Керн является первоисточником информации о геологическом строении недр, условиях осадконакопления и о вещественном составе горных пород. Качественный керн – интегральный показатель, включающий в себя целостность столба керна, представительность – отбор в запланированном объеме и проектном интервале скважины, с сохраненными естественными параметрами. По результатам исследований керновых образцов определяются характеристики и свойства пластовых флюидов продуктивных отложений – данные по проницаемости, пористости, сжимаемости, насыщенности керна газом, нефтью или водой. Искажения при интерпретации данных керновых исследований могут быть следствием влияния воздействия раствора (БР) в процессе отбора керна, а также нарушений технологии его извлечения и условий хранения. В связи необходимостью получения наиболее достоверной информации о геологическом строении при вовлечении в разработку трудноизвлекаемых запасов и поисково-разведочном бурении на новых месторождениях на сегодняшний день существенно возросли требования к качеству кернового материала. Одним из решений этой проблемы является использование качественной керноизолирующей жидкости (КИЖ) [1–5].
Что касается трудности отбора керна по физико-механическим свойствам и буримости горных пород, в настоящее время актуально методическое руководство, разработанное институтом ВНИИБТ [6].
Наибольшие проблемы в выносе максимально требуемых объемов керна и обеспечения сохранности ФЕС возникают при наличии в составе породы набухающих и диспергирующих минералов.
Одним из факторов изменения ФЕС и физико-механических характеристик образцов горной породы на этапе отбора керна является физико-химическое воздействие БР на горную породу.
Традиционно при строительстве разведочных скважин на месторождениях Западной Сибири при отборе керна применяются разновидности полимерглинистых, минерализованных БР с содержанием разнофракционной твердой фазы и (или) утяжелителя. В случае необходимости отбора керна в интервалах, склонных к диспергированию и повышенной гидратационной активности, необходимо применение составов БР, обладающих повышенными ингибирующими и недиспергирующими свойствами, с целью обеспечения целостности отбора и сохранения стабильности стенок скважин на всем протяжении проводки ствола с отбором керна.
Отбор керна из продуктивных интервалов с целью подсчета запасов углеводородов требует особого внимания к предотвращению замещения пластовых флюидов фильтратом бурового раствора. В связи с этим изолированный отбор керна предусматривает наличие специального керноизолирующего агента, заливаемого в керноприемник перед спуском снаряда [1–7].
На начальном пути развития изолированного отбора керна на практике широко применялись водные растворы полимеров различной основы, а в последующем – минеральные углеводородные и растительные масла. Однако, исходя из накопленного опыта, данные типы жидкостей имеют ряд недостатков и специфику применения [1, 2, 4, 5], что предопределяет актуальность поиска более универсальных КИЖ.
Так, например, водные растворы полимеров (производные полисахаридов и акрилатов) обладают недопустимо высокими значениями фильтрации даже по сравнению с БР. Главным недостатком использования таких составов в качестве «керноизолирующего агента» является значительная проникающая способность фильтрата полимера, неизбежно приводящая к необратимой кольматации порового пространства и, как следствие, искажению исходной водонасыщенности и проницаемости кернового материала [1, 4].
В частности, исследования фильтрации «изолирующих агентов» гелевого типа на основе ксантановой смолы на водонасыщенность стандартных керновых образцов показало увеличение содержания воды в образцах по сравнению с созданной водонасыщенностью на всей коллекции образцов (рис. 1) [8]. Такой эффект обуславливается повышенной фильтрацией изолирующего агента на основе ксантановой смолы в керн, а применение такого агента будет способствовать поступлению избыточной воды в образец керна в процессе его отбора и, как следствие, может привести к искажению первичной геологической информативности исследуемого кернового материала.
Минеральные углеводородные масла также оказывают негативное влияние на каменный материал и конечную информативность отобранного керна, что приводит к искажению результатов оценки нефтенасыщенности, геохимических параметров и смачиваемости образцов керна. В условиях повышенных температур и перепадов давления в пластовых условиях углеводородные масла существенно разжижаются и за счет высокой проникающей способности в поровое пространство искажают дальнейшие количественные оценки и параметры по нефтенасыщенности керна [1–5].
Применение специально разработанных керноизолирующих жидкостей (составов), не содержащих углеводородную жидкость, позволяет предотвратить проникновение бурового раствора (фильтрата), сохранить исходную смачиваемость и водонефтенасыщенность породы, получить достоверные результаты керновых исследований. Одним из подобных составов, соответствующих данным требованиям, является керноизолирующий состав семейства КорИзоГель [9], представляющий собой гелеобразную однородную жидкость на неуглеводородной основе. Данная керноизолирующая жидкость применяется в различных горно-геологических условиях более чем 30 лицензионных участков в ЯНАО, ХМАО, Красноярском и Пермском краях, Тюменской, Оренбургской, Иркутской и Сахалинской областях, Поволжье, Северном Кавказе, акватории Каспийского моря и др.
При поступлении керна в керноприемник данный состав образует защитную фильтрационную корку (покрытие), изолируя керн от воздействия фильтрата и бурового раствора, а при транспортировке и хранении обеспечивает сохранность и предотвращает контакт керна с воздухом. Из сравнительных технологических параметров различных изолирующих агентов (таблица 1) следует, что данный состав характеризуется следующими технологическими преимуществами: пониженными фильтрационными характеристиками, формированием на поверхности керна защитного фильтрационного барьера, предотвращением самопроизвольного излива КИЖ после прорыва диафрагмы (эластичной мембраны) в керноприемнике за счет тиксотропности состава, плавным поступлением выбуриваемого керна в керноприемник за счет триботехнических характеристик, высоких структурно-механических и вязкостных (демпфирующих) свойств, способствующих гашению колебательных процессов при отборе керна и минимизации рисков нарушения целостности колонки керна.
В процессе вытеснения керноизолирующей жидкости из керноприемной трубы при поступлении керна часть КИЖ вытесняется и смешивается с циркулирующим в скважине буровым раствором. В связи с этим очень важно, чтобы применяемая керноизолирующая жидкость не ухудшала параметры бурового раствора.
Для оценки фильтрационных свойств керноизолирующих составов в условиях, приближенных к пластовым, показатель фильтрации определялся при высоком давлении и температуре на фильтр-прессе OFITE HPHT (репрессия 3,4 МПа), Т = 70 и 110 °C). Для исследований использовался стандартный керамический диск Fann № 210537 (12 по API, размер пор: 12 микрометров по ртути, 5 микрометров по воздуху). Реологические, физико-химические и триботехнические свойства керноизолирующих жидкостей и буровых растворов определены в соответствии с ГОСТ 33213-2014 (ISO 10414-1:2008), стандарта 13А (ISO 10414-1). Внешний вид керамических дисков после исследования представлен в таблице 2.
Сине-зеленые оттенки в керамическом диске связаны с добавлением порошка метиленовой сини в индустриальное масло для наглядности и цветовой индикации распределения масла по площади и глубине проникновения состава в керамический диск (зеленый оттенок на поперечном срезе фильтрационного диска при 110 °С). Отсутствие окраса диска после фильтрации при 70 °С связано с отсутствуем в составе цветового индикатора глубины проникновения. Объем фильтрата по результатам фильтрационных исследований представлен на рисунке 2.
Из результатов фильтрационных исследований на керамических дисках следует, что все 250 мл индустриального масла профильтровались через керамический диск за 10 и 30 с при температурах 70 и 110 °С соответственно (таблица 1). Происходит это по причине отсутствия какой-либо фильтрационной корки на поверхности диска, а также значительном разжижении масла при повышении температуры (проникающая способность масла в поровое пространство керна кратно возрастает с повышением температуры). При таких условиях не исключен риск замещения углеводородов в керновом материале индустриальным маслом и, как следствие, изменения характера насыщения образцов извлекаемого керна. Также при повышении температуры углеводородные масла значительно теряют свои смазочные свойства [15], что при отборе керна в неконсолидированных, твердых и крепких породах может привести к риску заклинки.
В свою очередь, керноизолирующий состав КорИзоГель формирует тонкую, плотную изоляционную корку, препятствующую проникновению фильтрата БР через модель в условиях перепада давления.
При подборе реологических свойств КИЖ целесообразно иметь необходимые и достаточные показатели реологических и структурно-механических свойств (тиксотропии) керноизолирующей жидкости, с учетом пластовых условий: с одной стороны, необходимо исключить вытекание состава из керноприемной трубы после разрыва диафрагмы (эластичной мембраны) в момент начала отбора керна, с другой стороны – не препятствовать поступлению керна в керноприемник в условиях малых кольцевых зазоров [2].Этим условиям соответствует степенная реологическая модель (рис. 3).
Реологические характеристики керноизолирующих составов (КорИзоГель и индустриальное масло) определялись на вискозиметре OFITE 900. На основе полученных значений были построены кривые течения с учетом температурных факторов (рис. 3).
В связи с высокой вязкостью состава КорИзоГель при 25 °С и техническим ограничением вискозиметра OFITE 900 (максимальный угол закручивания 320 градусов) недостающие значения динамического напряжения сдвига при 300 об/мин (511 с-1) и 600 об/мин (1022 с-1) были получены экстраполированием части кривой.
Анализ результатов исследований показал, что при нагреве с 25 до 49 °С индустриальное масло разжижается на 71 %, при прогреве до 70 °С – на 87 % (в сравнении с базовым значением ДНС при 25 °С). Данные результаты указывают на возможность интенсивной фильтрации в керн индустриального масла в скважинных условиях.
Значительное влияние повышения температуры на разжижение индустриального масла объясняется сравнительно большим увеличением кинетической энергии молекул при нагревании [8].
Расчет скорости теплового движения молекул вычисляется по следующей формуле:
где Т – температура, °С; m0 – масса молекулы, кг; k – постоянная Больцмана, Дж/К.
Из данной формулы получим следующую закономерность (рис. 4).
На основе формулы (1) и рисунка 4 получим, что степень разжижения жидкости на углеводородной основе сильнее в сравнении с жидкостью на неуглеводородной основе ( )
Характер полученных реологических профилей течения керноизолирующих жидкостей показывает, что для описания течения целесообразно использование модели Оствальда – де Ваале (влияние начального напряжения сдвига на характер течения кривой минимально или отсутствует, кривые можно описать по степенному закону – подтверждается экстраполированной пунктирной кривой на рисунке 3):
где
– касательное напряжение сдвига, дПа; ƴ – скорость деформации, вызванная касательным напряжением, с-1; К – показатель консистенции; n – показатель псевдопластичности (величины отклонения от неньютоновского поведения).
Зависимости эффективной вязкости керноизолирующих жидкостей от напряжения сдвига при различных температурах представлены на рисунке 5.
Анализ характера изменения кривой показывает, что эффективная вязкость КорИзоГель снижается с увеличением скорости деформации (сдвига), а значит показатель псевдопластичности (n), описывающей поведение движущейся жидкости, меньше 1 (n < 1). Эффективная вязкость индустриального масла в явном виде снижается с увеличением скорости деформации (сдвига) только при низких скоростях деформации от 5 до 34 с-1, затем происходит выполаживание кривой до уровня условно постоянного значения эффективной вязкости при возрастающей скорости деформации. Данные результаты свидетельствуют, что показатель нелинейности индустриального масла при низких скоростях сдвига меньше 1 (n < 1), а при последующем росте скорости деформации стремится к 1 (n ≈ 1), т.е. реологическое поведение углеводородных масел характеризуется моделью ньютоновской жидкости.
На основе полученных результатов фильтрационных исследований при создании перепада давления в 0,7 и 3,4 МПа и значительном разжижении в условиях высоких температур (49 и 70 °С) можно предположить, что проникающая способность индустриального масла в керн в процессе его отбора будет значительной, что может приводить к последующему искажению при интерпретации данных керновых исследований. В случае использования КорИзоГель данный риск минимизируется по причине минимальной величины или отсутствия фильтрации состава в скважинных условиях.
Одним из важных реологических явлений, требующих упоминания, является тиксотропия керноизолирующих жидкостей. В общем смысле тиксотропия – это способность вещества изменяться от состояния высоковязкого геля до золя с гораздо более низкой вязкостью в результате приложения сдвигового напряжения [8, 11]. Особенно важна обратимость процесса возрастания вязкости вещества в период покоя.
При нанесении слоя жидкости на вертикальный образец керна обратное быстрое загустевание и увеличение вязкости жидкости в состоянии покоя будет способствовать предотвращению ее стекания с образца керна и излива из керноприемника [9].
Измерение скорости восстановления тиксотропной структуры часто имеет более важное значение с технологической точки зрения, нежели измерение скорости и степени ее разрушения, ведь именно скорость восстановления является ключевым критерием в случаях оценки стекания жидкости по поверхности и зазорам [10].
В практике исследований вязко- и псевдопластичных жидкостей величину показателя тиксотропии можно косвенно выразить через отношение статического напряжения сдвига за 1 минуту и 10 минут:
Как видно из результатов в таблице 3, величина тиксотропии индустриального масла равна 0. При этом керноизолирующий состав КорИзоГель обладает достаточно высоким значением тискотропии (от 1,66 до 1,69). Можно сделать вывод, что процессе отбора керна в керноотборный снаряд и при последующих спуско-подъемных операциях (СПО) не будет происходить утечки керноизолирующего состава с поверхности образца керна и керноизолирующего снаряда, а значит, керновый материал будет защищен от нежелательного воздействия БР.
При отборе керна в интервалах, породы которых содержат гидратируемые глиносодержащие минералы, керноизолирующие составы должны обладать повышенными ингибирующими свойствами с целью предотвращения изменения физико-механических свойств керна. Ингибирующая способность буровых растворов и составов, предназначенных для отбора керна, оценивается по увеличению высоты глинистого образца в среде испытуемой жидкости на тестере линейного набухания LSM 2000. Для испытаний применялся глинистый керн Покачевской свиты со скважины Ватьеганского месторождения с интервала 2316–2334 м, являвшегося неустойчивой покрышкой пласта БВ1, минералогический состав которого представлен на рисунке 6.
Из результатов исследований, полученных на тестере линейного набухания (рис. 7) следует, что керноизолирующий состав обладает высокой ингибирующей способностью (линейное увеличение высоты образца через 24 ч наблюдения составило 9,5 %), тогда как в базовых буровых растворах (на водной основе) данный показатель составляет 16–27 % с выходом на стабилизацию кинетики разбухания через 10 ч.
В связи c бурением в Западной Сибири поисковых скважин преимущественно в условиях автономных проектов и необходимости обеспечения сохранности керна как носителя информации в течение длительного времени, исследования керноизолирующего состава проводились в течение одного года. Результаты подтверждают стабильность технологических свойств керноизолирующего состава семейства КорИзоГель в течение 12 месяцев наблюдения (рис. 8).
Таким образом, результаты исследований на стабильность и седиментационную устойчивость подтверждают, что состав КорИзоГель устойчив в течение всего периода наблюдения (один год). Фильтрационные параметры состава стабильны, а водоотделение в процессе его технологического отстоя отсутствует. С учетом полученных результатов выполнена промысловая апробация керноизолирующей жидкости КорИзоГель при бурении формиатным утяжеленным буровым растворов плотностью 1740 кг/м3 [12, 13] поисковой скважины севера Западной Сибири. Отбор керна осуществлялся из Ачимовских отложений в интервале (по вертикали) 4068–4086 м при температуре разреза 100–110 ºС. Вынос изолированного керна составил 100 %.
