Борисов А.Г. Хранение керна сложного минерального состава

УДК 550.822.3
Хранение керна коллекторов
сложного минерального состава
А. Г. Борисов (ООО «ТюменНИИгипрогаз»)
А. Г. Борисов, заведующий сектором испытания методов повышения продуктивности скважин:
Традиционно в отечественной практике не уделялось особого внимания хранению керна – наиболее достоверного источника и носителя геологической информации. Зачастую керн, представляющий большую научную и материальную
ценность, хранится в неотапливаемых помещениях «под навесом», а то и вовсе
под открытым небом, что приводит к изменению его свойств и потере отдельных
типов пород. Особенно это касается керна сложных коллекторов, цена которого
определяется не только большими затратами на отбор, но и уникальностью состава и свойств, которые трудно поддаются сохранению. Автором рассмотрены
процессы, происходящие при нахождении керна в условиях окружающей среды,
последствия неправильного хранения и предложены меры по его долговременному сохранению.
Влияние условий
окружающей среды
на состояние керна
В
большинстве руководящих документов
[1–3] не уделяется внимания условиям окружающей среды, в которой хранится керновый материал. Изначально считалось, что
породы легко переносят влияние окружающей среды. Однако опыт работы с керном
Восточной Сибири показал, что некоторые
из пород при этом разрушаются и полностью теряют свои свойства. В настоящее
время требования к температуре, влажности и физическим воздействиям предъявляются только в инженерной геологии при
хранении грунтов [4]. Существует острая
необходимость применить аналогичные
требования к хранению керна в силу ряда
обстоятельств, описанных далее.
Влияние влажности. Наиболее сильное
влияние на состояние керна оказывают су28
точные и сезонные колебания атмосферной
влажности. В сочетании с температурными
колебаниями они активизируют геохимические процессы, приводящие к изменению
свойств пород. Так, в результате суточных
понижений температуры воздуха его относительная влажность возрастает до 100
%. Последнее вызывает широко распространенные метеорологические явления:
образование тумана и выпадение росы.
Высокая теплоемкость породообразующих
минералов приводит к конденсации на них
атмосферной влаги. Ситуация намного
опаснее, если керн хранится под открытым
небом под действием атмосферных осадков, даже в течение непродолжительного
времени.
Появление капель воды на некоторых
типах пород крайне нежелательно. Так,
в породах, содержащих каменную соль,
что весьма часто встречается в Восточной Сибири, происходит выщелачивание
солей в приповерхностной части и выступание их на поверхности. Как минимум это
приводит к существенному повышению
проницаемости керна, но весьма часто это
делает керн хрупким, рассыпчатым и приводит к его разрушению (рис. 1, а). На рис.
1, б, в представлены снимки засолоненных
пород, выполненные на кафедре геологии
и геохимии горючих полезных ископаемых
МГУ им. М.В. Ломоносова с помощью рентгеновского микротомографа SkyScan 1172.
Как видно из этих рисунков, соли не просто
заполняют часть порового пространства,
но и образуют цельные структуры, выполняя
функцию цемента.
Если в скелете породы присутствует
ангидрит или другие гидратируемые минералы, происходит их набухание. В присутствии влаги и отсутствии горного давления
ангидрит превращается в гипс. Последнее
приводит к растрескиванию керна (порода превращается в дресву) и делает его
Газовая промышленность
№ 5, 2 0 1 1
а
б
в
Рис. 1. Солеотложения в керне:
а – разрушение керна при хранении в атмосферных условиях; б – томографический срез породы; в – 3D-визуализация солеотложений
непригодным для исследований. Особую
опасность это представляет для слоистых
пород, в которых ангидрит залегает в виде
микроскопических линзочек, именно такая
ситуация наблюдалась на керне Собинского
НГКМ (рис. 2).
Также в породах подвержены гидратации и набуханию глинистые минералы. Это
происходит по двум причинам: адсорбция
глинами влаги и осмотическое набухание.
В основе первого явления лежит то, что
при осадконакоплении вышележащих
отложений и катагенезе происходит отжим влаги из глин под действием горного
давления. Попав в атмосферные условия
после подъема на поверхность, глина снова
начинает набирать влагу. Осмотическое
набухание происходит при попадании в породу пресной воды – сконденсированной
влаги. При этом образуются градиенты
концентраций ионов между поровой водой
и поверхностной пресной. Вода втягивается в межслоевое пространство глин, в результате чего расстояние между слоями
увеличивается (происходит разбухание)
и появляется возможность образования
диффузионных частей двойных электрических слоев.
Набухание глин особенно актуально
для рыхлых кернов, пород со структурной
и пленочно-поровой глинистостью. На рис.
3, а представлены структурные включения
каолинита и монтмориллонита. На рис. 3,
б видно обволакивание зерен глинистыми
минералами с заполнением пор. Увлажнение таких пород приводит к различным
последствиям. Первоначально увеличение
объема глинистых минералов до определенного момента вызывает сужение поровых
каналов и ухудшение фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС). В дальнейшем при
чрезмерном их набухании происходит разрушение породы, аналогичное вышеописан-
ному. Однако визуально проследить такие
нарушения не всегда удается, поскольку
в отличие от ангидрита глинистые минералы, как правило, не создают протяженных
трещин и даже после их образования удерживают их стенки (цементирующее свойство глинистых минералов). Как правило,
нарушение проявляется в виде увеличения
диаметра керна.
а
CaSO4 + nH2O → CaSO4·nH2O
Ангидрит
б
Рис. 2. Разрушение керна, содержащего включения ангидрита:
а – схема разрушения; б – разрушенные ангидритсодержащие образцы
29
а
б
в
Рис. 3. Глинистые минералы в скелете пород:
а – фото шлифа; б – снимок растровым электронным микроскопом; в – набухание и разрушение глинистого керна
Отдельно стоит проблема с рыхлым
и слабосцементированным керном. Если
чрезмерное увлажнение приводит к разбуханию в нем глинистых минералов, то высушивание делает его хрупким и рассыпчатым.
Эти обстоятельства требуют особых мер
по его сохранению, которые будут описаны далее.
Влияние колебаний температуры
окружающей среды на состояние керна
менее существенно. Нагрев и охлаждение
керна в течение года приводят к неодинаковому расширению (сужению) минералов,
что, как правило, проявляется в виде микротрещин и может привести к расслоению.
Однако это влияние многократно усиливается, если керн плохо просушен. В результате медленного замерзания в нем
влаги происходит образование крупных
кристаллов льда, что приводит к образованию трещин и изменению структуры порового пространства (аналогично морозному
выветриванию).
Влияние атмосферного воздуха на
свойства крена никогда специально не изучалось, однако в ряде случаев это влияние
очевидно. При попадании из анаэробной
среды в кислородно-азотную в породах
активизируются окислительно-восстановительные процессы, при этом влага выступает
в качестве катализатора. Так, в первое время
после подъема на поверхность некоторых
видов отложений происходит изменение
их цвета. Как правило, железо окисляется,
породы приобретают красно-коричневую
окраску. Также известны случаи, когда
30
со временем породы Восточной Сибири
приобретали пятнистую окраску.
Физические воздействия. Следует
отметить, что многие породы, особенно
слабосцементированные, очень чувствительны к механическим воздействиям. Сам
по себе керн в процессе бурения и подъема
на поверхность испытывает сильную разгрузку (в сотни атмосфер). В результате
происходит неодинаковое расширение
минералов (в зависимости от их упругости
и пластичности). Это многократно повышает
хрупкость керна и приводит к появлению
микротрещин, особенно в слоистых и глинистых породах.
Хранение керна в ящиках
Х
ранение в ящиках долгое время оставалось единственным способом хранения керна в нашей стране. Теоретически хранение
и транспортировка керна в ящиках мало чем
отличаются от хранения и транспортировки его в коробках. Однако есть некоторые
практические моменты, в связи с которыми
использовать ящики не рекомендуется:
• масса ящика с керном достигает 65 кг,
что сказывается на усталости персонала,
выполняющего погрузочно-разгрузочные
работы. Так, при погрузке ( разгрузке)
на автотранспорт ящики почти никогда
не кладут, их бросают, подвергая сильным
сотрясениям;
• из-за низкого качества ящиков их ресурса зачастую хватает на две-три перевозки. Часто приходится наблюдать, как при
погрузочно-разгрузочных работах ящики
разваливаются с выпадением керна;
• при длительном хранении ящики очень
неудобны, так как любое обращение к керну сопряжено с существенными трудовыми затратами на извлечение, вскрытие,
раскладку, закрытие, обратную укладку.
Также при хранении в ящиках неэкономно
используется рабочее пространство кернохранилищ.
Технологии длительного
сохранения свойств керна
К
ак становится понятным из вышеописанного, в хранении керна приоритетным
является не само хранение, а сохранение
его свойств для дальнейшего их изучения
по мере появления новых методов. Для
этого в ООО «ТюменНИИгипрогаз» с 1995 г.
ведется работа по созданию методического
и технологического комплекса по хранению керна. Результатом этой работы стало
создание, взамен устаревших документов
[1–3], регламентов по хранению и транспортировке керна [5, 6]. Открытие в марте
2009 г. отапливаемого кернохранилища
позволило накопить собственный опыт
хранения (рис. 4).
Меры по сохранению керна должны
приниматься сразу после извлечения его
на поверхность. Известно немало случаев,
когда керн с буровой доставлялся уже в измененном виде. В первую очередь должны
быть предприняты меры по сохранению порядка следования фрагментов керна при изГазовая промышленность
№ 5, 2 0 1 1
влечении их из снаряда. Было установлено,
что наилучшей сохранностью обладает керн,
доставленный не в ящиках, а в керноприемных трубах. В этом случае трубы с керном
после извлечения из скважины разрезаются
по 1 м, по торцам устанавливаются заглушки,
и в таком виде они отправляются в лабораторию. Описанная технология позволяет
сохранить порядок фрагментов и защитить
керн от атмосферных осадков, в связи с чем
рекомендуется к повсеместному применению, и в особенности на месторождениях
Восточной Сибири.
После отбора керн должен храниться
и транспортироваться при положительной
температуре во избежание его заморозки.
Если по каким-то причинам (технология отбора, зимнее время) заморозки избежать
невозможно, для сохранения структуры
порового пространства должна быть применена принудительная шоковая заморозка
жидким азотом.
Хранение керна в кернохранилище состоит из двух этапов: подготовки к хранению
и собственно хранения.
Подготовка к хранению состоит из мероприятий, которые позволяют лучше сохранить свойства керна в течение длительного
времени. Свойства, плохо поддающиеся
сохранению, должны быть зафиксированы
на момент поступления керна в кернохранилище [7]. Так, перед закладкой керна
на хранение он должен быть отмыт от бурового раствора, высушен, сверен с полевым описанием и каротажем, правильно
состыкован, отсутствующие фрагменты
керна должны быть заменены наполнителем (дерево, пенопласт, картон), сфотографирован в белом и ультрафиолетовом
свете, литологически описан, подвергнут
профильной гамма-спектрометрии и плотнометрии. Фотографирование в дневном
и ультрафиолетовом свете необходимо
выполнить как можно раньше. Это обусловлено двумя факторами: некоторые
породы в кислородной среде окисляются
и изменяют свой цвет, а фотографирование
свежего керна в жестком ультрафиолетовом
излучении позволяет выделить газоносные
интервалы. Также перед фотографированием желательно произвести продольную
Рис. 4. Кернохранилище ООО «ТюменНИИгипрогаз
а
б
4
3
7
6
2
5
1
1
Рис. 5. Хранение керна в коробках:
а – слабосцементированного и рыхлого; б – эталонных
коллекций; 1 – картон; 2 – полиэтилен; 3 – плексиглас;
4 – керн; 5 – герметик; 6 – лак; 7 – линейка-этикетка
распиловку керна – это позволит заснять
не промытую буровым раствором часть
керна и сделать при необходимости седиментологические исследования. Фотографировать распиленный керн необходимо
с увлажненной поверхностью, что позволяет более четко увидеть структуру пород
и устранить искажения цвета, вызванные
неровностью поверхности (ложный серый
оттенок). После фотографирования и сушки
керна желательно выполнить профильные
измерения проницаемости и акустических
свойств.
Хранение керна должно обеспечить
максимальную сохранность его свойств.
Для этого необходимо свести к минимуму колебания температуры и влажности.
Температура воздуха должна быть положительной, на уровне 10–25 °С. Относительная влажность должна быть не более
80%, чтобы при хранении влага переходила
из керна в атмосферу, а не наоборот. Если
производилось спиливание 1 / 3 диаметра керна, то спиленная «щечка» должна
храниться отдельно от основной части для
обеспечения лучшей ее сохранности и легкой доступности. Предпочтительным является хранение керна в картонных коробках.
В отличие от пластмассы, дерева и металла
картон более удобен, легок, хорошо отводит влагу, «дышит», а также не подвержен
старению. Рекомендуемый формат коробок – 1 м × 1 ряд. Укладывать керн в коробки
следует плотно от края до края, незанятое
пространство коробок должно быть заполнено наполнителем во избежание смещения
фрагментов при манипуляциях.
Некоторые виды керна требуют особых
условий хранения, слабосцементированный
и рыхлый керн необходимо укладывать в коробки в трубах из плексигласа или пластика.
Если такой крен продольно распилен, то он
должен быть дополнительно обмотан упаковочным полиэтиленом (рис. 5, а).
В последнее время в мире широко применяются технологии шоковой заморозки
керна. Замороженный на скважине и доставленный в таком виде керн лучше всего также
хранить в замороженном виде, однако это
сопряжено с существенными энергетическими и финансовыми затратами. Особенно это
касается пород с высокой минерализацией
пластовых вод, которые требуют заморозки
до очень низких температур.
В отдельных случаях целесообразна
герметизация керна. Традиционно для этих
целей применялся парафин или пропарафиненная марля. Но в последнее время
появились новые технологии упаковки.
Керн может быть запаян в полиэтиленовую
упаковку, из которой воздух предварительно
может быть откачан либо заменен относительно инертным газом (гелий, аргон, азот,
углекислый газ).
Особое внимание следует уделить хранению так называемых эталонных коллекций,
представляющих собой спил 1/ 3 диаметра
керна. Данные коллекции весьма удобны
при проведении седиментологических
и литологических исследований, для сохранения исходного вида керна, а также в ряде
случаев подлежат сдаче в государственные
31
Рис. 6. Пример оформления этикетки коробки
кернохранилища. Из-за большой хрупкости
эталонные коллекции требуют особых мер
по упаковке либо большой осторожности при
транспортировке. Так, некоторые компании
применяют заливку эпоксидными смолами
и полимерными герметиками. Недостатками способа является то, что под слоем этих
веществ часто искажается цвет породы, особенно с течением времени, когда вещество
стареет. Также при седиментологических
исследованиях часто требуется непосредственный контакт с породой, чтобы оценить
шероховатость породы, рассмотреть ее под
лупой или микроскопом, увидеть влажный
спил и т. д., что невозможно сделать через
компаунд. Поэтому рекомендуется следующий способ упаковки (рис. 5, б). Спиленная «щечка» приклеивается к дну коробки
с помощью густого герметика, сверху часть
спила покрывается лаком для создания
эффекта влажной поверхности, остальная
часть остается открытой.
Требования
к маркировке
и учету коробок керна
В
условиях работы с большим количеством (сотни тысяч) коробок керна с разных
месторождений и скважин необходимо
предъявлять особые требования к маркиров-
32
вида, физических свойств и химического
состава;
• качественная подготовка керна к хранению позволяет на длительное время сохранить его свойства либо зафиксировать
их в начальный момент;
• обязательным условием долговременного сохранения свойств керна является
поддержание в кернохранилище требуемой
температуры и влажности;
• для реализации вышеописанного необходимо создание национального стандарта
(ГОСТ) или технического регламента по хранению керна;
• несмотря на сложность и достаточно
высокую стоимость хранения керна сложного минерального состава это является
оправданной мерой. Так, хранение 1 м керна
обходится в 200–250 руб / год, в то время
как затраты на бурение с отбором керна
доходят до 1 млн руб. на 1 м керна.
ке и учету коробок. Каждая коробка должна
иметь свой уникальный номер, все сведения
о коробках и их движении должны храниться
в электронной базе данных. Этикетка коробки должна быть сформирована так, чтобы
обеспечить максимальное удобство при
поиске, как визуальном, так и с помощью Список литературы
технических средств. Для этого ее номер 1. РД 39‑0147716‑505–85. Порядок отбора, привязки,
должен быть нанесен и в цифровом виде, хранения, движения и комплексного исследования
и в виде штрих-кода. Поисковая инфор- керна и грунтов нефтегазовых скважин. – М.: Минмация (месторождение, скважина, номер нефтепром, 1986. – 32 с.
интервала отбора, номер коробки) должна 2. Инструкция по отбору, хранению и ликвидации
быть выделена ярким цветом и крупным кернового материала для геолого-поисковых, разведочных и промысловых организаций Министерства
шрифтом. Для удобства камеральной работы
нефтяной промышленности. – М.: Миннефтепром,
с коробками на нее должна быть помещена 1957. – 12 с.
следующая информация: интервал отбора; 3. Инструкция по отбору документации, обработке,
интервал, лежащий в коробке; привязка хранению, сокращению и ликвидации керна скважин
от начала интервала отбора; вынос керна колонкового разведочного бурения. – М.: Мингео
в метрах и процентах. Каждая информа- СССР, 1973. – 24 с.
ция должна выделяться отдельным цветом 4. ГОСТ 12071–2000. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. – М.: Изд-во стандля быстроты ее визуального восприятия. дартов, 2001. – 26 с.
Во избежание потерь керна этикетка дол- 5. РД 00158758–198–98. Регламент по отбору, трансжна клеиться как на крышку коробки, так портировке, хранению и исследованию каменного
и на саму коробку. Пример этикетки, раз- материала на месторождениях севера Западной Сиработанной в ООО «ТюменНИИгипрогаз», бири. – Тюмень: ТюменНИИгипрогаз, 1998. – 56 с.
6. Регламент по отбору, транспортировке, хранению
приведен на рис. 6.
и исследованию кернового материала. – Тюмень:
В заключение необходимо отметить ТюменНИИгипрогаз, 2006. – 51 с.
следующее:
7. Р Газпром 065–2009. Методические рекомендации
• хранение керна в современном понимании по проведению, обработке, хранению и представлению
представляет собой сложный комплекс мер, результатов литолого-петрографического исследованаправленных на сохранение его внешнего ния керна. – М.: Газпром Экспо, 2010. – 45 с.
Газовая промышленность
№ 5, 2 0 1 1