Ключевые слова: гидравлический расчет, керноотборный снаряд, изоляция керна, вязкопластичная жидкость, термоактивируемый эластомер, cлабо сцементированный керн, реологические свойства, разность давлений, бурение, сохранность керна.
Отбор керна – один из важнейших этапов геолого-разведочных работ, позволяющий получить достоверные данные о литологических, поровых и насыщенных характеристиках пород. Однако, особенно в условиях слабосцементированных или рыхлых пород, качество полученного материала часто оказывается неудовлетворительным из-за разрушения, дегазации или вымывания фильтрата буровым раствором. Сложность сохранения структуры и флюидонасыщенности кернового материала актуализирует задачу разработки вспомогательных технологий, обеспечивающих изоляцию и фиксацию керна на всех этапах его извлечения.
Одним из перспективных направлений решения этой задачи является использование гелевых изолирующих составов, способных защищать керн от механического разрушения, контакта с буровым раствором и структурных деформаций. Однако внедрение таких технологий сопряжено с необходимостью строгого расчета условий их применения. В частности, возникает задача обеспечения гидравлической совместимости состава с работой керноотборного снаряда (КОС): изолирующий материал не должен препятствовать движению керна внутри снаряда и одновременно не должен создавать избыточное давление, способное вызвать разгерметизацию клапанных узлов снаряда или прорыв состава в кольцевое пространство [1–4].
Документы, регламентирующие исследования керна
На основе проведенного литературного обзора методик по отбору и работе со слабо консолидированным керновым материалом было определено, что большинство использующихся в настоящее время в России методик исследования кернового материала основаны на РД 39-0147716-505-85 «Порядок отбора, привязки, хранения, движения и комплексного исследования керна и грунтов нефтегазовых скважин».
В частности, можно выделить следующие основные документы, регламентирующие процесс отбора и лабораторного анализа кернового материала:
· РД 39-0147716-505-85 «Порядок отбора, привязки, хранения, движения и комплексного исследования керна и грунтов нефтегазовых скважин» [5].
· Стандарт компании № П1-01 СЦ-043 «Порядок организации отбора, транспортировки, хранения и комплексного исследования кернового материала при геолого-разведочных работах и разработке месторождений углеводородов». Используется компанией Роснефть [6].
· РД 153-39.0-069-01 «Техническая инструкция по проведению геолого-технологических исследований нефтяных и газовых скважин» [7].
· Р Газпром 065-2009 «Методические рекомендации по проведению, обработке, хранению и представлению результатов литолого-петрографического исследования керна» [8].
В зарубежных компаниях, как правило, используются регламентирующие документы, основанные на API RP40 [9].
Существенными недостатками руководящего документа РД 39-0147716-505-85 и документов на его основе является ориентированность описанных методик только на хорошо сцементированные образцы кернового материала и отсутствие описания отбора слабосцементированных пород, что позволяет выделить ряд проблем, значительно ухудшающих качество отобранного материала, в частности:
· значительное влияние бурового раствора при отборе керновой пробы Использование стандартных керноотборных буровых головок приводит к значительному прониканию бурового раствора в образец, что приводит к несоответствию объема флюидов в образце изначальному значению в пласте;
· разрушение слабосцементированного кернового материала при его отборе. При отборе образцов должны быть использованы специальные керноотборные снаряды, учитывающие структуру и тип породы, которую необходимо извлечь;
· разрушение слабосцементированного кернового материала при его экстракции из скважины. При отборе образцов без консервации, при их экстракции происходит перепад давления, который может разрушить керн из-за процессов дегазации, если извлекать керн слишком быстро;
· разрушение слабосцементированного кернового материала при его транспортировке. До начала транспортировки керн должен быть зафиксирован в тубусе (если не было отбора консервированных образцов керна) и должны быть использованы специальные демпфирующие ящики, препятствующие повреждению керна;
· изменение свойств слабосцементированного кернового материала при его подготовке к проведению исследований. Керн в обязательном порядке должен максимально сохранить свои свойства, а именно структуру и флюидонасыщенность до начала проведения исследований, что требует особой подготовки образцов, например, охлаждения в жидком азоте.
Также стоит отметить, что ни в одном из вышеперечисленных регламентирующих документов не представлено описание изоляции керна при его отборе какими-либо методами. В частности, отсутствует описание методик отбора керна геленаполненными керноприемниками и проведение гидравлических расчетов, направленных на подбор оптимального метода изоляции, что, в свою очередь, позволило бы увеличить качество отобранного кернового материала.
Объект и методы исследования
В работе исследовали гелевый состав для изоляции керна, который представляет собой суспензию термоактивируемого эластомера в неполярном масле, являющуюся дисперсной системой, в которой в роли дисперсной фазы выступает эластомер (размер частиц в сухом состоянии до 300 мкм), а в роли дисперсионной среды – масло. Основным свойством системы является то, что при повышении температуры частицы эластомера набухают, после чего растворяются в масле, далее, после понижения температуры, состав переходит в упругое состояние. Таким образом, в пластовых условиях (T > +60 °С) состав находится в вязко-упругом состоянии, то есть имеет текучую консистенцию, как показано на рисунке 1а (µ < 70 мПа∙с), а в поверхностных условиях образует тягучий эластомер (рисунок 1б).
Преимуществом данного состава является то, что он обладает физико-химической инертностью к горной породе и насыщающим ее флюидам, а также предотвращает механические повреждения керна при его подъеме, разборке снаряда и дальнейшем транспорте [10], [11].
Все исследования реологических свойств в работе проводили на ротационном вискозиметре Rheotest RN4.1 (рисунок 2).
Ротационные вискозиметры работают на принципе измерения напряжения сдвига в материале, размещенном между двумя рабочими поверхностями, при постоянной скорости вращения одной из них (ротора). Вязкость может быть определена с помощью различных измерительных систем, таких как «цилиндр-цилиндр», «пластина-плита», «конус-плита» и других, что позволяет применять прибор для исследования вязкостных характеристик практически любых жидкостей и пастообразных материалов [12].
Исследование реологических свойств состава
Для демонстрации работоспособности расчета необходимо провести ротационные испытания состава для изоляции керна на вискозиметре при скорости сдвига, соответствующей движению в керноотборном снаряде. Для расчета данной скорости сдвига использовалась следующая формула [13]:
Рассчитав необходимое значение скорости сдвига по данной формуле, согласно геометрическим данным снаряда, получим 
.
Далее, для выбранных наиболее подходящих концентраций состава был проведен ряд ротационных испытаний:
1. Получение кривой течения состава. Для получения начального напряжения сдвига состава в жидком состоянии, нагретом до 50 °С, была получена кривая течения. Эксперимент проводили на низких скоростях (от 0,2 до 17 с-1), поскольку, как было указано ранее, движению состава в КОС соответствует скорость сдвига в 0,71 с-1. Скорости сдвига от 0,2 до 1 были заданы отдельными экспериментами, каждая в течение 300 с, далее скорость изменялась по рампе от 1 до 15 с-1 в течение 3000 с.
Как видно из рисунка 3, при невысоких значениях скорости сдвига (до 1 с-1) начальное напряжение сдвига для состава при данной температуре будет равняться τ0 ≈ 50 Па.
2. Для проведения испытаний на реологические свойства гелевого состава при изменении температуры была использована методика с применением ротационного вискозиметра Rheotest RN4.1. Перед началом эксперимента состав готовили при комнатной температуре и нагревали до начального значения в 30 °С. Для обеспечения точности измерений состав помещался между рабочими поверхностями вискозиметра, где поддерживалась постоянная скорость сдвига 0,71 с⁻¹, соответствующая расчетным условиям движения состава в керноотборном снаряде.
Процедура испытания заключалась в постепенном увеличении температуры от 30 до 60 °С с шагом 5 °С, при каждом шаге фиксировались значения эффективной вязкости. Для этого состав выдерживался при заданной температуре в течение 5 минут до стабилизации вязкости, после чего проводилось измерение. По достижении температуры 60 °С процесс был обращен: состав охлаждали обратно до 30 °С с теми же температурными интервалами, чтобы оценить восстановление вязкости.
Испытания проводились в течение двух циклов нагрева и охлаждения для подтверждения воспроизводимости данных. Измеренные значения вязкости на каждом этапе заносились в таблицу, что позволило построить графики зависимости эффективной вязкости от температуры. Этот подход обеспечил высокую точность и повторяемость результатов, необходимых для анализа поведения состава в условиях, имитирующих реальные пластовые и поверхностные параметры.
Поскольку на данных испытаниях состав не успел полностью гелироваться, судить можно только о сплошных частях графиков. Как видно, максимальная эффективная вязкость достигает порядка 5000 мПа*с, что соответствует напряжениям сдвига в 5 Па.
Постановка задачи о гидравлическом расчете
Использование составов для изоляции керна сопряжено с рядом трудностей, в частности, в процессе отбора керна важно не допустить разгерметизации керноотборного снаряда (КОС). Таким образом, цель данного этапа – построить расчетную модель течения внутри керноотборного снаряда и определить диапазон допустимых вязкостей и начальных напряжений сдвига для изолирующих составов, при которых сохраняется избыточное давление в зоне клапана.
Для определения максимально допустимой вязкости состава для изоляции керна был проведен расчет керноотборного снаряда.
Для составления системы уравнений использовали схему течения жидкостей, представленную на рис. 1, где схематично представлен процесс отбора изолированного керна в процессе бурения.
Красным цветом на рисунке изображено направление течения состава для изоляции керна, вытесняемого керном из снаряда в процессе бурения. Движение состава происходит в кольцевом пространстве между столбиком керна (изображен коричневым цветом) и внутренними стенками керноотборного снаряда. Движение изолирующей жидкости здесь обусловлено вытеснением ее керном из снаряда, а значит, ее расход (и, соответственно, скорость) будет равен объему керна, поступающему в КОС за единицу времени:
где Qсостава – расход состава, м3/с; Vкерна – объем керна, поступающего в снаряд, м3; Sкерна – площадь поперечного сечения керна; t – время поступления керна в снаряд, м2; vпроходки – скорость проходки в процессе бурения, м/с.
Синим цветом на рис. 1 изображено направление течения бурового раствора. Движение раствора также происходит в кольцевом пространстве, в зазоре между внешней стенкой КОС и внутренней стенкой трубы.
Необходимость расчета обусловлена тем, что в процессе отбора керна важно не допустить разгерметизации КОС, то есть в процессе бурения давление p2 должно быть всегда меньше, чем давление p1. Для составления системы уравнений воспользуемся формулами для расчета движения жидкости под действием перепада давления [14]. Тогда система уравнений для расчета принимает вид:
где p1 – давление от бурового раствора; p2 – давление от состава; p1', p1' – давления в точке контакта долота и керна; ρб.р. – плотность бурового раствора; ρж – плотность состава для изоляции; H – длина керноотборного снаряда; ∆pг.д. – потери давления.
При проведении расчета необходимо проверить значение ∆p (4) при различной вязкости состава для изоляции керна. Как уже было описано выше, значение разницы давлений будет означать прорыв клапана и потерю герметизации снаряда, что недопустимо в процессе бурения.
Далее для расчетов используются формулы расчета потерь давления при течении вязкопластической жидкости Бингама-Шведова в соосном кольцевом пространстве [15], [16]. В итоге получаем формулу для потерь давления
где τ0 – начальное напряжение сдвига, Па; H – высота движения жидкости, м; β – параметр потока; d1,2 – наружный и внутренний диаметр.
Проведение гидравлического расчета
Для проведения гидравлического расчета необходимо знать параметры бурового раствора, состава для изоляции, а также геометрические параметры системы соосных цилиндров.
Для бурового раствора были взяты средние параметры жидкости (динамическое напряжение сдвига, плотность, вязкость, расход), используемой при бурении с отбором, а также диаметры стенок кольцевого пространства и длина керноотборного снаряда (таблица 1).
В результате расчета, согласно формулам, была получена величина потерь давления на гидравлическое сопротивление для бурового раствора (таблица 2).
Для получения потерь давления для состава для изоляции керна возьмем следующие параметры: динамическое напряжение сдвига, расход (получаемый из скорости проходки), плотность, рассматриваемый диапазон вязкостей (необходимый для построения зависимости), а также, аналогично расчету для промывочной жидкости, геометрические параметры системы (внутренний диаметр и длину КОС, диаметр керна). Все исходные параметры представлены в таблице 3.
В результате вычислений по формулам, представленным выше, была получена зависимость потерь давления на гидравлическое сопротивление в КОС для состава для изоляции (таблица 4), а также был построен график зависимости разницы давлений Δp (4) на клапане снаряда от вязкости состава для изоляции (рисунок 6).
Полученные данные показывают, что при значениях пластической вязкости состава 2400–2500 мПа·с (при τ0 = 50 Па значения напряжения в составе будут соответствовать примерно 52,5 Па) значения Δp становится отрицательными, что показывает, что данные значения вязкости являются критическими и их превышение приведет к разгерметизации состава.
Согласно данным реологических измерений состава, напряжения, возникающие в нем при повышении вязкости, не превышают 5 Па, а значит, расчет можно считать успешным.
Выводы
· Разработана методика гидравлического расчета, предназначенная для количественной оценки условий применения внутрискважинных изолирующих составов в конструкции керноотборных снарядов (КОС). Методика учитывает геометрию кольцевого пространства, параметры бурения и реологические свойства состава и позволяет определить допустимые пределы вязкости и напряжения сдвига, при которых сохраняется герметичность оборудования.
· Критерием применимости изолирующего состава предложено использовать условие положительной разности давлений (Δp > 0) на клапанах КОС. Это обеспечивает вытеснение состава керном без риска прорыва жидкости в бурильное пространство и нарушения герметичности снаряда.
· На примере термоактивируемого гелевого состава проведена апробация предложенной методики. Экспериментальные реометрические данные использованы в расчетах. Установлено, что при начальном напряжении сдвига τ₀ ≈ 50 Па и эффективной вязкости состава, превышающей 2400–2500 мПа·с, происходит нарушение герметичности КОС, что недопустимо для скважинных условий.
· Полученные расчетные зависимости позволяют гибко подбирать составы для конкретных конструкций КОС и условий бурения, адаптируя их свойства для обеспечения максимальной сохранности слабосцементированных керновых образцов.
· Разработанная методика может быть универсализирована и масштабирована для других типов изолирующих систем, включая многокомпонентные гели, суспензии и пасты. Это открывает возможности для дальнейших исследований в области адаптивного керноотбора при бурении в нестабильных и трещиноватых породах.
· Результаты настоящей работы могут быть внедрены на практике при проектировании новых типов керноотборных систем, а также использованы при инженерной оценке рисков, связанных с разрушением керна в процессе его извлечения, подъема и транспортировки.
Литература
1. Власюк, В.И. Бурение и опробование разведочных скважин: учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» / В.И. Власюк, В.И. Власюк, А.Г. Калинин, А.А. Анненков, под ред. А.Г. Калинина. – Москва: ЦентрЛитНефтеГаз, 2010.
2. Хайруллин Б.Ю., Витязев О.Л., Рыболовлев В.П.; Сибирское научно-производственное предприятие бурового машиностроения (ЗАО НПП «СибБурМаш»). Керноотборный снаряд. Патент № 2252307 C1 РФ, МПК E21B 25/08. № 2003129426/03: заявл. 01.10.2003: опубл. 20.05.2004.
3. Хайруллин Б.Ю., Витязев О.Л., Рыболовлев В.П.; Акционерное общество закрытого типа «Научно-производственная фирма «Юкон». Керноотборный снаряд. Патент № 2049220 C1 РФ, МПК E21B 25/08. № 92005964/03: заявл. 11.11.1992: опубл. 27.11.1995.
4. Калинин А.Г. Технология бурения разведочных скважин: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология и техника разведки месторождений полез. ископаемых» / А.Г. Калинин [и др.]. – Москва: Техника, 2004. – 527 с.
5. РД 39-0147716-505-85 «Порядок отбора, привязки, хранения, движения и комплексного исследования керна и грунтов нефтегазовых скважин», ВНИИМ, 1986.
6. Положение «Исследование керна» № П1-01.03 Р-0136. М.: ПАО «НК «Роснефть», 2017.
7. РД 153-39.0-069-01 «Техническая инструкция по проведению геолого-технологических исследований нефтяных и газовых скважин», Минэнерго России, 2001.
8. Р Газпром 065-2009 «Методические рекомендации по проведению, обработке, хранению и представлению результатов литолого-петрографического исследования керна», ПАО «Газпром», 2009.
9. API RP40. Recommended Practices for Core Analysis. American Petroleum Institute.
10. Лурье М.В. Гидравлика и ее приложения в нефтегазовом производстве / М.В. Лурье, И.М. Астрахан, В.В. Кадет; М.В. Лурье, И.М. Астрахан, В.В. Кадет; [РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина]. – Москва: МАКС Пресс, 2010. – 331 с.
11. Лосев А.П. Исследование реологических свойств состава для изоляции керна / А.П. Лосев, С.М. Ватузов // Бурение и нефть. – 2023. – № S1. – С. 51–53.
12. Ватузов С.М., Лосев А.П., Есипов И.Б. Оценка структурных особенностей течения дисперсных систем по данным колебательной реометрии // Нефтегазовое дело. 2024. Т. 22, № 5. С. 210–222. https://doi.org/10.17122/ngdelo-2024-5-210-222.
13. Kohlgrüber K. Co-Rotating Twin-Screw Extruders: Fundamentals. – Hanser: Elsevier, 2020. – 412 p. – DOI: 10.1016/C2019-0-01364-7.
14. Леонов Е.Г. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин: в 2 ч. Ч. 1: Гидроаэромеханика в бурении / Е.Г. Леонов, В.И. Исаев. – М.: Недра, 2006. – 413 с.
15. Воларович М.П., Гуткин А.М. Течение пластично-вязкого тела между двумя параллельными плоскими стенками и в кольцевом пространстве между двумя коаксиальными трубами // Журн. техн. физики. – 1946. – Т. 16, вып. З. – С. 321–328.
