wiercenia kierunkowe
wiercenia kierunkowe
Rock drilling w Anglii
Instalacja rurociągów wysokiego ciśnienia DN900
metodÄ… wiercenia kierunkowego HDD
Fot. 1. Czyszczenie narzędzi przed zapuszczeniem do otworu
Projekt
King s Lynn to stare miasto położone na wschodnim angiel-
skim wybrzeżu u ujścia Great Ouse River. W pobliżu tego miasta
firma LMR Drilling UK na zlecenie rurociÄ…gowej kompanii La-
ing O Rourke wykonała dwa wiercenia pod wspomnianą rzeką
w celu wymiany dotychczas eksploatowanych nadpowierzch-
niowych linii. Długość projektowanych otworów wyniosła
360 m, średnica stalowego rurociągu 915 mm  patrz tab. 1.
LMR UK jest firmą wiertniczą działającą w obszarze wierceń
kierunkowych. Zrealizowała w ostatnich latach wiele interesu-
jacych projektów, w tym m.in. przekroczenie rzeki Tamar na
dystansie 1400 m dla instalacji rurociÄ…gu HDPE 560 mm, in-
stalacjÄ™ rurociÄ…gu stalowego 1220 mm na dystansie 904 m po-
między Nalsea a St. Georges w południowo-wschodniej Anglii,
Fot. 2. Instrukcja bezpieczeństwa dotycząca terenu budowy rurociągu
czy wreszcie wiele wierceń typu ląd  morze w trakcie których
Lokalizacja King s Lynn, Wielka Brytania
wykorzystano wiele nietypowych rozwiązań technologicznych.
Laing O Rourke to z kolei międzynarodowa grupa konstrukcyj- Generalny wykonawca Laing O Rourke
na specjalizująca się w budowie rurociągów paliwowych. Rurociąg Gazociąg stalowy 915 mm/1 6mm
Operator wiertniczy LMR UK Ltd.
Warunki geologiczne
Długość 2 x 360 m
Aby rozpoznać warunki wiercenia, wykonano 6 sondowań
Åšrednica otworu 1170 mm
geologicznych i stwierdzono, że na głębokości ok. 11 m znajdu-
UrzÄ…dzenie wiertnicze Land And Marine 1200 kN/60 kNm
je się strop iłowca (kimmeridge clay) o zmiennej twardości i wy-
Agregat pompowy Halliburton 2500 lpm @ 300 bar
trzymałości mechanicznej. Najtwardsze wkładki można określić
Serwis kierunkowy Prime Horizontal
na około 50-100 MPa. Powyżej skalnego podłoża napotkano na
Inżynieria płuczkowa HEADS
szary ił z piaszczystymi przewarstwieniami. Oznacza to dwa ro-
Osprzęt wiertniczy Slimdrill
dzaje formacji wymagające odmiennego typu narzędzi i techno-
System oczyszczania Pigott Shaft Drilling
logii wiercenia. Rzeka Great Ouse na obserwowanym odcinku
Okres budowy Lipiec-sierpień 2005
charakteryzuje się zmiennym poziomem wody podążającym za
Tab. 1. Parametry projektu
regularnie powtarzajÄ…cym siÄ™ cyklem podnoszenia i opadania
Robert Osikowicz  Horizontal Engineering and Drilling Service
76
Inżynieria Bezwykopowa lipiec - wrzesień 2005
wiercenia kierunkowe
poziomu wody w Morzu Północnym. Zjawisko pływowe wywo-
łane jest przez oddziaływanie grawitacyjne Księżyca. Przeciętny
czas między przypływami wynosi ok. 12 godz.
Wiercenie pilotowe
Ponieważ po analizie danych geologicznych okazało się, że
ponad 60% długości otworu miało przebiegać w zwięzłej for-
macji, wykorzystano do wiercenia pilotowego wolnoobrotowy
silnik wgÅ‚Ä™bny o Å›rednicy 6 ¾ z nastawnym krzywym Å‚Ä…czni-
kiem oraz świdrem trójgryzowym firmy Reed o średnicy 9 7/8 .
Silnik zamienia energię hydrauliczną przepływajacej przez niego
płuczki wiertniczej w energię mechaniczną (moment obrotowy
i prędkość obrotowa), która jest przekazywana do narzędzia
wiertniczego i wykorzystana do drążenia otworu. Prędkość ob-
rotową świdra reguluje się zmianą strumienia płuczki, a efek-
Fot. 3. UrzÄ…dzenie Land And Marine 120T
tywny nacisk i moment obrotowy sÄ… kalkulowane na podstawie
przyrostu ciśnienia w trakcie pracy narzędzia w stosunku do
ciśnienia zarejestrowanego wtedy, gdy świder był w odległości
kilkudziesięciu centymetrów od czoła otworu. W niemagnetycz-
nym obciążniku umieszczono kablową sondę Tensor. Podstawo-
wy system nawigacyjny był wspomagany na obu brzegach rze-
ki pomiarami w sztucznym polu pętli Tru-Trackera. Głębokość
sekcji horyzontalnej wynosiła 15 m. Projekt otworu przewidywał
wiercenie po krzywej o minimalnym promieniu 750 m. Uży-
cie silnika wgłębnego skutkuje oddaleniem sondy pomiarowej
od narzędzia o dodatkowe 7 m w stosunku do standardowe-
go dolnego zestawu przewodu (BHA) wykorzystujÄ…cego tylko
świder i krzywy łącznik. Dane o prawdziwej pozycji narzędzia
oraz intensywności zmian kierunku wiercenia uzyskiwane są
z pewnym opóz
nieniem. Wiercenie kierunkowe z użyciem ta-
kiego osprzętu wymaga dużego doświadczenia, aby nie wyko- Fot. 4. Silnik wgłębny ze świdrem trójgryzowym
nać otworu, który z racji zbyt dużego lokalnego przyrostu kąta
będzie nie do zaakceptowania. Budowa silnika o tej średnicy
i ilorazie kinematycznym 7:8 pozwala na wiercenie w zakresie
przepływów 600- 1400 l/min i prędkości obrotowej świdra 80-
150 rpm. Dostępny moment obrotowy sięga 8000 Nm. Postęp
wiercenia przy optymalnym przepływie w twardym iłowcu wy-
niósł 0,2- 0,3 m/min. Cel wiercenia został osiągnięty z bardzo
dobrą dokładnością w stosunku do projektowanych punktów
referencyjnych.
Poszerzanie otworu
Poszerzanie otworu odbyło się trójstopniowo z wykorzy-
staniem wyłącznie narzędzi typu low-torque hole opener do-
starczonych przez firmę Slimdrill. Parametry pracy narzędzi
rolkowych (nacisk, obroty, strumień płuczki) w iłowcu były
Fot. 5. Korpusy poszerzaczy rolkowych typu low-torque hole opener
optymalizowane dla uzyskania dobrego postępu wiercenia przy
założonym momencie obrotowym. Tempo wiercenia w mięk-
kiej sekcji było natomiast dostosowane do wydajności systemu
mechanicznej separacji faz. Analiza objętości odseparowanego
urobku oraz gęstości płynu w otworze wskazała, że stopień
oczyszczenia otworu można określić na ok. 85%  tab. 2.
Parametr Projekt I Projekt II Razem
Objętość otworu 400 m3 400 m3 800 m3
Całkowita ilość wtłoczonej
5800 m3 6450 m3 12250 m3
płuczki
Ilość zużytej wody 1200 m3 700 m3 1900 m3
Współczynnik płuczka :
3.2 1.7 2.4
objętość otworu
Współczynnik oczyszcze-
0.85 0.90 0.87
nia otworu
Fot. 6. Skręcanie 40-calowego baryłkowego centralizatora i 46-calowego
Tab. 2. Parametry technologiczne
hole openera
77
Inżynieria Bezwykopowa lipiec - wrzesień 2005
wiercenia kierunkowe
wiercenia kierunkowe
Rodzaj operacji Projekt I Projekt II
Wiercenie pilotowe 9 7/8 25 26
Poszerzanie HO 26 19 16
Poszerzanie HO 42 26 30
Poszerzanie HO 46 + BR 40 28 24
Instalacja BR 40 8 6
Tab. 3. Czas trwania operacji wiertniczych w godzinach
Aby oczyścić efektywnie otwór przy stosunkowo niewielkich
prędkościach przepływu w przestrzeni pierścieniowej własności
reologiczne były modyfikowane i zmieniane dla każdego marszu.
Nie zaobserwowano zaników płynu ani ekshalacji płynu na po-
wierzchnię w otworze o średnicy powyżej 40 . Przepływ tłokowy
w otworze jest bezpiecznÄ… formÄ… cyrkulacji, zapewniajÄ…cÄ… opty-
malne warunki transportu zwiercin skalnych o dużej granulacji.
Fot. 7. Demontaż narzędzi wiertniczych
Szczególną uwagę zwrócono na ilość i rozmiar zastosowanych
dysz. Wymagany spadek ciśnienia dla spodziewanego maksy-
malnego przepływu był skorelowany z powierzchnią przekroju
poszerzanej formacji. Energia hydrauliczna w prosty sposób prze-
kłada się na postęp i jakość oczyszczenia czoła otworu. Kolej-
nym problemem była stabilizacja w otworze narzędzi rolkowych.
Wykazywać one mogą pewną tendencję do odchodzenia od osi
otworu i pogłębiania doglegów, jeśli nie są prawidłowo prowa-
dzone przez stabilizatory. Dla przykładu 46 hole opener był po-
przedzony 40 poszerzaczem typu baryłkowego. Dzięki długiemu
i sztywnemu zestawowi wygładzono dostatecznie profil wierce-
nia. Mając na uwadze bardzo dobrą cyrkulację i ilość odseparo-
wanych zwiercin, nie wykonano dodatkowego marszu czyszczÄ…-
cego. Tab. 3 podaje czas trwania poszczególnych etapów prac
i uwzględnia tylko czas wiercenia i cyrkulowania w otworze.
Fot. 8. Agregat pompowy Halliburton o wydajności 2500 lpm
PÅ‚yn wiertniczy
Ze względu na dominującą w profilu frakcję ilastą zapro-
jektowano ekonomiczny, inhibitowany system płuczkowy
o wysokiej zawartości jonów wapnia. Dodatkowe korzystne
własności uzyskano dzięki zastosowaniu surfaktanta, niejo-
nowego środka powierzchniowo czynnego. System ten sku-
tecznie ograniczył dyspersję zwiercin ilastych, a tym samym
zwiększył zakres zawartości fazy stałej w cyrkulującym płynie
do ok. 35-40% objętościowo. Woda zarobowa pozyskiwana
była z odwodnienia gruntu i zawierała około 2 g/l Cl-. Nie
stanowiło to jednak przeszkody przy wierceniu w formacjach
ilastych. Kilka słów należy wspomnieć o interesującej konfi-
guracji systemu separacji faz. Tradycyjnie wykorzystywane w
technologii HDD sita wibracyjne i hydrocyklony wzbogaco-
no w trakcie drugiego przekroczenia o wirówkę dekantacyjną
ze stacją dozowania flokulantów. Zabieg ten miał na celu se-
Fot. 9. System płuczkowy
paracjÄ™ drobnych zwiercin ilastych o Å›rednicy poniżej 30µm.
To właśnie drobna faza stała powoduje nadmierny przyrost
lepkości płynu w trakcie wiercenia otworu o dużej średnicy.
Ponieważ koszt utylizacji odpadów wiertniczych jest wysoki,
rachunek ekonomiczny wskazał, że użycie wirówki będzie
opłacalne nie tylko ze względu na lepszą kontrolę parame-
trów płynu, ale  co równie ważne  pozwoli na przekształ-
cenie pozostawionego po procesie wiercenia płynu w czystą
wodę i urobek o znacznym stopniu zagęszczenia. Parametry
technologiczne związane z jakością cyrkulacji w otworze po-
dano w tab. 3. Znaczna różnica w zużyciu wody zarobowej
pomiędzy projektami wynika z faktu, iż całą objetość płynu
wypartego w trakcie pierwszej instalacji przetransportowano
na odległy kilka kilometrów plac budowy i wykorzystano po
mechanicznym oczyszczeniu podczas drugiego wiercenia pi-
lotowego. Oszczędności wynikłe z ograniczenia kosztów ma-
Fot. 10. Wirówka dekantacyjna
teriałów płuczkowych i kosztów utylizacji łatwo obliczyć.
78
Inżynieria Bezwykopowa lipiec - wrzesień 2005
wiercenia kierunkowe
Instalacja
W trakcie prowadzonych prac wiertniczych przygotowano
gazową rurę produktową o wymaganej długości oraz poddano
ją wodnej próbie ciśnieniowej. Rurociąg o średnicy bliskiej 1 m
wymaga nie tylko dobrej jakości otworu, ale również prawidło-
wego ułożenia na powierzchni terenu. Rozmieszczenie i wyso-
kość podpór rolkowych są szczegółowo projektowane. Over-
bend  Å‚uk prowadzajÄ…cy rurociÄ…g do otworu zrealizowano
za pomocÄ… dz
wigów bocznych. Tempo instalacji było typowe
dla rurociągów o podobnej średnicy i wynosiło 1.3-3.0 m/min.
Balastowanie rurociągu na poziomie optymalnym przyniosło
oczekiwaną, niską siłę ciągnięcia. W trakcie pierwszej instalacji
Fot. 11. Rurociąg w trakcie próby ciśnieniowej
konieczne były trzy przerwy związane z naprawą uszkodzonej
izolacji. Godzinne przestoje nie wpłynęły na parametry wiert-
nicze. Średnia wartość siły zaobserwowanej w trakcie instala-
cji wyniosła 16T i była zarejestrowana przez precyzyjny system
TOTCO. Druga instalacja przebiegała bez większych zakłóceń.
Wyższa obserwowana średnia siła  21T była skutkiem niższej
gęstości płynu w otworze  jest to skutek efektywniej działające-
go systemu separacji faz. Ciężar rurociągu uwzględniający ciecz
balastującą w ostatniej fazie instalacji wyniósł 380T. Z powyżej
przytoczonych danych wynika, że ilość cieczy balastującej była
na poziomie optymalnym. Siły oporu na poziomie 4-5% całko-
witego ciężaru to jeden z najlepszych wyników odnotowanych
przy tego typu pracach.
Fot. 12. Niskie obciążenia w trakcie instalacji
Podsumowanie Dodatkowej uwagi wymagało przejście w otworze granicy pomię-
Realizowany pięć tygodni projekt można zaliczyć do bardzo dzy dwoma warstwami i dostosowanie postępu, a także parame-
interesujących. Udało się w nim pogodzić wiercenie w miękkim trów technologicznych, do specyfiki gruntu. Wpływ na wrażliwe
i pęczniejącym ile z wierceniem w skale. Osprzęt wiertniczy mu- środowisko został ograniczony do niezbędnego minimum.
siał uwzględniać przede wszystkim zwiercalność twardej formacji.
79
Inżynieria Bezwykopowa lipiec - wrzesień 2005
l
p
.
i
b
c
-
i
j
Å›
.
e
o
c
Ä™
m
i
o
www
w
d
z
a
i
c
a
w
b
e
o
w
z
o
n
e
i
n
n
e
i
z
d
o
c