Metody uzupełniające

Rdzeniowanie klasyczne, w którym uzyskuje się dużą cylindryczną próbkę skały jest niepodważalnie najlepszą metodą pozyskiwania cennych danych geologicznych. Jednakże jest to metoda czasochłonna, wymagająca dobrego nadzoru geologicznego, a co za tym idzie bardzo kosztowna, szczególnie w przypadku głębokich wierceń.

Alternatywę dla klasycznego rdzeniowania stanowi rdzeniowanie boczne, polegające na pobraniu małej cylindrycznej próbki skały ze ściany odwierconego wcześniej otworu. Metoda ta pozwala na precyzyjne wyznaczenie miejsca poboru próbki po przeanalizowaniu profili geofizycznych, a także powrót do wcześniej pominiętych podczas klasycznego rdzeniowania perspektywicznych interwałów i ich zbadanie. Stosuje się ją również jako uzupełnienie w przypadku słabych wyników rdzeniowania klasycznego.

Początek rdzeniowania bocznego datuje się na rok 1928 [82]. Pierwszą metodą były narzędzia mechaniczne zapuszczane na kablu, pozwalające na uzyskanie jednej próbki. Rozwój kolejnej generacji narzędzi zapoczątkowało zastosowanie kabla

elektrycznego (koniec lat 30 - tych XX w.). Były to rdzeniówki boczne udarowe (rys. 2.36), których zasada działania polega na wystrzeleniu z duża prędkością cylindra z korpusu narzędzia w kierunku ściany otworu. Po wycięciu próbki wciąga się cylinder do rdzeniówki za pomocą stalowych linek. Podstawowym ograniczeniem stosowania tych narzędzi jest litologia. Cylinder w kontakcie z twardą skałą może ulec zniszczeniu, dlatego też metoda ta stosowana jest do poboru próbek ze skał zwięzłych, miękkich i średniotwardych. Uzyskiwane próbki często mają zaburzoną strukturę ze względu na inwazyjny proces wystrzeliwania cylindrów, co ogranicza możliwość dokładnego określenia porowatości, przepuszczalności oraz przeprowadzenia innych analiz.

Dodatkowo zastosowanie ładunków wybuchowych zwiększa komplikacje związane z logistyką i może być zakazane w niektórych rejonach.

Rdzeniówki boczne udarowe, mimo swoich wad, z powodzeniem są stosowane do dziś z pewnymi modyfikacjami dotyczącymi kształtu korpusów, cylindrów oraz typu

ładunku wybuchowego. Nowoczesne rozwiązania pozwalają na uzyskanie do 144 próbek (SWCTM Halliburton) podczas jednego marszu [45].

Problem niskiej jakości rdzenia został rozwiązany poprzez skonstruowanie rdzeniówki bocznej obrotowej (rys. 2.37) w roku 1979 [82]. Początkowo były to rdzeniówki z napędzanymi hydraulicznie koronkami diamentowymi, które były w stanie odwiercić i zmagazynować 8 próbek. Rozwiązania tego typu zostały komercyjnie rozwinięte na początku lat 80 - tych XX wieku pozwalając na uzyskanie 12 próbek.

Rys. 2.37. Zestaw do rdzeniowania bocznego obrotowego RSCT (Weatherford). [49]

Pierwszą fazę poboru próbek stanowi zapuszczenie zestawu do otworu na kablu wysokonapięciowym służącym do przesyłu informacji oraz zasilania silników

elektrycznych i sond geofizycznych. Zestaw wyposażony jest w standardowe sondy, w tym źródło promieniowania gamma. Dane z aktualnie prowadzonego pomiaru są

porównywane z wcześniej przeprowadzonymi profilami, w celu dokładnego zlokalizowania miejsca pobrania próbki.

Po ustaleniu głębokości poboru próbki narzędzie jest stabilizowane w otworze za pomocą ramienia rozpieranego siłownikiem hydraulicznym. Zapobiega to poruszaniu się korpusu narzędzia podczas odwiercania próbki, co mogłoby uszkodzić lub zaklinować narzędzie w otworze. Ograniczeniem stosowania tego typu narzędzi jest stan techniczny otworu. Poprawny proces rdzeniowania wymaga ok. 2,25 m gładkiej i jednorodnej pod względem średnicy ściany otworu aby zapewnić efektywną stabilizację narzędzia.

Kolejną fazą jest odwiercenie próbki. Rdzeniówka boczna obrotowa wyposażona jest w koronkę diamentową napędzaną silnikiem hydraulicznym lub w nowszych rozwiązaniach silnikiem elektrycznym. Wymiary zewnętrzne narzędzi determinowane są

średnicą otworu. Średnica korpusu wynosi 4 - 5", umożliwiając prace w otworze

o średnicy 5 7/8 do 17" [42]. Silniki hydrauliczne montowane są poziomo, w jednej osi za cylindrem z koronką rdzeniową. Ogranicza to zarówno maksymalną długość próbki do 2", jak i jej średnicę do 1" a osiągane prędkości obrotowe wynoszą do 2000 obr/min. Inną wadą jest zależność sprawności systemu hydraulicznego od temperatury. Wiąże się to z właściwością oleju, który w wysokich temperaturach traci lepkość, ograniczając zakres temperaturowy pracy (dla oleju) od 90^oC do 204^oC przy ciśnieniu do 172 MPa. Nowoczesne silniki elektryczne umieszczane są poziomo a moc jest przenoszona za pomocą elastycznych wałów. Pozwala to na zwiększenie ich wymiarów a co za tym idzie ich mocy (prędkość do 4000 obr/min [82]) oraz wielkości uzyskiwanych próbek (1,5" w rdzeniówkach MaxCore^TM Backer Hughes [42]). Czas pozyskiwania jednej próbki wynosi od 1 do 5 min w zależności od parametrów wytrzymałościowych skały. [28]

Sterowanie poszczególnymi komponentami odbywa się z panelu z powierzchni, a sygnał przenoszony jest przez kabel do modułu elektronicznego w korpusie narzędzia.

Po odwierceniu próbki jest ona odspajana od calizny, wyciskana tłoczkiem z cylindra i przenoszona do pojemnika magazynowego znajdującego się w dolnej części narzędzia. Pojemnik ten jest głównym elementem determinującym ilość pobieranych próbek. W najnowszych rozwiązaniach stosuję się magazynki obrotowe (rys. 2.38) działające na zasadzie "karuzeli". Po wypełnieniu jednej pionowej sekcji, zespół magazynowy obraca się o pewien kąt, otwierając kolejny magazynek i umożliwiając zmagazynowanie, w zależności od konfiguracji narzędzia, łącznie od 30 do 60 próbek [45]. Ponadto w celu ułatwienia identyfikacji poszczególnych próbek są one mierzone lub separowane metalowymi wkładkami lub kulami.

Rys.2.38. Pojemnik magazynowy obrotowy. [82]

Rdzeniówki boczne ze względu na wysokie koszty eksploatacji, są stosunkowo rzadko używane, a ich podstawową zaletą jest pozyskiwanie próbek o nienaruszonej strukturze skały, z dokładnie wybranego punktu w otworze.

Trzecią grupę rdzeniówek bocznych stanowią rdzeniówki wciskane za pomocą siłowników gazowych. Jest to najmniej rozpowszechniony typ, którego zasada działania podobna jest do rdzeniówek udarowych. Po orientacji aparatu w otworze pojemniki na próbki są wciskane w skałę za pomocą zestawu siłowników gazowych. Eliminuje to stosowanie inwazyjnych ładunków wybuchowych. Gaz podawany jest do siłowników aż do ich pełnego zagłębienia w ścianę, następnie odpuszczany, a ruch powrotny pełnych cylindrów do korpusu narzędzia wspomagany jest sprężynami.

W porównaniu z rdzeniówkami udarowymi, uzyskiwane próbki nie są naruszone strukturalnie, a jednoczesny pobór 6 próbek daje większa możliwość oceny zróżnicowania skał oraz zwiększa wiarygodność pobranej próby. Główną wadą jest

konieczność wielokrotnego zapuszczania zestawu do otworu, oddzielnie dla każdego interwału.

Obecnie nie ma skutecznej metody poboru próbek ze skał nieskonsolidowanych.

Próby rdzeniowania bocznego przy pomocy zarówno rdzeniówek udarowych, jak i obrotowych prowadzą do uszkodzenia struktury rdzenia oraz bardzo małych uzysków.

Rozwiązanie tego problemu zaproponował Maharashta Institute of Technology poprzez zamrażanie miejsca poboru próbki (in-situ), w celu zwiększenia jej

wytrzymałości. Laboratoryjne testy [86] wykazały znaczne zwiększenie zwięzłości i wytrzymałości skał umożliwiające pobór próbek przez konwencjonalne narzędzia do

rdzeniowania bocznego. Ponadto technologia ta umożliwia pobór formacji szczelinowatych z zachowaniem systemu spękań w nienaruszonym stanie, konsolidację sypkich piasków oraz zapobieganie ekspansji gazu, która niszczy próbki.

Koncepcja narzędzia do zamrażania i poboru próbek przedstawiona jest na

rysunku 2.39. Jest to konstrukcja oparta na standardowej rdzeniówce bocznej z dodatkowym zbiornikiem na czynnik mrożący, systemem kanałów, zaworów i dysz.

Jako czynnik mrożący zaproponowano azot, który kierowany jest poprzez dysze bezpośrednio w miejsce, w którym chcemy pobrać rdzeń, przy czym czas mrożenia zależy od warunków otworowych, typu litologicznego oraz medium złożowego. Po zamrożeniu warstwy równej długości cylindra na próbki pobiera się rdzeń, zabezpiecza się go i wyciąga na powierzchnię.

Rys. 2.39. Zasada działania aparatu rdzeniowego bocznego z zamrażaniem próbek in-situ. [86]

Pewną alternatywą dla wierceń rdzeniowych klasycznych i bocznych może być

mikrordzeniowanie. Metoda ta została opracowana przez Diamant Drilling Service z Total S.A. [8], aby rozwiązać problem braku informacji geologicznych podczas

wiercenia głębokich otworów w warunkach HTHP.

Duże głębokości wiążą się z dużą kompakcją skał, a tym samym z małymi postępami wiercenia, co przy zastosowaniu świdrów diamentowych i PDC sprawia, że uzyskiwane próbki okruchowe są bardzo małe (0,02 - 0,2 mm), niedające możliwości jakichkolwiek analiz geologicznych. Ponadto wysoka temperatura i ciśnienie uniemożliwiają zastosowanie aparatury NWD i LWD.

Aby uzyskać próbki geologiczne należałoby przeprowadzić rdzeniowanie, które wiąże się z dodatkowymi kosztami. Nową alternatywę stanowi świder do mikrordzeniowania (rys. 2.40). Jest to klasyczny świder PDC lub diamentowy impregnowany z otworem w centralnej części narzędzia, umożliwiającym odwiercenie

mikrordzenia. Generują one cylindryczne próbki (mikrordzenie) o średnicy 10 - 40 mm i długości 30 mm w zależności od średnicy narzędzia [8]. Struktura tnąca świdra jest tak

skonstruowana, aby pozostawić nienaruszoną kolumnę skały. Po osiągnięciu odpowiedniej długości (zazwyczaj ok 30 mm) wewnątrz korpusu świdra rdzeń zostaje odłamany, wyniesiony strumieniem płuczki przez kanał, a następnie przestrzenią pierścieniową na powierzchnie, gdzie jest on odzyskiwany na sitach wibracyjnych (rys. 2.41).

Rys. 2.41. Zasada działania świdra do mikrordzeniowania: 1) odwiercenie rdzenia; 2) odłamanie rdzenia przez element oporowy; 3) transport próbki kanałem

w korpusie koronki w kierunku przestrzeni pierścieniowej. [9]

Średnica próbki uzależniona jest również od zestawu dolnej części przewodu

wiertniczego (wymiary przestrzeni pierścieniowej). Ponadto część próbek zostaje skruszona przez stabilizatory, może osiąść w kawernach lub zostać niewyłapana na sitach wibracyjnych. Mimo tych wad, testy terenowe [8] wykazały, iż można uzyskać próbki nawet z głębokości ponad 4100 m. Poza mikrordzeniami zyskano wiele dużych odłamków skalnych przydatnych do podstawowych analiz geologicznych.