PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA

WYDZIAŁ WIERTNICTWA, NAFTY I GAZU

PROJEKTOWANIE OTWORÓW

WIERTNICZYCH

Dr hab. inż. Rafał Wiśniowski

Prof. AGH

KRAKÓW 2007

1

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

SPIS TREŚCI:

1. PROCEDURA PROJEKTOWANIA OTWORÓW WIERTNICZYCH …………….. 3

2. PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OTWORU WIERTNICZEGO …….…… 4

2.1. Projekt schematu zarurowania otworu wiertniczego …………………………… 4

2.2. Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach kierunkowych z

poziomym odcinkiem końcowym …………………………………………….. 7

2.3. Obliczenia wytrzymałościowe kolumn rur okładzinowych zapuszczanych

do otworów wiertniczych ……………………………………………………… 11

2.4. Wyposażenie i uzbrojenie dolnej części kolumny rur okładzinowych ……… 14

3. RUROWANIE OTWORÓW WIERTNICZYCH ……………………………………. 18

3.1. Przygotowanie otworu wiertniczego do rurowania ………………………………… 18

3.2. Przygotowanie sprzętu i rur okładzinowych ……………..………………………… 18

3.3. Rurowanie ………………………………………………………………………….. 19

4. CEMENTOWANIE (USZCZELNIANIE) OTWORÓW WIERTNICZYCH ..… 21

5. WYBRANE ASPEKTY Z PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI

OTWORU WIERTNICZEGO ……………………………………………………. 23

5.1. Projekt orurowania ……………………………………………………………… 23

5.2. Ciśnienia występujące w otworze i metody ich wyznaczania …………………….. 26

5.3. Warunki doboru ciśnienia hydrostatycznego w otworze wiertniczym.....…….. 29

2

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

1. PROCEDURA PROJEKTOWANIA OTWORÓW WIERTNICZYCH

1. Przyjęcie założeń projektowych: głębokość punktu docelowego, końcowa średnica

otworu wiertniczego, ograniczenia morfologiczne, ograniczenia formalno-prawne itd.

2. Analiza warunków geologiczno-wiertniczych oraz techniczno-technologicznych

możliwości wiercenia:

a) analiza litologiczna i stratygraficzna rejonu wierceń z uwzględnieniem naturalnej

tendencji skał do krzywienia osi otworu;

b) analiza właściwości fizyczno- chemicznych oraz parametrów mechanicznych

przewiercanych warstw skalnych;

c) analiza ciśnień i gradientów ciśnień złożowych, szczelinowania, geostatycznych,

hydrostatycznych;

d) wyznaczenie stref chłonnych związanych z ucieczkami płuczki wiertniczej,

potencjalnych stref obwałów skalnych, sypania lub wyciskania skał;

e) analiza możliwych komplikacji i awarii wiertniczych;

f) wyznaczenie dopuszczalnych intensywności krzywienia osi otworu.

3. Projektowanie konstrukcji otworu wiertniczego:

a) ustalenie liczby kolumn rur okładzinowych oraz wyznaczenie głębokości ich

zapuszczania;

b) określenie średnic zewnętrznych kolumn rur okładzinowych oraz średnic

stosowanych narzędzi wiercących;

c) przeprowadzenie obliczeń wytrzymałościowych w celu ustalenia odmian

wytrzymałościowych stali, typów połączeń gwintowych, oraz parametrów

geometrycznych (długość, grubość) poszczególnych sekcji kolumn rur

okładzinowych;

d) przygotowanie otworu kierunkowego do zabiegu rurowania i uszczelniania;

e) dobór wyposażenia i uzbrojenia technicznego kolumn rur okładzinowych;

f) projektowanie techniki i technologii uszczelniania kolumn rur okładzinowych

zapuszczanych do otworu wiertniczego;

g) zagłowiczenie otworu uwzględniające poszczególne etapy wykonywania otworu

wiertniczego;

h) bilans czasu przeprowadzania operacji obudowy otworu wiertniczego.

4. Dobór urządzenia wiertniczego.

5. Projektowanie technologii wiercenia otworu wiertniczego:

a) projekt zestawu przewodu wiertniczego;

b) dobór narzędzi wiercących;

3

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

c) projekt rdzeniowania;

d) sporządzenie projektu płuczkowego;

e) projekt parametrów mechanicznych i hydraulicznych technologii wiercenia

f) analiza możliwości wystąpienia komplikacji lub awarii wiertniczych.

6. Projekt badań geofizycznych i próbnikowych przeprowadzanych w otworze

wiertniczym.

7. Projekt prac zakończeniowych w otworze oraz przygotowania go do eksploatacji.

8. Bilans czasu prac:

a) przygotowawczych, montażowych i demontażowych urządzenia wiertniczego;

b) wiercenia otworu;

c) obudowy otworu;

d) badań w otworze;

e) przygotowania otworu do eksploatacji

9. Kosztorys otworu wiertniczego.

2. PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OTWORU WIERTNICZEGO

Pod pojęciem racjonalnej konstrukcji otworu kierunkowego rozumie się właściwe

zarurowanie i zacementowanie kolumn rur okładzinowych. Projekt konstrukcji otworu

wiertniczego składa się więc z:

- 1 projektu orurowania (casing program);

- 2 projektu cementowania (cementing program);

W ramach projektu orurowania otworu wiertniczego wykonuje się:

- 1.1 projekt schematu zarurowania;

- 1.2 projekt obliczeń wytrzymałościowych kolumn rur okładzinowych;

- 1.3 projekt wyposażenia poszczególnych kolumn rur.

Projekt konstrukcji otworu powinien odpowiadać geologicznym warunkom

wiercenia, uwzględniać przeznaczenie otworu oraz stwarzać korzystne warunki do

osiągnięcia planowanej głębokości i odwiercenia poszczególnych odcinków otworu w

możliwie najkrótszym czasie. Im szybciej wierci się otwór, tym mniej jest komplikacji i

trudności wiertniczych, a tym samym mniejszy jest koszt wykonania otworu.

2.1. Projekt schematu zarurowania otworu wiertniczego

Na schemat zarurowania składają się średnice nominalne kolumn rur okładzinowych,

średnice świdrów, którymi przewidywane jest wiercenie pod dane kolumny oraz

głębokości zapuszczenia poszczególnych kolumn.

4

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

W celu uzyskania optymalnych techniczno-ekonomicznych wskaźników wiercenia w

konkretnych warunkach geologicznych, schematy orurowania powinna cechować

znaczna różnorodność wariantów dla poszczególnych odcinków otworów. Przy doborze

schematów orurowania należy:

- planować odwiercenie długich odcinków nieorurowanego otworu poniżej buta

poprzedniej kolumny rur okładzinowych.

- przestrzegać optymalnych prześwitów między poszczególnymi średnicami kolumn rur

okładzinowych , ścianą otworu oraz narzędziami wiercącymi.

W celu odwiercenia długich odcinków otworu należy przy projektowaniu schematu

orurowania otworu uwzględnić następujące czynniki:

− przeznaczenie otworu (wiercenie geologiczne, strukturalne, poszukiwawcze,

eksploatacyjne, wiercenia na morzu);

− sposób wiercenia, rodzaj i jakość stosowanych płuczek wiertniczych, wydajność

stosowanych narzędzi wiercących, oraz żywotność elementów składowych BHA (w

szczególności sekcji ułożyskowania i silników wgłębnych;

− wymagana końcowa średnica i głębokość zapuszczenia kolumny rur okładzinowych;
− metoda dowiercania do poziomów produktywnych skał zbiornikowych;
− stopień zaopatrzenia materiałowego oraz dysponowany asortyment wymiarów i

gatunków rur okładzinowych.

− stabilność skał ocenianą z punktu widzenia tworzenia się obwałów; zasypów i

możliwości kawernowania ściany otworu;

− temperaturę w otworze;
− przepuszczalność skał;
− ciśnienie płynu złożowego;
− występowanie stref i miejsc ucieczek płuczki, w których mogą wystąpić komplikacje

wiercenia;

− występowanie poziomów wodnych, solankowych, ropnych i gazowych;
− parametry złożowe skały zbiornikowej charakterystyczne dla danej struktury,
− rodzaj oraz częstotliwość przewarstwień dla skał miękkich i twardych oraz kąty

nachylenia warstw.

W celu doboru racjonalnego doboru schematu zarurowania otworu należy również

przestrzegać optymalnych prześwitów między poszczególnymi średnicami kolumn rur

okładzinowych , ścianą otworu oraz narzędziami wiercącymi.

5

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Opracowanie schematu zarurowania otworu wiertniczego rozpoczyna się od dołu.

Dla otworów eksploatacyjnych ustala się średnicę kolumny eksploatacyjnej, a dla

otworów geologicznych i poszukiwawczych - średnicę kolumny końcowej lub końcową

średnicę otworu. Następnie dobiera się świdry oraz średnice pozostałych kolumn rur. W

tym zakresie projektant ma ograniczoną możliwość wyboru, ponieważ wymiary rur

okładzinowych oraz świdrów są znormalizowane.

Wielkość średnicy odcinka otworu wiertniczego, a zatem i wielkość średnicy

świdra do jego odwiercenia wyznacza się ze wzoru:

D

O

= D

m

+ k

z

gdzie:

D

O

- średnica otworu wiertniczego (świdra), [m];

D

m

- zewnętrzna średnica elementu złącza (kielicha - mufy) rur okładzinowych [m];

k

z

– prześwit zewnętrzny, [m];

k

z

∈ (0,016 m ÷ 0,095 m) - dla otworów normalnośrednicowych;

k

z

∈ (0.1m ÷ 0.2m) - dla otworów wielkośrednicowych.

Wielkość prześwitu zewnętrznego ma bardzo istotne znaczenie dla szczelności

zacementowanych rur oraz wytrzymałości obudowy, kamień cementowy-rura. Przy zbyt

małych prześwitach mogą wystąpić trudności podczas zapuszczania rur do otworu

(szczególnie, gdy występuje krzywizna otworu), natomiast przy zbyt dużych prześwitach

można nie otrzymać turbulentnego charakteru przepływu zaczynu cementowego, co

bywa przyczyną złego uszczelnienia przestrzeni pierścieniowej. Duże wartości

prześwitów zewnętrznych wymagają stosowania świdrów o większych średnicach, co

wiąże się ze zwiększonym zużyciem energii oraz materiałów. W przypadku stosowania

dużych prześwitów zewnętrznych mogą powstać dodatkowe trudności przy

przewiercaniu skał sypkich, które przy zwiększonej średnicy łatwiej tracą stabilność.

Możliwości konfiguracji rur okładzinowych zgodnych z normami API oraz

świdrów wiertniczych zestawiono w tabeli.

Przy projektowaniu schematu zarurowania otworu wiertniczego ważny jest

również dobór prześwitu pomiędzy świdrem a średnicą wewnętrzną kolumny rur

okładzinowych. Ma to szczególne znaczenie przy projektowaniu kolumn rur

okładzinowych o różnych grubościach ścianki. Wielkość tego prześwitu zależy od

tolerancji z jaką wykonuje się rury okładzinowe i świdry; przyjmuje się ją w granicach

od 0,002 do 0,006 m.

W celu określenia wartości prześwitu wewnętrznego wykorzystuje się wzór:

6

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

k

w

= D

w

- D

O

gdzie:

D

w

- wewnętrzna średnica rury okładzinowej [m]

k

w

– prześwit wewnętrzny, [m]

Wielkość prześwitu wewnętrznego ma szczególne znaczenie przy projektowaniu kolumn

rur okładzinowych o różnych grubościach ścianki. Wielkość tego prześwitu jest zależna

od średnicy nominalnej rur okładzinowych i przyjmuje się go w granicach :

k

w

∈ (0,002 m÷ 0,008m) dla średnicy kolumn rur okładzinowych D

z

∈(4

1

/

2

"

÷ 8

5

/

8

")

k

w

∈ (0,002 m÷ 0,012m) dla średnicy kolumn rur okładzinowych D

z

∈(9

5

/

8

"

÷ 18

5

/

8

")

k

w

> 0,020 m dla średnicy kolumn rur okładzinowych D

z

≥20"

Wielkość prześwitu wewnętrznego może być większa niż zalecana górna granica.

2.2. Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach kierunkowych z

poziomym odcinkiem końcowym

Typowy schemat orurowania

Schemat orurowania otworu wiertniczego składa się z następujących rodzajów

kolumn rur okładzinowych:

- wstępnej (osłonowa) ;

- prowadnikowej (konduktor) ;

- technicznej (pośrednia) ;

- eksploatacyjnej.

Odmianą kolumny pośredniej (lub eksploatacyjnej) jest kolumna tracona zwana linerem

Kolumna wstępna

Ma najczęściej średnicę 340-760 mm (13 3\8 - 30 ") i długość od kilku do

kilkudziesięciu metrów. Jest pierwszą kolumną rur okładzinowych, zabezpiecza otwór

przed obsypywaniem się powierzchniowych, luźnych warstw skalnych

(piasków,żwirów). Zastosowanie tej kolumny wynika również z konieczności ujęcia

wypływającej płuczki w pierwszej fazie wiercenia. Kolumnę wstępną zapuszcza się do

głębokości występowania warstwy zwięzłej i zacementuje na całym odcinku, łącznie z

dnem szybiku.

Zapuszczanie kolumny wstępnej w warunkach lądowych jest odmienne od

zapuszczania z morskiej platformy wiertniczej. Na lądzie pod kolumnę wstępną zwaną

7

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

blaszanką, wiercenie zwykle zaczyna się od najprostszych metod kopania, aby

umożliwić użycie płuczki wiertniczej. Podczas wiercenia z morskiej jednostki

wiertniczej, pierwszego odcinka otworu pod kolumnę wstępną, płukanie następuje od

początku wodą morską. Woda ta znakomicie zastępuje płuczkę wiertniczą, na krótkim a

jednocześnie dostatecznym odcinku otworu.

Kolumna rur 30’’może stanowić kolumnę bazową dla systemu Mudline Suspension,

która umożliwia podwieszenie wewnątrz niej kolumn rur o mniejszej średnicy

(np.20’’,13 3/8’’, 9 5/8’’).

Kolumna prowadnikowa

Stanowi podstawę przeciwerupcyjnego zabezpieczenia otworu. Najczęściej

spotykane średnice rur okładzinowych tej kolumny to: 245-473 mm (9 5\8 - 18 5\8 ");

głębokość zapuszczania kolumny zależy od warunków geologicznych i

hydrogeologicznych.

Kolumna ta powinna izolować poziomy wody słodkiej, skały przepuszczalne mające

połączenia z powierzchnią, strefy ucieczek płuczki oraz osłaniać warstwy słabe, których

ciśnienie szczelinowania jest niższe od ciśnienia złożowego gazu spodziewanego na

głębokości postawienia buta kolumny pośredniej.

Długość kolumy prowadnikowej najczęściej wynosi 300 - 600 m ale może mieć także

1500 m i więcej w otworach głębokich.

Aby kolumna prowadnikowa spełnienia swoje zadania jest konieczne dobre

zacementowanie jej na całej długości, a szczególnie skutecznie w dolnym odcinku. W

otworach kierunkowych często głębokość posadowienia buta rur prowadnikowych

określa uprzednio wyznaczony punkt rozpoczęcia odchylenia osi otworu.

Kolumna pośrednia

Zapuszcza

się ją do otworu ze względów geologicznych, złożowych i technicznych,

przy czym, jeśli jedyną przyczyną są wymagania techniczne, kolumnę tę zapuszcza się

jako kilku sekcyjną, kombinowaną (Tieback combination casing) lub traconą (liner).

Kolumna pośrednia oddziela od siebie przewiercone poziomy wody, ropy i gazu, izoluje

strefy ucieczki płuczki, skały plastyczne - zaciskające otwory, skały słabo zwięzłe lub

tektonicznie naruszone i obsypujące się oraz skały i wody chemicznie aktywne.

Zwykle powodem zapuszczenia kolumny pośredniej może być konieczność

oddzielenia górnych warstw o niskim gradiencie ciśnienia szczelinowania przed

8

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

nawierceniem poziomów o ciśnieniach anormalnie wysokich, wymagających użycia

płuczki obciążonej.

Jeżeli izoluje się poziom gazonośny w dolnym odcinku kolumny, jej but powinien

znajdować się w odległości o ponad 50 m głębiej od spągu takiego poziomu. W otworze

można stosować kilka kolumn pośrednich. Pierwsza powinna być cementowana do

wierzchu. Następne, zapuszcza się najczęściej jako kolumny tracone (linery), które są

stosowane ze względów technicznych i cementowane odcinkowo lub rzadziej na całej

swej długości.

Średnice kolumn pośrednich wynoszą najczęściej 168 - 299 mm (6 5\8" - 11 3\4"),

natomiast ich długości zależą od wielu czynników, głównie od głębokości otworu i jego

konstrukcji. Często kolumny osiągają długości 1,5 - 4 tys. m, rzadziej - ponad 5 tys. m.

Ustalając głębokości zapuszczenia kolumn pośrednich i prowadnikowych mamy

większą dowolność niż w przypadku kolumn eksploatacyjnych, za wyjątkiem

przypadków izolacji tymi kolumnami stref o znacznie podwyższonych gradientach

ciśnienia porowego, stref skał plastycznych lub stref ucieczek płuczki, lub o znacznie

obniżonych gradientach szczelinowania.

Kolumna eksploatacyjna

Kolumna eksploatacyjna jest główną kolumną w otworach wiertniczych.

Zapuszczana jest w celu opróbowania i zabezpieczenia prawidłowej eksploatacji

poziomów ropo- lub gazonośnych. Dlatego przygotowanie i wykonanie cementowania

tej kolumny powinno być przeprowadzone ze szczególnie dużą dokładnością.

Eksploatacyjna kolumna rur okładzinowych stawiana jest nad stropem lub poniżej

spągu danego poziomu i sięga zazwyczaj wylotu otworu. Jednakże, w wielu

przypadkach, np. zamierzonej eksploatacji przez rury wydobywcze, najcześciej może

być zapuszczana jako kolumna tracona lub kombinowana. W otworach kierunkowych z

poziomym końcowym odcinkiem otworu ze względu na trudności z zapuszczeniem jej

na dno otworu wiertniczego stosuje się ją w postaci linera.

Najczęściej spotykane średnice kolumn eksploatacyjnych to: 114-178 mm (4 1\2" - 7").

Głębokość zapuszczenia kolumny wynika z charakterystyki złoża i zamierzonych

sposobów opróbowań oraz eksploatacji a także rodzajów jej wtórnych metod

wydobywania.

9

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Kolumna tracona

Przy

wzroście głębokości otworów, wzrastają temperatury i ciśnienia na ich dnie,

wzrosta też cena materiałów wiertniczych itp., racjonalne projektowanie konstrukcji

otworów i kolumn rur okładzinowych zaczyna nabierać kluczowego znaczenia. Coraz

częściej zamiast kolumn pełnych wprowadza się kolumny rur nie sięgające wylotu

otworu. Podstawowymi skutkami takiego działania są: możliwość zachowania

stosunkowo dużej średnicy końcowej otworu oraz obniżenie kosztów wiercenia.

Kolumnę rur traconych (liner) definiuje się pojęciem: kolumna stosowana do

izolowania odcinka otworu od osiągniętej głębokości w górę, aż do ostatniej, uprzednio

zapuszczonej kolumny rur.

Kolumna tracona nie musi sięgać aż do buta poprzedniej kolumny. Może być

postawiona na dnie otworu, z pozostawieniem odcinka nieorurowanego otworu powyżej

lub tak, że odcinek nieorurowanego otworu będzie znajdował się powyżej i poniżej tej

kolumny (scab liner).

Kolumny tego typu stosuje się sporadycznie do izolacji skał obsypujących się,

zaciskających otwór lub likwidacji innych trudności wiertniczych.

Zastosowanie kolumn traconych

Kolumny tracone pośrednie lub eksploatacyjne zapuszczane są do otworu

wiertniczego w celu:

− izolacji stref ucieczki płuczki, podwyższonego ciśnienia, obwałów, zaciskania

otworu , występowania wód chemicznie aktywnych ;

− orurowania odcinka otworu odwierconego wskutek konieczności pogłębienia

otworu ;

− niemożności zapuszczenia kolumny pełnej w otworze kierunkowym;
− opróbowania poziomów perspektywicznych występujących w pobliżu spodu

otworu poszukiwawczego ;

− polepszenia warónków przyszłej eksploatacji rurami wydobywczymi

(zwiększenie średnicy rur wydobywczych w górnym odcinku otworu)

jak również w sytuacjach, kiedy :

− wysokie ciśnienie, temperatura i głębokość otworu wiertniczego wymagają

wykonania zabiegu cementowania w jak najkrótszym czasie;

− długi czas zapuszczania kolumny pełnej mógłby wpłynąć na

niedoprowadzenie jej do planowanej głębokości.

10

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

2.3. Obliczenia wytrzymałościowe kolumn rur okładzinowych zapuszczanych do

otworów wiertniczych

Rozwój i racjonalizacja wierceń kierunkowych nie są możliwe bez równoczesnego

rozwoju konstrukcji i produkcji rur wiertniczych, w tym rur okładzinowych i

wydobywczych. Ważnym wskaźnikiem ekonomicznym w wiertnictwie jest zużycie rur

wyrażone w kilogramach na jeden metr odwiertu. W związku z tym w poszukiwaniach

surowców stałych metodami wiertniczymi dąży się ciągle do zmniejszania średnic

wierconych otworów.

Istotnym czynnikiem wpływającym na zmniejszenie zużycia rur okładzinowych oraz

ich lepsze wykorzystanie jest dobra znajomość konstrukcji i materiału rur, ich własności

fizyko-mechanicznych, sposobu badań i kontroli, metodyki obliczeń, zasad ich

użytkowania na powierzchni, jak również zasad eksploatacji i sposobów ochrony w

otworze wiertniczym.

Projekt obliczeń wytrzymałościowych kolumn rur okładzinowych zapuszczanych do

otworów kierunkowych uwzględniać musi następujące czynniki:

− rodzaj rur okładzinowych (walcowane, spawane);
− gatunki stali, z których wykonywane są rury okładzinowe;
− standaryzowane wielkości geometryczne charakteryzujące rury okładzinowe

(maksymalne wartości średnic zewnętrznych i minimalne wartości średnic

wewnętrznych, grubości ścianek);

− ciężar jednostki długości rury okładzinowej;
− typ złącza i rodzaj połączeń gwintowych;
− dostępność na rynku, cena.

Gatunek stali zależy od jej składu chemicznego oraz często od własności

mechanicznych. Normy API i PN obejmujące stale do produkcji rur okładzinowych,

szczególnie ze stali o wyższej jakości (stal o granicy plastyczności wyższej niż 568

MPa), podają jedynie wymagania co do własności mechanicznych stali. Oznaczenia stali

w tych normach nie są więc symbolami gatunków stali, lecz tylko ich odmian

wytrzymałościowych.

11

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Podstawowe właściwości stali oraz oznaczenia kodem paskowym według norm API

Granica

plastyczności

Re

min max

Granica

wytrzym. na

rozciąganie

Rm

Gatunek stali

Kod paskowy

MPa/PSI

MPa/PSI

MPa/PSI

J-55 zielony

380/55000

550/80000

520/75000

K-55 zielony/zielony

380/55000

550/80000

660/95000

C-75 niebieski

515/75000

620/90000

660/95000

L-80 czerwony/brązowy/czer

wony

550/80000

655/95000

660/95000

N-80 czerwony

550/80000

760/110000

690/100000

MW-C-90 liliowy 620/90000

725/105000

690/100000

C-95 brązowy

655/95000

760/110000

720/105000

MW-C-95 brązowy/czerwony/brąz

owy

655/95000

760/110000

760/110000

P-110 biały

760/110000

965/140000

860/125000

MW-125 biały/zielony/biały

860/125000

1030/150000

930/135000

MW-140 biały/niebieski/biały

965/140000

1140/165000

1030/150000

V-150 biały/biały

1035/150000

1240/180000

1100/160000

MW-155 biały/czerwony/biały

1070/155000

1240/185000

1140/165000

Połączenia gwintowe rur okładzinowych

O jakości rur okładzinowych w dużej mierze decydują ich połączenia. Zadania jakie

spełniają rury okładzinowe w otworach wiertniczych, a przede wszystkim w głębokich

otworach geologiczno-poszukiwawczych i eksploatacyjnych naftowych, wymagają

połączeń wytrzymałych i szczelnych. Do połączeń poszczególnych rur w kolumny

stosuje się rury ze złączami gwintowanymi oraz rury z końcówkami do spawania

(elektrycznego)

Rury okładzinowe łączone przez spawanie stosuje się obecnie sporadycznie, głównie

przy zapuszczaniu krótkich kolumn rur, rur o dużych średnicach i przy rurowaniu

otworów, w których nie przewiduje się wystąpienia przeszkód w doprowadzeniu rur do

projektowanej głębokości.

Połączenia gwintowe w rurach okładzinowych mają różne konstrukcje. Zasadnicze

różnice między rurami okładzinowymi określa się na podstawie konstrukcji tych

połączeń. Odmienność połączeń gwintowych wynika nie tylko z zarysów gwintu, ale

również konstrukcji poszczególnych elementów złącza i jego cech charakterystycznych.

Połączenia gwintowe rur okładzinowych można podzielić na:

1. Uwzględniając kryterium normalizacji:

- objęte normami API i PN

- nie objęte Normami API i PN

2. Uwzględniając budowę konstrukcyjną złącza:

12

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

- z połączeniem złączkowym;

- z połączeniem kielichowym;

Najważniejszymi cechami charakterystycznymi rur okładzinowych, które decydują o ich

własnościach użytkowych są:

− wytrzymałość połączeń gwintowych na rozluźnienie;
− szczelność połączeń gwintowych;
− średnice zewnętrzne i wewnętrzne połączeń;
− łatwość eksploatacji połączeń;
− cena jednostkowa rur z połączeniami danego typu.

Zaprojektowanie optymalnej konstrukcji kolumny rur okładzinowych zarówno pod

względem wytrzymałości, jak i najniższych kosztów, wymaga przede wszystkim

dokładnego zapoznania się z rozkładem i charakterem obciążeń, które w istotny sposób

wpływają na stan naprężeń występujących w poszczególnych przekrojach rury.

Kolumna rur okładzinowych zapuszczona do otworu wiertniczego podana jest

działaniu następujących rodzajów obciążeń:

− rozciąganie (wzdłużne, poosiowe), wywoływane ciężarem własnym, siłami

dynamicznymi powstającymi w czasie rurowania i innymi siłami;

− zgniatanie pod wpływem ciśnienia zewnętrznego płynów lub skał;
− rozrywanie wskutek ciśnienia panującego wewnątrz kolumn rur;
− skręcanie w odcinkach zmian kąta skrzywienia i azymutu;
− zginanie w krzywoliniowych odcinkach otworu kierunkowego.

Kolumna prowadnikowa narażona jest przede wszystkim na działanie obciążenia

wynikającego z ciężaru własnego kolumny, działającego w czasie zapuszczania jej do

otworu oraz na zgniatanie pod wpływem parcia skał luźnych i plastycznych.

Obciążenia kolumn pośrednich występują nie tylko w wyniku rozciągania osiowego

pod wpływem ciężaru własnego kolumny, zgniatania spowodowanego parciem skał i

płynów z zewnątrz oraz rozrywania od wewnątrz pod wpływem ciśnienia gazu z

nawierconego złoża, ale mogą również występować w formie niebezpiecznych obciążeń

złożonych.

Kolumna eksploatacyjna jest narażona na największe obciążenia jednoosiowe i

złożone jakie mogą wystąpić w odwiercie.

Metodyka kolejnego wyznaczania dopuszczalnych wartości ciśnień na poszczególne

obciążenia nie uwzględnia faktu równoczesnego oddziaływania tych obciążeń. W

rzeczywistości rury okładzinowe posadowione w otworze wiertniczym poddane są

13

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

działaniu rozciągania osiowego z jednoczesnym zginaniem lub rozrywaniem,

działającymi w płaszczyźnie prostopadłej do pionowej osi rury. W ten sposób w

materiale rury okładzinowej powstaje złożony stan naprężeń. W celu zaprojektowania

bezpiecznej konstrukcji otworu niezbędne jest wyznaczenie naprężeń zredukowanych.

Rozwiązując odpowiednie równanie otrzymuje się formułę umożliwiającą

wyznaczenie wytrzymałości na ciśnienie zgniatające p"

zg

określanej w dwuosiowym

stanie naprężeń, w funkcji ciśnienia zgniatającego rurę w jednoosiowym stanie naprężeń

i obciążenia rozciągającego p"

zg

= f(p

zg

,Q) :

p

Qp

FR

FR

Q

zg

zg

e

e

"

=

⎛
⎝⎜

⎞
⎠⎟

−

−

⎡

⎣

⎢

⎢

⎤

⎦

⎥

⎥

2

4

3

2

1

lub po przekształceniu:

⎥

⎥
⎦

⎤

⎢

⎢
⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

e

e

zg

zg

FR

Q

FR

Q

p

p

2

1

4

3

1

"

2

gdzie:

Q - zmienne obciążenie rozciągające wynikające z ciężaru rur i przestrzennego

skrzywienia trajektorii osi otworu kierunkowego, [N]

p

zg

- wytrzymałość na ciśnienie zgniatające przy Q = 0 , [Pa]

F - przekrój nominalny rury, [m

2

]

R

e

- granica plastyczności materiału rury, [Pa]

Warunki, przy których zachodzi konieczność obliczania kolumn rur okładzinowych

w dwuosiowym stanie naprężeń zostaną przedstawione w dalszej części wykładu.

2.4. Wyposażenie i uzbrojenie dolnej części kolumny rur okładzinowych

Osprzęt kolumn rur okładzinowych można podzielić na wyposażenie i uzbrojenie.

Przez wyposażenie kolumn rur okładzinowych rozumie się te wszystkie elementy które

mają zapewnić prawidłowe, bezawaryjne przeprowadzenie zabiegu cementowania

Elementami uzbrojenia są urządzenia techniczne, które można zakładać na kolumnę

rur lub w nią wbudowywać w celu zwiększenia skuteczności uszczelniania pozarurowej

przestrzeni pierścieniowej.

W wyniku wieloletniej praktyki opracowane zostały różne rozwiązania konstrukcyjne

poszczególnych elementów wchodzących w skład wyposażenia i uzbrojenia okładzinowych, a

dobór odpowiedniego zestawu elementów wyposażenia zależy od warunków geologicznych,

14

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

15

techniczno-technologicznych i ekonomicznych wykonania i cementowania otworu

wiertniczego. W skład wyposażenia kolumn rur okładzinowych wchodzą:

I. Buty cementacyjne

ƒ bez zaworu zwrotnego;

ƒ z zaworem zwrotnym;

ƒ z zaworem samonapełniającym się;

ƒ do cementowania przez przewód;

ƒ z uszczelniaczem;

II. Zawory zwrotne.

ƒ kulowe;

ƒ grzybkowe;

ƒ klapowe;

III. Pierścienie oporowe.

IV. Manszety cementacyjne

V. Pakery

• zwiercalne;
• odpinalne

VI. Łączniki bezpieczeństwa

VII. Mufy do wielostopniowego cementowania.

W skład uzbrojenia kolumn rur okładzinowych wchodzą:

I. Skrobaki i wycieraki osadu iłowego.

• pierścieniowe;
• listwowe

II. Pierścienie ograniczające.

III. Hydro-Bondery.

IV. Centralizatory.

• sprężynowe;
• kabłąkowe.

Nazwa osprzętu Lokalizacja

Zasady

stosowania

But rur
okładzinowych

dolny koniec rury okładzinowej

Każda kolumna rur okładzinowych powinna być zakończona butem. Buty
samo napełniające zaleca się stosować w zasadzie tylko w bardzo długich
pośrednich kolumnach rur okładzinowych (3000 m i dłuższych).
Zastosowanie ich jest również wskazane w przypadku bardzo małych
prześwitów między ścianą otworu a rurami, przy dużej wytrzymałości
strukturalnej płuczki np. obciążonej oraz w warunkach dużego zagrożenia
szczelinowania skał i ucieczką płuczki

Zawór zwrotny

w bucie lub nad butem rur
okładzinowych.

Zalecam stosować, gdy długość kolumny rur przekracza 300 m. W przypadku
cementowania kolumn prowadnikowych i krótkich kolumn pośrednich, jak też
przy małej różnicy gęstości zaczynu cementowego i przybitki, nie jest
konieczne użycie dodatkowego zaworu zwrotnego, poza znajdującym się w
bucie kolumny. Natomiast kolumny eksploatacyjne oraz długie (ponad 3000
m) i cementowane na długich odcinkach kolumny pośrednie, powinny mieć
dwa lub trzy zawory zwrotne. Poza zaworem w bucie rur, drugi zawór
zwrotny powinien być umieszczony bezpośrednio nad pierwszą rurą nad
butem.

Pierścień oporowy

ponad ostatnim (górnym) zaworem
zwrotnym, 20-30 m od buta rur
przy cementowaniu z jednym
klockiem.

Jeżeli stosuje się dwa lub trzy dodatkowe zawory, wskazane jest użycie
zaworu górnego o konstrukcji umożliwiającej spełnienie roli pierścienia
oporowego. Zmniejsza się wtedy wysokość korka cementowego i liczba
elementów zwiercanych po cementowaniu.

Manszety
cementacyjne i
pakery

- bezpośrednio pod mufą drugiego

stopnia cementowania,

- nad strefą chłonną,
- pakery dodatkowo w strefie

złożowej.

Mają zastosowanie przy uszczelnianiu rur okładzinowych przy niskich
ciśnieniach złożowych oraz przy uszczelnianiu wielostopniowym. Dopuszcza
się stosowanie manszetu w pozycji odwróconej. Manszet taki ogranicza górny
poziom uszczelniania. Stosowany wtedy, gdy chodzi o odizolowanie słupa
zaczynu cementowego od ropo- i wodonośnych oraz słabo zwięzłych i
szczelinowatych warstw, znajdujących się poniżej buta kolumny lub poniżej
mufy cementowania stopniowego.

Łączniki

ponad ostatnim górnym zaworem

Stosowane przy uszczelnianiu kolumn rur okładzinowych o długości większej
od 2000 m oraz w przypadku stosowania zaczynu cementowego z dodatkiem

16

KTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Tabela. Zasady rozmieszczania wyposażenia i uzbrojenia kolumn rur okładzinowych

PROJE

bezpieczeństwa zwrotnym.

środków tamponujących lub materiałów obciążających, kiedy istnieje
zagrożenie zatkania się dróg przepływu (zaworu zwrotnego) w bucie rur

Centralizatory

- nad butem rur okładzinowych;
- w strefie złożowej nad i pod tą

strefą;

- nad i pod mufą cementacyjną;
- pod łącznikiem kolumny traconej;
-pod łącznikiem sekcji rur oraz nad

butem poprzedniej kolumny;

- w miejscach wyznaczonych

na podstawie obliczeń ugięcia
centralizowanych odcinków rur
okładzinowych i sił działających na
elementy konstrukcyjne
centralizatorów rur okładzinowych

W celu usztywnienia dolnej części kolumny rur okładzinowych zaleca się
stosowanie po dwa centralizatory na pierwszych 2

÷3 rurach okładzinowych.

Centralizatory należy rozmieszczać w taki sposób by nie przekraczać
dopuszczalnych wartości sił odporowych elementów sprężynujących
cetralizatorów i równocześnie zapewnić minimalną wartość prześwitu
promieniowego pomiędzy ścianą otworu a ugiętą kolumną rur okładzinowych
[Norma API 10D]. W krzywoliniowych odcinkach otworu należy unikać
stosowania centralizatorów kadłubowych. W odcinkach otworu o bardzo
dużej krzywiźnie zaleca się stosowanie centralizatorów odpinalnych. Przy
stosowaniu centralizatorów sprężynujących konieczny jest właściwy dobór
geometrii elementów sprężynujących, tak, aby zapewnić pełne przyleganie
prowadnika do ściany otworu.

Skrobaki i wycieraki
osadu iłowego

- w dolnej części kolumny rur
- w strefie złożowej

Szczególnie gęsto należy rozmieszczać skrobaki na 2

÷3 ostatnich rurach w

celu wzmocnienia płaszcza cementacyjnego i zapobiegnięcia obruszania
kolumny przy nabieraniu krzywizny nowym narzędziem wiercącym.

Pierścienie
ograniczające

w miejscach lokalizacji skrobaków,
wycieraków i centralizatorów

Jako pierścień ograniczający można wykorzystać złączkę rur okładzinowych.
Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie typy centralizatorów mogą być
umieszczone na złączce.

Mufa
cementowania
wielostopniowego

wynika z warunków geologiczno -
technologicznych i złożowych

Przyjmuje się jako zasadę lokalizację mufy cementacyjnej w
kilkunastometrowej, nie skawernowanej strefie skał nieprzepuszczalnych.

Hydro-Bondery

w skawernowanych częściach
otworu

Użycie tego narzędzia jest zalecane szczególnie w sytuacjach, gdy obracanie i
poruszanie cementowaną kolumną rur okładzinowych nie jest możliwe lub nie
jest zalecane.

17

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

3. RUROWANIE OTWORÓW WIERTNICZYCH

3.1. Przygotowanie otworu wiertniczego do rurowania

Przed przystąpieniem do zapuszczania rur okładzinowych należy wykona6 pomiary

geofizyczna w otworze zgodnie z planem ruchu. W uzasadnionych przypadkach dopuszcza się

odstępstwo od wykonywania pomiarów w całości lub w części w przypadku zapuszczania kolumn

rur prowadnikowych i pośrednich. Decyzje o odstępstwie podejmuje kierownik Ruchu Zakładu

Górniczego.

Przed rurowaniem otworu należy skontrolować ewentualnie "przerobić" świdrem do średnicy

nominalnej szczególnie w interwałach przewężenia do projektowanej głębokości zapuszczania

kolumny rur okładzinowych.

Po "przerobieniu" otworu, przed zapuszczeniem rur okładzinowych, zaleca się otwór

przepłukać przez około l-2 okresów obiegu płuczki, aż do ustalenia się jej właściwości.

W przypadku stwierdzenia w czasie "przerabiania" lub płukania otworu wiertniczego objawów

gazu, ropy lub wody, ucieczki płuczki, objawów sypania lub zaciskania (warstwy plastyczne), itp.,

które nie znikają przy zastosowaniu dotychczasowej płuczki, należy zmienić jej właściwości,

względnie zmienić program prac w otworze wg doraźnego zarządzenia Służby Technicznej

Zakładu.

Przygotowanie otworu do zapuszczania rur należy odnotować odpowiednim wpisem w

dziennym raporcie wiertniczym.

3.2. Przygotowanie sprzętu i rur okładzinowych

Przed rozpoczęciem prac związanych z zapuszczaniem i cementowaniem rur okładzinowych

należy sprawdzić stan techniczny urządzenia wiertniczego, podzespołów i sprzętu do zapuszczania.

Do rurowania dopuszcza się rury z materiałów odpowiednich dla danych warunków

otworowych i spełniające wymagania norm (testowane przez producenta).

Przed rurowaniem, rury należy poddać kontroli wymiarów geometrycznych stanu powierzchni i

gwintów. Średnicę wewnętrzną rur należy sprawdzić przy pomocy cylindrycznych trzpieni

kontrolnych (szablonów) o sztywnej konstrukcji.

Zapuszczenie do otworu rur okładzinowych bez atestu producenta lub rur używanych, jest

możliwe jedynie po przeprowadzeniu badań stwierdzających ich przydatność.

Badania rur używanych stwierdzających przydatność powinny obejmować:

− hydrauliczną próbę wytrzymałości na ciśnienie wewnętrzne,
− makroskopową ocenę stanu powierzchni i gwintów rury.

18

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Wyniki badań powinny być objęte protokołem. Zakwalifikowane do ponownego użycia rury

okładzinowe należy odpowiednio oznakować. Dla obliczeń wytrzymałościowych rur używanych

należy stosować współczynniki bezpieczeństwa podwyższone nie mniej niż 20%, w zależności od

smaru technicznego badanych rur.

Na każde 1000 m przygotowanych do zapuszczania rur należy dostarczyć na wiertnię

dodatkowo 50 m rur rezerwowych.

Przy układaniu rur okładzinowych należy przestrzegać następujących zasad:

− pomiary długości rur prowadzić za pomocą taśmy stalowej, mierząc rury łącznie za złączką lub

kielichem bez nagwintowanego czopa rur,

− numer porządkowy i zmierzoną długość rury należy nanosić jasną, nieścieralną farbą na

powierzchni rury.

Dane o przygotowaniu rur do zapuszczania do otworu należy odnotować w odpowiednim

zaszycie na wiertni

Za przygotowanie rur do zapuszczania odpowiedzialny jest kierownik wiertni. W celu

prawidłowego przebiegu zabiegu rurowania i cementowania należy zainstalować odpowiednie dla

danych warunków techniczno-geologicznych i złożowych, uzbrojenie kolumny rur okładzinowych.

3.3. Rurowanie

Przed zapuszczeniem rur należy przygotować osprzęt i części zapasowe zapewniające sprawne i

bezpieczne przeprowadzenie zabiegu. Podstawowy wymagany osprzęt stanowią:

− płyty z klinami (spidery) i elewatory,
− klucze maszynowe i łańcuchowe (zalecany klucz automatyczny z kontrolowanym momentem

skręcającym),

− sprawdziany do rur, pęta do wyciągania rur, szczotki do czyszczenia gwintów, czyściwo,

stalowa taśma miernicza,

− głowica cementacyjna wraz z zasuwami i ciśnieniomierzem, klocki cementacyjne,
− więźba rur lub jej części składowe o ile korpus więźby został wcześniej zamontowany na

wylocie otworu,

− łącznik do płukania rur
− inny osprzęt przewidziany projektem RC.

Przy wciąganiu rur do wieży (masztu), gwinty powinny być osłonięte ochraniaczami.

Połączenia gwintowe rur okładzinowych należy skręcać z kontrolowanym momentem. Przed

skręceniem gwinty powinny być pokryte smarem do rur.

19

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

W przypadku, gdy po ukończeniu rurowania i cementowania rur przewiduje się dalsze głębienia

otworu, but rurowy i co najmniej 5 szt. rur powyżej buta należy zabezpieczyć przed możliwością

rozkręcenia się w czasie dalszego wiercenia.

Rury powinny być zapuszczane z kontrolowaną prędkością ustaloną na podstawie warunków

techniczno-geologicznych dla danego otworu.

Poziom płuczki w zapuszczanej kolumnie rur powinien być kontrolowany. Ogólnie zaleca się

zatłaczać płuczkę do wierzchu lecz nie rzadziej niż co 200 m, o ile projekt nie przewiduje inaczej.

Należy okresowo kontrolować gęstość płuczki wypieranej z otworu.

Płukanie otworu przez rury podczas ich zapuszczania zaleca się stosować przez:

− zmiany gęstości płuczki wypieranej z otworu lub zwiększenia zawartości materiału skalnego w

płuczce,

− w razie nierównomiernego wypływu płuczki,
− gdy występują trudności lub opory w zapuszczaniu.

Płukanie otworu przez rury w czasie ich zapuszczania należy dokonywać do chwili uzyskania

normalnych warunków przepływu i ciężaru kolumny rur.

W przypadku obniżenia się poziomu płuczki poza lub wewnątrz rur należy niezwłocznie

uzupełnić otwór płuczką lub wodą i następnie przywrócić krążenie względnie zastosować inne

rozwiązania określone warunkami techniczno-geologicznymi w otworze. Decyzja należy do osoby

kierującej rurowaniem.

Należy przestrzegać kolejności zapuszczania rur oraz dokonywać ciągłej kontroli zapuszczanej

kolumny nie tylko na podstawie zapisów i pomiarów ale również na podstawie wskazań

ciężarowskazu.

Kolumna rur okładzinowych po zapuszczeniu do otworu powinna pozostać podwieszona na

haku w sposób umożliwiający jej manewrowanie.

Po zapuszczeniu kolumny rur należy przepłukać otwór (zaleca się nie dłużej niż jednym

obiegiem). Nie zezwala się na rozpoczynanie zabiegu cementowania rur w przypadku stwierdzenia

wewnętrznych objawów wypływu gazu, ropy lub solanki z zawartością H

2

S. W czasie płukania

zaleca się w miarę możliwości manewrowanie kolumną rur.

Przy zapuszczaniu kolumny rur sekcjami, zapuszczanie górnych sekcji rur zaleca się

przeprowadzić po próbie posadowienia naprowadzającego. Dopuszczanie traconek do końcowej

głębokości wskazane jest prowadzić przy sukcesywnym płukaniu.

20

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

4. CEMENTOWANIE (USZCZELNIANIE) OTWORÓW WIERTNICZYCH

1) cel wykonywania zabiegów uszczelniających

2) metody uszczelniania

3) charakterystyka środowiska panującego w otworze wiertniczym

4) czynniki warunkujące skuteczność cementowania

5) dobór zaczynu cementowego i własności technologicznych

6) zastosowanie cieczy buforowej (rodzaj cieczy buforowej, własności cieczy buforowej)

7) projektowanie technologii cementowania

8) wyposażenie kolumny rur dla skutecznego cementowania

9) kontrola skuteczności cementowania

10) komplikacje i awarie przy pracach cementacyjnych.

21

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

22

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

5. WYBRANE ASPEKTY Z PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI OTWORU

WIERTNICZEGO

Projekt konstrukcji otworu składa się z:

1. projektu orurowania

2. projektu uszczelnienia.

5.1. Projekt orurowania

a) obliczenie głębokości zapuszczenia rur okładzinowych,

b) obliczenia wytrzymałościowe.

Cel orurowania i cementowania:

a) konieczność zamknięcia stref chłonnych,

b) odizolowanie stref o anomalnie wysokim ciśnieniu,

c) unikanie rozszczelinowania warstw leżących poniżej lub powyżej,

d) zamknięcie horyzontów produktywnych,

e) odizolowanie poziomów litologicznych (but kolumny musi znajdować się w skałach

zwięzłych).

Dobór konstrukcji polega na:

a) analizie wyników badań geologicznych, geofizycznych, wiertniczych, a w tym:

23

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

- analizie profilu litologicznego,

- analizie porowatości i przepuszczalności,

- analizie przewidywanych gradientów P

zł,

P

sz

- analizie płynów złożowych toksycznych (dobór nadwyżki gęstości płuczki),

b) na ustaleniu ilości kolumn rur okładzinowych na podstawie powyższej analizy,

c) wyznaczeniu średnic pozostałych kolumn rur po ustaleniu średnicy ostatniej kolumny

rur okładzinowych,

d) na ustaleniu jednej kolumny rezerwowej w terenie słabo rozpoznanym przy

wierceniach geologiczno - poszukiwawczych.

Przy projektowaniu konstrukcji otworu powinno uwzględniać się następujące kryteria:

a) minimalny koszt konstrukcji prac,

b) minimalne ryzyko utraty życia ludzkiego,

c) minimalne ryzyko zniszczenia środowiska naturalnego.

Rys.13. Rodzaje ciśnień w otworze wiertniczym

Z analizy rozkładu ciśnień otrzymuje się:

H

G

H

G

P

sz

pl

gl

<

+

pl

sz

gl

G

G

P

H

−

=

min

P

gł

dopuszczalne dobiera się w następujący sposób:

1) ze względu na wytrzymałość głowicy:

dla

2000

≤

H

z

gldop

P

P

≥

-

przy normalnym ciśnieniu złożowym

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

+

⋅

−

>

2

2

H

H

P

P

pl

gaz

z

gldop

γ

γ

24

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

dla

2000

H

>

-

przy anomalnie wysokim ciśnieniu złożowym

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

γ

+

⋅

γ

−

>

3

H

3

H

2

P

P

pl

gaz

z

gldop

2) ze względu na wytrzymałość rur na rozrywanie:

)

(

ρ

ρ

−

+

=

pl

w

gldop

gH

AP

P

gdzie:

A – współczynnik є (0,4 ÷ 0,8) dla każdego przypadku określane przez projektanta,

P

w

– wytrzymałość rur na ciśnienie wewnętrzne,

ρ – gęstość płynu za rurami (ρ dla wody 1000 kg/m

3

)

H – głębokość zapuszczania sekcji rur o najniższej wytrzymałości.

3) ze względu na szczelinowanie skał

gH

P

P

pl

sz

gldop

ρ

−

=

H – głębokość warstwy podlegającej szczelinowaniu.

Analizując punkty 1, 2 i 3 wybiera się najmniejszą wartość. Największe znaczenie ma

kolumna prowadnikowa (montowany prewenter) Ciśnienie dopuszczalne głowicowe musi być

wyższe minimalnie o 10% od ciśnienia złożowego.

Projektowanie konstrukcji otworu rozpoczyna się od sporządzenia wykresu rozkładu

gradientów ciśnień występujących w otworze.

25

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Rys.14. Rozkład gradientów ciśnień występujących w otworze

5.2. Ciśnienia występujące w otworze i metody ich wyznaczania

Ciśnienie złożowe

– to ciśnienie pod jakim znajduje się płyn złożowy w poziomie

stanowiącym skałę zbiornikową.

Ciśnienie porowe

– ciśnienie płynu w skale nie będącej kolektorem.

z

z

G

H

P

⋅

=

H – głębokość spągu warstwy, dla której wyznacza się ciśnienie złożowe;

G

z

– gradient ciśnienia złożowego.

Ciśnienie złożowe nazywamy anomalnie niskim jeżeli jego gradient G

z

< 0,0096

MPa/m. Ciśnienie złożowe nazywamy anomalnie wysokim jeżeli jego gradient G

z

> 0,0118

MPa/m. G

z

є <0,0096; 0,0118> MPa/m to ciśnienie złożowe jest normalne.

Ciśnienie geostatyczne

– ciśnienie wywierane przez skały stanowiące nadkład wraz z

płynami znajdującymi się w nich.

Ciśnienie to jest więc sumą iloczynów ciężaru właściwego przewiercanych skał i ich

miąższości.

∑

=

=

n

l

i

i

G

h

g

P

1

ρ

[Pa]

26

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

h

i

– miąższość poszczególnej warstwy,

ρ

i

– gęstość poszczególnej skały,

g – przyśpieszenie ziemskie.

Gęstość poszczególnych warstw skalnych wyznacza się:

1. dla skał sprężystych w zależności od ich porowatości:

- piaskowce,

- wapienie o porowatości 5 % – 7 %,

- dolomity o porowatości 9 % - 11 %,

- żwiry,

- zlepieńce,

- otoczaki,

2. dla skał plastycznych w zależności od stopnia ich skompaktowania (iły, iłołupki,

łupki, łupki szare, mułowce).

3. dla soli: ρ є (2050 – 2200) kg/m

3

,

4. dla anhydrytu: ρ є (2800 – 3000) kg/m

3

,

5. dla gipsów: ρ є (2250 –2350) kg/m

3

.

Dla skał sprężystych typu porowatego posługujemy się wykresem przedstawionym na

załączniku 1. Dla skał plastycznych załącznik 2 i 3. Gdy głębokość skał plastycznych < 200

m wówczas gęstość skał przyjmuje się 2040 kg/m

3

. Aby wyznaczyć gęstość łupków na

głębokości H metoda postępowania jest następująca:

- określa się wartość ciśnienia geostatycznego P

G

na głębokości H

strop

będącą

głębokością zalegania stropu skał plastycznych;

- wyznacza się średnią gęstość skał nadkładu

strop

G

n

gH

P

=

ρ

;

- dla danej wartości ρ

n

odczytuje się głębokość H

k

odpowiadającej jednorodnej serii

łupków (załącznik 2),

- znając H

k

(załącznik 3) odczytuje się rzeczywistą gęstość łupków w warstwie

stropowej ρ

strop

,

- wyznacza się gęstość łupków w partii spągowej (załącznik 3), gdzie

i

k

sp

H

H

H

+

=

(H

i

– miąższość warstwy),

- średnia gęstość łupków dana jest wzorem:

2

sp

strop

śr

ρ

ρ

ρ

+

=

.

27

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Ciśnienie szczelinowania

– ciśnienie, przy którym następuje zniszczenie skały pod wpływem

przekroczenia wytrzymałości szkieletu skały i przezwyciężenia ciśnienia płynu

wypełniającego tę skałę.

b

z

sz

P

P

P

+

=

P

b

– jest wynikiem pionowego oddziaływania ciśnienia P

e

z

G

e

P

P

P

−

=

e

b

P

P

μ

μ

−

=

1

(

)

z

G

z

sz

P

P

P

P

−

−

+

=

μ

μ

1

Ciśnienie to zależne jest od typu i właściwości skał:

- dla formacji sprężystych (piaskowce, wapienie, mułowce, dolomity, margle,

anhydryty, gipsy):

(

z

G

z

sz

P

P

P

P

−

+

=

3

2

)

Mpa

- dla formacji o dobrych własnościach filtracyjnych płynu wypełniającego otwór

wiertniczy (piaski, żwiry, otoczaki, zlepieńce):

(

z

G

z

sz

P

P

P

P

−

+

=

2

1

)

MPa

- w warstwach plastycznych (iły, sole, iłołupki):

G

sz

P

P

≤

- w przypadku wystąpienia piaskowców o różnym stopniu zailenia μ є (0,28 – 0,3):

z

G

z

sz

P

P

P

P

−

⋅

÷

+

=

)

428

,

0

389

,

0

(

MPa

Ciśnienie szczelinowania można wyznaczyć empirycznie poprzez próbę chłonności.

28

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Ciśnienie hydrostatyczne

– ciśnienie hydrostatyczne słupa płuczki to ciśnienie wywierane

przez słup płuczki wiertniczej o wysokości H i ciężarze właściwym γ. Ze względu na

wzajemny stosunek P

h

i P

z

rozróżniamy:

- technologię wiercenia z nadciśnieniem P

h

> P

z

- technologię wiercenia na granicy ciśnienia P

h

≈ P

z

- technologię wiercenia poniżej wiercenia złożowego P

h

< P

z

(stosowane tam, gdzie

występują duże porowatości i przepuszczalności wykorzystuje się głowice obrotowe).

5.3 Warunki doboru ciśnienia hydrostatycznego w otworze

Stosuje się dwie metodyki:

1.

metodyka naddatku,

2.

metodyka proporcji.

Metodyka naddatku

Przy wyznaczaniu gęstości płuczki winno się utrzymać represję zawartą w przedziale 7 ÷

35 at. Zasady doboru ciśnienia płuczki:

- normalne ciśnienie złożowe wynosi: 0,7 – 2,1 MPa,

- przy nadciśnieniu: 2,1 – 3,5 MPa,

- przy obniżonym ciśnieniu: < 0,8 MPa.

Metodyka proporcji

gH

aP

z

pl

=

ρ

a є (1,5 – 2,0) przy H < 1000 m

a є (1,05 – 1,1) przy H > 1000 m

Wyznaczona gęstość płuczki winna mieścić się w granicach:

gH

P

P

z

o

pl

+

=

min

ρ

gH

P

ch

pl

=

max

ρ

P

o

dla otworów geologiczno – poszukiwawczych wynosi 1,0 – 5,0 MPa.

29

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Literatura:

1. Bourgoyne A.T., Milheim K.K., Chenevert M.E., Young F.S.: "Applied Drilling

Engineering", SPE Textbook, 1986.

2. Gonet A., Stryczek S., Rzyczniak M.: Projektowanie otworów wiertniczych. Skrypty

Uczelniane 981. AGH. Kraków 1985 r.

3. Habrat S., Raczkowski J., Zawada S.: Technika i technologia cementowań w wiertnictwie.

4. Michell: “Horizontal Drilling”, Michell Box 1492 Golden CO 80402.

5. Miska S.: Zarys Mechaniki Zwiercania Skał. Wydawnictwo AGH skrypt uczelniany nr

515, Kraków 1976 r.

6. Szostak L., Chrząszcz W., Wiśniowski R., Ziaja J.: Technologia cementowania. Nafta &

Gaz Biznes. Nr 5d/99. Kraków 1999 r.

7. Szostak L. Wiertnictwo Wydawnictwa geologiczne 1989

8. Wiśniowski R: ”Wybrane aspekty projektowania konstrukcji otworów kierunkowych

z

wykorzystaniem technik numerycznych”, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-

Dydaktyczne AGH, Monografia nr 112, Kraków 2002.

30

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Rys.1. Zależność gęstości skał sprężystych od ich porowatości

31

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Rys.2. Krzywa sedymentacji – kompakcji jednorodnej warstwy łupków

32

PROJEKTOWANIE OTWORÓW NAFTOWYCH

Rys.3. Wyznaczenie gęstości łupków, iłów i iłowców od głębokości ich zalegania

33