Лабораторный анализ керна

Кратко о главном

Керн — прямое, но точечное измерение: образец объёмом в десятки кубических сантиметров представляет пласт только вместе с сотнями других образцов и с каротажем.
Путь керна: отбор → консервация → сканирование и привязка по глубине → распиловка и выбуривание образцов → очистка и сушка → измерения. Ошибку любого шага последующие не исправят.
Стандартный анализ (RCA) — пористость, проницаемость, плотность зёрен и насыщенность на образцах через каждые 25–30 см; он даёт профиль свойств по разрезу. Специальный анализ (SCAL) — капиллярное давление, относительные проницаемости, смачиваемость, электрические и механические свойства на немногих тщательно выбранных образцах.
Состояние керна выбирают под задачу: для пористости и абсолютной проницаемости образец очищают и сушат; для смачиваемости и относительных проницаемостей нужен керн в естественном состоянии или с восстановленной смачиваемостью.
Лабораторные условия — не пластовые: нет горного давления, другой флюид, сухие глины. Стандартная газовая проницаемость завышена, и её приводят к пластовым условиям поправками.
Керн, каротаж и испытания измеряют разные объёмы породы. Сравнивать их можно только после привязки по глубине, приведения к одним условиям и правильного осреднения.

Ключевые соотношения

\text{вынос керна} = \dfrac{L_{\text{поднято}}}{L_{\text{пробурено}}}\cdot 100\,\%

доля отобранного интервала, представленная керном

z_{\text{каротаж}} = z_{\text{керн}} + \Delta z

привязка керна по глубине; сдвиг $\Delta z$ находят по гамма-активности

P_s = \dfrac{200\,C_v}{\sqrt{N_s}}\ \%

точность среднего по $N_s$ образцам при коэффициенте вариации $C_v$ (доверительная вероятность 95 %)

Где чаще всего ошибаются

Сравнивать газовую проницаемость керна, измеренную без обжима, напрямую с результатом испытания скважины.
Измерять относительные проницаемости на очищенном керне, не восстановив смачиваемость.
Сушить глинистые образцы в обычной печи: структура глин разрушается, пористость и проницаемость завышаются.
Считать среднее по образцам средним по пласту, не проверив, откуда образцы взяты и сколько керна потеряно.
Сопоставлять керн с каротажем без сдвига по глубине.

После урока вы сможете

описать путь керна от отбора до лабораторного отчёта и сказать, на каком шаге какие свойства можно исказить;
различать свежий, законсервированный, очищенный керн и керн с восстановленной смачиваемостью и выбирать состояние керна под задачу;
перечислить, что входит в стандартный и в специальный анализ керна и для чего нужны эти данные;
объяснить, зачем керн сканируют и как его привязывают по глубине к каротажу;
назвать отличия лабораторных условий от пластовых и привести керновые значения к пластовым;
сопоставлять данные керна с каротажем и испытаниями скважин с учётом масштаба измерения.

Что даёт керн и чего он дать не может

Керн (core) — столбик породы, вырезанный из пласта при бурении и поднятый на поверхность. Только на керне породу пласта можно рассмотреть целиком и измерить её свойства напрямую: шлам — мелкие обломки, вынесенные буровым раствором, — даёт лишь состав породы и приблизительную глубину. Каротаж, сейсморазведка и испытания скважин измеряют не сами свойства породы, а её отклик на электрический ток, излучение, звук или отбор флюида. Как пересчитать этот отклик в свойства, устанавливают по керну.

Описание породы: литология, слоистость, трещины, следы жизнедеятельности организмов — основа представлений об условиях осадконакопления и геологической модели.
Стандартные свойства: пористость, проницаемость, плотность зёрен и насыщенность через каждые 25–30 см разреза.
Специальные свойства: капиллярное давление, относительные проницаемости, смачиваемость, электрические, акустические и механические характеристики — на небольшом числе образцов.
Строение пор и состав: шлифы, электронная микроскопия, рентгеновский анализ минералов, размеры зёрен.
Калибровка каротажа: связи «показание прибора — свойство породы» и «пористость — проницаемость».

У керна три ограничения. Он мал: образец объёмом в десятки кубических сантиметров ничего не говорит о трещинах и неоднородностях метрового масштаба. Он изменён: при бурении в него проникает фильтрат раствора, при подъёме падают давление и температура, порода разгружается. И он редок: керн отбирают в немногих скважинах и не по всему разрезу, потому что это дорого и замедляет бурение. Поэтому керновые данные используют вместе с каротажем и испытаниями, а не вместо них.

СхемаПуть керна от скважины до результатов: отбор и консервация, сканирование, распиловка и выбуривание образцов, измерения. Стандартный анализ проходят все образцы, специальный — немногие отобранные (схема, не в масштабе).

Как отбирают керн

При обычном бурении долото разрушает породу по всему забою. Чтобы получить керн, долото заменяют бурильной головкой (core bit) с отверстием в центре: она выбуривает кольцо, а нетронутый столбик породы входит в керноприёмную трубу внутри керноотборного снаряда (core barrel). Диаметр керна обычно от 67 до 133 мм, чаще всего около 100 мм (4 дюйма); за один рейс отбирают 9, 18 или 27 м (30, 60 или 90 футов). На поверхности керн извлекают — нередко прямо во вкладыше из алюминия или стеклопластика, — размечают глубины и направление «верх — низ» и режут на метровые отрезки.

Вынос керна (core recovery) — отношение длины поднятого керна к длине пробуренного интервала. В прочных сцементированных породах он близок к 100 %. Слабосцементированные и трещиноватые породы разрушаются и вымываются, а рыхлый песок без специального снаряда на поверхности просто рассыпается. Теряются чаще всего самые слабые породы — нередко самые пористые и проницаемые, — поэтому при низком выносе оставшийся керн показывает пласт хуже, чем он есть на самом деле.

Полноразмерный керн (full-diameter core): керн полного диаметра. Его отрезки исследуют целиком, когда порода неоднородна в масштабе небольшого образца: трещиноватые и кавернозные карбонаты, конгломераты.
Боковой керн (sidewall core): небольшие образцы, отобранные из стенки уже пробуренной скважины прибором на кабеле — боковым грунтоносом. Стреляющий грунтонос вбивает в стенку полый боёк и повреждает породу; сверлящий выбуривает образец и повреждает её гораздо меньше. Быстро и дёшево, но образцы малы и взяты из зоны, куда проник фильтрат раствора.
Керн с сохранением давления (pressure-retained core): керноприёмник закрывается на забое и удерживает пластовое давление, чтобы флюиды не вышли из породы при подъёме. На поверхности керн замораживают, а размораживают уже в лаборатории, собирая выделившиеся флюиды. Более простой вариант — керноприёмник с впитывающим вкладышем, который удерживает нефть, вытесненную из керна при подъёме.
Ориентированный керн (oriented core): на керн при отборе наносят продольные риски, а их положение относительно сторон света записывает прибор. По такому керну определяют направление трещин и наклон слоёв.

На свойства керна влияет и буровой раствор. Фильтрат раствора на водной основе вытесняет из керна подвижную нефть, и измеренная водонасыщенность оказывается завышенной. Раствор на углеводородной основе не добавляет воды, зато его поверхностно-активные добавки меняют смачиваемость (Насыщенность пласта флюидами, Смачиваемость и межфазные явления). Поэтому тип раствора выбирают под главную задачу отбора, проникновение фильтрата уменьшают специальными бурильными головками и быстрой проходкой, а в раствор иногда добавляют индикатор, чтобы потом оценить, сколько фильтрата попало в керн.

На буровой: как сохранить керн

Керн начинает меняться, как только оказывается на поверхности. Вода и лёгкие фракции нефти испаряются, нефть окисляется на воздухе, глины высыхают и растрескиваются. Уже через несколько часов незащищённый керн не годится ни для измерения насыщенности, ни для исследований, зависящих от смачиваемости. Поэтому керн для таких исследований консервируют прямо на буровой:

герметично закрывают концы вкладыша, в котором керн поднят;
оборачивают отрезки полимерной плёнкой и фольгой и покрывают парафином или воском;
запаивают в многослойные пакеты, не пропускающие кислород и влагу;
рыхлый керн замораживают или пропитывают смолой, чтобы он не рассыпался, — помня, что замораживание само может изменить свойства породы.

В отчёте лаборатории должно быть указано, в каком состоянии был керн. Общепринятая классификация такая:

Свежий керн (fresh core): только что поднятый и сразу защищённый от высыхания и воздуха. Записывают, на каком растворе он отобран: от этого зависит, чему в нём можно верить.
Законсервированный керн (preserved core): тот же свежий керн после хранения в герметичной упаковке.
Очищенный керн (cleaned core): керн, из которого растворителями удалены нефть, вода и соли. Способ очистки записывают: растворители и нагрев могут изменить породу.
Керн с восстановленной смачиваемостью (restored-state core): очищенный керн, который снова насытили пластовой водой и нефтью и выдержали при пластовой температуре, чтобы вернуть смачиваемость, какой она была в пласте (Смачиваемость и межфазные явления).
Керн с сохранённым давлением (pressure-retained core): керн, поднятый без снижения давления; нужен, когда главная цель — насыщенность.

Какой керн нужен для какого измерения

Измерение: Пористость, плотность зёрен, абсолютная проницаемость
Состояние керна: очищенный и высушенный
Почему: в порах не должно оставаться флюидов и солей

Измерение: Насыщенность
Состояние керна: свежий, а лучше — с сохранённым давлением
Почему: нельзя потерять флюиды до измерения

Измерение: Смачиваемость, относительные проницаемости, капиллярное давление «нефть — вода»
Состояние керна: свежий без изменённой смачиваемости или с восстановленной смачиваемостью
Почему: распределение фаз в порах задаёт смачиваемость

Измерение: Электрические свойства для расчёта насыщенности
Состояние керна: с пластовой смачиваемостью
Почему: показатель насыщения зависит от того, где в порах находится вода

Измерение: Ртутная порометрия
Состояние керна: очищенный и высушенный
Почему: ртуть нагнетают в пустые поры

Измерение: Прочность и сжимаемость
Состояние керна: по возможности не высушенный
Почему: прочность глинистых пород и мела зависит от влажности

Измерение	Состояние керна	Почему
Пористость, плотность зёрен, абсолютная проницаемость	очищенный и высушенный	в порах не должно оставаться флюидов и солей
Насыщенность	свежий, а лучше — с сохранённым давлением	нельзя потерять флюиды до измерения
Смачиваемость, относительные проницаемости, капиллярное давление «нефть — вода»	свежий без изменённой смачиваемости или с восстановленной смачиваемостью	распределение фаз в порах задаёт смачиваемость
Электрические свойства для расчёта насыщенности	с пластовой смачиваемостью	показатель насыщения зависит от того, где в порах находится вода
Ртутная порометрия	очищенный и высушенный	ртуть нагнетают в пустые поры
Прочность и сжимаемость	по возможности не высушенный	прочность глинистых пород и мела зависит от влажности

Свежий керн, смачиваемость которого не изменили ни раствор, ни хранение, называют керном в естественном состоянии (native state).

Сканирование, привязка по глубине и выбор образцов

Пока керн цел, его исследуют способами, которые ничего не разрушают. Они решают две задачи: связать керн с каротажем и увидеть, что у него внутри, до того как выбирать места для образцов.

Гамма-съёмка керна (core gamma): керн на транспортёре проходит мимо детектора в свинцовой защите, и тот записывает естественную гамма-активность породы по длине керна. Получается кривая, которую сравнивают с гамма-каротажем скважины.
Рентгеновская томография (computed tomography, CT): рентгеновский луч ослабляется породой тем сильнее, чем выше её плотность и чем тяжелее атомы. Просвечивая керн с разных сторон, компьютер восстанавливает объёмное изображение. На нём видны трещины, каверны, плотные включения, слоистость, следы проникновения раствора. Детальность ограничена шириной луча и размером элемента изображения.
Магнитно-резонансная томография: показывает не породу, а флюиды: где в керне находятся вода и нефть.

Глубину керна знают по длине бурильной колонны, глубину каротажа — по длине кабеля, и эти две глубины расходятся на метр-два, а иногда и больше. Кроме того, при неполном выносе неизвестно, из какой части интервала потерян керн. Чтобы каждому образцу приписать глубину по каротажу, кривую гамма-активности керна сдвигают до совпадения характерных пиков с кривой гамма-каротажа.

РасчётПривязка керна по глубине для данных примера ниже. Слева — гамма-каротаж скважины, справа — гамма-активность керна, записанная по его собственной разметке глубин. Одни и те же пики на керне стоят на 2 м выше: на эту величину и сдвигают керн. Кривые условные.

Расчётный примерВынос керна и сдвиг по глубине

Исходные данные (условные)

Интервал отбора по длине бурильной колонны: 2450,0–2468,0 м
Длина поднятого керна: 17,1 м
Пики гамма-активности по разметке керна: 2452,4 м; 2458,9 м; 2465,1 м
Те же пики на гамма-каротаже: 2454,3 м; 2461,0 м; 2467,1 м
Образец: глубина по разметке керна 2460,25 м

Решение

Вынос керна: $17{,}1/18{,}0\cdot100 = 95$ %. Не поднято 0,9 м.
Сдвиг по каждому пику (каротаж минус керн): 1,9; 2,1; 2,0 м. Средний сдвиг $\Delta z = 2{,}0$ м.
Глубина образца по каротажу: $2460{,}25 + 2{,}0 = 2462{,}25$ м.

Ответ: Вынос керна — 95 %; керн нужно сдвинуть вниз на 2,0 м, и образец попадает на глубину 2462,25 м по каротажу.

Что это значит. Без сдвига образец сравнивали бы с показаниями каротажа на 2 м выше — в слоистом разрезе это может быть совсем другая порода. Сдвиги по трём пикам различаются на 0,1–0,2 м: такова точность привязки, и её достаточно для каротажа с вертикальным разрешением в несколько дециметров. Недостающие 0,9 м по умолчанию относят к низу интервала, но проверяют это по той же кривой: здесь сдвиг у нижнего пика такой же, как у верхних, значит, потерян действительно конец интервала. Данные примера условные.

После сканирования керн распиливают вдоль оси. Плоскую грань фотографируют в обычном и ультрафиолетовом свете — нефть в ультрафиолете светится — и подробно описывают; одну часть керна оставляют на хранение как архивную. Из другой выбуривают образцы-цилиндры (core plugs) диаметром 25–38 мм (1–1,5 дюйма): горизонтальные — вдоль напластования, обычно через каждые 25–30 см, и вертикальные — поперёк напластования, реже. По первым получают горизонтальную проницаемость, по вторым — вертикальную (Проницаемость горных пород). Обрезки торцов идут на шлифы и анализ минералов.

Какие образцы попадают в выборку

Образец удаётся выбурить не везде. Трещиноватые, рыхлые и тонкослоистые участки разрушаются при выбуривании, и образцы поневоле берут рядом, из более прочной породы. Каверны и трещины в маленький цилиндр просто не помещаются.
Обратная ошибка — выбирать «хорошие» места: чистый песчаник вместо глинистых прослоев. В обоих случаях среднее по образцам перестаёт быть средним по пласту.
Поэтому образцы берут по равномерной сетке глубин, отклонения от неё записывают, а для неоднородных пород исследуют полноразмерный керн.

Очистка и сушка образцов

Чтобы измерить пористость и проницаемость, из пор нужно убрать всё: нефть, воду и соли, оставшиеся после испарения воды. Образец промывают растворителями, пока они не перестанут окрашиваться, и сушат до постоянной массы.

Способы очистки

Способ: Аппарат Сокслета
Как работает: растворитель кипит, конденсируется, капает на образец и стекает обратно, раз за разом
Особенности: мягкий, но медленный: от суток до недель

Способ: Аппарат Дина–Старка (аппарат Закса)
Как работает: образец находится в парах кипящего растворителя; отогнанная вода собирается в градуированной ловушке
Особенности: одновременно даёт водонасыщенность (Насыщенность пласта флюидами)

Способ: Прокачка под давлением
Как работает: растворитель прокачивают через образец в кернодержателе
Особенности: быстро; для плотных пород

Способ: Центрифуга
Как работает: растворитель продавливается через образец центробежной силой
Особенности: быстро; риск повредить слабую породу

Способ	Как работает	Особенности
Аппарат Сокслета	растворитель кипит, конденсируется, капает на образец и стекает обратно, раз за разом	мягкий, но медленный: от суток до недель
Аппарат Дина–Старка (аппарат Закса)	образец находится в парах кипящего растворителя; отогнанная вода собирается в градуированной ловушке	одновременно даёт водонасыщенность (Насыщенность пласта флюидами)
Прокачка под давлением	растворитель прокачивают через образец в кернодержателе	быстро; для плотных пород
Центрифуга	растворитель продавливается через образец центробежной силой	быстро; риск повредить слабую породу

Единого рецепта нет: растворитель подбирают под нефть и породу. Обычно нефть удаляют толуолом, воду и соли — метанолом; для тяжёлых нефтей и гидрофобных пород берут более сильные смеси.

Сушка кажется простой операцией, но именно она чаще всего портит глинистые образцы. Глинистые минералы удерживают воду на поверхности и между слоями кристаллической решётки. Если её выгнать нагревом, частицы сжимаются, а тонкие волокна — например, иллита, который затягивает поры паутиной, — слипаются и прижимаются к стенкам пор. Поры «освобождаются», и измеренные пористость и особенно проницаемость оказываются выше, чем у той же породы в пласте.

Способы сушки

Способ: Обычная печь
Условия: около 100–115 °C
Для каких пород: чистые песчаники и карбонаты без чувствительных минералов

Способ: Печь с контролируемой влажностью
Условия: около 60 °C при относительной влажности около 40 %
Для каких пород: глинистые породы: на глинах остаётся плёнка воды, как в пласте

Способ: Сушка в критической точке
Условия: жидкость в порах заменяют жидким углекислым газом и нагревают его выше критической точки
Для каких пород: породы с хрупкими волокнистыми глинами

Способ	Условия	Для каких пород
Обычная печь	около 100–115 °C	чистые песчаники и карбонаты без чувствительных минералов
Печь с контролируемой влажностью	около 60 °C при относительной влажности около 40 %	глинистые породы: на глинах остаётся плёнка воды, как в пласте
Сушка в критической точке	жидкость в порах заменяют жидким углекислым газом и нагревают его выше критической точки	породы с хрупкими волокнистыми глинами

От способа сушки зависит, какую пористость вы получите: после обычной печи в поровый объём входит место, которое в пласте занимает вода, связанная глинами; после сушки при контролируемой влажности — нет.

Стандартный и специальный анализ

Исследования делят на две части. Стандартный анализ керна (routine core analysis, RCA) — быстрые и недорогие измерения на всех образцах. Специальный анализ (special core analysis, SCAL) — долгие и дорогие опыты на немногих образцах, которые отвечают на конкретные вопросы проекта.

Стандартный и специальный анализ керна

: Что измеряют
Стандартный (RCA): пористость, проницаемость по газу, плотность зёрен, насыщенность
Специальный (SCAL): капиллярное давление, относительные проницаемости, смачиваемость, электрические, акустические и механические свойства, сжимаемость пор

: Образцы
Стандартный (RCA): все, через 25–30 см
Специальный (SCAL): единицы или десятки, по типам пород

: Состояние керна
Стандартный (RCA): очищенный и высушенный (для насыщенности — свежий)
Специальный (SCAL): естественное состояние или восстановленная смачиваемость

: Условия опыта
Стандартный (RCA): комнатная температура, малый обжим
Специальный (SCAL): по возможности пластовые давление, температура и флюиды

: Срок
Стандартный (RCA): дни — недели
Специальный (SCAL): месяцы

: Зачем
Стандартный (RCA): профиль свойств по разрезу, калибровка каротажа, связь пористости с проницаемостью
Специальный (SCAL): входные данные для расчёта насыщенности, вытеснения и гидродинамической модели

	Стандартный (RCA)	Специальный (SCAL)
Что измеряют	пористость, проницаемость по газу, плотность зёрен, насыщенность	капиллярное давление, относительные проницаемости, смачиваемость, электрические, акустические и механические свойства, сжимаемость пор
Образцы	все, через 25–30 см	единицы или десятки, по типам пород
Состояние керна	очищенный и высушенный (для насыщенности — свежий)	естественное состояние или восстановленная смачиваемость
Условия опыта	комнатная температура, малый обжим	по возможности пластовые давление, температура и флюиды
Срок	дни — недели	месяцы
Зачем	профиль свойств по разрезу, калибровка каротажа, связь пористости с проницаемостью	входные данные для расчёта насыщенности, вытеснения и гидродинамической модели

Как выполняют отдельные измерения и что они означают, разбирают другие уроки: Пористость, Проницаемость горных пород, Насыщенность пласта флюидами, Капиллярное давление и переходная зона, Относительная проницаемость, Смачиваемость и межфазные явления. Электрические измерения дают показатели цементации и насыщения для уравнения Арчи (Уравнение Арчи и насыщенность чистых коллекторов); опыты под нагрузкой — сжимаемость пор и зависимость свойств от напряжения (Сжимаемость пород и влияние напряжений на свойства керна).

Порядок работ

1
Вопросы
Программу составляют до отбора керна: какие решения зависят от керна и какие измерения для них нужны. От этого зависят раствор, способ отбора и консервации.
2
Неразрушающие исследования
Гамма-съёмка, томография, фотографии, описание. По ним намечают места образцов.
3
Стандартный анализ
Все образцы. По графику «пористость — проницаемость» и описанию породу делят на типы.
4
Выбор образцов для специального анализа
Из каждого типа породы берут однородные образцы — их проверяют томографией — так, чтобы охватить весь диапазон свойств, а не только лучший коллектор.
5
Специальный анализ
Сначала опыты, после которых образец можно использовать снова; разрушающие — ртутную порометрию, шлифы, дробление — в конце.

Лабораторные условия и пластовые условия

Стандартные измерения делают так, чтобы они были быстрыми и воспроизводимыми, а не так, чтобы они повторяли пласт. Прежде чем использовать результат, нужно понять, чем условия опыта отличались от пластовых.

Чем стандартный опыт отличается от пласта

Фактор: Напряжение
В стандартном опыте: обжим в несколько мегапаскалей — только чтобы газ не шёл мимо образца
В пласте: эффективное напряжение в десятки мегапаскалей
Что с результатом: пористость и проницаемость завышены

Фактор: Флюид
В стандартном опыте: сухой газ: азот, гелий, воздух
В пласте: нефть, вода, газ под давлением
Что с результатом: газ проскальзывает у стенок пор: проницаемость завышена

Фактор: Глины
В стандартном опыте: высушены
В пласте: содержат воду и занимают больше места
Что с результатом: проницаемость завышена

Фактор: Фазы в порах
В стандартном опыте: одна
В пласте: две или три
Что с результатом: измерена абсолютная проницаемость, а течению нужна эффективная

Фактор	В стандартном опыте	В пласте	Что с результатом
Напряжение	обжим в несколько мегапаскалей — только чтобы газ не шёл мимо образца	эффективное напряжение в десятки мегапаскалей	пористость и проницаемость завышены
Флюид	сухой газ: азот, гелий, воздух	нефть, вода, газ под давлением	газ проскальзывает у стенок пор: проницаемость завышена
Глины	высушены	содержат воду и занимают больше места	проницаемость завышена
Фазы в порах	одна	две или три	измерена абсолютная проницаемость, а течению нужна эффективная

Все четыре отличия действуют в одну сторону — завышают проницаемость, и тем сильнее, чем плотнее и глинистее порода.

Поправки находят на части образцов: газовую проницаемость измеряют при нескольких давлениях и приводят к жидкостной (поправка Клинкенберга, Проницаемость горных пород); пористость и проницаемость измеряют под обжимом, отвечающим среднему эффективному напряжению в пласте (Сжимаемость пород и влияние напряжений на свойства керна); проницаемость измеряют по воде пластового состава. Полученные соотношения распространяют на остальные образцы того же типа породы.

Расчётный примерОт лабораторных значений к пластовым

Исходные данные (условные)

Стандартный анализ образца: пористость 21,4 %; проницаемость по азоту 85 мД
После поправки Клинкенберга: 78 мД
Под пластовым обжимом (по опытам на образцах этого типа): пористость × 0,96; проницаемость × 0,86
Проницаемость по пластовой воде к проницаемости по газу под обжимом: 0,90
Относительная проницаемость для нефти при связанной воде: 0,80

Решение

Пористость в пласте: $21{,}4\cdot0{,}96 = 20{,}5$ %.
Проскальзывание газа: 78 мД вместо 85 — на 8 % меньше.
Обжим: $78\cdot0{,}86 = 67{,}1$ мД.
Вода вместо газа: $67{,}1\cdot0{,}90 = 60{,}4$ мД — абсолютная проницаемость в пластовых условиях.
Для нефти при связанной воде: $60{,}4\cdot0{,}80 = 48$ мД — эффективная проницаемость, которую «увидит» исследование скважины в безводной зоне.

Ответ: Пористость в пластовых условиях — 20,5 %, эффективная проницаемость для нефти — около 48 мД вместо 85 мД по стандартному анализу.

Что это значит. От лабораторного числа осталось 57 %. Если сравнить с испытанием скважины исходные 85 мД, расхождение в 1,8 раза припишут пласту или скважине, хотя оно целиком объясняется условиями измерения. У плотных глинистых пород те же поправки уменьшают проницаемость в разы. Множители в примере условные: их определяют опытами на своей породе, а не берут из чужих данных.

Специальные исследования стараются сразу проводить при пластовых условиях: под обжимом, при пластовой температуре, с пластовой водой и нефтью, иногда — с нефтью, в которой растворён газ. Это дорого, но относительные проницаемости и капиллярное давление зависят от смачиваемости и натяжения на границе фаз, а их простыми множителями к пластовым условиям не приведёшь.

Керн, каротаж и испытания: как сравнивать

Одно и то же свойство, измеренное разными способами, получается разным — и не только из-за условий опыта. Каждый способ осредняет свойство по своему объёму породы.

СхемаОбъём породы, по которому осредняет свойства каждый способ измерения (порядки величин; шкала логарифмическая). Между образцом керна и исследованием скважины — около десяти порядков.

Прежде чем сравнивать

1
Привязать по глубине
Сдвинуть керн к глубинам каротажа и убедиться, что сравниваются одни и те же слои.
2
Привести к одним условиям
Керновые значения — к пластовому напряжению и флюидам, как в примере выше.
3
Сравнивать одинаковые величины
Пористость керна после сушки в обычной печи включает место воды, связанной глинами, и отвечает общей пористости по каротажу. Керн даёт абсолютную проницаемость, исследование скважины — эффективную для текущего флюида.
4
Осреднить по объёму измерения
Образцы осредняют в окне, равном разрешению прибора или вскрытой толщине: пористость — арифметически, проницаемость — способом, отвечающим направлению потока (Проницаемость горных пород).
5
Учесть то, чего в образцах нет
Трещины, каверны, потерянные интервалы керна.

Расчётный примерСреднее по керну и результат исследования скважины

Исходные данные (условные)

Вскрытый интервал: 3,0 м; 12 образцов через 0,25 м
Проницаемость образцов, приведённая к пластовым условиям, мД: 140; 95; 60; 180; 8; 45; 240; 55; 30; 110; 3; 160
Исследование скважины (по нефти, с учётом скин-фактора): 88 мД в пересчёте на абсолютную проницаемость

Решение

Арифметическое среднее: 94 мД.
Геометрическое среднее: 57 мД.
Гармоническое среднее: 20 мД.
Исследование дало 88 мД — ближе всего к арифметическому среднему: отличие 6 %.

Ответ: Средняя проницаемость по керну — 94 мД (арифметическая), и она согласуется с исследованием скважины.

Что это значит. К скважине флюид течёт вдоль слоёв, и слои работают параллельно: их проводимости складываются, а два плотных прослоя (8 и 3 мД) почти не мешают. Поэтому с исследованием сравнивают арифметическое среднее — при условии, что слои тянутся на всю область дренирования. Если бы исследование показало значение, близкое к геометрическому среднему, 57 мД, это означало бы, что проницаемые слои прерывисты. Гармоническое среднее, 20 мД, описывает течение поперёк слоёв: оно в 4,6 раза меньше, и определяют его те самые два плотных прослоя. Данные примера условные.

Расхождение — тоже результат

Если исследование скважины даёт проницаемость намного выше керновой, в пласте есть то, чего нет в образцах: трещины или тонкие высокопроницаемые прослои, потерянные при отборе.
Если намного ниже — проницаемые слои не тянутся далеко от скважины, в пласте течёт не одна фаза или керновые данные не приведены к пластовым условиям.
В обоих случаях не нужно «исправлять» одни данные по другим, пока не понята причина.

Термины и обозначения

Керн: столбик породы, выбуренный из пласта и поднятый на поверхность.
Вынос керна: длина поднятого керна в процентах от длины пробуренного интервала.
Образец-цилиндр (core plug): цилиндр диаметром 25–38 мм, выбуренный из керна для измерений.
Боковой керн: небольшой образец, отобранный прибором на кабеле из стенки скважины.
Стандартный анализ керна (RCA): пористость, проницаемость, плотность зёрен и насыщенность на всех образцах.
Специальный анализ керна (SCAL): капиллярное давление, относительные проницаемости, смачиваемость, электрические и механические свойства на выбранных образцах.
Керн с восстановленной смачиваемостью: очищенный керн, заново насыщенный пластовыми флюидами и выдержанный при пластовой температуре.
Привязка керна: сдвиг глубин керна к глубинам каротажа по совпадению кривых гамма-активности.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Керн — это прямое измерение, значит, керновым числам нужно верить больше, чем каротажу».

На самом деле

Керн измерен напрямую, но на крошечном, изменённом при отборе образце и в лабораторных условиях. Верить можно керну, приведённому к пластовым условиям, привязанному по глубине и осреднённому по объёму, с которым его сравнивают.

Неверно

«Чем тщательнее очищен и высушен образец, тем точнее результат».

На самом деле

Жёсткая очистка и горячая сушка разрушают глины и меняют смачиваемость. Способ подготовки выбирают под породу и под измерение; для относительных проницаемостей очищенный керн без восстановления смачиваемости непригоден.

Неверно

«Стандартная проницаемость по газу — это и есть проницаемость пласта».

На самом деле

Она измерена без пластового напряжения, сухим газом и на сухих глинах. Все три причины завышают результат; для плотных глинистых пород — в разы.

Неверно

«Вынос керна 60 % — не беда, свойства определим по тому, что поднято».

На самом деле

Теряется обычно самая слабая и часто самая проницаемая порода, поэтому оставшийся керн — смещённая выборка. Потерянные интервалы восстанавливают по каротажу, откалиброванному на поднятом керне.

Подробно: для продвинутых

Как устроена рентгеновская томография керна

Узкий рентгеновский луч, проходя через вещество, ослабляется: часть квантов рассеивается на электронах или поглощается атомами. Интенсивность прошедшего луча убывает с толщиной по экспоненте.

Ослабление рентгеновского луча

I = I_0\,\e^{-\mu h}

где:

$I_0,\ I$ интенсивность луча до образца и после него, одинаковые единицы
$\mu$ коэффициент ослабления материала; растёт с плотностью и с атомным номером элементов, 1/см
$h$ толщина образца вдоль луча, см

Единицы: $\mu$ и $h$ — во взаимно обратных единицах

Справедливо, если

узкий луч одной энергии; у реального луча с набором энергий мягкая часть спектра поглощается раньше, и это учитывают при обработке;
материал вдоль луча однороден; для неоднородного в показателе стоит сумма $\mu_i h_i$ по участкам пути.

Одно просвечивание даёт только сумму ослаблений вдоль луча. Источник и детекторы поворачивают вокруг керна и получают такие суммы по сотням направлений; по ним компьютер восстанавливает значение $\mu$ в каждой точке сечения. Плотная порода и тяжёлые минералы (пирит, барит из бурового раствора) выглядят на изображении светлыми, поры и трещины — тёмными.

На родственном эффекте — рассеянии гамма-квантов на электронах породы — основан плотностной каротаж (Плотностной гамма-гамма каротаж и фотоэлектрический индекс). Томограф для полноразмерного керна различает детали размером в доли миллиметра — этого хватает для трещин, слоистости и выбора мест образцов. Микротомографы просвечивают образцы размером в миллиметры с разрешением в микрометры и показывают отдельные поры; по таким изображениям рассчитывают течение на уровне пор (Моделирование течения на уровне пор).

Сколько образцов нужно для надёжного среднего

Среднее по нескольким образцам — случайная величина: возьми другие образцы из того же слоя, и оно получится другим. Чем изменчивее свойство и чем меньше образцов, тем шире разброс. Изменчивость измеряют коэффициентом вариации $C_v$ — отношением стандартного отклонения к среднему (Описательная статистика в геологии).

Точность среднего и нужное число образцов

P_s = \frac{200\,C_v}{\sqrt{N_s}}\ \%,\qquad N_0 = (10\,C_v)^2

где:

$P_s$ полуширина интервала, в котором с вероятностью около 95 % лежит истинное среднее, в процентах от среднего по образцам, %
$C_v$ коэффициент вариации: стандартное отклонение, делённое на среднее, —
$N_s$ число образцов, —
$N_0$ число образцов, при котором $P_s = 20$ %, —

Единицы: безразмерные величины

Справедливо, если

образцы независимы и взяты без отбора «удобных» мест;
интервал ±2 стандартные ошибки среднего отвечает доверительной вероятности около 95 %; при малом числе образцов он несколько шире;
порог 20 % — договорённость, а не закон.

Стандартная ошибка среднего равна стандартному отклонению, делённому на $\sqrt{N_s}$ ; две такие ошибки, выраженные в процентах от среднего, и дают $200\,C_v/\sqrt{N_s}$ . Пористость меняется мало ( $C_v$ порядка 0,1–0,2), и для неё хватает нескольких образцов. Проницаемость меняется в разы ( $C_v$ около единицы и больше), и ей нужны десятки и сотни измерений (Распределения и достаточность выборки).

Расчётный примерХватает ли двенадцати образцов

Исходные данные (условные)

Проницаемость образцов, мД: те же 12 значений, что в примере «Среднее по керну и результат исследования скважины»

Решение

Среднее 94 мД, стандартное отклонение 74 мД, $C_v = 0{,}79$ .
Точность среднего по 12 образцам: $P_s = 200\cdot0{,}79/\sqrt{12} = 46$ %, то есть от 51 до 137 мД.
Для точности 20 % нужно $N_0 = (10\cdot0{,}79)^2 \approx 62$ образца.

Ответ: Двенадцать образцов дают среднюю проницаемость с точностью около ±46 %; для ±20 % нужно около 62.

Что это значит. Результат исследования скважины, 88 мД, лежит глубоко внутри интервала от 51 до 137 мД: расхождение в несколько процентов ничего не значит, а совпадение — отчасти удача. Чтобы уверенно различать слои по проницаемости, образцов нужно в несколько раз больше, чем берут при стандартном шаге; недостающие точки дают экспресс-измерения проницаемости на распиленном керне и каротаж. Данные примера условные.

Связь с другими темами

Пористость — как измеряют объёмы пор и зёрен и чем различаются виды пористости.
Проницаемость горных пород — закон Дарси, поправка Клинкенберга и осреднение по слоям.
Насыщенность пласта флюидами — экстракция по Дину–Старку и причины искажения насыщенности керна.
Смачиваемость и межфазные явления — почему состояние керна решает судьбу специальных исследований.
Капиллярное давление и переходная зона — полупроницаемая мембрана, центрифуга и ртутная порометрия.
Относительная проницаемость — стационарный и нестационарный опыты на керне.
Сжимаемость пород и влияние напряжений на свойства керна — измерения под нагрузкой и приведение к пластовому напряжению.
Гамма-каротаж и спектрометрия естественной радиоактивности — кривая, по которой керн привязывают к скважине.
Пористость по плотностному каротажу — пористость по каротажу, которую калибруют керном.
Распределения и достаточность выборки — выборка, смещение и число измерений.

Проверьте себя

1
Нужно измерить относительные проницаемости для расчёта заводнения. Какой керн подходит?
1. А.Боковой керн, отобранный стреляющим грунтоносом
2. Б.Очищенный и высушенный в печи — он самый чистый
3. В.В естественном состоянии или с восстановленной смачиваемостью
4. Г.Любой: относительные проницаемости — свойство породы
Показать ответ
Правильный ответ: В. В естественном состоянии или с восстановленной смачиваемостью
Относительные проницаемости зависят от того, как нефть и вода распределены в порах, то есть от смачиваемости. Очистка растворителями обычно делает породу искусственно гидрофильной, поэтому нужен керн, сохранивший пластовую смачиваемость, либо очищенный керн, в котором её восстановили выдержкой с пластовой нефтью.
2
Стандартная газовая проницаемость образца — 12 мД. Какой, скорее всего, окажется проницаемость этой породы в пласте и почему?
1. А.Предсказать нельзя
2. Б.Больше: в пласте поры раскрыты пластовым давлением
3. В.Такой же: проницаемость — свойство породы
4. Г.Меньше: газ проскальзывает у стенок пор, образец не обжат, глины высушены
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Меньше: газ проскальзывает у стенок пор, образец не обжат, глины высушены
Все три отличия стандартного опыта от пласта завышают результат: проскальзывание газа при низком давлении, отсутствие пластового эффективного напряжения и сухие, «сжавшиеся» глины. Для породы с проницаемостью около 10 мД суммарная поправка обычно больше, чем для высокопроницаемой.
3
Пик гамма-активности на керне отмечен на глубине 3120,4 м, тот же пик на гамма-каротаже — на 3118,9 м. Какую глубину по каротажу приписать образцу, выбуренному с отметки 3125,00 м по керну?
Показать ответ
Сдвиг равен $3118{,}9 - 3120{,}4 = -1{,}5$ м: керн нужно поднять на 1,5 м. Образцу отвечает глубина $3125{,}00 - 1{,}5 = 3123{,}5$ м по каротажу. По одному пику сдвиг определяют лишь приблизительно — обычно используют несколько и проверяют, что сдвиги близки.
4
Зачем глинистые образцы сушат при температуре около 60 °C и влажности около 40 %, а не в обычной печи?
1. А.Чтобы на глинах осталась плёнка воды, как в пласте, и их структура не разрушилась
2. Б.Чтобы образец не растрескался от перепада температур
3. В.Так быстрее
4. Г.Чтобы не испарилась нефть
Показать ответ
Правильный ответ: А. Чтобы на глинах осталась плёнка воды, как в пласте, и их структура не разрушилась
Горячая сушка удаляет воду, удерживаемую глинистыми минералами: частицы сжимаются, волокна слипаются, и поры кажутся просторнее, чем в пласте. Сушка при контролируемой влажности оставляет на глинах слой воды, и измеренные пористость и проницаемость ближе к пластовым.
5
В интервале слабосцементированного песчаника вынос керна составил 60 %. Средняя пористость поднятых образцов — 17 %. Можно ли принять её за среднюю пористость интервала?
Показать ответ
Нет. Не подняты, скорее всего, самые слабые участки — наименее сцементированные и потому самые пористые и проницаемые. Среднее по поднятому керну занижено. Пористость потерянных участков оценивают по каротажу, откалиброванному на поднятом керне, после привязки керна по глубине; место потерь уточняют по кривой гамма-активности.
6
Средняя проницаемость по десяти образцам из слоя — 60 мД, коэффициент вариации 0,9. Насколько можно доверять этому среднему?
Показать ответ
Точность среднего $P_s = 200\cdot0{,}9/\sqrt{10} \approx 57$ %: истинное среднее с вероятностью около 95 % лежит примерно между 26 и 94 мД. Для точности 20 % нужно $(10\cdot0{,}9)^2 = 81$ образец. Десяти образцов хватает, чтобы сказать «десятки миллидарси», но не чтобы различить 45 и 75 мД.

Обновлено: 2 октября 2026 г.