Образцы керна: получение, анализ и сохранение целостности

Введение

Цилиндрический образец (обычно) природного вещества.

Образец керна – это цилиндрический образец (обычно) природного вещества. Большинство образцов керна получают путем бурения специальными бурами в вещество, такое как осадочные породы или горные породы, с использованием полых стальных труб, называемых керноотборниками. Отверстие, сделанное для отбора образца керна, называется «керновым шпуром». Существует множество типов керноотборников для отбора проб из различных сред в разных условиях, и технология постоянно совершенствуется. В процессе отбора керна образец попадает в трубу более или менее в неизменном виде. После извлечения из трубы в лаборатории он подвергается осмотру и анализу с использованием различных методов и оборудования в зависимости от требуемых данных. Образцы керна могут быть взяты для определения свойств искусственных материалов, таких как бетон, керамика, некоторые металлы и сплавы, особенно более мягкие. Образцы керна также могут быть взяты из живых организмов, включая людей, например, костей для микроскопического исследования с целью диагностики заболеваний.

Управление ядрами и данными

Хотя часто упускается из виду, образцы керна всегда в той или иной степени деградируют в процессе отбора керна, его обработки и изучения. Все более распространенными становятся неразрушающие методы, например, использование МРТ-сканирования для характеристики зерен, порных флюидов, порного пространства (пористости) и их взаимодействий (которые являются частью проницаемости), но такая дорогостоящая точность, вероятно, будет потрачена впустую на керн, который трясли в грузовике без подвески на протяжении 300 км грунтовой дороги. То, что происходит с керном между оборудованием для отбора и конечной лабораторией (или архивом), часто является пренебрегаемой частью учета и управления керном. Керн признан важным источником данных, и все больше внимания уделяется предотвращению его повреждения на различных этапах транспортировки и анализа. Обычно это достигается путем полного замораживания керна жидким азотом, который относительно дешев. В некоторых случаях для сохранения и амортизации керна также используются специальные полимеры. Равноценно, образец керна, который нельзя связать с его контекстом (местом, где он находился до того, как стал образцом керна), теряет значительную часть своей ценности. Идентификация скважины, а также положение и ориентация ("верх") керна в скважине имеют решающее значение, даже если скважина проходит через ствол дерева – дендрохронологи всегда стараются включить в свои образцы кору, чтобы однозначно определить дату последнего роста дерева. Если эти данные отделены от образцов керна, их, как правило, невозможно восстановить. Стоимость отбора керна может варьироваться от нескольких денежных единиц (для образца, отобранного вручную из мягкого грунта) до десятков миллионов денежных единиц (для боковых образцов из удаленной морской скважины на глубине нескольких километров). Недостаточная фиксация таких основных данных привела к потере полезности обоих типов керна. Различные дисциплины имеют различные местные правила фиксации этих данных, и пользователю следует ознакомиться с правилами, принятыми в его области. Например, в нефтегазовой отрасли ориентация керна обычно фиксируется нанесением на керн двух продольных цветных полос, при этом красная полоса находится справа при извлечении и маркировке керна на поверхности. Керны, отобранные для добычи полезных ископаемых, могут иметь свои собственные, отличные правила. В гражданском строительстве или при изучении грунтов могут быть свои собственные, отличные правила, поскольку материалы часто недостаточно прочны для нанесения постоянных отметок. Все чаще образцы керна хранятся в цилиндрической упаковке, которая является частью оборудования для отбора керна, и отметки делаются на этих "внутренних стволах" в полевых условиях перед дальнейшей обработкой и анализом в лаборатории. Иногда керн доставляется с поля в лабораторию в той длине, в которой он был извлечен из земли; в других случаях он разрезается на стандартные длины (5 м, 1 м или 3 фута) для транспортировки, а затем собирается заново в лаборатории. Некоторые системы "внутренних стволов" могут быть перевернуты относительно образца керна, так что в лаборатории при сборке керна образец оказывается "неправильно ориентированным". Это может усложнить интерпретацию. Если в скважине проводились петрофизические измерения стенок скважины, и эти измерения повторяются по всей длине керна, то при сопоставлении двух наборов данных почти всегда можно обнаружить, что глубина "записи" для конкретного фрагмента керна отличается в зависимости от метода измерения. Выбор, каким набору измерений доверять, становится вопросом политики для заказчика (в промышленной среде) или предметом серьезных споров (в условиях отсутствия вышестоящего органа). Фиксация расхождений, независимо от причины, сохраняет возможность исправления неправильного решения в будущем; уничтожение "неправильных" данных о глубине делает невозможным исправление ошибки в дальнейшем. Любая система хранения и архивирования данных и образцов керна должна быть разработана таким образом, чтобы можно было сохранить альтернативные точки зрения. Если образцы керна из кампании достаточно прочны, обычной практикой является их "разрезание" – продольный разрез образца на две или более части – на ранних этапах лабораторной обработки, чтобы один набор образцов можно было заархивировать на ранней стадии анализа в качестве защиты от ошибок обработки. Распиливание керна на части в соотношении 2/3 и 1/3 является распространенной практикой. Также распространено, чтобы один набор образцов оставался у основного заказчика, а второй набор передавался правительству (которое часто устанавливает условие о таком пожертвовании как условие лицензирования на разведку/разработку). Разрезание керна также позволяет подготовить плоскую, гладкую поверхность для изучения и тестирования профильной проницаемости, с которой гораздо легче работать, чем с обычно шероховатой, изогнутой поверхностью образцов керна сразу после отбора. Фотографирование необработанных и разрезанных поверхностей керна является обычной практикой, часто при естественном и ультрафиолетовом освещении. Единица длины, иногда используемая в литературе по кернам со дна моря, – смбг (centimeters below seafloor), аббревиатура от сантиметров ниже дна моря.

Although often neglected, core samples always degrade to some degree in the process of cutting the core, handling it, and studying it. Non destructive techniques are increasingly common, e. g., the use of MRI scanning to characterize grains, pore fluids, pore spaces (porosity) and their interactions (constituting part of permeability) but such expensive subtlety is likely wasted on a core that has been shaken on an unsprung lorry for 300 km of dirt road. What happens to cores between the retrieval equipment and the final laboratory (or archive) is an often neglected part of record keeping and core management. Coring has come to be recognized as an important source of data, and more attention and care is being put on preventing damage to the core during various stages of it transportation and analysis. The usual way to do this is to freeze the core completely using liquid nitrogen, which is cheaply sourced. In some cases, special polymers are also used to preserve and seat/cushion the core from damage. Equally, a core sample which cannot be related to its context (where it was before it became a core sample) has lost much of its benefit. The identification of the borehole, and the position and orientation ("way up") of the core in the borehole is critical, even if the borehole is in a tree trunk – dendrochronologists always try to include a bark surface in their samples so that the date of most recent growth of the tree can be unambiguously determined. If these data become separated from core samples, it is generally impossible to regain that data. The cost of a coring operation can vary from a few currency units (for a hand caught core from a soft soil section) to tens of millions of currency units (for sidewall cores from a remote area offshore borehole many kilometres deep). Inadequate recording of such basic data has ruined the utility of both types of core. Different disciplines have different local conventions of recording these data, and the user should familiarize themselves with their area's conventions. For example, in the oil industry, orientation of the core is typically recorded by marking the core with two longitudinal colour streaks, with the red one on the right when the core is being retrieved and marked at surface. Cores cut for mineral mining may have their own, different, conventions. Civil engineering or soil studies may have their own, different, conventions as their materials are often not competent enough to make permanent marks on. It is becoming increasingly common to retain core samples in cylindrical packaging which forms part of the core cutting equipment, and to make the marks of record on these "inner barrels" in the field prior to further processing and analysis in the laboratory. Sometimes core is shipped from the field to the laboratory in as long a length as it comes out of the ground; other times it is cut into standard lengths (5m or 1m or 3 ft) for shipping, then reassembled in the laboratory. Some of the "inner barrel" systems are capable of being reversed on the core sample, so that in the laboratory the sample goes "wrong way up" when the core is reassembled. This can complicate interpretation. If the borehole has petrophysical measurements made of the wall rocks, and these measurements are repeated along the length of the core then the two data sets correlated, one will almost universally find that the depth "of record" for a particular piece of core differs between the two methods of measurement. Which set of measurements to believe then becomes a matter of policy for the client (in an industrial setting) or of great controversy (in a context without an overriding authority). Recording that there are discrepancies, for whatever reason, retains the possibility of correcting an incorrect decision at a later date ; destroying the "incorrect" depth data makes it impossible to correct a mistake later. Any system for retaining and archiving data and core samples needs to be designed so that dissenting opinion like this can be retained. If core samples from a campaign are competent, it is common practice to "slab" them – cut the sample into two or more samples longitudinally – quite early in laboratory processing so that one set of samples can be archived early in the analysis sequence as a protection against errors in processing. "Slabbing" the core into a 2/3 and a 1/3 set is common. It is also common for one set to be retained by the main customer while the second set goes to the government (who often impose a condition for such donation as a condition of exploration/ exploitation licensing). "Slabbing" also has the benefit of preparing a flat, smooth surface for examination and testing of profile permeability, which is very much easier to work with than the typically rough, curved surface of core samples when they're fresh from the coring equipment. Photography of raw and "slabbed" core surfaces is routine, often under both natural and ultra violet light. A unit of length occasionally used in the literature on seabed cores is cmbsf, an abbreviation for centimeters below sea floor.

История корнеобразования

Техника отбора кернов возникла задолго до попыток проникнуть в мантию Земли в рамках программы глубоководного бурения. Быстрая ценность получения кернов с обширных участков морского дна для изучения океанической и другой геологической истории вскоре стала очевидной. Отбор кернов многими научными и разведочными организациями быстро расширился. На сегодняшний день собраны сотни тысяч образцов кернов со дна всех океанов планеты и многих внутренних водоемов. Доступ к многим из этих образцов облегчается благодаря Индексу морских и озерных геологических образцов.

Информационное значение проб

Бурение началось как метод отбора проб в окрестностях месторождений руды и при разведке нефти. Вскоре оно распространилось на океаны, озера, лед, ил, почву и древесину. Образцы керна, взятые из очень старых деревьев, предоставляют информацию об их годичных кольцах, не повреждая дерево. Керны указывают на изменения климата, видов и осадочного состава на протяжении геологической истории. Динамические процессы на поверхности Земли в основном цикличны по различным параметрам, особенно в отношении температуры и количества осадков. Существует множество способов датировки керна. После датировки керн предоставляет ценную информацию об изменениях климата и рельефа. Например, керны, извлеченные из океанического дна, почвы и льда, полностью изменили представления о геологической истории плейстоцена.

Альтернативы

Бурение с обратной циркуляцией – это метод, при котором шлам (выбуренная порода) непрерывно извлекается через полый буровой стержень и может быть отобрана для анализа. Этот метод может быть быстрее и требовать меньше воды, чем отбор керна, но не позволяет получить керн с относительно неповрежденной структурой, поэтому анализ керна дает меньше информации о структуре породы. При использовании сжатого воздуха для выноса шлама образец остается незагрязненным, становится доступным практически сразу, а метод оказывает незначительное воздействие на окружающую среду.