Анализ современного состояния технологий и техники отбора керновых проб из гидратосодержащих пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© B.K. Чистяков, H.A. Вишневский, 2013

УДК 622.24

B.K. Чистяков, Н.А. Вишневский

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИКИ ОТБОРА КЕРНОВЫХ ПРОБ ИЗ ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД

Создание способа и устройства для повышения качества керна из гидратосодер-жаших пород, требует обобщение и анализа теоретических, экспериментальных и практических данных о способах, технологиях и технических средствах отбора керна из гидратосодержаших пород.

Ключевые слова: газовые гидраты, отбор керна, колонковый снаряд.

Ограниченность и невоспол-нимость ресурсов свободного природного газа, растущий спрос на этот энергоноситель заставили в конце XX века обратить самое серьезное внимание на значительные потенциальные ресурсы природного газа, заключенные в нетрадиционных источниках. К ним относятся метан угленосных толщ, водорастворенные газы подземной гидросферы и природные газовые гидраты[1].

Газовые гидраты являются единственным еще не разрабатываемым источником природного газа на Земле, который может составить реальную конкуренцию месторождениям традиционного природного газа в силу огромных ресурсов, широкого распространения, неглубокого залегания и концентрированного состояния газа.

Газовые гидраты — твердые кристаллические соединения, в которых молекулы низкомолекулярного гидрофобного газа удерживаются внутри каркаса из водородно-связанных молекул воды без формирования химической связи между собой, образуя, так называемые, клатратные соединения или соединения включения. Геологические и термобарические условия обра-

зования и стабильного существования газовых гидратов предполагают возможность их природных скоплений:

— в придонных отложениях шельфа и морского дна на глубинах более 200 м;

— в донных отложениях пресноводных озер на глубинах более 300 м;

— в континентальных отложениях полярных регионов и районах распространения многолетнемерзлых пород на глубинах до 1000—1200 м.

Исследованиями последних лет выявлены за рубежом и в нашей стране целый ряд концентрированных скоплений газогидратов в осадочных толщах, однако обычные геофизические и другие косвенные методы поиска и разведки их предполагаемых месторождений пока далеко не всегда однозначно указывают даже на возможность присутствия там самих газогид-ратных включений [1]. Поэтому с целью получения достоверной информации о качественных и количественных характеристиках газогидратных толщ необходимо использовать прямые методы их исследования, основанные на бурении скважин с полным отбором керна с ненарушенным составом и структурно-текстурными особенностями строения и проведения в них ком-

плекса геофизических, геохимических и других методов изучения окружающего массива горных пород.

Анализ используемых для этих целей стандартных технологий и технических средств колонкового бурения, применяемых при поисках и разведке месторождений как жидких, так и газообразных углеводородов, показал их недостаточную эффективность, связанную, прежде всего, с изменениями термобарических условий стабильного агрегатного состояния газогидратных включений в процессе керноотбора.

Нарушение достаточно узкой границы термобарической устойчивости газогидратов как в процессе выбуривания керна в зоне забоя скважины, так и при подъеме его из скважины и отборе проб на поверхности для проведения дальнейших исследований, вызывает их диссоциацию и разложение на свободный газ и воду. Это приводит к частичной или полной их потере в керне, разрушению последнего с утратой исходных структурно-текстурных и фи-зиико-механических характеристик.

Проблема сохранения газогидрат-ных включений в керне в процессе его выбуривания эффективно решается путем выбора специальной гид-ратофобной или близкой к этому качеству промывочной среды, методам регулирования ее температуры и плотности в пределах, обеспечивающих агрегатную стабильность гидратов в зоне забоя скважины.

Подъем керна из скважины, отбор из него пробы для проведения исследований или для транспортировки с этой целью происходит в условиях резкого снижения давления до атмосферного подготовка и изменения температуры, что вызывает резкое увеличение скорости разложения (диссоциации) гидратов. Общие потери газогидратов

в керне и степень нарушения его естественного состава, строения и свойств будет определяться временем его нахождения в неравновесных условиях. Поэтому наиболее эффективными в этих условиях оказались серийные колонковые снаряды со съемными керно-приемниками (ССК), а также специальные конструкции ССК с герметичными керноприемниками [1].

В настоящие время устройства для отбора керна из гидратосодержащих пород можно разделить на три большие группы [3, 4, 5]:

— устройства, использовавшиеся для отбора керна из морских скоплений газовых гидратов ( гравитационные пробоотборники, гидравлические поршневые пробоотборники, Motor Driven Core Barrel, Extended Core Barrel, специальные устройства Hydrate Autoclave Coring Equipment Rotary Corer, вдавливаемый пробоотборник фирмы Фугро — Fugro Pressure Corer и др.);

— устройства, для отбора керна из континентальных скоплений газогидратов (Reed Hycalog Corion Coring System, Corion Diamond Wireline System, целый ряд снарядов конструкции «ВНИИБТ», комплекс КССК -76(95), термогидратоотборный, разрабатываемый в КНР и др.);

— устройства, которые возможно использовать в условиях как морского, так и континентального бурения (Pressure Core Barrel, Pressure Core Sampler, Temperature Coring System и др.).

Основные характеристики и условия применения технических средств для отбора керна из гидратосодер-жащих толщ приведены в табл. 1

Учитывая сложность конструкции снарядов с герметичными кернопри-емными устройствами типа Pressure Core Barrel, Pressure Core Sampler, и др.,

со Таблица 1 ю

Технические характеристики колонковых снарядов для отбора керна из гидратосодержаших пород

Устройство для Область Условия бурения Конструкция керно- Диаметр Диаметр Длина Макс, глу- Примечание

отбора керна примене- приемника скважины, керна, керно- бина ис-

ния мм мм прием-ной трубы, мм пользования, м

Пробоотборник Морское Мягкие донные Сбрасываемый, 132 100 3000 100 Вес наборного

ТГ1-80 бурение осадки трубчатый, груза: 50-150 кг

Пробоотборник Глинистые грунты гравитационный 132 120 3000 50 — Вес наборного

ТГЗ-120 текучие и пластичные; пески средние и мелкие, средней плотности 350 груза: 290-1400 га-

Calypso Piston Пески пылеватые 132 100 6450 500 Вес наборного

Corer и мелкие, глинистые грунты груза: 12000 га-

Пробоотборник Глинистые грунты Ударного действия 150 137 6000 100 Утяжелитель 75-

ПУВБ-150 от текучих до твердых; пески средние средней плотности, мелкие плотные 225 ет

Advanced Piston Мягкие породы Гидравлический 217 62 9500 300 м Опережающее за-

Corer (АРС) поршневой съемный ниже морского дна бой внедрение до 9500 м; Гидравлическое давление до 15 МПа

Extended Core От мягких до Выдвижной съем- 217 60 9500 400-700 Выдвижение до

Barrel пород средней ный м ниже 0,35 м. Вооруже-

(XCB) твердости морского дна ние — коронка РОС

HYACE Rotary Твердые поро- Выдвижной с неза- 241,3 50 1000 2500 Максимальное со-

Corer (HRC) ды висимым приводом и секцией автоклава храняемое давление 22,51 МПа

Fugro Pressure Мягкие породы Съемный, забив-

Corer (FPC) ной с шаровым

клапаном

«Структура» Нелитифици- Гидравлический

рованные дон- поршневой

ные отложения съемный

Pressure Core Морское От мягких до Съемный с

Sampler и конти- пород средней шаровым клапаном

(PCS) нент. твердости

Pressure- бурение

Temperature

Coring System

(PTCS)

Pressure Core

Barrel (PCB)

Reed Hycalog Конти- Твердые поро- Съемный

Corion Coring нент. ды, в зависимо-

System бурение сти от исполь-

Corion зуемого ПРИ

Diamond Wireline

System

KCCK-76 (95) Неустойчивые Съемный выдвиж-

угли и породы с ной СКН-48

аналогическими

свойствами и с

пропластками

твердых пород

Угольные тол- Съемный выдвиж-

щи газонасы- ной СКГН-48

щеные

241,3 57 1000 2500 Максимальное сохраняемое давление 22,51 МПа

212,7 57 2000 Гидравлическое давление до 10 МПа

241,3 43,2 1000 6500 Максимальное сохраняемое давление 68,95 МПа

270 50 3000 2400 Контроль температуры керна; Максимальное давление 24,13 МПа

241,3 58 1800 3500 Максимальное сохраняемое давление 35 МПа

212,7 212,7 76 76 8000 1000 Различные глубины при любых реальных температурах Наличие алюминевой керноприемной трубы Широко использовался в районе дельты реки Маккензи

76 (95) 33 1000 1000 Отбор керновой и газовой проб методом задавливания опережающего штампа

76 (95) 33 1595 Отбор керновой и газовой проб методом штампования

Окончание табл. 1

Устройство для Область Условия бурения Конструкция керно- Диаметр Диаметр Длина Макс, глу- Примечание

отбора керна примене- приемника скважины, керна, керно- бина ис-

ния мм мм прием- пользова-

ной тру- ния, м

бы, мм

BHI CoreDrill Широкий диа- Невращающийся 139,7 43,2 3480 Различ- Максимальное

System пазон горно- стандартный кер- ные глу- сохраняемое

технических ус- ноприемник с кер- бины давление 68,94

ловий от мягких норвательной при лю- МПа

«Недра» неконсолиди- компановкой 158,7 67 13719 бых ре- Не осложненные

рованных до 187,3- 80 14300 альных условия бурения

крепких и аб- 212,7 100 14835 темпера-

разивных 269,9- турах

311,1

«Силур» 139,7 52 6625 Осложненные

осыпями и обвала-

ми

«Кембрий» 139,7 67 12000 Рыхлые, слабосце-

187,3- 80 14315 ментированные и

212,7 трещиноватые

породы

«Тенгиз» 212,7- 100 14200 Осложненные

215,9 нефтегазопрояле-

ниями и поглоще-

ниями промывоч-

ной жидкости

«Маг» Твердые, кон- 212,7- 60 20000 Устройство со

солидирован- 215,9 складированием

ные, абразив- 269,9- керна

ные породы 311,1

The hole bottom Породы сред- Двойной колонко- 112 63 1000 - Для охлаждения

freezing core ней твердости с вый снаряд с не- керна используется

sampler for gas пропластками съемным керно- сухой лед и этанол

hydrates твердых пород приемником

различной аб-

разивности

повышенные затраты времени и средств на извлечение и обработку доставляемого ими на поверхность керна, перспективным, по нашему мнению, являются исследования и разработка способов, технологий и технических средств отбора качественных керновых проб из гидратосо-держащих толщ, использующих температурный фактор для снижения

скорости диссоциации газогидратных включений вплоть до полной их консервации в условиях охлаждения до определенных отрицательных температур [2, 4].

С этой целью в последние годы в нашей стране и за рубежом были предприняты попытки разработки специальных термогидратоотборных колонковых снарядов [3, 6].

1. Истомин В. А., Якушев В. А. Исследование газовых гидратов в России. Газовая пром-сть. 2001. N 6. - С. 49 - 53.

2. Истомин В. А., Якушев В. А., Квон В.Г., Чувилин Е.М. Эффект самоконсервации газовых гидратов //Газовые гидраты (спец. выпуск). Прил. К журналу «Газовая промышленность», 2006. — С. 36—46.

3. Чистяков В.К., Маляренко Е.В. Вишневский Н.А. Способ получения керна из гидратосодержащих пород и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2369719 Бюл. № 28 от 04. 05. 2008 г

3. Jon Burger, Deepak Gupta, Patrick Jacobs. Overview on hydrate coring, handling

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

and analysis. Final report. United States Department of energy, august 2006, 126 p.

4. Keith A. Kvenvolden. Pressure core barrel. Application to the study of gas hydrates, U.S. Geological survey. (http:www.deepseadrilling/ org/76/volume/dsdp76_07.pdf)

5. Gou W., Sun Y., Chistyakov V.K., Zupei Z., Chen C. The technology of sampling for gas hydrates by hole bottom freezing, Zeszyty naukowe politechniki slaskiej, Gonicnwo z.285, Gliwice 2009, - pp. 75-82.

6. Sun Y., Chistyakov V.K., Gou W., Chen C. Sampler for gas hydrates by freezing hole bottom, Patent USA. Pub. No.: US 2009/0229382 Al, 17.10.2009. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Чистяков Валерий Константинович - доктор технических наук, профессор кафедры бурения скважин; tch-vk@mail.ru

Вишневский Николай Александрович — аспирант 3-года обучения кафедры бурения сва-жин; ligovoranger@mail.ru

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», post@spmi.ru

^___