Керн (проба)

В большинстве случаев керн отбирают путём колонкового бурения с помощью специального устройства называемого керновым снарядом.

Твёрдость отбираемых веществ может варьироваться от почти жидких до самых прочных материалов, встречающихся в природе или промышленности, а глубина отбора может варьироваться от поверхности до более чем 10 км вглубь. Наиболее глубокий отбор выполняют в сверхглубоких скважинах, которые бурятся с целью изучения строения земли.

Столбик керна может иметь диаметр от нескольких миллиметров (керн отбираемый из дерева, для дендрохронологии) до более чем 150 миллиметров в диаметре (как правило для нефтяных и газовых скважин). Длина интервала отбора может варьироваться от менее метра (опять же, для дерева, для дендрохронологии) и до 200 метров за один отбор.

Извлечённый на поверхность керн изучается в лабораториях, различными методами и в поставленной научно-технической задачи. Существует много разновидностей устройств для отбора керна из различных типов веществ при разных условиях. Регулярно появляются новые виды.

Наиболее распространённые способы отбора керна:

• Гравитационный. В данном способе пробоотборник врезается в отбираемое вещество под собственной тяжестью. Такой метод, обычно, применяют для исследования осадков на дне водоёмов и мягких грунтов на поверхности. Сила проникновения, если она фиксируется, даёт дополнительную информацию о прочности материала на разных глубинах. Этот метод распространён как при изысканиях под объекты гражданского строительства (где предполагается забивание свай), так и в геологических исследованиях подводных месторождений. Относительно низкая прочность материала пробоотборника обуславливает небольшую длину колонки керна.
• Вибрационный. Разновидность гравитационного способа при котором керноотборник вибрирует для проникновения в тиксотропные среды. При данном способе также, физическая прочность материала керноотборника ограничивает длину колонки керна, которую возможно отобрать.
• Вращательное колонковое бурение. В данном способе котором вращающийся кольцевой режущий инструмент (долото или коронка), соединённый с керноприёмником, прижимается к разбуриваемому материалу, чтобы вырезать из него цилиндр. В процессе отбора керн в более или менее сохранённом состоянии переходит в керноприёмник керноотборного снаряда. Как правило, необходимо использование бурового раствора и механизма для отрыва и удержания отобранного керна в инструменте при подъёме на поверхность. В зависимости от поставленной научно-технической задачи, минерального состава и прочности отбираемого материала в керновых снарядах применяются различные меры для защиты отобранного керна от контакта с буровым раствором и обеспечения сохранности керна при подъёме. Наиболее популярными мерами является использование низкопроникающих растворов (на углеводородной основе), применение технологий изолированного отбора (когда столбик керна сразу после выбуривания попадает в приёмник с изолирующим агентом, использование герметичных керноприёмников. Также в ряде случаев важным является фиксация ориентации керна в пространстве (отбор ориентированного керна). Механическое воздействие при отборе, на колонку керна, часто приводит к разрушению и потере наиболее хрупких интервалов, что может значительно усложнить изучение керна и привести к потере важной информации.

• Отбор из стенки скважины стреляющими керноотборниками. Для отбора используются прочные цилиндрические гильзы, которые при выстреле врезаются в стенку скважины. При выдёргивании из стенки, гильза выносит с собой небольшой образец керна. Как правило, такие образцы сильно разрушаются, что делает измерения пористости и проницаемости низкодостоверными, но часто достаточными для литологического и микропалеонтологического изучения. За один отбор может быть отобрано несколько образцов. Как правило, стреляющий керноотборник имеет 20 — 30 зарядов. При этом несколько керноотборников могут быть соединены объединить в одну сборку. Успешность отбора зависит от особенностей конструкции заряда, глубины проникновения в стенку скважины, удерживающей системы, извлекающей гильзу из стенки скважины, и образца, удерживаемого в гильзе. Зачастую успешность отбора составляет около 50 %. Это важное обстоятельство необходимо учитывать при планировании комплекса исследований.
• Отбор из стенки скважины сверлящими керноотборниками. При данном способе отбор происходит автоматическим керноотборником, который с помощью миниатюрной алмазной коронки, высверливает из стенки скважины образец аналогичный по размеру образцу получаемому при стреляющем отборе. Но образцы, отобранные путём сверления, как правило, менее повреждены, чем образы отобранные стреляющими керноотборниками. Однако процесс отбора керна в данном случае занимает существенно больше времени. Также нередко возникают застревания, коронок в породе из-за чего происходит потеря образцов.

В большинстве случаев отбор керна для геологических нужд производится при бурении породы полой стальной трубой, которая называется колонковой, а само бурение с отбором керна — колонковым. Внутри колонковой трубы находится керноприёмник (пробоотборник). Керноприемник состоит в основном из головки, керноприёмной трубы и кернорвателя. Керноприёмники разнообразны, так как приходится отбирать керн различных пород в различных условиях. Разбуривание породы при отборе керна происходит по кольцу и керноприёмник как бы наползает на образующийся внутри кольца столбик породы. Образцы керна забираются в трубу в относительно неповреждённом состоянии. Разрушенная порода (шлам), не попавшая в керноприёмник, выносится на поверхность промывочной жидкостью или сжатым воздухом (газом), нагнетаемым в скважину буровым насосом или компрессором. Керн заклинивают, отрывают от забоя и поднимают на поверхность. После изъятия керна из трубы, он раскладывается в керновые ящики в строгой последовательности нахождения его в геологическом разрезе скважины. Весь поднятый керн детально описывается и передаётся на хранение в кернохранилище. В дальнейшем керн исследуется и анализируется (химический, спектральный, петрографический и другие анализы) в лаборатории с помощью различных методов и на различном оборудовании, в зависимости от того, какие данные должны быть получены. Обычно при анализе используется небольшая часть керна. По истечении определённого времени согласно руководящим документам часть керна, не имеющая существенного значения, сокращается (ликвидируется)[1].

В последние годы керн при бурении для лучшей сохранности отбирается (попадает) в стеклопластиковые трубы (контейнеры). После извлечения из бурового инструмента эти трубы (контейнеры), заполненные керном, для удобства режутся на отрезки, обычно метровой длины. На отрезки стеклопластиковых труб с керном с торцов для лучшей изоляции и предотвращения высыпания надеваются крышки. Для детальных исследований эти отрезки в свою очередь разрезаются вместе с керном пополам вдоль оси, как представлено на фотографии. Выход керна определяют в процентах к пробурённому метражу.

Керн, чаще всего, отбирают соосно оси скважины. Однако существуют методы бокового отбора керна из стенок уже пробурённых скважин также возможно взять образцы керна со стенки существующей скважины.

Обычно, при геологоразведочном бурении отбирают интервалы от 15 до 54 метров. При этом несколько интервалов могут идти подряд, если керн отбирается для получения общего представления о строении, что предполагает наличие большого интервала интереса.

Несмотря на то, что колонки керна зачастую весьма стабильны и хорошо сохраняют свои свойства, они всегда в некоторой степени деградируют в процессе отбора, подъёма на поверхность, транспортировки, первичной подготовки и изучения. В связи с этим неразрушающие методы исследования керна становятся всё более распространёнными. Например сканирование методами рентгеновской и магнитно-резонансной томографии позволяет без разрушения породы получить первые представления о минералогии, текстуре, структуре, поровых флюидах. Приблизительно оценить пористость и и проницаемость. Но ценность такого дорогого исследования, нередко, теряется если его проводить на сотрясённом керне, который транспортировался в обычных ящиках по грунтовой дороге. Игнорирование технического состояния керна является серьёзной проблемой в современной геологической науке.

В последнее время всё больше специалистов признают важность правильного выбора технологии отбора керна и всё больше внимания уделяют предотвращению его повреждения на различных этапах транспортировки и анализа. Классический способ сохранения керна – заморозка в жидком азоте, который является весьма дешёвым агентом. В некоторых случаях используются специальные полимеры для сохранения и амортизации колонки при транспортировке.

Также если отобранный керн не имеет точной привязки к объекту, из которого он был отобран, то он теряет большую часть своей ценности. Определение траектории ствола скважины, а также положение и ориентация керна в стволе скважины имеют решающее значение. Даже если керн отбирается из в ствола дерева (для целей дендрохронологии) то в него всегда стараются включить поверхность коры , чтобы Дата последнего годового кольца дерева могла быть однозначно определена.

Если данные по привязке образцов керна отсутствуют, то восстановить их обычно невозможно. Стоимость операции по отбору керна может варьируется от нескольких тысяч рублей (для добытого вручную керна из мягкого поверхностного грунта) до десятков миллионов (для кернов из боковой стенки глубоководной морской скважины). Некорректная привязка образцов существенно обесценивает керн в любом случае.

База данных образцов керна

В каждой отрасли существуют свои стандарты привязки керна. Например, в нефтяной промышленности ориентация колонки обычно записывается путём маркировки двумя продольными цветными полосами. Красная полоса наносится справа, когда керн извлекается на поверхность. Керны рудных разведочных скважин, могут иметь свои собственные условные обозначения. Гражданское строительство и почвоведение имеют свои системы маркировки кернов.

Хранение керна представляет собой весьма сложный технологический процесс, требующий соблюдения специальных условий для обеспечения сохранности его свойств и состава. В зависимости от особенностей материала представленного в керне хранение может осуществляться при:

-В условиях окружающей среды (временное хранение до доставки в кернохранилище)

- постоянной отрицательной температуре (керн криологических и инженерно-геологических скважин);

- постоянной положительной температуре и с контролем влажности;

- В специальной таре, сохраняющей естественную влажность (насыщение) керна.

Этикетка коробки в которой хранится фрагмент керна

В нефтегазовой геологии становится всё более распространённым временное хранение и транспортировка керна в трубах, которые получаются при распиливании керноприёмника вместе с керном на фрагменты стандартной длинны (5 м, 1 м, 3 фута). При этом на каждой секции делаются специальные отметки, чтобы затем в лаборатории можно было правильно воспроизвести последовательность укладки фрагментов. Иногда колонка керна ​​доставляется с поля в лабораторию в целом виде. В этом случае её длина равняется выносу керна в конкретном интервале отбора.

Имеют место случаи неправильной сборки керна в лаборатории. Могут быть перевёрнуты фрагменты или перепутана их последовательность. Это существенно усложняет интерпретацию керновых данных. Восстановить правильную укладку керна  и определить точную глубину отбора можно выполнив измерения одних и тех же физических свойств на керне (по всей длине керна) и в скважине (по всей длине интервала отбора).  При этом необходимо выбирать такие свойства, которые наиболее хорошо сохраняются в породе при подъёме её на поверхность и вместе с тем сильно изменяются по глубине формируя неповторимый «отпечаток» для каждого интервала. Как правило такими свойствами являются гамма- активность и плотность.

Но, даже если последовательность удалось восстановить, необходимо сохранять всю историю операций с керном, т.к. нет гарантий, что восстановление было правильным.  Запись о наличии расхождений, по любой причине, сохраняет возможность исправления неправильного восстановления на более позднем этапе. Уничтожение «неправильных» данных о последовательности фрагментов делает невозможным исправление ошибки в будущем. Поэтому любая система для хранения керновых данных должна иметь возможность хранения нескольких вариантов привязки фрагментов керна к разрезу, включая исходный.

При привязке керна к глубине изначально керну присваивается глубина, отмеренная по бурильным трубам (привязка по ГТИ). После сопоставления керновых данных с ГИС, керну, как правило, присваивается глубина соответствующая аналогичному участку на кривой скважинного гамма-каротажа (привязка по ГИС).  Отсчёт глубин в скважине, как правило, выполняется от стола ротора буровой установки. Для кернов, отобранных с морского дна, часто глубину определяют в единицах cmbsf (сантиметров ниже морского дна).

Если керн, отобранный из скважины достоверно отражает её разрез, то обычной практикой является создание эталонных коллекций для возможности сохранения и восстановления последовательности слоёв в процессе изучения. Для этого с колонки керна делается продольный срез по всей длине. Толщина срезанной части составляет 1/2 - 1/3 диаметра керна (в зависти от его хрупкости). Срезанная часть укладывается в отдельные коробки и фиксируется с помощью компаунда для исключения возможности смещения и перемешивания фрагментов.

Создание эталонной коллекции выполняется на первых стадиях лабораторной обработки керна. Это необходимо, чтобы её можно было сохранить и использовать для восстановления последовательности основной части керна в случае, если фрагменты последней были утеряны, уничтожены или перепутаны в процессе исследования.  

В ряде стран и регионов компании-недропользователи в обязательном порядке передают эталонные коллекции на хранение в государственные кернохранилища. Поэтому ряд компаний с каждой колонки керна делает две эталонных коллекции (для себя и для государства).

Эталонные коллекции наиболее подходят для выполнения седиментологических исследований. На основной части керна, которая остаётся после среза, выполняется отбор образцов и большинство исследований. Ровная поверхность, остающаяся после среза, предпочтительна для измерения проницаемости профильным методом и фотографирования. Зачастую фотографирование поверхности среза в белом и ультрафиолетовом свете позволяет увидеть глубину проникновения фильтрата бурового раствора в керн и установить его естественное насыщение.

В кернохранилище
ООО «ТюменНИИгипрогаз»

Отбор керна с научной целью начался как метод исследования океанического дна. Вскоре метод был освоен для исследования озёр, ледников, почвы и древесины. Керны, взятые с очень старых деревьев, дают информацию об их годичных кольцах, при этом не требуется спиливать дерево.

По керну можно судить об изменении климата, геодинамической обстановке, видах фауны и флоры, существовавших в определённую геологическую эпоху, а также об осадочном строении земной коры. Динамические явления на поверхности Земли в большинстве областей цикличны, особенно это касается температуры и выпадения осадков.

Существует много способов датировки керна. После датировки можно получить ценную информацию об изменении климата и ландшафта. Например, образцы керна, взятые со дна океана, из недр земли и ледников полностью изменили наше понимание геологической истории плейстоцена.

• Борисов А.Г. Комплекс петрофизических исследований керна для газовых месторождений Западной Сибири (рус.) // Вестник ОГУ. — 2011. — Декабрь (№ 16(135)). — С. 26—29.
• Р Газпром 065-2009 (неопр.). zinref.ru. Дата обращения: 2 мая 2020.
• Положение по исследованию керна

• Исследования керна