wiercenia kierunkowe

60

Inżynieria Bezwykopowa

styczeń – marzec 2005

P

ierwszy z cyklu artykułów poświęconych problematyce
technologii płynów wiertniczych przedstawia zagadnienia
funkcji płynów w kierunkowych przewiertach horyzon-

talnych w kontekście wykorzystywanych komponentów i stoso-
wanych praktyk wiertniczych.

Płyny wiertnicze to jeden z najważniejszych elementów

w technologii wierceń HDD. Od połowy lat dziewięćdziesią-
tych obserwujemy w nich stały postęp. Zmieniła się filozofia
projektowania, selekcji i przygotowania produktów. Ograniczo-
no bezpośrednie zapożyczenia z głębokich wierceń naftowych
na rzecz oryginalnych rozwiązań dostosowanych do specyfiki
wiercenia długich otworów o stosunkowo dużych średnicach.
Współczesne płyny odgrywają kluczową rolę w optymalizacji
procesu wiercenia otworów dla inżynierskich instalacji ruro-
wych. Kompozycje bentonitowo-polimerowe spełniają wiele
kluczowych funkcji w procesie wiercenia pilotowego, posze-
rzania otworu oraz instalacji. Wiertnicy, którzy rozumieją istotę
funkcjonowania sfery płuczkowej stanowią nieocenione źró-
dło informacji dla każdego operatora. Zaawansowane systemy
płuczkowe posiadają unikatowe zalety nie do zastąpienia przez
inne czynniki techniczne. Zwłaszcza wtedy kiedy parametry
wiertniczego projektu są wymagające. Poszerza się zakres za-
stosowań techniki nazywanej kiedyś river crossing. Projektowa-
ne są otwory o długościach do 2500 m, instalowane rurociągi
o średnicach 1000–1400 mm. Odważnie sięga się po zastoso-

wanie technologii HDD do wierceń na płytkim szelfie morskim.
Ekstremalne projekty realizowane są także w terenach górskich
wymagających wiercenia przy różnicach elewacji przekracza-
jących 300 m.

Płuczka to klucz do sukcesu w wierceniach kierunkowych.

Większość problemów technicznych zdarzających się w trak-
cie realizacji projektu nie wynika z niedoskonałości wykorzy-

Robert Osikowicz

Horizontal Engineering And Drilling Service

Krytyczne funkcje

Krytyczne funkcje

płynów wiertniczych

płynów wiertniczych

Cyrkulacja płuczki do punktu wejscia

wiercenia kierunkowe

61

Inżynieria Bezwykopowa

styczeń – marzec 2005

stywanego sprzętu wiertniczego ale z błędów popełnionych
w technologii wiercenia. Duże obciążenia elementów przewo-
du wiertniczego w trakcie wiercenia pilotowego, poszerzania
otworu czy wreszcie instalacji można w znacznym stopniu zre-
dukować, używając odpowiedniego systemu i procedur wiert-
niczych. System rozumiany jest tutaj jako synergiczne działanie
założonej kompozycji chemicznej, parametrów fizycznych pły-
nu, wydatku tłoczenia w jednostce czasu, zestawu mechanicznej
separacji faz. Siły występujące w trakcie instalacji to pochodna
po geometrii otworu, wyporności rurociągu, współczynniku tar-
cia między rurą a otaczającym gruntem. Woda jako płyn wiert-
niczy stosowana jest w trakcie nieskomplikowanych, krótkich
instalacji. Dla większych, trwających nierzadko kilkanaście dni
projektów płuczka jest bardziej skomplikowana. Zawiera skład-
niki odpowiadające za reologię, poziom filtracji oraz zdolności
inhibicyjne. Coraz częściej używa się pojęcia płyn wiertniczy
w celu podkreślenia, że posiada on specjalną charakterystykę
reologiczną pomocną w optymalizacji procesu wiercenia opar-
tego na bilansie przepływów i ciśnień. Parametrem szczególnie
istotnym jest tarcie. Ma ono bezpośrednie przełożenie na siły
osiowe oraz moment obrotowy – parametry krytyczne dla wier-
cenia kierunkowego.

Optymalizacja procesu

Czy jest możliwe poprawa efektywności wiercenia i jedno-

czesna redukcja kosztów prowadzonych prac? Oczywiście tak,
ale wymaga to dużo wysiłku ze strony operatora wiertnicze-
go. Rożne aspekty związane z procesem wyboru typu systemu
płuczkowego, przygotowaniem i kondycjonowaniem płynu, hy-
drauliką otworową oraz mechaniczną separacją faz wpływają na
czas trwania operacji wiertniczych i bezpośrednio przekładają
się na ponoszone koszty. Rekomendowany system płuczkowy
powinien spełniać wszystkie kryteria wynikające z przeznacze-
nia otworu oraz minimalizować problemy wiertnicze i ryzyko
inwestycji. Analiza potencjalnych problemów i zagrożeń na eta-
pie przygotowania projektu pozwalana prawidłowo wyselekcjo-
nować produkty płuczkowe. Wymagane parametry techniczne,
koszty pozyskania, osiągalność na rynku oraz akceptacja środo-
wiska naturalnego są zwykle najważniejszymi kryteriami wybo-

ru systemu płuczkowego. Płyn wiertniczy jest charakteryzowany
przez następujące własności:

• parametry reologiczne (lepkość plastyczna, granica płynię-

cia, żele) mierzone lepkościomierzem obrotowym typu Fann;

• lepkość LSRV przy niskich prędkościach ścinania, mierzona

lepkościomierzem Brookfielda,

• ciężar właściwy
• zawartość fazy stałej (w tym frakcji piaszczystej),
• filtracja w ośrodku porowatym płynu pod wpływem ciśnie-

nia różnicowego,

• alkaliczność (pH),
• istotna dla stabilności systemu zawartość jonów wapnia, ma-

gnezu oraz chlorków,

• współczynnik tarcia pomiędzy różnymi ośrodkami.
Dla wybrania optymalnego płynu powinien być analizowany

każdy z wymienionych powyżej parametrów.

Typ formacji geologicznej, parametry techniczne projektu

to jedne z podstawowych kryteriów oceny i wyboru. Ope-
ratorzy umiejętnie kształtujący własności płynu w zależności
od sytuacji w otworze posiadają istotną przewagę nad firma-
mi traktującymi to zagadnienie jako czynnik o drugorzęd-
nym znaczeniu. Dobrze przygotowany i kontrolowany płyn
w kombinacji ze sprawnym, właściwym osprzętem wiertni-

Typ produktu

Przydatność

dla HDD

Koncentracja

kg/m

3

Parametry

reologiczne

Filtracja

Inhibicja

Tarcie

Bentonity

Bentonity naturalne

*

50 – 100

**

**

-

*

Bentonity aktywowane

***

15 – 50

***

***

**

**

Polimery naturalne
Polianionowa celuloza

***

0.5 – 2

**

***

**

**

Karboksymetyloceluloza

*

1 – 3

*

**

*

*

Skrobia modyfikowana

*

1 – 5

*

**

-

-

Polimer XCD

***

0.5 – 5

***

*

*

*

Guma guar modyfikowana

*

1 – 8

*

*

-

*

Polimery syntetyczne
Polimery PHPA

**

0.2 – 3

*

*

***

**

Selektywne flokulanty

*

0.1 – 2

*

-

**

**

Absorbenty

**

0.5 – 3

**

*

-

***

Środki specjalne
Środki powierzchniowo-czynne
(detergenty)

***

0.5 – 5

-

-

*

***

Środki smarne

***

1 – 10

-

-

*

***

Biocydy

*

0.5 – 2

-

-

-

-

Środki likwidujące zaniki cyrkulacji,
blokatory

**

5 – 20

-

**

-

*

Legenda: *** własności bardzo dobre ** własności dobre * własności umiarkowane - brak

Tab. 1. Charakterystyka wybranych produktów płuczkowych

Gruboziarnisty urobek wyniesiony z poziomego otworu

wiercenia kierunkowe

62

Inżynieria Bezwykopowa

styczeń – marzec 2005

czym to warunki konieczne dla bezpiecznej i ekonomicznej
realizacji projektu.

Kompozycja płynu

Podstawowe produkty wykorzystywane w tej technologii to

aktywowane polimerami bentonity uzupełniane materiałami
specjalnymi takimi jak: koloidy ochronne, środki powierzchnio-
wo-czynne, polimery stabilizujące formacje ilaste.

Pewną popularność zdobyły systemy do wiercenia na bazie

wody morskiej oraz płyny biorozkładalne oparte na natural-
nych polimerach, których parametry reologiczne oraz trwałość
suspensji można kontrolować dzięki dodatkom biocydów i en-
zymów degradujących. Kiedy wiercimy w piasku czy żwirze,
płyn wiertniczy powinien spełniać dwie kluczowe funkcje:
stabilizować ścianę wyrobiska oraz mieć zdolność do skutecz-
nego transportu urobku. Kiedy natomiast w profilu otworu
spotykamy formacje ilaste, wymagane są dodatkowe zdolno-
ści inhibicyjne. Płyn powinien ograniczyć pęcznienie iłu oraz
wyeliminować efekt powierzchniowego przyklejania do ściany
otworu zworników przewodu czy też – co nie mniej istotne,
rury produktowej. Warunki geologiczne zmieniają się często
kilkukrotnie w trakcie długiego wiercenia. Opracowanie uni-
wersalnego składu płynu z możliwością modyfikacji parame-
trów technicznych i zdolności inhibicyjnych jest zagadnieniem
kluczowym. We współczesnej technologii płuczkowej duże
znaczenie odgrywają produkty o działaniu wielofunkcyjnym.
Uczestniczą one w tworzeniu struktury płuczki, obniżaniu
filtracji oraz równocześnie ograniczają hydratację i dyspersję
przewiercanych skał. Zastosowanie takich komponentów w skła-
dzie płuczki wiertniczej wpływa na jej jakość i postęp wiercenia
otworu oraz eliminuje lub zmniejsza znacznie zawartość innych
konwencjonalnych środków np. bentonitu naturalnego.

Stosunkowo nową tendencją obserwowaną w technologii

HDD są płyny charakteryzujące się wysokimi lepkościami przy
niskich prędkościach ścinania nazywane LSRV Fluids (Low Share
Rate Viscosity). LSRV są wytworzone przez specjalne polimery
cechujące się korzystnymi charakterystykami. Produkty powsta-
łe na bazie tych związków, posiadając bardzo wysokie lepkości
przy niewielkich naprężeniach ścinających, pozwalają na uzy-
skanie doskonałych zdolności transportu zwiercin w poziomym
otworze oraz utrzymywanie ich w zawieszeniu podczas braku
przepływu. Doświadczenie polowe oraz badania laboratoryjne
wskazują, że płyny charakteryzujące się wysokimi parametra-
mi LSRV są znacznie mniej podatne na naturalną filtrację do
porowatej formacji (np. piasku czy żwiru). Przy niskich pręd-
kościach przepływu, z jakimi mamy do czynienia w poziomych
otworach o znacznych średnicach, lepkości płynu są znacznie

wyższe niż w trakcie przepływu przez armaturę powierzchnio-
wą, przewód wiertniczy i dysze narzędzia. Jest to zaleta, która
pozwala na zachowanie prawidłowego laminarnego charakteru
przepływu i ograniczenie niekorzystnego wpływu płuczki na
ścianę otworu.

Zarówno płyny bentonitowo-polimerowe jak i polimerowe

powinny być testowane według procedur pozwalających spraw-
dzić ich przydatność w konkretnych aplikacjach.

W tab. 1 wymienione są produkty powszechnie używane

przez operatorów wiertniczych i dostosowane do specyfiki tech-
nologii.

Selekcja typu płynu i materiałów płuczkowych odbywa się na

podstawie analizy warunków geologicznych. Dla uproszczenia

Czynnik technologiczny

Wpływ duży

Wpływ umiarkowany

Wpływ nieznaczny

Prędkość przepływu w przestrzeni pierścieniowej

X

Parametry reologiczne płynu

X

Technologia wiercenia
wskaźnik płuczka: zwierciny

X

Jakość cyrkulacji, kontrola ciśnień w otworze

X

Rozmiar zwiercin

X

Typ płynu wiertniczego

X

Obroty przewodu wiertniczego

X

Średnica otworu

X

Typ narzędzia

X

Geometria przewodu wiertniczego

wiercenie pilotowe

poszerzanie otworu

Ciężar właściwy płynu

X

Tab. 2 Czynniki wpływające na efektywność oczyszczania otworu.

Separacja urobku na sicie wibracyjnym

Wiercenie kierunkowe odbywa się dzieki urabianiu hydraulicznemu

wiercenia kierunkowe

64

Inżynieria Bezwykopowa

styczeń – marzec 2005

możemy przyjąć, że mamy do czynienia z formacjami o grubym
ziarnie (żwir, piasek), drobnym ziarnie (mułek, ił) oraz skałami
zwięzłymi. W tym ostatnim przypadku rozmiar i kształt zwiercin
zależeć będzie od użytego narzędzia i technologii wiercenia.

Problemy wiertnicze

Istnieje wiele łatwych do wykazania zalet wynikających z wy-

boru optymalnego systemu płuczkowego. Zwiększony zostaje
postęp wiercenia dzięki poprawie efektywności oczyszczania
otworu oraz polepszeniu własności inhibitujących i smarnych.
Postęp wiercenia jest wprost zależny od dostępnego momen-
tu obrotowego na narzędziu urabiającym, wywieranego efek-
tywnego nacisku oraz dostarczonej energii hydraulicznej. Płyn
wiertniczy ma znaczący wpływ na każdy z podstawowych pa-
rametrów pracy narzędzia. Nacisk wywierany zależy wprost od
stopnia oczyszczenia otworu. Jeżeli ograniczymy występowanie
zasypów i przewężeń w otworze większa część energii mecha-
nicznej dotrze do czoła narzędzia. Czas wiercenia prawidłowo
oczyszczanego otworu można skrócić o około 30%. Oczyszcza-
nie otworu przekłada się również na zdolność do wiercenia kie-
runkowego i realizację założonej trajektorii. Często występujące
kłopoty z budowaniem i utrzymywaniem inklinacji spowodowa-
ne są nadmiarem fazy stałej w przestrzeni pomiędzy przewodem
a ścianą otworu. Nacisk wywierany przez wiertnicę w niewiel-
kiej części dociera do narzędzia. Sterowanie osią przewiertu jest
łatwiejsze w czystym otworze, obciążenia, jakim poddawany jest
przewód, są wtedy najmniejsze. Bardzo istotnym aspektem jest
wiercenie po krzywej o możliwie stałych parametrach, co daje
w efekcie trajektorię bez zbędnych serpentyn. Wpływ niekontro-
lowanych odejść od idealnej trajektorii przejawia się w wyższym
momencie obrotowym i nadmiernych siłach osiowych, zarówno
w trakcie wiercenia, jak i instalacji rurociągu. Jakość cyrkulacji
w otworze bywa dla wielu firm wyznacznikiem jakości płynu
wiertniczego i prawidłowych procedur wiertniczych. Utrata cyr-
kulacji zdarza się wówczas, gdy opory przepływu na odcinku
od narzędzia do punktów charakterystycznych (wejście i wyjście
otworu HDD) są wyższe od ciśnienia wystarczającego do szcze-
linowania przewiercanej formacji. W zależności od głębokości
wiercenia zdarzają się przebicia (break-outs) na powierzchnię te-
renu, do dna rzeki lub też całkowite zaniki podziemne wewnątrz
formacji. Zaniki płynu, zwłaszcza w trakcie dużych projektów,
mogą okazać się bardzo niebezpieczne i kosztowne. Brak pra-
widłowej cyrkulacji skutkuje zwykle niestabilnością otworu oraz
nadmiernym czasem potrzebnym do przygotowania instalacji.
Wydłużeniu ulega czas operacji wiertniczych związanych z ni-
skim postępem wiercenia i dodatkowymi marszami kontrolny-
mi. Jeżeli płyn wiertniczy podlega oczyszczaniu i recyrkulacji
ograniczamy znacząco koszty operacyjne i mamy możliwość
optymalizowania hydrauliki otworowej, ponosząc znacząco niż-
sze koszty materiałowe.

Dzięki stosowaniu prawidłowego programu płuczkowego

udaje się wyeliminować problemy związane z przychwyceniem
przewodu wiertniczego, szczelinowaniem hydraulicznym prze-
wiercanych warstw, nadmierną migracją płynu poza otwór, słabą
kontrolą nad wierceniem kierunkowym. Każda z wymienionych
komplikacji skutkuje nieproduktywnym czasem pracy wiertnicy,
a więc stratą pieniędzy. Problemy wiertnicze są ściśle powiązane
z niespełnieniem krytycznych funkcji płynu, jakimi są oczyszcza-
nie otworu i utrzymywanie stabilności ściany.

Funkcje płynu

Wiele funkcji może zostać uznanych za uniwersalne niezależ-

nie od zastosowania i typu płynu wiertniczego. Dadzą się one
zakwalifikować do następujących kategorii:

• transmitowanie energii hydraulicznej na czoło otworu,
• wynoszenie zwiercin przestrzenią pierścieniową na po-

wierzchnię,

• utrzymywanie w zawieszeniu urobku w trakcie cyrkulacji

i podczas przerw w tłoczeniu płynu,

• utrzymywanie w stanie zintegrowanym ściany otworu,
• minimalizowanie wpływu na przewiercane formacje,
• chłodzenie narzędzi i elektronicznych urządzeń pomiaro-

wych,

• przekazywanie danych geologicznych i technologicznych

uzyskiwanych w procesie wiercenia,

• zabezpieczenie przed nadmiernym zużyciem mechanicz-

nym elementów przewodu wiertniczego,

• ograniczanie tarcia,
• kontrola ciśnień wgłębnych w otworze.

Dla stworzenia optymalnie działającego płynu wiertniczego

każda z dziesięciu wymienionych funkcji musi być rozważona,
i w miarę możliwości realizowana. Omówimy teraz najważniej-
sze funkcje w kolejności istotności dla procesu.

Transmitowanie energii hydraulicznej na czoło
otworu

Płyn wiertniczy jest medium transmitującym energię hydrau-

liczną do systemu. Jest ona potrzebna do przetłoczenia płuczki
poprzez powierzchniowy system płuczkowy, przewód wiertni-
czy do dysz narzędzia, a następnie poprzez przestrzeń pierście-
niową (pomiędzy przewodem wiertniczym a ścianą otworu) na
powierzchnię.

Urabianie formacji geologicznej nie jest w praktyce możliwe

bez użycia płynu wiertniczego. Niezależnie czy będzie to płyn
na osnowie wody, czy też powietrza, postęp wiercenia jest pro-
porcjonalny do energii hydraulicznej będącej funkcją strumienia
przepływu oraz spadku ciśnienia w dyszach narzędzia. Strumień
płynu zasilać może także wgłębne silniki hydrauliczne typu na-
porowego. Energia hydrauliczna często jest określana w odnie-
sieniu do powierzchni przekroju poprzecznego urabianej for-
macji.

Istotną rzeczą jest skorelowanie wydatku pompy z postępem

wiercenia, aby mieć pewność, że czoło otworu jest zawsze po-
zbawione urobku. Płuczki o niskiej zawartości fazy stałej oraz
charakteryzujące się niską lepkością przy wysokich prędko-
ściach przepływu, z jakimi mamy do czynienia wewnątrz ar-
matury i

przewodu wiertniczego, będą bardziej efektywne

w dostarczaniu możliwie dużej porcji energii do narzędzia dla
prawidłowego urabiania i oczyszczania otworu. Ponieważ wraz
z odległością rosną straty ciśnienia wewnątrz przewodu, mo-

Atrakcje górskich projektów

wiercenia kierunkowe

65

Inżynieria Bezwykopowa

styczeń – marzec 2005

żemy osiągnąć punkt, w którym dostępna energia w narzędziu
wiertniczym będzie niewystarczająca dla osiągnięcia zadowala-
jącego postępu wiercenia.

Transport urobku na powierzchnię

Zwierciny powstałe w procesie wiercenia oraz pochodzące

z erozyjnego działania płynu powinny zostać wyprowadzone
przez płuczkę na powierzchnię. Zaniedbania w tej materii z regu-
ły skutkują problemami wiertniczymi, włączając w to możliwość
przychwycenia przewodu, nadmierny moment obrotowy i za-
ciąganie w otworze. Przeładowanie przestrzeni pierścieniowej
urobkiem prowadzi do utraty cyrkulacji i zwiększonych kosztów
płuczkowych. Zbyt duża ilość pozostałego w otworze kierunko-
wym urobku znacznie obniża postęp wiercenia kierunkowego.
Transport zwiercin to zagadnienie interdyscyplinarne powiązane
zarówno z parametrami reologicznymi płynu, jak i parametrami
technologicznymi wiercenia. Oczyszczanie otworu wiertniczego
to parametr krytyczny z punktu widzenia funkcjonowania pły-
nu. Cyrkulująca płuczka odprowadza zwierciny z czoła otworu
i przesuwa w kierunku wyjścia otworu. Pod wpływem działa-
nia siły grawitacji faza stała ma tendencję do opadania na dol-
ną ścianę otworu. Tendencja ta nasila się w przypadku urobku
o dużych rozmiarach. Prędkość sedymentacji cząstek jest funkcją
parametrów reologicznych płynu oraz gęstości płynu i urobku.
Im wyższe parametry reologiczne, tym prędkość opadania jest
niższa. Dla efektywnego usuwania zwiercin z otworu poziom
parametrów reologicznych musi być skorelowany ze strumie-
niem tłoczonej płuczki wiertniczej. W długich otworach hory-
zontalnych prędkość przepływającego płynu musi być na tyle
wysoka, aby przezwyciężyć stałą tendencję do osiadania urob-
ku. Ciężar właściwy płynu jest determinowany przez dodatkowe
czynniki i nie jest tutaj rozważany jako cecha decydująca o zdol-
ności płynu do wynoszenia urobku wiertniczego.

Cyrkulujący w otworze płyn powinien utrzymywać w zawie-

szeniu zwierciny, posiadając przy tym możliwość transportu
przy niskiej różnicy ciśnień. Pozostawiony w otworze urobek,
osiadając na dnie, skutkuje zwiększeniem oporów wiercenia
i zwiększa ryzyko procesu instalacji. Kiedy zwierciny mieszają
się z płuczką, wypadkowe parametry zmieniają się znacząco.
Zmiany te są szczególnie wyraźne, jeśli wiercimy w formacji
ilastej. Płyn wiertniczy określony jest precyzyjnie parametrami
reologicznymi. Środki strukturotwórcze to najczęściej mody-
fikowane bentonity oraz biopolimery. Dzięki nim uzyskujemy
charakterystykę reologiczną pozwalającą z jednej strony na sku-
teczny transport urobku, z drugiej zaś na uniknięcie nadmier-
nych ciśnień wgłębnych. Lepkościomierz typu Fann oraz przy-
rząd Brookfielda pozwalają symulować zachowanie płynu przy
różnych prędkościach ścinania oraz przewidzieć skuteczność
oczyszczania otworu przy założonej wielkości cząstek fazy sta-
łej. Pamiętać należy przy tym, że pomiar lepkości dokonywany
za pomocą lejka Marsha jest tylko wskazaniem pomocniczym i
nie może być wiarygodnym instrumentem do określania para-
metrów reologicznych.

Czysta woda jako płyn newtonowski nie posiada ani grani-

cy płynięcia, ani żeli. Podobnie większość polimerów służących
jako koloidy ochronne nie posiada korzystnej charakterystyki re-
ologicznej. Ich wodne roztwory dają wysokie wartości lepkości
pozornej i plastycznej, nie tworzą natomiast żeli koniecznych do
utrzymywania w zawieszeniu urobku i transportu przy niskich
prędkościach przepływu. Dlatego bentonit oraz polimer XCD to
wciąż najskuteczniejsze produkty strukturotwórcze w technolo-
giach bezwykopowych. Posiadają one zdolność do szybkiego
budowania struktur żelowych i charakteryzują się stosunkowo
wysoką granicą płynięcia.

Efektywne oczyszczanie długiego otworu horyzontalnego sta-

nowi jedno z kluczowych zagadnień w inżynierii wiertniczej.
Wpływ kilkunastu różnych czynników został pokazany w tab. 2
oraz na rysunku. Czynniki te różnią się stopniem istotności dla
procesu, jak również zakresem, w jakim możemy na nie wpły-
wać. Podstawowe parametry technologii wiercenia oraz wła-
sności płuczki należą do czynników regulowanych. Parametry
geotechniczne, granulacja zwiercin, ciężar właściwy urobku są
czynnikami obiektywnymi, na które mamy mniejszy wpływ.
Jakkolwiek wiele czynników ma wpływ na jakość oczyszczania
otworu, to dla procesu wiercenia i bezpieczeństwa prac należy
skupić się na tych, które wiertacz czy inżynier płuczkowy mogą
skutecznie kontrolować. Są to parametry reologiczne, postęp
wiercenia (poszerzania otworu), wydatek pompy, obroty prze-
wodu wiertniczego.

Wielkość strumienia tłoczonej płuczki jest czynnikiem najistot-

niejszym i krytycznym z punktu widzenia skuteczności proce-
su. Dla przypadków laminarnego przepływu, z jakim mamy do
czynienia w większości analizowanych przypadków, prędkość
przepływu dla skutecznego transportowania zwiercin w pozio-
mym otworze musi znaleźć wsparcie w parametrach reologicz-
nych dostosowanych do średniej granulacji zwiercin w otwo-
rze. Generalne zalecenie mówi, że stosunek granicy płynięcia
do lepkości plastycznej powinien być większy od 2, wskazania
lepkościomierza Fann przy niskich prędkościach ścinania 0,9,
1,8, 3 oraz 6 obrotów na minutę oraz wskazania lepkościomierza
Brookfield dostosowane do wskaźnika efektywności oczyszcza-
nia (zależnego od prędkości przepływu w przestrzeni pierście-
niowej i geometrii otworu). Im większa średnica otworu, tym
wyższe konieczne parametry LSRV (low-shear-rate viscosity).
Projektowanie płynu o określonym poziomie tych parametrów
pozwala uniknąć nadmiernej sedymentacji urobku o określonej
granulacji. Inżynieria płuczkowa potrafi skorelować parametry
reologiczne płynu z prędkością przepływu w przestrzeni pier-
ścieniowej dla uzyskania optymalnego postępu wiercenia przy
wymaganym stopniu oczyszczenia otworu.

Mechaniczne wspomaganie transportu zwiercin poprzez obra-

canie przewodem wiertniczym jest najbardziej skuteczne w trak-
cie wiercenia pilotowego oraz przy poszerzaniu do stosunkowo
niewielkich średnic.

Prędkość przepływu w przestrzeni pierścieniowej może być

zredukowana, jeśli zrekompensujemy ją wysokimi parametrami
reologicznymi przy niskich prędkościach ścinania. Mówiąc obra-
zowo, lepsze parametry płynu są wymagane przy niedostatecz-
nym wydatku pompy płuczkowej.

Utrzymywanie w zawieszeniu fazy stałej

Kiedy cyrkulacja w otworze zostaje przerwana, faza stała

nieulegająca dyspersji w płynie zaczyna opadać na jego dolną
ścianę. Jest to zjawisko naturalne i łatwe do przewidzenia. Płyn
wiertniczy wytworzony na bazie bentonitów i polimerów jest
suspensją o określonej charakterystyce. Parametry reologiczne
definiują typ płynu. Odpowiedni poziom wybranych parame-
trów gwarantuje utrzymanie w stanie zawieszenia ziaren o śred-
nicy do kilkudziesięciu milimetrów. Płyny wiertnicze oparte na
modyfikowanych bentonitach lub biopolimerach charakteryzuje
zjawisko zmiany lepkości w zależności od prędkości ścinania.
Objawia się to efektem gęstnienia w przypadku małych prędko-
ści ścinania lub natychmiastowego żelowania w przypadku ich
braku. Zdolność do budowania struktur żelowych w stanach
statycznych i upłynniania w stanie dynamicznego przepływu
określa się mianem tiksotropii. Płyny rozrzedzane ścinaniem są
szczególnie polecane do zastosowań wiertniczych. Woda jako
podstawowy składnik płynu wymaga wzbogacenia o materiały

wiercenia kierunkowe

66

Inżynieria Bezwykopowa

styczeń – marzec 2005

strukturotwórcze. Poziom i progresja żeli zależą od koncentracji
i jakości materiałów strukturotwórczych. Zastosowanie wody
jako płynu wiertniczego do realizacji otworów w formacjach
słabo zwięzłych jest poważnym błędem. Faza stała niezawie-
szona w płynie tworzy zasypy, przewężenia, w końcu może
doprowadzić do zamknięcia przestrzeni pierścieniowej i w kon-
sekwencji zaniku cyrkulacji. Brak cyrkulacji skutkuje szczelino-
waniem formacji, brakiem kontroli ciśnień wgłębnych, wzro-
stem momentu obrotowego oraz możliwością przychwycenia
przewodu w otworze. Jednym ze sposobów przeciwdziałania
odkładania się urobku w otworze jest wykorzystanie płynów
o wysokim poziomie lepkości przy niskich prędkościach ścina-
nia LSRV (low-shear-rate viscosity) oraz spełnienia laminarnych
warunków przepływu.

Stabilizacja ściany otworu oraz ograniczenie
wpływu na przewiercane formacje

Wiercenie na głębokościach do kilkudziesięciu metrów wiąże

koniecznością zmierzenia się z osadowymi formacjami o niskim
stopniu zagęszczenia (żwiry, piasek) lub z warstwami zawiera-
jącymi frakcję ilastą (np. gliny, margle, iły, iłołupki). Formacje
przepuszczalne chłoną filtrat z płynu wiertniczego. Płuczka two-
rzy struktury zbliżone do żelu blisko ściany otworu, zapobiega-
jąc niekontrolowanej penetracji płynu do formacji. Użytecznym
parametrem może być pomiar filtracji płuczki przy założonym
ciśnieniu różnicowym wynikającym z głębokości położenia sek-
cji poziomej otworu. Celem działania jest drożny otwór pozba-
wionym zawałów i przewężeń.

Najlepszą formą stabilizowania ściany otworu wiertniczego jest

jej rozpieranie kontrolowanym ciśnieniem wewnętrznym wyni-
kającym z obecności płynu wiertniczego. Słup płynu znajdujące-
go się w otworze zarówno w warunkach statycznych, jak i dy-
namicznych (w trakcie cyrkulowania) stanowi przeciwciśnienie
dla formacji. Ogranicza to dopływ do otworu wody gruntowej
i zabezpiecza ścianę przed sypaniem. Gradient ciśnienia forma-
cji powinien być wstępnie określony, aby zapobiec wytworzeniu
w otworze ciśnienia przekraczającego ciśnienie szczelinowania.
Skutkiem szczelinowania może być częściowy lub całkowity za-
nik prawidłowej cyrkulacji płuczki w otworze.

Kontrola ciśnień wgłębnych

Zaniki cyrkulacji to zjawisko często występujace w technolo-

gii HDD. Parametry płuczki powinny być kontrolowane, a tech-
nologia wiercenia musi zapewnić utrzymanie płynu w otworze.
Stan równowagi pomiędzy ciśnieniem wywołanym procesem
drążenia otworu a naturalną odpornością formacji na szczeli-
nowanie jest wartością nadrzędną wobec postępu prac wiert-
niczych. Próby odzyskania cyrkulacji w otworze powinny być
podejmowane po dokonaniu analizy przyczyn tego zjawiska.
Stosunkowo nowa metoda nazywana APWD (Annular Pressu-
re While Drilling) pozwala na ciągły pomiar zmian ciśnienia
w przestrzeni pierścieniowej w obrębie dolnej części przewo-
du. Daje to szansę wczesnego ostrzegania przed nadmiernym
przeładowaniem otworu urobkiem, informując przy tym o nie-
wystarczającej zdolności płynu do oczyszczania czoła otworu
i transportu zwiercin.

Chłodzenie i smarowanie zestawu wiertniczego
oraz wgłębnych urządzeń pomiarowych

W wyniku wiercenia i pokonywania tarcia w otworze powsta-

je ciepło. Sprawą oczywistą jest konieczność odprowadzenia
ciepła zwłaszcza z dolnej części przewodu wiertniczego. Otwór
o niewłaściwej cyrkulacji lub otwór bez płuczki w przestrzeni
pierścieniowej skutkuje nadmiernym wycieraniem się przewo-

du na zwornikach. Dostarczanie wymaganego przez technolo-
gię strumienia objętości płuczki jest sprawą kluczową. Należy
kontrolować temperaturę roboczą sondy pomiarowej, aby nie
dopuścić do nadmiernego przegrzania.

Problem tarcia w otworze wiertniczym

Zagadnienie tak oczywiste, że często zaniedbywane. Gdy

przewód wiertniczy lub instalowany rurociąg dociska do ściany
otworu występują między nimi siły kontaktowe. Siłę występują-
cą w konsekwencji istnienia sił kontaktowych definiujemy jako
tarcie.

Płyn wiertniczy jest środkiem smarnym, pozwalającym na

prowadzenie prac na długich odcinkach, jednocześnie wydłu-
żającym żywotność narzędzia i pozostałych elementów prze-
wodu wiertniczego. Dla powodzenia procesu tarcie pomiędzy
współpracującymi ośrodkami powinno być utrzymane na jak
najniższym poziomie. Wartość współczynnika tarcia będzie za-
leżna od rodzaju ośrodków (najczęściej stal – skała, stal – stal
lub tworzywo sztuczne – skała), składu chemicznego płynu oraz
zawartości fazy stałej pochodzącej ze zwiercin. Najpewniejszą
metodą obniżenia tarcia jest właściwe oczyszczenie otworu i za-
chowanie prawidłowej cyrkulacji. Dodatkowym elementem wy-
korzystywanym zwłaszcza w trakcie wiercenia długich otworów
są specjalne środki smarne o wielofunkcyjnym działaniu.

Ważący w powietrzu dziesiątki, a nawet setki ton rurociąg pod

wpływem oddziaływania płuczki może charakteryzować się ko-
rzystną pływalnością, Redukowane są w ten sposób obciążenia
procesu instalacji. Inżynieria płuczkowa pozwala na optymalizo-
wanie zachowania rurociągu poprzez dostosowanie ciężaru wła-

Żródło energii hydraulicznej – pompy wysokociśnieniowe

Rozbudowany system separacji faz

wiercenia kierunkowe

67

Inżynieria Bezwykopowa

styczeń – marzec 2005

ściwego zamkniętej rury do cięża-
ru właściwego płynu w otworze.
Balastowanie rurociągu jest naj-
skuteczniejszym sposobem na
uzyskanie bezpiecznej wyporno-
ści i niskich sił tarcia.

Zalecenia praktyczne

Wiercenia kierunkowe są

skomplikowaną dziedziną sztuki
inżynierskiej. Transport urobku
w sekcji poziomej stanowi nie
lada problem. Należy zwrócić
szczególną uwagę na kilka klu-
czowych aspektów:

• Każdy duży projekt wymaga

analizy i indywidualnego podej-
ścia.

• Nie należy nigdy zapominać

o jakości cyrkulacji w otworze.

• Zachowanie stabilności ścia-

ny otworu jest bardzo ważne
szczególnie podczas poszerzania
otworu.

• Parametry reologiczne (zwłaszcza wysokie LSRV) i prędkość

przepływu płuczki są najistotniejszymi czynnikami wpływający-
mi na transport gruboziarnistego urobku.

• Niska zawartość fazy stałej skutkuje wyższym postępem

wiercenia oraz poprawia smarność płuczki.

• Dobra smarność wpływa na niskie obciążenia osiowe prze-

wodu i moment obrotowy.

• Niski poziom tarcia pozwala na wiercenie długich otworów

o skomplikowanych trajektoriach.

• Właściwa hydraulika otworowa gwarantuje dobry postęp

wiercenia oraz transport urobku w przestrzeni pierścieniowej.

• Utrzymanie dobrego postępu wiercenia wymaga pełnej

kontroli nad zachowaniem przewodu wiertniczego.

• Własności inhibicyjne płynu nie mogą być celem nadrzęd-

nym nad prawidłową charakterystyką reologiczną.

• Sprawdzanie i modyfikowanie parametrów płuczki w trak-

cie projektu to podstawa działania w inżynierii wiertniczej.

Podsumowanie

Przedstawione powyżej zagadnienia dotyczą wszystkich typów

płynów wiertniczych. Niezależnie od zastosowanej kompozycji
płyn cyrkulujący w otworze powinien dobrze spełniać funkcje,
do których został stworzony. Nowoczesne systemy płuczkowe
składają się z uniwersalnych produktów cechujących się syner-
gicznym działaniem. Kompatybilność składników daje możli-
wość opracowywania nowych systemów płynów wiertniczych
oraz modyfikacji już stosowanych w praktyce przemysłowej
w kierunku lepszych właściwości reologicznych i inhibicyjnych.

Efektywne działanie produktów płuczkowych (zarówno ben-

tonitów, jak i polimerów) zależy od właściwej kontroli ich do-
zowania do płuczki, stosownie do wymagań geologiczno-tech-
nicznych realizowanego projektu. Potrzeba ich stosowania musi
uwzględniać zarówno właściwości płuczki, jak i efekty ekono-
miczne.

Prowadzone badania laboratoryjne i praktyka polowa wyraź-

nie wskazują, że stosowanie komponentów oryginalnie opraco-
wanych dla rynku technologii bezwykopowych wpływa korzyst-
nie na właściwości płynów wiertniczych i stwarza możliwości
modyfikacji ich parametrów w szerokim zakresie.

LITERATURA

[1]. E.W. McAllister: Pipeline Rules of Thumb Handbook, 5th Edition, Elsevier

2001 .

[2]. S.Ariaratnam, J.Lueke; Reducing Risks in Unfavorable Ground Conditions

During Horizontal Directional Drilling, Practice Periodical on Structural

Design and Construction Aug. 2004.

[3]. J. Fink: Oil Field Chemicals, Gulf Publishing Company 2003.

[4]. J.D. Hair & Associates, Inc. Drilling Fluids In Pipeline Installation by Horizon-

tal Directional Drilling , Pipeline Research Council International, Inc. 1994.

[5]. L.J. Leising, I.C.Walton: Cuttings-Transport Problems and Solutions, SPE

Drilling Conference 2002.

[6]. B.Murphy, M.Rowden: Proactive Fluids Management Makes Tough Direc-

tional Well Possible, World Oil Oct. 1999.

[7]. Classifications of Fluid Systems, World Oil July 2004.

Robert Osikowicz - absolwent Wydziału Wiertnictwa Nafty

i Gazu AGH w Krakowie, specjalność technologia wierceń. W latach
1992–97 pracował w firmie wiertniczej Diament w Zielonej Górze.
Od 1996 roku związany z branżą technologii bezwykopowych.
W firmie HEADS zajmuje się nowymi rozwiązaniami technicznymi
wspierającymi wiercenie otworów kierunkowych różnego przezna-
czenia. Kontakt: [e-mail].

CZYNNIKI WP
YWAJCE NA OCZYSZCZANIE OTWORU KIERUNKOWEGO

Wp
yw na transport zwiercin

Moliwoci kontroli przez za
og wiertnicz

WYDATEK PYNU

PARAMETRY

REOLOGICZNE

POSTP

WIERCENIA

ROZMIAR

ZWIERCIN

REDNICA

K T OTWORU

OBROTY

PRZEWODU

TYP NARZDZIA

ILO DYSZ

MIMORODOWO

PRZEWODU

GEOMETRIA

PRZEWODU

CIAR WACI-

WY PYNU

CIAR WACI-

WY ZWIERCIN