и ограничить длину образца керна.
После выстреливания бойков керноотборный снаряд поднимают на
поверхность. Керноотборники от-
90
деляют от корпуса, отрезая тросы,
а затем отделяют и сортируют керн.
Для выдавливания керна из керноотборников в контейнеры используют плунжерный пресс. Контейнеры
с керном закрывают, на них приклеивают этикетки с указанием глубины отбора керна. Запечатанный
керн отправляют в лабораторию для
анализа. Перед отправкой керна для
определения присутствия углеводородов образцы керна могут просвечивать ультрафиолетом.
Хотя ударный метод является
экономичным и быстрым, его применение может вызвать некоторые
осложнения. В результате удара
бойков о породу может произойти (и
обычно происходит) повреждение
керна. 5 И твердые, и мягкие породы
разрушаются под действием удара
бойка, и это приводит к изменениям
свойств образца. Слабосцементированные породы при ударе бойка
подвергаются сжатию, а глинистая
корка с внутренней стенки скважины может вдавливаться в скелет породы керна, изменяя тем самым его
характеристики.
Ударные боковые керны дают надежную информацию о гранулометрическом составе породы, её минералогическом составе, условиях
осадконакопления и характере насыщения. 6 Однако изменения, вызванные ударом бойка, могут исказить
результаты
определения
пористости. Примеры таких искажений хорошо задокументированы.
Лаборатории, специализирующиеся
на исследовании боковых кернов,
разработали эмпирические соотношения для внесения поправок на
искажения, однако окончательные
результаты анализов в большинстве
случаев являются приблизительными. 7 Обычно проницаемость ударных кернов не измеряется напрямую, а эмпирически выводится по
результатам определения пористости и минералогического состава.
Кроме того, при отборе боковых
ударных кернов могут возникнуть
технические проблемы. Так как в
результате отбора керна в скважине могут остаться режущие кольца,
оборванные тросы и керноотборники, многие компании-операторы
перед проведением каротажа после
отбора керна производят очистку
скважины. Также бойки могут вызвать повреждения стенок ствола,
что повлияет на результаты работы
контактных каротажных зондов. Образовавшиеся в результате ударного
отбора керна обломки не являются
большим предметом для беспокойства, если отбор керна производится в ходе последнего спуска в скважину, так как после этого обломки
могут измельчаться и вымываться
при циркуляции во время промывки
скважины перед началом спуска обсадной колонны.
Во многих регионах мира бурение
скважин с большими углами отклонения от вертикали и горизонтальных скважин стало самым распространенным методом строительства
скважин. 8 В таких скважинах для извлечения бокового керна уже нельзя полагаться на силу тяжести, поэтому керноотборники извлекаются
на бурильных трубах, при помощи
скважинного трактора или ГНКТ.
Применение взрывчатых веществ
5. Webster GM and Dawsongrove GE: “The Alteration
of Rock Properties by Percussion Sidewall Coring,”
Journal of Petroleum Technology 11, no. 4 (April
1959): 59–62.
8. Amer A, Chinellato F, Collins S, Denichou J-M,
Dubourg I, Griffiths R, Koepsell R, Lyngra S, Marza
P, Murray D and Roberts I: “Structural Steering—A
Path to Productivity,” Oilfield Review 25, no. 1
(Spring 2013): 14–31. В русском переводе: А.
Амер, Ф. Кинеллато, С. Коллинз, Ж.-М. Денишу,
И. Дюбур, Р. Гриффитс, Р. Купселл, С. Лингра, Ф.
Марза, Д. Мюррей и А. Робертс: «Структурная геонавигация — путь к росту производительности»,
Нефтегазовое обозрение, Сборник I, избранные
статьи из журнала «Oilfield Review», том 24, № 3
(осень 2012 г.); том 24, № 4 (зима 2012 — 2013
гг.); том 25, № 1 (весна 2013 г.): 72–95.
6. Fiedler FJ: “Toward Integrated Formation
Evaluation,” Transactions of the SPWLA 29th Annual
Logging Symposium, San Antonio, Texas, USA, June
5–8, 1988, paper Q.
7. Fertl WH, Cavanaugh RJ and Hammack GW:
“Comparison of Conventional Core Data, Well
Logging Analyses, and Sidewall Samples,” Journal of
Petroleum Technology 23, no. 12 (December 1971):
1409-1414.
9. Fiedler, сноска 6.
10. Подробнее о традиционных методах отбора керна
и анализа RCAL см.: Andersen et al, сноска 1.
Нефтегазовое обозрение
при отборе керна ударным способом
вносит дополнительные сложности
при работах в скважине. Несмотря
на тщательно разработанные меры
безопасности, ударные керноотборники всё же являются взрывными
устройствами, поэтому работы с
ними требуют соблюдения особых
мер предосторожности. Так как на
некоторых этапах работ с ударными керноотборниками требуется
сохранять радиомолчание, необходимость применения взрывчатых
веществ при отборе керна ударным
способом делает применение таких
керноотборников в глубоководных
скважинах невозможным. По этим и
некоторым другим причинам технология ударного отбора керна почти
никогда не применяется в скважинах с большими углами отклонения
от вертикали и в горизонтальных и
глубоководных скважинах.
Частота применения ударного способа отбора керна зависит от географии: например, во многих скважинах на юго-востоке США ударный
способ отбора керна применяется
всякий раз, когда по результатам
каротажа установлено присутствие
углеводородов. В других регионах,
особенно в условиях твердых пород,
где существуют трудности при извлечении керна, а сами образцы керна, отобранного ударным способом,
не отражают фактические характеристики породы, боковой отбор
керна применяется редко. 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.
Вращательный керноотборник как
средство для решения проблем
Вращательные инструменты для
отбора керна оборудованы миниатюрными бурами с алмазными наконечниками, которые выглядят
как уменьшенные версии обычных
долот, применяющихся для отбора керна (рис. 3). Для отбора керна
вращательным способом, как и для
обычного бурения и отбора керна,
Лето 2013 — Зима 2013/2014
Ёмкость керна
Диаметр керна,
дюймов
Длина керна,
дюймов
XL-Rock,
Schlumberger
1,5
2,5 3,0 3,5
50, 44
MSCT,
Schlumberger
0,92
2,0
20, 50, 75
MaxCOR,
Baker Hughes
1,5
2,5
60
PowerCOR,
Baker Hughes
1,0
1,8
60
RSCT,
Halliburton
15/16
1,75
30
HRSCT,
Halliburton
1,5
2,3
36
Инструмент,
сервисная компания
Рис. 4. Вращательные инструменты для отбора керна, предлагаемые крупнейшими сервисными компаниями.
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 цилиндрический керн
и втягивает керн внутрь корпуса. В
зависимости от конструкции снаряда, процесс повторяется до тех пор,
пока керноотборник не заполнится
керновым материалом.
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. 9 Стандартный анализ керна
(RCAL), полученного вращательным способом, позволяет получить
более точные результаты по сравнению с анализом керна, добытого
ударным способом. 10
Существенное ограничение вращательных инструментов для отбора керна прошлого поколения —
диаметр и длина цилиндров керна.
Недостаточный объём керна может
привести к неточности результатов
анализа керна. Анализ традиционных кернов производится на цилиндрических образцах или на шлифах,
вырезанных после продольного разрезания кернов. Обычно цилиндры
вырезаются из сплошного керна
через каждые 0,6 м (2 фута), хотя
из-за изменений в литологии или
неоднородности пласта может потребоваться более частая выборка.
Длина цилиндров керна, отрезанных в лаборатории, обычно составляет около 6,4 см (2,5 дюйма), а их
диаметр — от 2,3 до 3,8 см (от 0,9 до
1,5 дюймов). Хотя некоторые вращательные инструменты позволяют получать образцы керна, сравнимые по размерам с цилиндрами,
вырезанными в лаборатории из
стандартных кернов, диаметр полученных при помощи вращательных
инструментов прошлого поколения кернов составляет менее 2,5 см
(1 дюйм) (рис. 4).
Кроме того, ранние вращательные
инструменты имели ограниченные
возможности управления процес-
91
1,5 дюйма
3 дюйма
Рис. 5. Вращательный инструмент для отбора кернов XL-Rock. — Инструмент
XL-Rock (слева на рис.) спускают на кабеле и устанавливают на глубине интервала
отбора керна. Гидравлический рычаг фиксирует инструмент на необходимой глубине,
бур устанавливается в горизонтальное положение и начинается отбор керна. При
каждом спуске может быть отобрано до 50 кернов. Керны (на врезке) отобраны из
испытательных блоков на поверхности.
92
сом отбора керна. Один из важнейших параметров отбора керна,
нагрузку на долото, т.е. давление,
действующее на долото во время
проходки керна, устанавливают на
поверхности перед спуском в скважину. При слишком низкой нагрузке на долото отбор керна происходит излишне долго, а при слишком
высокой нагрузке может произойти
прихват долота с преждевременным прекращением работ.
На основании многолетнего опыта применения механического инструмента отбора бокового керна
(mechanical sidewall coring tool)
MSCT
инженеры-проектировщики компании Schlumberger начали
разработку инструмента следующего поколения. Первое ограничение, которое они попытались
устранить, было связано с диаметром керна. Они заменили традиционное колонковое долото диаметром
дюйма долотом диаметром
1½ дюйма. Это долото позволяло
получать керны с диаметром, равным диаметру стандартных цилиндров, вырезаемых в лаборатории из
сплошного керна. По сравнению с
кернами малого диаметра, получаемыми при помощи инструмента
MSCT, объём керна, получаемого
при помощи нового инструмента,
увеличился более чем в три раза
при одинаковой длине керна. Вращательный инструмент для отбора
бокового керна увеличенного объёма XL-Rock позволяет получать
керн различной длины: стандартный керн длиной 7,6 см (3,0 дюйма) и керны длиной 8,9 см (3,5 дюйма) или 6,3 см (2,5 дюйма) (рис. 5).
Оптимизация режима отбора керна
производится на скважине путём
оперативной регулировки нагрузки
на долото и других параметров. Изза увеличенного диаметра долота
инструмента XL-Rock возможность
такой регулировки позволяет существенно повысить результативность отбора керна. Это позволяет
предотвратить прихваты и сократить время выполнения работ.
Затем разработчики усовершенствовали механические компоненты
и приспособили электронное оборудование инструмента XL-Rock к
Нефтегазовое обозрение
тяжелым условиям эксплуатации.
Усовершенствованный инструмент
отличается повышенной надежностью и более широкими возможностями для управления режимом работы по сравнению с инструментом
прошлого поколения. Опыт, полученный при разработке инструментов каротажа в процессе бурения,
спускаемых на кабеле инструментов
для скважин с высокими значениями
давлений и температур, модульного
динамического испытателя пластов
MDT, а также многолетний опыт
применения инструмента MSCT помог инженерам в разработке надежного инструмента нового поколения.
Стандартный инструмент рассчитан на работу при температуре до
177°C (350°F) и давлении 173 МПа
(25 000 фунт/дюйм 2 ). Усиленный
вариант предназначен для работы
при температуре до 200°C (400°F)
и давлении 207 МПа (30 000 фунт/
дюйм 2 ). При длине 11,3 м (37 футов) инструмент XL-Rock является
самым коротким инструментом для
отбора бокового керна. Компактные размеры значительно сокращают риск прихвата инструмента во
время отбора керна. Выдвижение
долота в рабочее положение контролируется с поверхности, что
также позволяет снизить риск поломки в случае прихвата долота.
Инструмент фиксируется в точке
отбора керна при помощи гидравлического рычага. Долотная компоновка устанавливается в рабочее положение перпендикулярно корпусу
инструмента, выдвигаясь из ниши.
Долото с гидравлическим приводом
имеет высокий момент при низкой
скорости вращения, что обеспечивает оптимальный режим работы в широком диапазоне типов пород. После
выбуривания керна необходимой
длины керн удерживается в долотной компоновке специальным кольцом, затем компоновка складывается вверх, при этом наружный конец
керна отламывается. После загрузки
каждого керна в инструмент между
образцами керна вставляется специальный маркер, который служит для
дополнительной корреляции глубин.
За один спуск можно собрать до 50
образцов керна (рис. 6).
Лето 2013 — Зима 2013/2014
Рис. 6. Керн, отобранный вращательным методом. — После отрезания образцы
керна вставляют в керноприёмную трубу , находящуюся внутри корпуса инструмента
XL-Rock. После подъёма на поверхность оператор вынимает трубу из корпуса, раскладывает керны по отдельности и запечатывает их в контейнеры (слева вверху на
рис.). На контейнеры наклеивают этикетки и упаковывают (справа вверху на рис.)
для отправки в лабораторию на анализ. (Фотография предоставлена Крисом Тевисом.)
Более крупный керн, получаемый
при помощи инструмента XL-Rock,
позволяет производить более сложные исследования геомеханических
характеристик. В прошлом из-за
ограничений по диаметру керна
такие исследования могли проводиться только на кернах, отобранных при помощи традиционных
методов. 11 После извлечения керна
из инструмента XL-Rock производится нарезка керна на миницилиндры параллельно, под прямым
углом и под углом 45° к наблюдаемым плоскостям напластования
для изучения анизотропии механических свойств (рис. 7). Лабораторный центр передового опыта по
геомеханическим
исследованиям
TerraTek в Солт-Лейк-Сити, штат
Юта, США, предлагает услуги по
экспресс-анализу геомеханических
свойств пород с полным описанием
их анизотропии, который возможен
исключительно на образцах керна,
отобранных при помощи инструмен-
11. Подробнее об измерении геомеханических
параметров керна см.: Cook J, Frederiksen RA,
Hasbo K, Green S, Judzis A, Martin JW, Suarez-Rivera
R, Herwanger J, Hooyman P, Lee D, Noeth S, Sayers
C, Koutsabeloulis N, Marsden R, Stage MG and Tan
CP: “Rocks Matter: Ground Truth in Geomechanics,”
Oilfield Review 19, no. 3 (Autumn 2007): 36–55. В
русском переводе: Дж. Кук, Р. А. Фредериксен,
К. Хасбо, С. Грин, А. Джадзис, Дж. У. Мартин, Р.
Суарес-Ривера, Й. Хервангер, П. Хойман, Д. Ли, Ш.
Нёт, К. Сейерс, Н. Куцабелулис, Р. Марсден, М. Г.
Стейдж и Ч. Ф. Тан: «О важности знания механических свойств горных пород: лабораторная проверка геомеханических данных», Нефтегазовое
обозрение, том 19, № 3 (осень 2007 г.): 44–69.
93
Рис. 7. Цилиндры, вырезанные из образцов керна, отобранных инструментом
XL-Rock. — Так как керны диаметром 1½ дюйма, извлекаемые инструментом XL-Rock
(слева на рис.), больше стандартных боковых кернов, их можно разрезать на миницилиндры (справа на рис.) параллельно, перпендикулярно и под углом 45° к наблюдаемым плоскостям напластования. Миницилиндры используются для исследования
анизотропии механических свойств. Линейка со шкалой в дюймах и десятых долях
дюйма представлена для сравнения.
та XL-Rock. Этот анализ представляет собой изучение механических
свойств, включая определение статического и динамического модуля
Юнга, статического и динамического коэффициента Пуассона, скорости распространения продольных
и поперечных волн и профиля горизонтального напряжения. В комплексный анализ входит и оценка
качества заканчивания по образцам
керна.
Стандартный
анализ
керна
(RCAL) чаще всего выполняется
на кернах, полученных традиционным методом. Керны, полученные
с помощью инструмента XL-Rock,
позволяют получить дополнительные преимущества, т.к. эти образцы могут отправляться на анализ в
лабораторию спустя всего несколь-
94
ко часов после извлечения. Анализы традиционных кернов обычно
проводятся через несколько недель после подъёма керна, и из-за
такой задержки могут произойти
изменения некоторых свойств керна. Метод анализа плотных пород
(tight rock analysis) TerraTek TRA,
который используется для анализа
глинистых сланцев, на более объёмных образцах керна даёт более
быстрые результаты более высокого качества. При исследовании кернов малого объёма часто требуется
отбор нескольких кернов с одной и
той же глубины.
Больший объём керна, извлекаемого инструментом XL-Rock, позволяет
лаборантам
выполнять
некоторые специальные исследования керна (SCAL) (рис. 8). 12 Малый
общий объём порового пространства цилиндра керна с размерами 1
дюйм на 1 дюйм (обычный размер
цилиндров керна из вращательных
керноотборников прошлого поколения) не позволяет получить точные
результаты при определении насыщенности. Существенно больший
объём керна, получаемого при помощи XL-Rock, сокращает степень
неопределённости в 4 раза. Поэтому цилиндры диаметром 1,5 дюйма
являются отраслевым стандартом
для большинства специальных исследований (SCAL), и бóльшая
часть лабораторного оборудования
для исследований SCAL рассчитана на работу с цилиндрами именно
этого диаметра и может оказаться непригодной для исследования
керновых цилиндров с диаметром 1
дюйм и менее.
Стандартный комплекс исследований кернов, извлекаемых при помощи инструмента XL-Rock, включает в себя следующее:
• определение абсолютной и фазовой проницаемости,
• изучение
минералогического
состава
(рентгеноструктурный
анализ, сканирующая электронная микроскопия, изотопный
анализ),
• петрографическое описание,
• определение характеристик материнской породы и нефти,
• калибровка
каротажных
диаграмм (плотность зерен, пористость при ограничивающем
горном давлении пласта, сопротивление, экспоненты m и n, диэлектрическая
проницаемость,
анализ методом ядерного магнитного резонанса, граничные
величины T 2 , общее содержание
органического углерода, акустические характеристики),
• ёмкость коллектора и гидропроводность,
• характеристика
капиллярного
давле ния,
• повреждение пласта и испытания
на чувствительность.
Многие из этих исследований
служат основой при принятии решений, касающихся разработки залежи.
Нефтегазовое обозрение
Метод анализа неоднородных пород (heterogeneous rock analysis)
TerraTek HRA, ещё один из дополнительных видов анализа керна,
служит для определения типов породы. Этот метод позволяет определить оптимальные глубины отбора
керна по данным каротажа в необсаженном стволе. 13 Эмпирические данные, полученные в результате различных исследований и в результате
анализа по методу TerraTek TRA,
могут применяться для оптимизации моделей, созданных по методу
TerraTek HRA, в частности, моделей
нетрадиционных нефтегазоносных
комплексов.
Отбор керна в нетрадиционных
коллекторах
Добывающие компании опробовали различные подходы к анализу
керна из сланцевых залежей. Отбор
традиционных кернов при помощи
буровой установки — дорогостоящий и длительный процесс, однако
он является оправданным на стадии
оценки месторождения. Геологи и
инженеры рассматривают керн, полученный вращательными инструментами, спускаемыми на кабеле,
как экономичную альтернативу традиционному керну, но малый объём
такого керна может стать препятствием при выполнении сложного
петрофизического анализа и полного исследования анизотропии
механических свойств. Кроме того,
ограниченные возможности отбора керна в неоднородных пластах
влияют
на
репрезентативность
большей части керна. С некоторыми ограничениями компания Shell
Appalachia Exploration столкнулась
при разработке глинистых сланцев
12. Подробнее о SCAL см.: Andersen et al, ссылка 1.
13. Подробнее о методе TerraTek HRA см.: SuarezRivera
R, Deenadayalu C, Chertov M, Hartanto RN, Gathogo
P and Kunjir R: “Improving Horizontal Completions
on Heterogeneous Tight Shales,” paper CSUG/SPE
146998, presented at the Canadian Unconventional
Resources Conference, Calgary, November 15–17,
2011.
Лето 2013 — Зима 2013/2014
Вид снизу
1,5 дюйма
Вид сбоку
Вид сверху
3 дюйма
Рис. 8. Образцы кернов. — Образцы керна, полученные при помощи инструмента XL-Rock в различных типах пород в одной скважине, включая мягкий песчаник
(вверху на рис.) и плотный известняк (внизу на рис.). Длина кернов — от 1,6 до 3
дюймов (от 4 до 7,6 см), керн очень высокого качества и пригоден для лабораторного анализа. (Фотографии предоставлены Уильямом Мёрфи.)
95
Глинистые сланцы
Марселлус
Пенсильвания
С Ш А
0
0
км
Рис. 9. Поисково-разведочные работы
в глинистых сланцах Марселлус. — В
настоящее время поисково-разведочные
работы в глинистых сланцах Марселлус
(голубая область) на востоке США осуществляются несколькими компаниями. Объёмы
добычи из этой высокопродуктивной свиты
превысили прогнозы экспертов. По состоянию на октябрь 2013 года, расчетные дебиты по данным Управления по информации
в области энергетики США (US Energy
Information Administration) составляют 12
млрд фут 3/сут (340 млн м 3/сут).
300
миль
300
Длина керна,
дюймы
Масса керна
диаметром 0,92 дюйма, г
Масса керна
диаметром 1,5 дюйма, г
1,0
26
69
1,2
31
82
1,4
36
96
1,6
41
110
1,8
46
123
2,0
52
137
2,2
151
2,4
165
2,6
178
2,8
192
3,0
206
Рис. 10. Масса керна в зависимости от размеров. — Отбор
керна традиционным методом обычно производится на поисково-разведочном этапе разработки месторождения, и этот отбор
керна может быть дорогостоящим мероприятием. Так как данные
по керну нужны для калибровки данных каротажа в необсаженном стволе и для определения характеристик породы, многие
нефтегазодобывающие компания производят отбор боковых
кернов. Геологи компании Shell Appalachia Exploration установили, что для качественного анализа породы вес керна должен
составлять как минимум 200 г. Так как длина керна, отрезаемого
96
долотом диаметром 0,92 дюйма (2,34 см), т.е. типовым долотом
для вращательных керноотборных инструментов прошлого поколения, равна 2 дюймам (5 см), то для получения керна весом
200 г необходимо было бы получить 4 керна на единицу глубины
(слева на рис., розовая строка). Один керн размером 1,5 дюйма
на 3 дюйма (3,8 см на 7,6 см), получаемый при помощи инструмента XL-Rock, имеет вес как минимум 200 г (зеленая строка).
Фотография (справа на рис.) иллюстрирует разницу в размерах
между одним керном XL-Rock и четырьмя кернами, полученными
при помощи долота прошлого поколения диаметром 0,92 дюйма.
Нефтегазовое обозрение
Марселлус на севере центральной
части штата Пенсильвания, США
(рис.9).
Для оценки кернов геологи компании Shell воспользовались инструкциями Института технологии газа
(Gas Technology Institute) по анализу разрушенных кернов. 14 Стандартный анализ керна включает в
себя исследование характеристик
вмещающей породы, определение
пористости, проницаемости и насыщенности, а также рентгенографический дифракционный анализ.
Для выполнения всех указанных исследований минимальный вес керна
должен составлять 200 г (0,25 фунтов) (рис. 10). Попытки выполнения этих анализов на кернах, полученных при помощи вращательных
инструментов, потребовали многократного отбора керна в той же точке или в близлежащих точках, чтобы
обеспечить достаточный объём кернового материала. Неоднородность
глинистых сланцев Марселлус привела к внесению дополнительной
неопределённости при исследовании характеристик образцов керна,
взятых на расстоянии всего 0,15 м
(0,5 фута) друг от друга. Из-за необходимости получения большего
объёма керна компания Shell применила вращательный инструмент
XL-Rock. Это позволило выполнить
все необходимые анализы на одном
керне.
В одной из недавно пробуренных
разведочных скважин геологи Shell
выбрали 100 точек отбора керна,
для чего потребовались 2 спуска
керноотборных инструментов. Из
100 точек отбора керна на поверхность были подняты 96 высококачественных образцов глинистых слан-
14. Подробнее о методе анализа разрушенных
образцов кернов, разработанном Институтом
технологии газа (бывший Институт исследования
газа — Gas Research Institute), см.: Guidry FK,
Luffel DL and Curtis JB: “Development of Laboratory
and Petrophysical Techniques for Evaluating Shale
Reservoirs,” Chicago: Gas Research Institute Report
GRI-95/0496, April 1996.
15. Adams J, Bourke L and Buck S: “Integrating
Formation MicroScanner Images and Cores,” Oilfield
Review 2, no. 1 (January 1990): 52–65.
Лето 2013 — Зима 2013/2014
1,5 дюйма
Рис. 11. Керны глинистых сланцев Марселлус. — Эти четыре керна, отобранные из
глинистых сланцев Марселлус при помощи инструмента XL-Rock, являются примерами
высококачественных образцов керна, полученного вращательным способом. (Фотографии предоставлены Ларисой Уокер.)
цев (рис. 11). Среднее время отбора
каждого образца керна составило
5,3 мин.
Ещё одной задачей при отборе бокового керна является определение
того, насколько репрезентативным
является отобранный керн относительно породы пласта-коллектора.
Работающие с полноразмерным керном геологи в лаборатории имеют
возможность осмотреть керн и выбрать лучшие участки для вырезания цилиндров. Точки отбора керна
вращательным методом невозможно визуально выбрать заранее, если
перед отбором керна не провести исследование скважинным сканером.
Но после отбора керна можно проверить разрез, из которого отбирался керн при помощи вращательных
инструментов.
После отрезания керна и подъёма
керна из скважины оператор может
провести исследование сканером
FMI для определения точной глубины отбора керна. 15 Диаметр отобранного инструментом XL-Rock
керна равен 3,8 см, но долото имеет больший диаметр и оставляет в
стенках скважины отверстие диа-
97
Изображение, снятое сканером FMI
Точка
отбора
керна
Рис. 12. Проверка глубины отбора
керна. — На изображении, полученном
сканером FMI, спущенным после отбора керна вращательным инструментом,
ясно видны точки отбора керна. Данная
информация используется геологами
для подтверждения репрезентативности
керна.
Отбор керна в глубоководных
скважинах
Отбор керна в ходе поисково-разведочных работ и разработки глубоководных месторождений имеет
свои особенности, которые могут
отсутствовать в других условиях.
Высокие почасовые ставки использования глубоководных буровых
установок требуют повышения эффективности и надежности при выполнении работ. В этих условиях
применение традиционных методов отбора керна может быть экономически неэффективным. От-
бор керна ударным методом может
производиться достаточно быстро
и избирательно, однако качество таких кернов позволит специалистам
выполнить лишь базовый анализ характеристик пород. Альтернативой
традиционным методам отбора керна служит селективный метод отбора керна при помощи вращательных
инструментов большого диаметра.
Способность инструмента отбирать керн в виде цилиндров, размер
которых не уступает цилиндрам,
вырезанным из полноразмерного
керна, обеспечивает возможность
получения керна высокого качества
и выполнения полного комплекса
петрофизических исследований и
анализов свойств пород. Применение для отбора керна вращательных
инструментов позволяет предотвратить механические повреждения
керна, влияющие на результаты исследований характеристик пород.
Надежность при отборе репрезентативных кернов является первопричиной замены традиционных методов отбора керна на вращательный
метод. Важнейшими условиями для
обеспечения надежности являются
работоспособность
оборудования,
качество резки керна, а также способность инструмента обеспечить
доставку кернов на поверхность. При
работе в некоторых породах подъём
кернов на поверхность является самой трудной задачей вне зависимости от самого метода отбора керна.
Множество глубоководных коллекторов залегают в песчаниках с неоднородной прочностью. Отбор керна
в породах с неограниченной прочностью на сжатие менее 1000 фунт/
дюйм 2 (6,9 МПа) является особенно
проблематичным. 18 Именно с этой
трудностью столкнулась компания
BHP Billiton Petroleum при подго-
16. Подробнее об изучении напряжений в пласте
и мини-ГРП см.: Desroches J and Kurkjian AL:
“Applications of Wireline Stress Measurements,” SPE
Reservoir Evaluation & Engineering 2, no. 5 (October
1999): 451–461.
17. Laronga R, Tevis C, Kaiser B, Lake P and Fargo D:
“Field Test Results of a New-Generation Large-Bore
Rotary Coring Tool,” Transactions of the SPWLA
52nd Annual Logging Symposium, Colorado Springs,
Colorado, USA, May 14–18, 2011, paper TTT.
метром 6,35 см (2,5 дюйма). Эти
отверстия ясно видны на изображениях, полученных сканером FMI
(рис. 12). Геологи могут провести
корреляцию глубин отбора керна с
данными каротажа в необсаженном
стволе. Стандартным методом работы является исследование скважины сканером FMI после отбора
керна при помощи инструмента XLRock. Инструмент XL-Rock совместим с инструментами для наклонно-направленного бурения, такими
как универсальный инклинометр
(general purpose inclinometry tool)
GPIT, измеряющий ориентацию инструмента в точке отбора керна.
В дополнение к петрофизической
оценке, компания Shell Appalachia в
настоящее время проводит геомеханические исследования кернов для
изучения упругих свойств пород.
Инженеры компании Shell включили испытания мини-ГРП в программу оценки скважин с помощью инструмента MDT. 16 Результаты этих
испытаний и информация о механических свойствах на основании данных анализа кернов используются
при планировании ГРП и оптимизации режимов бурения. 17
Carnegie A, Thomas M, Efnik MS, Hamawi M, Akbar M
and Burton M: “An Advanced Method of Determining
Insitu Reservoir Stresses: Wireline Conveyed MicroFracturing,” SPE paper 78486, presented at the
Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and
Conference, Abu Dhabi, UAE, October 13–16, 2002.
98
18. Подробнее о геомеханике и неограниченной прочности на сжатие см.: Cook et al, сноска 11.
Нефтегазовое обозрение
товке плана работ по отбору керна
для оценки одной из глубоководных
скважин на австралийском шельфе.
Компания BHP провела успешные испытания керноотборника XLRock в глубоководной скважине в
Мексиканском заливе, где удалось
достичь высокого процента выхода
керна. Целями этой ранее выполненной программы отбора керна,
которых удалось достичь благодаря
отбору кернов большого диаметра,
являлось выполнение ряда исследований, включая изучение седиментологических, биостратиграфических
и геомеханических характеристик, а
также проверки интерпретации кернограмм.
Аналогичная цель была поставлена и при отборе керна из глубоководной скважины на австралийском
шельфе. Здесь, как и при отборе керна из скважины в Мексиканском заливе, размер традиционных кернов
был слишком мал для получения
репрезентативных образцов, пригодных для анализов. После получения положительных результатов
при отборе больших кернов из скважины в Мексиканском заливе компания BHP приняла решение о применении инструмента XL-Rock для
отбора кернов размером 1,5 дюйма
(3,8 см) на 3,0 дюйма (7,6 см).
Была выполнена интерпретация
кернограмм, точки отбора были выбраны с учетом целей отбора керна,
которые включали в себя проведение стандартного анализа керна и
изучение геомеханических, геохимических и биостратиграфических
характеристик. Для оценки неограниченной прочности на сжатие использовались результаты акустического каротажа. Эти данные были
применены и при принятии решения
о глубине отбора кернов при помощи вращательного инструмента.
Программа отбора керна охватывала
несколько типов пород. Керн отбирался из пород с величиной неограниченной прочности на сжатие от
500 до 5000 фунт/дюйм 2 (от 3,4 до
34,4 МПа).
Стопроцентного
выноса
керна
удалось добиться даже в сложных
интервалах с низкой неограниченной прочностью на сжатие (рис. 13).
Лето 2013 — Зима 2013/2014
1 дюйм
Рис. 13. Керн, извлеченный из глубоководной скважины. — В ходе выполнения работ по отбору керна из глубоководной скважины на австралийском шельфе
применяли инструмент XL-Rock. Работы производились в породах различного типа
с неограниченной прочностью на сжатие от 500 до 5000 фунт/дюйм 2 . В результате
удалось достичь 100% выноса керна; примеры иллюстрируют качество извлеченного
из скважины керна.
Применение инструмента, способного отбирать керны большого диаметра, привело к пересмотру программы отбора керна, в частности,
к отмене части работ, выполняемых
стандартными методами. Отбор кернов большого диаметра и высокая
эффективность нового метода отбора по сравнению с традиционным
привели к значительной экономии
средств без ущерба для результатов
работ.
Стандартные работы
по отбору керна
Вращательные инструменты для
отбора керна были разработаны,
чтобы преодолеть некоторые недостатки ударного метода, но геологи
хотели получать керны все большего и большего размера. Ранние геологические отчеты свидетельствуют
о том, что полученные при помощи
вращательных инструментов керны
большого диаметра были разумной
альтернативой как для геологов,
проводивших анализ небольших
кернов, отбираемых традиционными инструментами, так и для добы-
вающих компаний, которые считали
традиционный метод отбора кернов
слишком неэффективным и дорогостоящим.
Возможность получения репрезентативных образцов пород без значительных затрат и потерь эффективности, связанных с традиционными
методами отбора керна, появилась в
нефтегазодобывающей отрасли как
нельзя кстати. У геологов и инженеров появилась возможность использовать большие керны для исследования нетрадиционных залежей и
определения механических свойств
плотных пород. При большом количестве доступного для анализа
кернового материала нефтегазодобывающие компании имеют намного
больше шансов успешной разработки нетрадиционных залежей.
—Т. С.
99