Wiertnictwo;

Wiertnictwo;

Wiertnictwo;

Wiertnictwo;

Obciążanie płuczki wiertniczej

Obciążanie płuczki wiertniczej

Przygotował:

Albert

Złotkowski

Kraków, 2010

Wstęp

Płuczka wiertnicza wywiera istotny wpływ na wszystkie operacje

technologiczne w czasie wiercenia otworów i dowiercania złóż ropy

technologiczne w czasie wiercenia otworów i dowiercania złóż ropy
naftowej i gazu ziemnego. Płuczka wiertnicza w otworze powinna
spełniać obecnie wiele zadań, mających związek z jej określonymi
właściwościami. Wyróżnia się następujące zadania płuczek:

Zadania płuczki wiertniczej

• Oczyszczanie dna otworu ze zwiercin i ich transport na

powierzchnię,

• Równoważenie ciśnienia górotworu i kontrola ciśnienia złożowego,

• Utrzymywanie stałych komponentów płuczki i zwiercin w stanie

zawieszenia w czasie przerw w krążeniu płuczki i łatwe oddzielanie

zawieszenia w czasie przerw w krążeniu płuczki i łatwe oddzielanie
zwiercin w systemie oczyszczania,

• Minimalizacja uszkodzenia przepuszczalności złóż produktywnych

w strefie przyotworowej i zabezpieczenie prawidłowej ochrony
złoża,

• Utrzymanie stabilności ściany otworu,

Zadania płuczki wiertniczej

• Chłodzenie, smarowanie i wpływ na obniżenie ciężaru przewodu

wiertniczego,

• Przenoszenie energii hydraulicznej na świder,

• Kontrola korozji,

• Przyczynianie się do skutecznego cementowania oraz udostępnienia

• Przyczynianie się do skutecznego cementowania oraz udostępnienia

złoża,

• Minimalizowanie szkodliwego wpływu na środowisko naturalne.

Regulacja gęstości płuczki wiertniczej

Celem regulacji ciśnienia hydrostatycznego przeciwdziałającego

ciśnieniu złożowemu i geostatycznemu do płuczki wiertniczej dodaje

ciśnieniu złożowemu i geostatycznemu do płuczki wiertniczej dodaje
się materiałów obciążających. Proces ten nazywa się procesem

regulacji gęstości płuczki wiertniczej

.

Podział materiałów obciążających

Gęstość

materiału

obciążającego

jest

jednym

z

głównych

wskaźników jego jakości, gdyż od wartości gęstości uzależniona jest

zawartość fazy stałej w płuczce wiertniczej, jej właściwości reologiczne

zawartość fazy stałej w płuczce wiertniczej, jej właściwości reologiczne

oraz wskaźniki wiercenia otworu.

W zależności od gęstości, materiały obciążające dzielą się na 3

grupy:

Podział materiałów obciążających

a) materiały o małej gęstości (2,6 – 2,9 Mg/m

3

), do których należą

węglanowe materiały obciążające, takie jak: wapień, kreda, margiel,

marmur i inne;

b) materiały o średniej gęstości (3,8 – 5,0 Mg/m

3

), do których zaliczane

są: baryt, ilmenit, koncentraty rud żelaza o zawartości żelaza 45 – 55%

i inne;

c) materiały o dużej gęstości (5,0 – 7,0 Mg/m

3

), takie jak: koncentraty

rud ołowiowych, magnetyt i hematyt o zawartości żelaza ponad 70%,

rudy żelazowo-arsenowe i inne.

Właściwości materiałów obciążających

Materiały obciążające o niskiej gęstości (grupa a) charakteryzują się

stosunkowo niewielkim działaniem strukturotwórczym na płuczki
wiertnicze, w związku z czym ich zawartość w płuczce może być duża.
Przy ich dużej koncentracji zwiększa się jednak znacznie objętość
obciążanej płuczki, a uzyskiwane wartości gęstości nie przekraczają
1,4 – 1,5 Mg/m

3

.

Materiały zaliczane do drugiej grupy są podstawowymi materiałami

obciążającymi, umożliwiającymi osiągnięcie gęstości płuczki do 2,2 –
2,3 Mg/m

3

. Większe wartości gęstości płuczki wiertniczej (w granicach

2,5 – 2,6 Mg/m

3

) mogą być uzyskiwane tylko za pomocą materiałów

z grupy trzeciej, np. hematytu.

Właściwości materiałów obciążających

Skład chemiczny materiału obciążającego warunkuje jego obojętność

wobec płuczki wiertniczej. Materiał obciążający nie powinien ulegać
rozpuszczeniu pod wpływem fazy wodnej płuczki, nawet w warunkach
wysokich temperatury.

Chemiczna obojętność materiału obciążającego w stosunku do

płuczki wiertniczej uzależniona jest od domieszek. Niepożądanymi
domieszkami mogą być rozpuszczone w wodzie sole, materiał ilasty,
skały węglanowe, krzemionka i inne nieodporne chemiczne i termiczne
składniki, jak siarczki, węglany żelaza, manganu, wapnia, magnezu,
i inne.

Charakterystyka materiałów obciążających

Tabela 1. Charakterystyka materiałów obciążających stosowanych do płuczek wiertniczych

MATERIAŁ OBCIĄŻAJĄCY

CHARAKTERYSTYKA

1. Baryt BaSO

4

Gęstość – 4,48 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 3,0 – 3,5

2. Sproszkowane rudy żelaza

a)Hematyt Fe

2

O

3

b)Magnetyt Fe

3

O

4

a) Gęstość – 5,3 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 5,5 – 6,0

b)Magnetyt Fe

3

O

4

c)Syderyt FeCo

3

d)Ilmenit FeTiO

3

Twardość wg skali Mohsa – 5,5 – 6,0

b) Gęstość – 4,9 – 5,2 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 5,5 – 6,0

c) Gęstość – 3,9 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 3,5 – 4,5

d) Gęstość – 4,58 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 5,0 – 6,0

3. Galena PbS

Gęstość – 7,4 – 7,6 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 2,0 – 3,0

4. Węglanowe materiały obciążające
a)Kreda
b)Wapień
c)Marmur
d)Dolomit

a) Gęstość – 2,7 Mg/m

3

b) Gęstość – 2,7 – 2,9 Mg/m

3

c) Gęstość – 3,0 Mg/m

3

d) Gęstość – 2,8 – 2,9 Mg/m

3

Zadanie 1

2000

2250

2500

2750

3000

g

ę

sto

ść

płuczki po

obci

ąż

eniu [kg/m3

]

1000

1250

1500

1750

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

m asa dodanego m ateiału obci

ąż

aj

ą

cego [kg]

kreda

baryt

hematyt

Baryt BaSO

4

Baryt jest najbardziej rozpowszechnionym materiałem stosowanym

do obciążania płuczek wiertniczych. Jest on minerałem o budowie
krystalicznej; występuje w przyrodzie jako bezwonny siarczan baru
(BaSO

4

), najczęściej z różnymi domieszkami (krzemionka, łupek,

dolomit i inne). W czystej postaci baryt ma gęstość 4,48 Mg/m

3

i twardość w skali Mohsa 3,0 – 3,5. Po zmieleniu otrzymywany jest

i twardość w skali Mohsa 3,0 – 3,5. Po zmieleniu otrzymywany jest
proszek koloru białego, szarego, zielonkawego, czerwonego, brunatnego
lub czarnego.

W zależności od warunków złożowych baryt wydobywany jest

sposobem odkrywkowym (złoża barytowo-ilaste, barytowo-łupkowe,
złoża warstwowe) lub metodami górnictwa podziemnego (złoża żyłowe).

Baryt

Rudy barytowe poddawane są przeróbce mechanicznej w celu

uzyskania materiału obciążającego o wysokiej gęstości i wymaganym

stopniu rozdrobnienia. Rudy o dużej zawartości siarczanu baru

(powyżej 80% BaSO

4

) są często mielone w stanie surowym, bez

uprzedniego wzbogacenia. Baryt mielony, surowy ma gęstość od 3,7

uprzedniego wzbogacenia. Baryt mielony, surowy ma gęstość od 3,7

do 3,9 Mg/m

3

, rzadziej 4 Mg/m

3

. Rudy o mniejszych zawartościach

siarczanu baru poddawane są wzbogacaniu grawitacyjnemu w celu

oddzielenia skał płonnych i następnie mielone lub też są wzbogacane

flotacyjnie.

Baryt

W porównaniu z innymi materiałami obciążającymi, głównymi

zaletami barytu z punktu widzenia technologii płuczkowej są:

stosunkowo duża gęstość, obojętność chemiczna wobec innych

składników płuczki wiertniczej, mała abrazywność w odniesieniu do

elementów obiegu płuczkowego (pompy płuczkowe, przewód

elementów obiegu płuczkowego (pompy płuczkowe, przewód

wiertniczy, łożyska świdra i inne), możliwość przemiału do

wymaganego

składu

granulometrycznego,

nieszkodliwość

dla

ś

rodowiska przyrodniczego i zdrowia człowieka, dostępność w kraju.

Baryt

Baryt

może

być

stosowany

jako

materiał

obciążający

w dowolnych warunkach geologicznych, gdyż jest on odporny na
wszelkie skażenia chemiczne, a także na wysokie temperatury. Nie
reaguje z iłem jak również z solami.

reaguje z iłem jak również z solami.

Wymagania odnoszące się do barytu przeznaczonego do

obciążania płuczek wiertniczych określają normy API i OCMA,
dotyczą najczęściej gęstości, stopnia rozdrobnienia, zawartości
części rozpuszczalnych w wodzie i niekiedy wodnej zawiesiny.

Sproszkowane rudy metali

Wprowadzenie na szeroką skalę barytu do technologii płuczek

wiertniczych przyczyniło się do spadku znaczenia sproszkowanych
tlenków żelaza jako materiałów obciążających. Stosowanie tlenków
ż

elaza ogranicza się do przypadków, gdy płuczka wiertnicza narażona

jest na działanie siarkowodoru i istnieje konieczność jego neutralizacji
z równoczesnym zwiększaniem gęstości. W porównaniu z barytem,

z równoczesnym zwiększaniem gęstości. W porównaniu z barytem,
rudy żelaza rozpatrywane jako materiały obciążające do płuczek
wiertniczych mają szereg wad. Podstawową wadą jest zwiększone
działanie ścierne na dysze świdrów, rury płuczkowe i inne elementy
układu cyrkulacyjnego, które jest spowodowane dużą twardością rud.

Sproszkowane rudy metali

Twardość magnetytu i hematytu według skali Mohsa jest 1,5-2

razy większa od twardości barytu, a mikrotwardość 4 razy większa.
Wysoka twardość i mikrotwardość, ostrokrawędziste kształty cząstek,
bruzdkowana ich powierzchnia powodują, że tlenki żelaza szlifują
powierzchnie metalowe znacznie szybciej od innych materiałów.
Działanie ścierne zwiększa się w miarę wzrostu wymiarów cząstek
i ciśnienia między trącymi powierzchniami.

Hematyt Fe

2

O

3

Hematyt nazywany także błyszczem żelaza lub żelaziakiem

czerwonym jest minerałem zawierającym w czystej postaci 70 % Fe
i 30 % O. W rudach hematytowych zawartość żelaza waha się
w granicach 30-65 %. Hematyt zawiera różne domieszki, takie jak
tytan, mangan, krzemionka, tlenek glinu, ił, woda i inne. W stanie

tytan, mangan, krzemionka, tlenek glinu, ił, woda i inne. W stanie
sproszkowanym ma kolor czerwono-brunatny. Gęstość „czystego”
hematytu (bez domieszek) wynosi 5,3 Mg/m

3

. Domieszki obniżają

gęstość hematytu. Twardość według skali Mohsa wynosi 5,5 - 6,0.
Hematyt

jest

częściowo

rozpuszczalny

w

kwasie

solnym.

Przydatność hematytu do obciążania płuczek wiertniczych określa
norma API SPC 13A.

Magnetyt Fe

3

O

4

Magnetyt nazywany żelaziakiem magnetycznym jest minerałem

zawierającym 31 % FeO i 69 % Fe

2

O

3

oraz liczne domieszki

w postaci tlenków tytanu, chromu, magnezu, glinu i innych.

w postaci tlenków tytanu, chromu, magnezu, glinu i innych.

Ma barwę żelazno-czarną o połysku metalicznym, twardość 5,5 - 6,0

i gęstość 4,9 - 5,2 Mg/m

3

. W stanie sproszkowanym rozpuszcza się

w

kwasie

solnym.

Mankamentem

magnetytu

jako

materiału

obciążającego są jego właściwości magnetyczne, które są przyczyną

powstawania „narostów” na powierzchni rur płuczkowych.

Syderyt FeCO

3

Syderyt (szpat żelazny) zawiera 62,1 % FeO, 37,9 % CO

2

i różne

domieszki, jak: SiO

2

, CaO, minerały ilaste i inne. Ma barwę

ż

ółtawobiałą, szarą lub brunatną. Jest minerałem kruchym o twardości

3,5 - 4,5 i gęstości 3,9 Mg/m

3

. Syderyt wyróżnia się tym, że można go

łatwo usuwać z zakolmatowanej strefy przyotworowej w warstwie
produktywnej, dzięki praktycznie całkowitej rozpuszczalności w kwasie

produktywnej, dzięki praktycznie całkowitej rozpuszczalności w kwasie
solnym (do 90 %).

Za

pomocą

syderytu

można

praktycznie

uzyskiwać

gęstość

obciążanej płuczki wiertniczej do 1,8-1,9 Mg/m

3

. Syderyt jest tanim

materiałem obciążającym, jego cena jest znacznie niższa od ceny barytu.

Ilmenit FeTiO

3

Ilmenit

(żelaziak

tytanowy)

jest

minerałem

zawierającym

36,8 % Fe, 31,6 % Ti, 31,6 % O oraz domieszki magnezu, manganu
i inne. Gęstość ilmenitu wynosi 4,72 Mg/m

3

, twardość 5-6; jest słabo

magnetyczny i trudno rozpuszczalny w kwasach.

magnetyczny i trudno rozpuszczalny w kwasach.

Ilmenit jest chemicznie obojętny i może być używany do obciążania

dowolnej

płuczki

wodnodyspersyjnej,

a

także

płuczek

olejowodyspersyjnych.

Galena PbS

Galena nazywana także galenitem, błyszczem ołowiu, ołowianką,

zawiera 86,6 % Pb, 13,4 % S i liczne domieszki. Gęstość galeny
w czystej postaci wynosi 7,4 - 7,6 Mg/m

3

, twardość 2-3. Amerykańskie

firmy

płuczkowe

stosują

galenę

sproszkowaną

do

sporządzania

superciężkich płuczek wiertniczych, używanych do zatłaczania otworu

superciężkich płuczek wiertniczych, używanych do zatłaczania otworu
w

przypadku

erupcji

płynów

złożowych.

Wymienione

płuczki

sporządzane są według ustalonej wcześniej receptury i w zależności od
wymaganej gęstości obciążane są łącznie barytem i galeną lub samą
galeną.

Węglanowe materiały obciążające

Do grupy węglanowych materiałów obciążających zaliczane są

materiały otrzymywane w wyniku przeróbki mechanicznej takich skał
jak: kreda, kalcyt, wapień, marmur, dolomit, których głównym
składnikiem jest węglan wapnia CaCO , a w przypadku dolomitu węglan

składnikiem jest węglan wapnia CaCO

3

, a w przypadku dolomitu węglan

wapniowo-magnezowy CaMg(CO

3

)

2

.

Poszczególne

odmiany

węglanów

wapniowych

różnią

się

właściwościami, zawartością i rodzajem domieszek oraz pochodzeniem.

Kreda, Dolomit

Kreda - jest odmianą wapienia, zbudowaną głównie z wapiennych

szczątków drobnych otwornic, glonów i innych organizmów. Jest skałą
miękką,

charakteryzującą

się

brakiem

uwarstwienia

i

słabym

scementowaniem, w związku z czym łatwo dysperguje w płuczce
wiertniczej do cząstek o bardzo małych wymiarach (2-10 µm).
Głównymi składnikami kredy są: drobnoziarnisty kalcyt i kokolity.

Dolomit - węglan wapniowo-magnezowy, jest minerałem tworzącym

skały osadowe lub powstałe w wyniku dolomityzacji wapieni. Zawiera
domieszki żelaza i niekiedy manganu. Dolomit jest skałą kruchą,
o twardości 3,5 - 4,0 i gęstości 2,8 - 2,9 Mg/m

3

.

Wapień, Marmur

Wapień - jest skałą osadową, której głównym składnikiem jest kalcyt

oraz liczne domieszki, takie jak: krzemionka (piasek), dolomit, minerały
ilaste, tlenki żelaza i inne. Wapień określany jest jako czysty wówczas,
gdy zawartość domieszek jest mniejsza niż 10 %. Gęstość wapienia waha
się w granicach 2,7-2,9 Mg/m

3

.

Marmur - jest skałą metamorficzną, o barwie najczęściej białej,

zbudowaną z ziaren kalcytu.

Zastosowanie materiałów węglanowych

Ze względu na rozpuszczalność w kwasach, materiały węglanowe

są

stosowane

przede

wszystkim

do

obciążania

płuczek

przeznaczonych do dowiercania złóż oraz cieczy roboczych.

Węglany wapniowe są obojętne chemicznie, w związku z czym

ich zawartość w płuczce lub innej cieczy może być bardzo duża.
Gęstość płuczek osiągana za pomocą węglanowych materiałów
obciążających nie przekracza jednak praktycznie wartości 1,4 - 1,5
Mg/m

3

.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

Jedną

z

najczęściej

stosowanych

płuczek

wiertniczych

obciążonych jest płuczka solno-polimerowa, której fazę stanowi
nasycony roztwór NaCl z dodatkiem odpowiedniego polimeru, a jako
faza stała występuje drobnoziarnista sól kamienna. W zależności od
ilości dodawanej soli powyżej poziomu rozpuszczalności może ona

ilości dodawanej soli powyżej poziomu rozpuszczalności może ona
spełniać rolę materiału obciążającego lub blokatora kolmatującego
skałę zbiornikową w strefie przyotworowej na czas wiercenia. Po
zakończeniu

wiercenia

kolmatacja

jest

likwidowana

poprzez

przepłukanie otworu wodą lub solanką o małym stężeniu.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

Płuczka solno-polimerowa jest stosowana w coraz większym

zakresie przede wszystkim do dowiercania złóż węglowodorów. Innym
kierunkiem

zastosowania

soli

nieorganicznych

jako

materiałów

kierunkiem

zastosowania

soli

nieorganicznych

jako

materiałów

obciążających są tzw. ciężkie solanki, stanowiące roztwory wodne soli,
nie zawierające fazy stałej. Ciężkie solanki używane są głównie
podczas

prac

związanych

z

udostępnianiem

złoża

oraz

prac

rekonstrukcyjnych w odwiertach. Za pomocą niektórych soli można
sporządzać ciecze o gęstości przekraczającej 2,0 Mg/m

3

.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

Najczęściej stosowane są do tego celu: chlorek sodowy NaCl,

chlorek potasowy KCl, chlorek wapniowy CaCl

2

, bromek potasowy

KBr, bromek sodowy NaBr, bromek wapniowy CaBr

2

i bromek

cynkowy ZnBr

2

. Wymienione sole tworzą roztwory rzeczywiste,

które nie zawierają w zasadzie cząstek stałych, mogących blokować

które nie zawierają w zasadzie cząstek stałych, mogących blokować
pory skalne.

Dobór rodzaju i składu soli uzależniony jest od takich czynników

jak:

wymagana

gęstość,

temperatura

w

otworze,

rodzaj

przewiercanych skał, występowanie gazów kwaśnych, temperatura
otoczenia

na

powierzchni

ze

względu

na

krystalizację

soli

z roztworu, koszty i inne.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

NaCl/KCl

NaCl

KCl

CaBr

2

/CaCl

2

ZnBr

2

/CaBr

2

NaBr

CaCl

2

MgCl

2

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

1,20

1,44

1,68

1,92

2,16

[ppm]

[Mg/m ]

3

Rys. 1. Maksymalne gęstości solanek sporządzonych z soli nieorganicznych

Regulacja gęstości solanki

Gęstość solanki może być regulowana poprzez rozcieńczanie

wodą lub za pomocą dodatków soli, w przypadku, gdy roztwór nie
osiągnął stanu nasycenia. Solanki można podzielić na dwie grupy.

Do

pierwszej

grupy

należą

solanki

sporządzane

z

soli

zawierających jednowartościowe kationy metalu (NaCl, KCl, KBr

zawierających jednowartościowe kationy metalu (NaCl, KCl, KBr
i NaBr). Największa osiągalna gęstość solanki sporządzonej przy
użyciu wymienionych soli lub ich mieszanin wynosi 1,52 Mg/m

3

.

Drugą grupę stanowią solanki sporządzane z soli zawierających

kationy dwuwartościowe (CaCl

2

, CaBr

2

, ZnBr

2

). Największą gęstość

jaką można osiągnąć za pomocą wymienionych soli wynosi
2,42 Mg/m

3

.

Sole organiczne stosowane do obciążania
płuczek wiertniczych

Coraz powszechniejsze w wiertnictwie jest zastosowanie soli

alkalicznych kwasu mrówkowego (mrówczanów), do sporządzania
ciężkich solanek. Są to następujące sole: mrówczan sodowy
NaCOOH, mrówczan potasowy KCOOH i mrówczan cezowy
CsCOOH.

Solanki mrówczanowe mogą być używane do wiercenia

Solanki mrówczanowe mogą być używane do wiercenia

otworów, w tym również do przewiercania warstw ilasto-łupkowych
ze względu na inhibitowanie hydratacji tych skał. W porównaniu
z solankami sporządzanymi z użyciem soli nieorganicznych,
toksyczność mrówczanów w odniesieniu do różnych form życia
w środowisku przyrodniczym jest tak mała, że uzyskały one
dopuszczenie do stosowania przy wierceniach wykonywanych
w norweskim sektorze Morza Północnego.