Методы исследования пород-коллекторов и флюидов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

А. К. Битнер, Е. В. Прокатень

Методы исследования 

пород-коллекторов и флюидов

Учебное пособие

Красноярск

СФУ
2018

УДК 622.276:550.81(07)
ББК 33.361-11я73

Б662

Р е ц е н з е н т ы:
А. Б. Фукс, доктор геолого-минералогических наук, главный научный 

сотрудник Всесоюзного научно-исследовательского геологического нефтяного института;

Д. И. Целюк, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий 

лабораторией промышленного техногенеза Красноярского научно-исследовательского института геологии и минерального сырья.

Битнер, А. К.

Б662
Методы исследования пород-коллекторов и флюидов : учеб. 

пособие / А. К. Битнер, Е. В. Прокатень. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2018. – 224 с.

ISBN 978-5-7638-3819-0

Изложены лабораторные, гидродинамические и геофизические методы изуче
ния физических и фильтрационных свойств пород-коллекторов и пород-неколлекторов нефти и газа. Рассмотрены способы определения пористости и проницаемости, трещиноватости, а также современные способы оценки пустотности и смачиваемости пород. Описаны технологии отбора и исследования керна, шлама.

Предназначено для студентов специальности 21.05.02.65 «Прикладная геоло
гия» специализации 21.05.02.03 «Геология нефти и газа».

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 622.276:550.81(07)
ББК 33.361-11я73

ISBN 978-5-7638-3819-0
© Сибирский федеральный университет, 2018

Для современного развития геологоразведочных работ, нефтя
ной и газовой промышленности России, и Сибири в частности, характерно усложнение технологий поисков, условий разработки нефтяных 
и газовых месторождений. Обнаружение залежей в простых антиклинальных ловушках, высокоемких коллекторах практически исчерпано. Поисковые и разведочные объекты становятся все сложнее, растет 
доля запасов в микротрещинных карбонатных и сложных низкопоровых, высокопроницаемых коллекторах. 

В целях повышения эффективности прогноза нефтегазоносности 

осадочных толщ и оптимизации поисков, разведки и разработки месторождений первостепенное значение приобретают вопросы прогнозирования качества пород коллекторов и флюидоупоров, формирующих природные резервуары. Все это обязывает будущих инженеров-геологов
осваивать навыки исследования пород-коллекторов и флюидоупоров, 
учитывать факторы, формирующие их качество, и получения фактических данных современными методами изучения природных резервуаров. 

В зависимости от стадии геологоразведочного процесса и решае
мых задач используются главным образом три группы методов: лабораторные, геофизические и гидродинамические, различающиеся набором 
показателей, характеризующих фильтрационно-емкостные свойства 
(ФЕС) пород-коллекторов и качество флюидоупоров. Перечисленные 
виды исследования пород и флюидов являются главными источниками 
информации о породах-коллекторах и флюидов, их насыщающих.

В основу курса «Методы исследования пород-коллекторов 

и флюидов» положен актуализированный фактический материал 
по технологиям изучения нефтяных и газовых месторождений в различных нефтегазоносных провинциях (НГП) России, а также обширные опубликованные отечественные разработки и результаты исследований автора, полученные при выполнении многолетних научноисследовательских и производственных работ.

Пособие необходимо студентам-геологам для изучения многих 

преподаваемых в дальнейшем дисциплин, выполнения лабораторных, 
практических и исследовательских работ.

Современные технологии отбора керна – это комплекс различ
ных технологических мероприятий, связанных с организацией работ 
по отбору и подъему керна, организации работ на скважине и обеспечению безопасной транспортировки керна.

Керн – образец (столбик) грунта, образующийся в результате коль
цевого разрушения грунта забоя скважины [22]. Керн служит основным 
материалом для изучения геологического строения разреза, является 
прямым источником и носителем информации о свойствах горных пород, обеспечивая визуальное и непосредственное их изучение. Керн используется для определения литолого-петрографического состава пород, 
физических и физико-химических характеристик, относительного и абсолютного возраста, вещественного состава горных пород и других их 
характеристик на всех стадиях геологоразведочного процесса.

Порядок отбора, привязки, хранения, движения и комплексного 

исследования керна и грунтов нефтегазовых скважин определен 
РД 39-0147716-505‒85 [72]. Аналогичный обновленный с изменениями в 2014 г. документ принят в Республике Беларусь [51].

Почти в каждой крупной нефтегазовой компании имеются внут
ренние регламентирующие документы по порядку отбора, привязки, 
хранения и комплексному исследованию керна нефтегазовых скважин, но они по своей сути аналогичны РД 39-0147716-505‒85.
В ОАО «НК “Роснефть”» действует стандарт компании № П1-01 СЦ-043, 
определяющий порядок организации отбора, транспортировки, хранения 
и комплексного исследования кернового материала [82], и Технологическая инструкция «Порядок комплексного исследования образцов и обработки результатов исследования кернового материала» [85].

За рубежом наиболее полно вопросы отбора и исследования 

керна изложены в документе API RP40, рекомендующем практические методы анализа керна [96].

По трудности отбора керна все горные породы ВНИИБТ подраз
деляются на 4 категории (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Категории горных пород по трудности отбора керна 

(по ВНИИБТ)

Категория 
трудности
Состояние горных пород
Тип горных пород

I
Монолитные, 
слаботрещи
новатые, не размываемые 
промывочной жидкостью и 
ненабухающие, 
не 
разру
шаемые вибрациями кернового инструмента

Непроницаемые 
пелитоморфные 

глинистые горные породы любой 
пористости: 
глины, 
аргиллиты, 

глинистые 
алевролиты, 
сланцы, 

плотные сцементированные песчаники

II
Среднеи низкопористые, 

перемежающиеся, слаборазмываемые 
промывочной 

жидкостью, малоразрушаемые вибрациями керноотборного инструмента

Средне- и низкопроницаемые терригенные и карбонатные кристаллические осадочные горные породы 
(песчаники, алевролиты, доломиты, 
известняки, ангидриты, каменная 
соль), изверженные и метаморфические породы, обломочные породы с низким содержанием глинистой фракции

III
Весьма трещиноватые, перемежающиеся, 
размывае
мые промывочной жидкостью, 
разрушаемые 

вибрациями кернового инструмента

Известняки перемятые, песчаники 
слабосцементированные и трещиноватые

IV
Рыхлые, перемятые и плывучие, набухающие, высокопористые, растворяющиеся в 
промывочной жидкости

Пески и известняки рыхлые, плывуны

Показателями раздробленности керна могут служить удельная 

кусковатость Kуд, характеризующая число кусков, обломков или столбиков на 1 м выхода керна, и выход керна Вк, определяемый как отношение длины полученного керна к длине пробуренного интервала. 
По сочетанию этих показателей можно более точно охарактеризовать 
макротрещиноватость керна

к
удφtg β,
W
D K

(1.1)

где Dк – диаметр керна, м; Kуд – удельная кусковатость керна, шт/м;
φ – опытный коэффициент, учитывающий степень вторичного дробления породы (для расчетов за его среднее можно принять 0,7);
β – угол встречи плоскости трещины с осью скважины, град.

Использование перечисленных критериев позволило Всероссий
скому научно-исследовательскому институту методики и техники 
разведки (ВИТР) классифицировать горные породы по трещиноватости (табл. 1.2)

Таблица 1.2

Классификация горных пород по трещиноватости 

для вращательного бурения (ВИТР)

Группа

трещинова
тости

Степень 

трещинова
тости

Критерии оценки степени 

трещиноватости горных пород

удельная 

кусковатость 

керна Kуд, 

шт/м

Вк, %

Показатель 

трещиноватости W, ед/об.

1
Монолитные
1‒5
100‒70
до 0,50

2
Слаботрещи
новатые
6‒10
90‒60
0,51‒1,00

3
Трещинова
тые
11‒30
80‒50
1,01‒2,00

4
Сильнотрещиноватые
31‒50
70‒40
2,01‒3,00

5

Весьма и исключительно 
сильнотрещи
новатые

51 и более
60‒30 и менее
3,01 и более

Объем и интервалы отбора керна зависят от стадии проводимых 

геологоразведочных работ (табл. 1.3) и степени подготовленности месторождения.

Таблица 1.3

Требования к отбору керна в скважинах различного назначения

Категория 
скважины
Объемы и интервалы отбора керна

Опорная
Сплошной отбор керна, начиная с опорного горизонта, указанного геологической службой заказчика

Параметрическая
Проходка с отбором керна в зависимости от изученности разреза и глубины скважины:
а) в неизученных и малоизученных районах – не менее 20 % 
от общей глубины скважины;
б) в районах с изученной верхней частью разреза до 4 км – не 
менее 30 % от толщины комплекса пород, подлежащих изучению, и не менее 10 % от остальной части разреза, а в скважинах

Окончание табл. 1.3

Категория 
скважины
Объемы и интервалы отбора керна

глубиной свыше 4 км – не менее 20 % от толщины комплекса 
пород, подлежащего изучению, и не менее 8 % от остальной 
части разреза;
в) в групповых скважинах, бурящихся на одном профильном 
пересечении, проходка с отбором керна может быть снижена, 
но должна составлять до глубины 4 км не менее 10 %, а в скважинах глубиной свыше 4 км – не менее 5 % от толщины комплекса пород, подлежащих изучению

Поисковая
а) на новых площадях керн отбирается в объеме 20 % от глубины буровой скважины;
б) на площадях, расположенных в изученных районах, отбор 
керна в первых буровых скважинах производится в перспективной части разреза поискового этажа в объеме 10 % от общей 
глубины буровой скважины;
в) в последующих поисковых буровых скважинах отбор керна 
ограничивается 6 – 8 % от общей глубины буровой скважины

Разведочная
Отбор керна производится в интервалах залегания продуктивных пластов в объеме не менее 6 – 8 % от общей глубины буровых скважин

Эксплуатационная
Керн берут лишь в продуктивном горизонте для его детального 
изучения, а также в маркирующих горизонтах и характерных 
контактах свит на участках расположения скважин, где тектоника и строение залежи требуют уточнения

Нагнетательные
Рекомендуется отбирать керн в интервалах залегания продуктивных или принимающих пластов, если скважины бурятся для 
депонирования отходов

В настоящее время требования к объемам отбора керна упрощены 

и допускают дифференцированный подход к отбору керна в зависимости от решаемых геологических задач [70]. На практике отбор керна регулируется геологическим заданием на объект, исполнение которого 
контролирует главный геолог предприятия недропользователя.

1.1. Организационные требования 

по отбору керна

Требования по отбору керна регламентируются в геологических 

проектах, геолого-технических нарядах на бурение скважин, технологических регламентах на бурение, а также в планах технических, технологических и организационных мероприятий. Этими документами 
регламентируются интервалы отбора керна, способ бурения, тип 

и компоновка керноотборного инструмента, параметры бурового раствора и другие параметры технологического процесса бурения, обеспечивающие получение представительного кернового материала требуемого 
качества, 
обладающего 
необходимой 
геологической 

информативностью [41, 70]. В этих же документах указываются способ транспортировки и места долгосрочного хранения керна.

1.2. Технологии отбора керна

Для получения керна используют керноотборный снаряд. Его 

опускают в скважину на бурильных трубах. Он с целью предотвращения изгиба выполняется из сверхпрочных сталей со стабилизаторами. 
Снизу к нему присоединяют породоразрушающую буровую коронку 
(победитовую или алмазную). При бурении скважин на нефть и газ 
используют специальные буровые долота, разрушающие породу 
кольцевым забоем.

Керноотборные снаряды бывают двух типов – со съёмными и ста
ционарными приемниками керна. Керноотборный снаряд состоит из нескольких секций длиной 8 м, что позволяет отбирать керн значительной 
длины за один рейс (до 24 м). В зависимости от типа снаряда получают 
керн разного диаметра и длины. При бурении на нефть и газ используются роторные керноотборные снаряды типа «Недра», «Кембрий» 
и другие турбинные керноотборные устройства, а также устройства 
керноотборные изолирующие модернизированные (КИМ). Они обеспечивают отбор керна повышенной информативности: керн извлекается 
без техногенных деформаций с сохраненной структурой и текстурой, 
с максимально возможным сохранением пластового флюидонасыщения. Наибольшее распространение имеют керноотборные устройства 
ОАО НПО «Буровая техника» – ВНИИБТ (табл. 1.4).

Выбуренный керн выносится на поверхность буровым раство
ром или сжатым воздухом (газом), нагнетаемым в скважину, и поступает в керноприемник (колонковую трубу), которая для геологоразведочного бурения изготавливается согласно ГОСТ Р 51682‒2000.

Периодически (через 0,5‒6,0 м и более) после заклинивания, 

керн отрывают от забоя и поднимают на поверхность вместе с колонковым снарядом. На поверхности его извлекают из колонковой трубы. 
Для предотвращения разрушения керна при спуске со стола ротора 
на приемные мостки современные сервисные компании используют
укладочную раму (рис. 1.1).

Таблица 1.4

Номенклатурный ряд керноотборных устройств

Диаметр 

скважины, мм

Серия комплекса керноотборного инструмента

Недра
Кембрий
Силур
Тенгиз

138,1‒139,7
УКР-122/52
УКР-122/67
УКР-127/67
УКР-114/52

158,7‒165,1
УКР-138/67

187,3‒190,5
УКР-164/80
УКР-172/100
УКР-146/80

212,7‒215,9
УКР-164/80
УКР-172/100
УКР-146/80
УКР-185/100

269,9‒311,1
УКР-203/100
УКР-240/100

Рис. 1.1. Вид укладочной рамы РСТ-6000 компании «Буринтех» 

для спуска керна со стола ротора [41]

Извлечение керна из бурового снаряда осуществляется, как пра
вило, работниками буровой бригады в присутствии геолога. Первоначально керн раскладывают прямо на буровой площадке (рис. 1.2).
Первичную раскладку проводят с целью очистки, а при неоходимости 
и отмывки от буровой жидкости.

После чего керн укладывают в специальные керноприемные 

ящики или на землю в строгой последовательности с его извлечением 
из колонковой трубы. Интервалы, из которых поднят керн, разделяют 
деревянными брусками. Одновременно на разделителях или этикетках подписывают первичную информацию (глубина отбора, проходка 
и выход керна). Мелкие кусочки и обломки керна помещают в специальные пробные мешочки и укладывают в ящики в той же последовательности, что и керн.

В интервале глубин, где керн не получен, в ящик укладывают 

этикетку с указанием интервала отсутствия керна.

Рис. 1.2. Первичная раскладка керна на буровой [49]

Сохранность керна оценивается его линейным выходом – про
центным отношением суммарной длины поднятого керна к длине пробуренного интервала. Доля керна при сплошном отборе может достигать 70–80 %. При бурении снарядами серии КИМ выход керна 
составляет 90 % и более. Использование специальных методов отбора
позволяет производить 100 %-й отбор керна даже в трещинных породах, что в настоящее время успешно выполняется для рифейских коллекторов в Юрубчено-Тохомской зоне. К специальным методам извлечения керна относится отбор герметизированного керна. Для решения 
специализированных задач отбирается ориентированный керн.

1.3. Отбор ориентированного керна

Отбор керна, ориентированного в отношении стран света, позволя
ет установить элементы залегания горных пород на любой глубине.

Ориентированным керном называется керн, на поверхности ко
торого зафиксировано положение относительной условной или географической системы координат (рис. 1.3). В России массовый отбор 
ориентированного керна выполняет компания «Интервал» и др.

Известно несколько методов ориентированного извлечения кер
на. Для этой цели применяются специальные скважинные устройства. 
Ориентация керна достигается при помощи специального чертящего 
башмака, расположенного ниже кернорвателя. Башмак выполняет 
на керне три насечки. Одна насечка служит для идентификации, две 
другие расположены от нее под углом 135° по окружности поперечного сечения керна (рис. 1.3).