способ получения керна из гидратосодержащих пород и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения керна из гидратосодержащих пород, включающий спуск термогидратоотборного снаряда до глубины залегания газогидратных толщ, бурение с заполнением керном керноприемного устройства, срыв и удержание керна в керноприемнике, транспортировку керноприемного устройства с керном на поверхность, отличающийся тем, что в процессе бурения в керноприемнике поддерживают термобарические параметры, соответствующие естественным параметрам пласта в зоне забоя, а перед подъемом из скважины керн охлаждают до отрицательных температур, соответствующих проявлению эффектов консервации содержащихся в нем газогидратных включений.

2. Устройство для получения керна из гидратосодержащих пород, содержащее двойной колонковый снаряд, который включает породоразрушающий инструмент, расширитель-стабилизатор, наружную колонковую трубу, соединительный переходник, невращающуюся внутреннюю трубу с узлом подвески и фиксации, керноприемником с керноудерживающим устройством, отличающееся тем, что невращающаяся внутренняя труба снабжена системой охлаждения, которая включает секцию с баллоном сжиженного газа и дросселирующим устройством, секцию с охлаждающей жидкостью и со спирально-трубчатым теплообменником, кожухотрубный керноприемник, соединенные с помощью соединительных переходников, в одном из которых расположены циркуляционные каналы и обратный клапан, в другом - герметичный канал с соединительными элементами крепления и обратный клапан.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам опробования скважин при поисках и разведке месторождений природных газогидратов. Оно может быть использовано для отбора качественных керновых проб из гидратосодержащих пород и отложений.

Природные газовые гидраты, представленные в основном гидратами метана, - это кристаллические твердые соединения. Этот вид полезного ископаемого характеризуется своей нестабильностью: с изменением температуры и давления идет перестройка кристаллической структуры гидратов и связанное с этим их разложение (диссоциация).

Известен способ получения керна из пород, содержащих природные газы, и керногазоотборный снаряд, созданный американской фирмой Christensen («Technique То Reheat Cores Improves Analysis», Patrick W.Bent, Meridian Oil Inc., Houston; Steven R.Radford, Eastman Christensen, Salt Lake City; Lawrence B. Owen, TerraTek Inc., Salt Lake City / Oil and Gas Journal, December 23, 1991, volume 89, issue 51).

Способ предусматривает надежную герметизацию керна газонасыщенных пород в зоне забоя скважины для сохранения в нем на поверхности естественных барических условий. Для осуществления способа применяется двойной колонковый снаряд со съемным керноприемником фирмы Christensen - PCS (Pressure Core Sampler), содержащий вращающуюся наружную колонковую трубу с кольцевым породоразрушающим инструментом, расширителем-стабилизатором, соединительным переходником, извлекаемую невращающуюся керноприемную трубу с подшипниковой подвеской, фиксирующим элементом и кернозахватывающим устройством. Конструктивной особенностью этого снаряда является наличие в нижней части керноприемника герметичного шарового клапана, с помощью которого и обеспечивается надежная герметизация керна в извлекаемой керноприемной трубе, и приводного верхнего шарового клапана. Нижний шаровой клапан закрывается потоком промывочной жидкости после изменения направления ее циркуляции в снаряде за счет перекрытия верхнего проходного отверстия сбрасываемым в конце рейса с поверхности стальным шариком. Устройство гарантирует герметичность керновой пробы при давлении до 40 МПа. Однако для извлечения керна с высоким поровым давлением из керноприемника на поверхности и последующего его комплексного изучения в лабораторных условиях при нормальном атмосферном давлении керноприемную трубу с керном охлаждают в течение 5-6 часов жидким азотом в специальном устройстве с целью перевода газовой фазы поровых включений сначала в жидкое, а потом в твердое состояние. После этого керноприемную трубу с керном разрезают на части для приготовления отдельных проб, сохранность которых теперь обеспечивается поддержанием низкой отрицательной температуры в специальных термобоксах как при транспортировке их в лаборатории, так и при проведении лабораторных исследований.

Недостатками данного способа и устройства для его реализации являются сложность конструкции самого снаряда и необходимость охлаждения керна при нахождении его на поверхности до низких отрицательных температур, что требует значительных затрат средств и времени на отбор и исследование таких проб.

Известен способ получения керна из гидратосодержащих пород (Dallimore S.R., Т.Uchida, and T.S.Collett, 1999. Scientific Results from JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 Gas Hydrate Research Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada, Geological Survey of Canada / Bulletin 544, 403 p), принятый за прототип в части способа предлагаемого изобретения. Способ разработан в процессе проведения исследований природных газогидратов по Международной программе такими организациями, как The Geological Survey of Canada, the Japan National Oil Corporation, Oil and Natural Gas Corporation Ltd., занимающимися проблемой разведки и возможной эксплуатации газогидратных месторождений. Способ был реализован на канадском месторождении Mallik. Он включает использование низкотемпературной гидрофобной промывочной жидкости при бурении скважины. Начальная температура используемой промывочной жидкости достигала -10°С, что позволило сохранить естественные термобарические условия при разбуривании газогидратных толщ. Однако в связи с транспортировкой керна на поверхность газогидратные включения в породе частично разлагались (диссоциировались), что позволило получить керновые пробы с той или иной степенью изменения фазового состава содержащихся в них газогидратных включений.

Следует отметить благоприятные для охлаждения промывочной жидкости низкотемпературные условия окружающей среды Арктического побережья Канады (район устья р.Макензи, зимний период проведения работ).

Недостатками данного способа являются использование большого количества низкотемпературной гидрофобной промывочной жидкости, необходимость ее охлаждения на поверхности до отрицательных температур и невозможность поддержания необходимых термобарических условий при извлечении керна на поверхность.

Известен отечественный керногазоотборный снаряд конструкции «ДонбассНИЛ» (Справочник по бурению скважин на уголь / Г.П.Новиков, О.К.Белкин, Л.К.Клюев и др. - М.: Недра, 1988. - Стр.184-189), предназначенный для перебуревания угольных пластов разного строения и различной степени метаморфизма.

Конструкция этого колонкового снаряда состоит из переходника, наружной колонковой трубы, невращающейся внутренней трубы с узлом подвески, упорного подшипника, пакета тарельчатых пружин, шарового клапана, керноприемной кассеты, породоразрушающего инструмента. Снаряд может работать в разных режимах - без вращения и с вращением внутренней трубы за счет включения в конструкцию пружинно-фрикционного механизма.

Недостатком данного устройства является неудовлетворительная герметичность невращающейся внутренней керноприемной трубы, что не позволяет получать качественные газовые и газогидратные пробы.

Известен отечественный съемный керногазонаборник СГН-48 (КГНС), применяемый в составе комплекса КССК-76 (Справочник по бурению геологоразведочных скважин / Глав. редактор издания проф. Е.А.Козловский. - СПб.: ООО «Недра», 2000. - Стр.374-386) и принятый за прототип в части устройства предлагаемого изобретения. Снаряд предназначен для отбора газа из угольных пластов, включает породоразрушающий инструмент, расширитель-стабилизатор, наружную колонковую трубу, соединительный переходник, невращающуюся внутреннюю трубу с узлом подвески и фиксации, керноприемником с керноудерживающим устройством.

Недостатком данного устройства является невозможность сохранения естественных термобарических условий газогидратных включений в керне из-за ненадежной герметизации керноприемника.

Техническим результатом изобретения является повышение качества отбора керновых проб из гидратосодержащих пород с сохранением естественного состава, строения и свойств содержащихся в них газогидратных включений.

Технический результат изобретения в части способа достигается тем, что в способе получения керна из гидратосодержащих пород, включающем спуск термогидратоотборного снаряда до глубины залегания газогидратных толщ, бурение с заполнением керном керноприемного устройства, срыв и удержание керна в керноприемнике, транспортировку керноприемного устройства с керном на поверхность, согласно изобретению в процессе бурения в керноприемнике поддерживают термобарические параметры, соответствующие естественным параметрам пласта в зоне забоя, а перед подъемом из скважины керн охлаждают до отрицательных температур, соответствующих проявлению эффектов консервации содержащихся в нем газогидратных включений.

Технический результат изобретения в части устройства достигается тем, что в устройстве для получения керна из гидратосодержащих пород, содержащем двойной колонковый снаряд, который включает породоразрушающий инструмент, расширитель-стабилизатор, наружную колонковую трубу, соединительный переходник, невращающуюся внутреннюю трубу с узлом подвески и фиксации, керноприемником с керноудерживающим устройством, согласно изобретению невращающаяся внутренняя труба снабжена системой охлаждения, которая включает секцию с баллоном сжиженного газа и дросселирующим устройством, секцию с охлаждающей жидкостью и со спирально-трубчатым теплообменником, кожухотрубный керноприемник, соединенные с помощью соединительных переходников, в одном из которых расположены циркуляционные каналы и обратный клапан, в другом - герметичный канал с соединительными элементами крепления и обратный клапан.

Способ получения керна из гидратосодержащих пород и устройство для его осуществления поясняются чертежами, где фиг.1 - схема термогидратоотборного снаряда, фиг.2 - схема конструкции невращающейся внутренней трубы.

На фиг.1 представлено:

1. Соединительный переходник

2. Секция подвески и фиксации невращающейся внутренней трубы

3. Секция с баллоном сжиженного газа и дросселирующим устройством

4. Кольцевой канал между наружной и внутренней трубами

5. Секция с охлаждающей жидкостью и со спирально-трубчатым теплообменником

6. Наружная колонковая труба

7. Керноприемная секция

8. Расширитель-стабилизатор

9. Породоразрушающий инструмент

На фиг.2 представлено:

10. Узел подвески и фиксации невращающейся внутренней трубы

11. Соединительный переходник

12. Корпус секции с баллоном сжиженного газа и дросселирующим устройством

13. Баллон со сжиженным газом

14. Дросселирующее устройство

15. Соединительные элементы крепления

16. Соединительный переходник

17. Корпус секции с охлаждающей жидкостью и со спирально-трубчатым теплообменником

18. Спирально-трубчатый теплообменник

19. Соединительный переходник

20. Циркуляционный канал

21. Керноприемник

22. Кожух керноприемника

23. Корпус кернозахватывающего устройства

24. Кернозахватывающее устройство

25. Охлаждающая жидкость или промежуточный холодоноситель

26. Обратный клапан

27. Пробка с резьбой

Способ получения керна из гидратосодержащих пород предусматривает сохранение в керне газогидратных включений за счет поддержания естественных термобарических условий в процессе выбуривания керна в зоне забоя скважины и использования эффектов консервации - эффекта самоконсервации или эффекта принудительной консервации газогидратных включений перед подъемом керна из скважины.

В условиях изменения естественных термобарических параметров диссоциация газогидратов сопровождается появлением пленки воды на их поверхности, которая при отрицательной температуре замерзает и превращается в корочку льда. Этот процесс характеризует проявление эффектов самоконсервации или принудительной консервации, предупреждающих разложение природных газовых гидратов в условиях резкого изменения естественных термобарических параметров. Так как диссоциация газовых гидратов идет с поглощением теплоты, то наличие ледяной корки и отрицательная температура гидратов резко уменьшают скорость их диссоциации, позволяя сохранять газогидраты практически в неизмененном состоянии при подъеме керна из скважины на поверхность, т.е. в условиях атмосферного давления.

Если гидратосодержащие породы имеют естественную положительную температуру, то способ основывается на использовании эффекта принудительной консервации, если отрицательную, то используется эффект самоконсервации газогидратных включений. С этой целью при использовании эффекта самоконсервации керн с включениями газовых гидратов перед извлечением его из скважины принудительно охлаждается в керноприемнике до отрицательной температуры в диапазоне -2°С - -10°С, а при использовании эффекта принудительной консервации в диапазоне -15°С - -25°С. Эти диапазоны соответствуют качественному проявлению используемых эффектов.

Дополнительная сохранность керна обеспечивается увеличением его прочности и герметичности за счет частичного или полного замерзания находящейся в нем поровой воды. Относительно небольшие отрицательные температуры, необходимые для проявления в гидратах эффектов самоконсервации или принудительной консервации, возможность отбора и транспортировки керновых проб при давлениях, близких к атмосферному, практически в течение нескольких часов существенно снижают трудности с технической реализацией предлагаемого способа, повышают качество отбираемых образцов и снижают затраты на проведение комплексных исследований.

Устройство для осуществления способа получения керна из гидратосодержащих пород предусматривает создание термогидратоотборного снаряда с конструктивными изменениями невращающейся внутренней трубы.

За основу при разработке этого снаряда предполагают взять конструкцию серийных двойных колонковых снарядов с невращающейся внутренней керноприемной трубой, которая может быть как съемной (извлекаемой без подъема бурового снаряда), так и стационарной (извлекаемой вместе с подъемом всего бурового снаряда).

В предлагаемом изобретении в части устройства был взят снаряд со съемным керноприемником. В этом снаряде изменяют только конструкцию съемной невращающейся внутренней трубы: за счет уменьшения длины керноприемной части внутренней трубы в ней размещают две дополнительные секции - секция с охлаждающей жидкостью и со спирально-трубчатым теплообменником 5 и секция с баллоном сжиженного газа и дросселирующим устройством 3. В качестве сжиженного газа (холодильного агента) может быть использован азот, углекислота и пр. В секции с охлаждающей жидкостью 5 размещают спирально-трубчатый теплообменник 18 с промежуточным холодоносителем (низкотемпературной охлаждающей жидкостью) 25. Для повышения эффективности охлаждения керна корпус керноприемника 21 выполнен в виде кожухотрубной конструкции 22, кольцевая полость которой соединена циркуляционными каналами 20 с секцией с охлаждающей жидкостью и со спирально-трубчатым теплообменником 5 для конвективной циркуляции промежуточного холодоносителя 25. Секции между собой разделяют двумя специальными монтажными переходниками 16, 19. В нижнем переходнике 19 располагают циркуляционные каналы 20 для охлаждающей жидкости 25 и обратный клапан 26, обеспечивающий выход промывочной жидкости из керноприемника 21 при заполнении его керном в процессе бурения. В верхнем переходнике 16 устраивают герметичный канал с обратным клапаном 26 и соединительные элементы 15 для крепления спирально-трубчатого теплообменника 18. Через канал с обратным клапаном 26 обеспечивается выход из теплообменника в кольцевой канал 4 между наружной и внутренней трубами холодильного агента в газообразном виде. Для снижения холодопотерь в системе охлаждения корпуса отсеков 3, 5 и кожух керноприемника 22 изготовляют из материалов с низким коэффициентом теплопроводности, например полимерных материалов, а сам керноприемник 21 - из высокотеплопроводных материалов, например из цветных металлов и их сплавов.

Все остальные узлы и детали устройства остаются стандартными, характерными для снарядов, используемых для получения качественного керна при бурении разведочных скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые. Для условий хранения и транспортировки керна и проб гидратосодержащих пород с целью проведения их исследования в специализированных лабораториях могут быть использованы стандартные термобарические контейнеры.

Способ получения качественной керновой пробы из гидратосодержащих пород заключается в спуске термогидратоотборного снаряда до глубины залегания газогидратных толщ, бурение пласта с заполнением керном керноприемного устройства. После того как керн поступает в керноприемник 21, происходит его срыв кернозахватывающим устройством 24 и удержание его в керноприемнике 21. Затем из секции со сжиженным газом 3 за счет дросселирующего устройства 14 сжиженный газ поступает в спирально-трубчатый теплообменник 18, где испаряется и выходит через герметичный канал с обратным клапаном 26 в межтрубный кольцевой канал 4, охлаждая промежуточный холодоноситель 25. Охлажденная в теплообменнике жидкость через циркуляционные каналы 20 за счет естественной конвекции начинает циркулировать в кольцевом пространстве кожухотрубной конструкции керноприемника 22, охлаждая керн в керноприемнике 21 в зависимости от естественной температуры гидратосодержащих пород до температуры в диапазоне -2°С - -10°С или в диапазоне -15°С - -25°С до проявления эффектов консервации. После охлаждения газогидратного керна его транспортируют на поверхность, извлекают из керноприемника и помещают в специальный термоконтейнер для дальнейшей транспортировки в специализированные лаборатории.