Akademia Górniczo - Hutnicza

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wiertnictwo laboratorium
Techniki i technologie używane przy wykonywaniu odwiertów kierunkowych	WYKONAL: Wójcik Rafał

1. Wstęp

Wiercenia kierunkowe są skomplikowaną dziedziną sztuki inżynierskiej. Transport urobku w sekcji poziomej stanowi nie lada problem. Należy zwrócić szczególną uwagę na kilka kluczowych aspektów:

• Każdy duży projekt wymaga analizy i indywidualnego podej­ścia.

• Nie należy nigdy zapominać o jakości cyrkulacji w otworze.

• Zachowanie stabilności ścia­ny otworu jest bardzo ważne szczególnie podczas poszerzania otworu.

• Parametry reologiczne (zwłaszcza wysokie LSRV) i prędkość przepływu płuczki są najistotniejszymi czynnikami wpływający­mi na transport gruboziarnistego urobku.

• Niska zawartość fazy stałej skutkuje wyższym postępem wiercenia oraz poprawia smarność płuczki.

• Dobra smarność wpływa na niskie obciążenia osiowe prze­wodu 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 nadrzęd­nym nad prawidłową charakterystyką reologiczną.

Sprawdzanie i modyfikowanie parametrów płuczki w trak­cie projektu to podstawa działania w inżynierii wiertniczej.

Dlatego też obecnie badania reologiczne koncentrują się na dwóch obszarach:

1) wyznaczania lepkości pozornych płynów w niskich szybkościach ścinania (Low Shear

Rate Viscosity - LSRV),

2) określania lepkości pozornych płynów przy wysokich szybkościach ścinania (High

shear Rate Viscosity - HSRV).

W wiertnictwie niskie szybkości ścinania występują w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną lub orurowaną ścianą otworu a kolumną przewodu wiertniczego. Wartości te obserwuje się szczególnie przy wierceniu otworów horyzontalnych, gdy przewód wiertniczy leży na dolnej części ściany otworu. Niskie szybkości ścinania są między innymi przyczyną powstawania i eskalacji wielu niekorzystnych zjawisk takich, jak: osadzanie zwiercin na dolnej części ściany otworu kierunkowego (bad cutings effect) oraz wytrącanie się z płuczki wiertniczej obciążającej ją fazy stałej, np. barytu (barite sag effect). W wyniku nałożenia się tych procesów w otworach kierunkowych powstają stożki osadcze, które w pewnym momencie lawinowo przemieszczają się wzdłuż dolnej części ściany otworu kierunkowego, powodując komplikacje i awarie wiertnicze. Zjawisko to nosi nazwę efektu Boycotta. Dotychczas naukowcom na świecie nie udało się jednoznacznie określić, dla poszczególnych modeli reologicznych, ilościowych zależności ograniczających opisywane zjawiska. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono jednak że zasadniczy wpływ na stopień oczyszczania otworu wiertniczego ma wielkość lepkości pozornej określanej przy niskich szybkościach ścinania (LSRV).

2. Technologia przewiertów sterowanych horyzontalnych

Technologia przewiertu sterowanego obejmuje trzy etapy (rys. 1):

1. wiercenie pilotowe,

2. rozwiercanie gruntu,

3. wciąganie rurociągu.

1. W etapie pierwszym, w zaplanowanej osi rurociągu, wykonuje się otwór piloto­wy. Otwór ten zaczyna się drążyć ukośnie w dół pod kątem od 11° do 20°, zwanym ką­tem wejścia. Następnie na projektowanej głębokości zmienia się kierunek na pozio­my. Drążenie otworu pilotowego polega na wciskaniu w grunt żerdzi wiertniczych z jednoczesnym ich obracaniem. Żerdzie wiertnicze (połączone ze sobą zazwyczaj połączeniami gwintowanymi), wciskane w grunt tworzą przewód wiertniczy. Na początku przewodu wiertniczego znaj­duje się głowica pilotowa, skośnie ścięta (ukształtowana ekscentrycznie), a bezpośrednio za nią w specjalnej obu­dowie umieszczona jest sonda nadawcza. Tylko w pierwszym etapie robót możliwe jest sterowanie przewiertem. Przy jedno­czesnym wciskaniu w grunt i obracaniu głowicy pilotowej oraz przewodu wiertni­czego, trajektoria przewiertu jest prostoli­niowa. Jeżeli natomiast głowica pilotowa wraz z przewodem wiertniczym jest tylko wciskana w grunt, bez obracania, nastę­puje skręt w kierunku zależnym od położenia głowicy pilotowej. Średnica otworu pilotowego jest uzależniona od użytej głowicy pilotowej oraz średnicy żerdzi. Natomiast średnica głowicy pilotowej za­leży od rodzaju gruntu. Czym grunt jest miększy, tym średnica większa. Urabianie gruntu głowicą pilotową wspomagane jest zazwyczaj płuczką wiertniczą (w większości przypadków na bazie bentonitu), podawaną przewodem wiertniczym do głowicy pilotowej. W gruntach skalistych oraz skałach wiercenie pilotowe odbywa się zazwyczaj przy pomocy zestawu silnika wgłębnego typu naporowego oraz świdra trójgryzowe-go z zębami frezowanymi lub słupkowymi z węglików spiekanych (TC). Przy czym zastosowanie silnika wgłębnego wiąże się z koniecznością zapewnienia odpo­wiednich parametrów strumienia płuczki wiertniczej, gdyż silnik ten napędzany jest płuczką. W gruntach średniozwięzłych stosuje się pośrednie rozwiązanie, a mia­nowicie świder trójgryzowy w kombinacji z krzywym łącznikiem.

2. Po osiągnięciu punktu wyjścia przez głowicę pilotową rozpoczyna się drugi etap prac rozwiercanie. Głowicę pilotową wymienia się wówczas na odpo­wiedniej wielkości głowicę rozwiercającą, zwaną rozwiertakiem.

3. Bezpośrednio za rozwiertakiem, który wykonuje ostatnie poszerzenie lub tzw. marsz czyszczący, montuje się zespawany lub zgrzany w całości rurociąg. Podczas rozwiercania i przeciągania rozwiertaka w kierunku do wiertnicy, następuje rów­noczesne wciąganie rurociągu. Jest to ostatni, trzeci etap robót.

Rys. 1. Schemat poszczególnych etapów prowadzenia prac związanych z wierceniem sterowanego odwiertu horyzontalnego.

3. Wymagania wobec płynów wiertniczych w otworach kierunkowych

Oprócz urządzeń mechanicznych płuczka wiertnicza jest głównym składnikiem procesu wiercenia. Płuczka ma do speł­nienia dwie główne funkcje:

• Stabilizacja otworu przez stwarzanie wewnętrznego ciśnie­nia

• Transport zwiercin z otworu wiertniczego na powierzchnię

Stabilizacja odwiertu dokonuje się przez wnikanie płuczki do porowatych formacji, jak piaski i żwiry i umacnianie strefy przy-otworowej. Zawieszenie zwiercin w płynie i ich transport odby­wa się dzięki parametrom reologicznym i prędkości przepływu płuczki wiertniczej w przestrzeni pierścieniowej. Ograniczeniami w procesie są maksymalne dopuszczalne ciśnienie w kontekście zaniku cyrkulacji, i minimalne ciśnienie oraz objętość tłoczonego płynu, które są konieczne, aby zapobiec zapadaniu się otworu i aby zapewnić efektywny transport urobku na powierzchnię.

W praktyce wymagane ciśnienie zależy od spadku ciśnienia, które konieczne jest aby wydobyć zwierciny na powierzchnię. Ciśnienie rejestrowane na wiertnicy uwzględnia sumaryczne straty w systemie uwzględniające przewód wiertniczy, dysze narzędzia oraz straty pomiędzy przewodem a ścianą otworu.

Minimalne wymagane ciśnienie w otworze zależy od strat ci­śnienia związanych z cyrkulacją płynu oraz statycznego ciśnienia hydraulicznego. Omówiona formuła wygląda następująco

gdzie:

P_bh = ciśnienie w otworze [Pa]

Δp _ret = strata ciśnienia w PP w wyniku cyrkualcji [Pa]

ρ_ret gh_z = statyczne ciśnienie hydrauliczne [Pa]

Zakładając dostępność minimalnego ciśnienia wymaganego do wywołania przepływu w otworze, proces oczyszczania zale­ży od zdolności płuczki do transportowania urobku oraz wydaj­ności pompy. W ten sposób zawartość zwiercin w płuczce jest ograniczona w praktyce do około 30 % objętościowo.

Rekomendowany system płuczkowy powinien spełniać wszystkie kryteria wynikające z przeznacze­nia otworu oraz minimalizować problemy wiertnicze i ryzyko inwestycji. Analiza potencjalnych problemów i zagrożeń na eta­pie przygotowania projektu pozwalana prawidłowo wyselekcjo­nować produkty płuczkowe. Wymagane parametry techniczne, koszty pozyskania, osiągalność na rynku oraz akceptacja środo­wiska naturalnego są zwykle najważniejszymi kryteriami wyboru systemu płuczkowego. Płyn wiertniczy jest charakteryzowany przez następujące własności:

• parametry reologiczne (lepkość plastyczna, granica płynię­cia, 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 ciśnie­nia różnicowego,

• alkaliczność (pH),

• istotna dla stabilności systemu zawartość jonów wapnia, ma­gnezu oraz chlorków,

• współczynnik tarcia pomiędzy różnymi ośrodkami.

Dla wybrania optymalnego płynu powinien być analizowany każdy z wymienionych powyżej parametrów

Typ produktu	dla HDD	Koncentracja	Parametry		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

Tab. 1. Charakterystyka wybranych produktów płuczkowych

Wiele funkcji płynu wiertniczego może zostać uznanych za uniwersalne niezależ­nie od zastosowania i typu płynu. Dadzą się one zakwalifikować do następujących kategorii:

1. transmitowanie energii hydraulicznej na czoło otworu,

2. wynoszenie zwiercin przestrzenią pierścieniową na po­wierzchnię,

3. utrzymywanie w zawieszeniu urobku w trakcie cyrkulacji i podczas przerw w tłoczeniu płynu,

4. utrzymywanie w stanie zintegrowanym ściany otworu,

5. minimalizowanie wpływu na przewiercane formacje,

6. chłodzenie narzędzi i elektronicznych urządzeń pomiaro­wych,

7. przekazywanie danych geologicznych i technologicznych uzyskiwanych w procesie wiercenia,

8. zabezpieczenie przed nadmiernym zużyciem mechanicz­nym elementów przewodu wiertniczego,

9. ograniczanie tarcia,

10. kontrola ciśnień wgłębnych w otworze.

Dla stworzenia optymalnie działającego płynu wiertniczego każda z dziesięciu wymienionych funkcji musi być rozważona i w miarę możliwości realizowana.

Problemy występujące podczas wiercenia przewiertów sterowanych

Przy wierceniu otworów kierunkowych problemem staje się prawidłowe wynoszenie zwiercin na powierzchnię. Natrafiamy na szereg problemów z tym związanych. Zależą one w głównej mierze od kąta pochylenia otworu.

• 0^o - 35^o - nie ma problemów z wynoszeniem zwiercin gdyż nie a osiowego opadania zwiercin

• 35^o - 60^o - Mamy tutaj najwięcej kłopotów. Występują oba kierunki opadania zwiercin może się zdążyć przesunięcie profilu prędkości przepływu co też ma wpływ na wynoszenie. Powstający osad ma tendencję do lawinowego zsuwania się w dół i grozi przychwyceniem przewodu.

• 60^o - 90^o - Możliwy dystans opadania jest porównywany ze średnicą otworu. Możliwe jest również powstanie ładnego trwałego osadu.

Rys. Siły działające na cząsteczce zawiesiny w cieczy bingamowskiej w rurze odchylonej od poziomu o kąt 

Efekt Boycott'a

Jest to opadanie zwiercin, materiału obciążającego itp. w przypadku pochylenia osi otworu.

Rys. Graficzne przedstawienie efektu Boycott'a.

Rys. Wizualizacja 3D nagromadzenia barytu w krótkiej nachylonej rurze.

Transmitowanie energii hydraulicznej na czoło otworu

Płyn wiertniczy jest medium transmitującym energię hydrau­liczną do systemu. Jest ona potrzebna do przetłoczenia płuczki poprzez powierzchniowy system płuczkowy, przewód wiertni­czy do dysz narzędzia, a następnie poprzez przestrzeń pierście­niową (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 pro­porcjonalny do energii hydraulicznej będącej funkcją strumienia przepływu oraz spadku ciśnienia w dyszach narzędzia. Strumień płynu zasilać może także wgłębne silniki hydrauliczne typu na­porowego. Energia hydrauliczna często jest określana w odnie­sieniu do powierzchni przekroju poprzecznego urabianej for­macji.

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 regu­ły skutkują problemami wiertniczymi, włączając w to możliwość przychwycenia przewodu, nadmierny moment obrotowy i za­ciąganie w otworze. Przeładowanie przestrzeni pierścieniowej urobkiem prowadzi do utraty cyrkulacji i zwiększonych kosztów płuczkowych. Zbyt duża ilość pozostałego w otworze kierunko­wym 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 pły­nu. Cyrkulująca płuczka odprowadza zwierciny z czoła otworu i przesuwa w kierunku wyjścia otworu. Pod wpływem działa­nia siły grawitacji faza stała ma tendencję do opadania na dol­ną 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 strumie­niem tłoczonej płuczki wiertniczej. W długich otworach hory­zontalnych prędkość przepływającego płynu musi być na tyle wysoka, aby przezwyciężyć stałą tendencję do osiadania urob­ku. Ciężar właściwy płynu jest determinowany przez dodatkowe czynniki i nie jest tutaj rozważany jako cecha decydująca o zdol­ności płynu do wynoszenia urobku wiertniczego.

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 parame­trów gwarantuje utrzymanie w stanie zawieszenia ziaren o śred­nicy 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 prędko­ści 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 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 niezawieszona w płynie tworzy zasypy, przewężenia, w końcu może doprowadzić do zamknięcia przestrzeni pierścieniowej i w kon­sekwencji zaniku cyrkulacji. Brak cyrkulacji skutkuje szczelino­waniem formacji, brakiem kontroli ciśnień wgłębnych, wzro­stem 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 ścina­nia 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 zawiera­jącymi frakcję ilastą (np. gliny, margle, iły, iłołupki). Formacje przepuszczalne chłoną filtrat z płynu wiertniczego. Płuczka two­rzy struktury zbliżone do żelu blisko ściany otworu, zapobiega­jąc niekontrolowanej penetracji płynu do formacji. Użytecznym parametrem może być pomiar filtracji płuczki przy założonym ciśnieniu różnicowym wynikającym z głębokości położenia sek­cji poziomej otworu. Celem działania jest drożny otwór pozba­wionym zawałów i przewężeń.

Kontrola ciśnień wgłębnych

Zaniki cyrkulacji to zjawisko często występujące w technolo­gii HDD. Parametry płuczki powinny być kontrolowane, a tech­nologia wiercenia musi zapewnić utrzymanie płynu w otworze. Stan równowagi pomiędzy ciśnieniem wywołanym procesem drążenia otworu a naturalną odpornością formacji na szczeli­nowanie jest wartością nadrzędną wobec postępu prac wiert­niczych. 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 przewo­du. Daje to szansę wczesnego ostrzegania przed nadmiernym przeładowaniem otworu urobkiem, informując przy tym o nie­wystarczającej 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 powsta­je 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 przewodu na zwornikach. Dostarczanie wymaganego przez technolo­gię strumienia objętości płuczki jest sprawą kluczową. Należy kontrolować temperaturę roboczą sondy pomiarowej, aby nie dopuścić do nadmiernego przegrzania.

4. Szczególne osiągnięcia w dziedzinie horyzontalnych odwiertów sterowanych

Rekordowej długości rurociąg został wbudowany za pomocą przewiertu sterowanego(HDD) w Niemczech pod rzeką Elbą w celu połączenia ze sobą rurociągiem polietylenowym dwóch zakładów chemicznych należących do koncernu Sasol Germany GmbH. Łączna długość opisywanego przewiertu sięgnęła 2 625 m, co jednak wymagało nowatorskiego i bardzo rzetelnego podejścia do projektu. Wykonania tego projektu podjęła się niemiecka firma LMR Drilling GmbH, specjalizująca się w przewiertach HDD. Pierwszym krokiem umożliwiającym wywiązanie się z zadania było wykonanie w bardzo szerokim zakresie dokładnych badań geologicznych wraz z testami laboratoryjnymi. Mimo sporych kosztów poniesionych na ten cel, otrzymane wyniki badań wykazały duże prawdopodobieństwo zakończenia sukcesem przewiertu, pozwoliły także zaplanować sposób realizacji prac. Postanowiono, że zostaną zaangażowane dwie wiertnice, z użyciem których wykona się dwa przewierty z przeciwległych brzegów Elby. Połączenie przewiertów nastąpi pod dnem rzeki. Podjęto także decyzję o zainstalowaniu dwóch rur osłonowych o średnicy 457,2 mm (18”) w miejscach przejścia przewiertu pod brukowanymi brzegami rzeki. Około 1900 m z całkowitej długości przewiertu wykonano z północnego brzegu, gdzie zastosowana siła nie przekroczyła 3500 kN, a moment obrotowy 180 kNm, natomiast z brzegu południowego wykonano przewiert o długości 725 m z użyciem maksymalnej siły 2500 kN i momentu obrotowego 120 kNm. Tak więc do spotkania ze sobą dwóch otworów pilotowych doszło na znacznej odległości od obu brzegów, gdzie głębokość przewiertu wyniosła 40 m. Całość została następnie w kolejnych etapach rozwiercona do 457,2 mm (18”), aby następnie wciągnąć właściwą rurę PE o średnicy 355,6 mm (14”).

5. Literatura

Robert Osikowicz - „Krytyczne funkcje płynów wiertniczych” - Inżynieria bezwykopowa; Styczeń-Marzec 2005

dr inż. Agata Zwierzchowska- ” Przewierty sterowane i przeciski pneumatyczne” Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne Marzec - Kwiecień 2006

Rafał Wiśniowski, Stanisław Stryczek, Krzysztof Skrzypaszek - „KIERUNKI ROZWOJU BADAŃ NAD REOLOGIĄ PŁYNÓW WIERTNICZYCH” - WIERTNICTWO NAFTA GAZ _ TOM 24 _ ZESZYT 1 _ 2007

http://home.agh.edu.pl/~cala/prezentacje/HDD_DD.pdf

Paul D. Scott, Mario Zamora, Catalin Aldea - “Barite-Sag Management: Challenges, Strategies, Opportunities” IADC/SPE 87136

P.R. Paslay, U.B. Sathuvalli, M.L. Payne - “A Phenomenological Approach to Analysis of Barite Sag in Drilling Muds” SPE 110404

---