WYKŁAD 2

Twardość Skał

Określa opór jaki stawia skała zewnętrznym działaniom mechanicznym takim jak zarysowanie, szlifowanie, miażdżenie, wciskanie ostrza. Wyróżnić można dwa rodzaje twardości: twardość dynamiczną i twardość statyczną. Twardość skał jest istotną wielkością dla scharakteryzowania właściwości mechanicznych skał. Twardość definiuje się jako pewien szczególny rodzaj wytrzymałości przejawiający się przy wzajemnym kontaktowym nacisku dwóch ciał. Można ją zdefiniować jako wartość oporu stawianego przez skałę lokalnym kontaktowym działaniom wywieranym na nią w określony sposób. Tak określona twardość zależy od właściwości sprężystych i stałych wytrzymałościowych danej skały. Ze względu na charakter oddziaływania narzędzi urabiających (zwiercających) na skałę twardość można zdefiniować ogólnie jako wytrzymałość warstw powierzchniowych skały na kontaktowe (miejscowe) działanie siły. W zależności więc od sposobu działania na skałę można określić twardość przez rysowanie skały (metoda Mohsa – skala Mohsa, metoda Rosivala) lub przez wciskanie w nią twardego ciała (wgłębnika) (metody: Szreinera, Brinella i Rockwella). W metodzie Hertza wciskany jest w skałę wgłębnik wykonany z tego samego materiału co skała.

Uziarnienie

Jest to jedna z cech strukturalnych skały. Inaczej nazywane jest skład granulometryczny. Jest to procentowa lub wagowa zawartość poszczególnych frakcji ziaren w badanej próbce. Ziarna dzieli się na następujące frakcje:

• frakcja kamienista (ziarna o wymiarach powyżej 40 mm),

• frakcja żwirowa (ziarna o wymiarach 40-2 mm),

• frakcja piaskowa (ziarna o wymiarach 2-0,05 mm),

• frakcja pyłowa (ziarna o wymiarach 0,05-0,002 mm),

• frakcja iłowa (ziarna o wymiarach poniżej 0,002 mm).

Porowatość

Jest to obecność wszystkich porów w skale. Ze względu na wielkość i sposób przepływu płynu w porach wyróżnia się:

• pory nadkapilarne (średnica większa od 0,5 mm),

• pory kapilarne (średnica 0,5-0,0002 mm, ruch płynu jest ograniczony),

• pory subkapilarne (średnica mniejsza od 0,0002 mm, płyn występuje tu w postaci

• związanej).

Szczelinowatość

Szczelinowatość jest to stan występowania szczelin lub pęknięć w skale. Rodzaje szczelin:

• nadkapilarne(o szerokości ponad 0,25 mm),

• kapilarne (o szerokości 0,25-0,0001 mm)

• subkapilarne (o szerokości mniejszej niż 0,0001 mm).

Szczeliny niewidoczne gołym okiem nazywa się mikroszczelinami a pozostałe – makroszczelinami.

Wytrzymałość Skał

Wytrzymałość skał jest ich podstawową cechą. Oznacza ona opór ciała stałego przy próbie jego mechanicznego niszczenia. Ogólnie wytrzymałością nazywa się zdolność ciał do stawiania oporu siłom zewnętrznym za pośrednictwem sił wewnętrznych. W zależności od powstających przy tym odkształceń rozróżniana jest wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, zginanie i ścinanie. Wytrzymałość ciała stałego zależy od spójności i od tarcia wewnętrznego tego ciała.

Ogólnie zauważono, że:

• Na mniejszych głębokościach skały kruche na powierzchni stają się do pewnego stopnia plastyczne;

• Wytrzymałość skał przy równomiernym trójosiowym ściskaniu szybko wzrasta;

• Zniszczenie struktury skały następuje przy naprężeniach niższych od granicy ich wytrzymałości, jeżeli te naprężenia trwają dłuższy czas;

• Bardzo widoczny jest tu wpływ istniejących w skale szczelin i pęknięć.

WYKŁAD 3

PODSTAWOWE OKREŚLENIA

Otwór wiertniczy – wyrobisko w skorupie ziemskiej wykonane metodą obrotową lub udarową o średnicy niewielkiej w stosunku do długości

Urządzenie wiertnicze – zestaw konstrukcji i narzędzi służących do wiercenia

Wiertnia – plac, na którym rozmieszczone są wszystkie urządzenia, materiały i pomieszczenia niezbędne dla funkcjonowania urządzenia wiertniczego

Przewód wiertniczy – część urządzenia wiertniczego prowadząca świder, przekazująca napęd

Świder – narzędzie wiertnicze (wiercące) czyli narzędzie urabiające skałę

Zwierciny – materiał skalny urobiony przez świder

TYPY OTWORÓW

1. Otwory geologiczno – badawcze: poznanie budowy geologicznej

2. Otwory geologiczno – złożowe: strukturalne, poszukiwawcze, rozpoznawcze (np. geofizyczne)

3. Otwory hydrogeologiczne – poznanie warunków wodnych: studnie wiercone (ujęcia wód), otwory odwodnieniowe, piezometry

4. Otwory poszukiwawcze i eksploatacyjne złóż użytecznych (sól, siarka, gaz, ropa naftowa, wody mineralne, solanka)

5. Otwory w górnictwie podziemnym (otwory strzałowe, otwory odprężające, otwory odgazowujące, otwory do kotwienia-obudowa wyrobisk, otwory rozpoznawcze)

6. Otwory w górnictwie odkrywkowym (otwory strzałowe, otwory odwadniające, otwory rozpoznawcze)

7. Otwory dla potrzeb robót wiertniczych w ratownictwie górniczym

8. Otwory małośrednicowe dla badań geologiczno-inżynierskich (otwory iniekcyjne, otwory uszczelniające)

9. Otwory kierunkowe (eksploatacja złóż kopalin, otwory ratunkowe w płonących otworach wiertniczych oraz w szybach, omijanie stref uskokowych, odwierty pod górami, jeziorami, rzekami, miastami, wysadami solnymi)

10. Otwory o różnym przeznaczeniu inżynierskim:

11. otwory wielkośrednicowe (szyby górnicze, chodniki, tunele),

12. otwory mrożeniowe,

13. otwory dla budownictwa (rozpoznanie, wzmacnianie gruntu, palowanie), przewierty i przeciski

14. Otwory dla potrzeb magazynowania i składowania: podziemne magazyny gazu, podziemne magazyny paliw, składowiska odpadów uciążliwych dla środowiska

15. Otwory specjalne: otwory ratunkowe, otwory awaryjne

Wskaźniki Wiercenia

1. Mechaniczna chwilowa prędkość wiercenia v_m

Wyraża ona przyrost głębokości otworu w jednostce czasu

v_m= ΔH/Δt

gdzie: ΔH – przyrost głębokości otworu,

Δt – jednostka czasu

Wskaźnik ten określa się dla danego typu maszyny wiertniczej przy stałych parametrach wiercenia.

1. Mechaniczna średnia prędkość wiercenia v_{m śr}

jest to stosunek liczby odwierconych metrów H danym narzędziem wiercącym w ciągu

jednego marszu (w czasie wiercenia t):

vm śr = H/t

gdzie: H – przewiert danym narzędziem wiercącym uzyskany w danym marszu,

t – czas pracy danego narzędzia wiercącego na dnie otworu (czas wiercenia)

Mechaniczna średnia prędkość wiercenia jest szeroko stosowanym wskaźnikiem i określa się ją z pomiaru czasu wiercenia otworu na długość żerdzi wiertniczej, jej odcinka lub całego otworu, jeśli wiercony był jedną żerdzią.

1. Wskaźnik uwiertu jednostkowego (posuw (uwiert) jednostkowy) h₀

Poszczególne sposoby wiercenia oraz efektywność zastosowanych parametrów wiercenia (docisk (nacisk) osiowy na narzędzie i liczba jego obrotów, energia uderzenia) można ocenić na podstawie posuwu jednostkowego przypadającego na jeden obrót danego narzędzia wiercącego:

h₀ = v_m/n = ΔH/(Δt · n)

gdzie n jest liczbą obrotów narzędzia, 1/min.

1. Prędkość marszowa v_m1 może być wyrażona wzorem:

v_m1 = h/(t + T)

gdzie: h – przewiert na dane narzędzie wiercące do momentu zużycia (przewiert świdrem uzyskany w danym marszu);

t – czas pracy danego narzędzia wiercącego na dnie otworu (czas wiercenia);

T – czas zużyty na operacje zapuszczania i wyciągania przewodu, płukanie otworu, dodawanie pojedynczej rury płuczkowej oraz na wymianę świdra

1. Energia właściwa procesu wiercenia e_v

Energia właściwa procesu wiercenia jest to energia potrzebna do urobienia jednostki objętości skały.

ev = N/V0 = N/(vm · F) = N0/vm

gdzie: F – pole powierzchni przekroju zwiercanego otworu

N0 = N/F – względna moc powierzchniowa.

Energię właściwą ev uważa się również za miarę zdolności skały do stawiania oporu podczas wgłębiania w nią określonego narzędzia lub za wytrzymałość skały na zwiercanie. Przyjmując ev jako tak określony wskaźnik, podstawowe równanie na chwilową prędkość mechaniczną wiercenia vm można zapisać:

Vm = N/(ev · F)

Wraz z głębokością otworu zmniejsza się mechaniczna prędkość wiercenia i rośnie energochłonność procesu.

Podział wierceń ze względu na (8 kategorii):

1. Cel wiercenia:

   1. geologiczne: badawcze, poszukiwawcze, rozpoznawcze (dokumentacyjne);

   2. eksploatacyjne;

   3. inżynierskie i górnicze

2. Sposób zwiercania skały:

   1. udarowe na linie i żerdziowe;

   2. obrotowe;

   3. udarowoobrotowe;

   4. obrotowo-udarowe

3. Sposób usuwania zwiercin:

   1. suche i mokre łyżkowe

   2. płuczkowe

4. Średnice otworów:

   1. małośrednicowe: średnica początkowa do około 200 mm;

   2. normalnośrednicowe: średnica początkowa do około 500 mm;

   3. wielkośrednicowe: średnica początkowa większa od 500 mm

5. Głębokość wiercenia:

   1. lekkie: 1000-1500 m;

   2. średnie: 1200-3000 m;

   3. ciężkie: 3500-5000 m; d) bardzo ciężkie: 5500 do więcej niż 7500 m

6. Rodzaj pobieranych próbek:

   1. bezrdzeniowe;

   2. rdzeniowe

7. Sposób wprowadzania w ruch przewodu (narzędzia) wiertniczego:

   1. udarowe (na linie i na przewodzie sztywnym);

   2. okrętne (ręczne lub maszynowe);

   3. obrotowe: wrzecionowe i stołowe (Rotary); d) turbinowe; e) elektrowierty

8. Kierunek otworu:

   1. normalny (pionowy);

   2. kierunkowy (poziomy, ukośny);

   3. kierowany

Ogólna Klasyfikacja Maszyn Wiertniczych

Klasyczne metody wiertnicze

1. Sposobu zwiercania skał na dnie otworu wiertniczego

2. Rodzaju przewodu wiertniczego

3. Wielkości średnicy wykonywanego otworu

4. Sposobu usuwania zwiercin z dna otworu wiertniczego

5. Siły napędowej używanej do wiercenia i sposobu umieszczenia silnika na spodzie

6. otworu lub na powierzchni

7. Kierunku wykonywania otworu

8. Głębokości wiercenia

9. Sposobu otrzymywania próbek z wierceń

10. Liczby wierconych otworów

11. Miejsca wiercenia

Niekonwencjonalne Metody Wiertnicze. Ogólny Podział

WYKŁAD 4

Udarowe Wiercenie Otworów

Udarowe wiercenie otworów polega na kruszeniu skał za pomocą udarów świdra opuszczanego z odpowiednią prędkością na dno otworu. Podnoszenie i opuszczanie świdra na wysokość 0,3 – 1,1 m odbywa się za pomocą dźwigni zwanej wahaczem (rys.3.0.1), który za pośrednictwem stalowego pociągacza otrzymuje napęd od korby osadzonej na głównym wale. Natomiast wał jest napędzany przez przekładnie silnikiem elektrycznym lub spalinowym.

Przyrząd wiertniczy składa się:

• ze świdra, łącznika i pasterki

• ze świdra, obciążnika i pasterki

• ze świdra, obciążnika, nożyc wolnospadowych i pasterki

WYKŁAD 5

Okrętne i Okrętno-Udarowe Wiercenie Otworów

Okrętne i okrętno-udarowe wiercenia ręczne lub ręczne zmechanizowane stosowane są do wykonywania płytkich otworów hydrogeologicznych i rozpoznawczych gruntu pod budowle (otwór studzienny).

Proces wiercenia obejmuje następujące czynności:

1. wiercenie i popuszczanie przewodu wiertniczego oraz wywieranie nacisku świdra na skałę,

2. wyciąganie i zapuszczanie przyrządu wiertniczego razem z przewodem wiertniczym,

3. wymiana świdra,

4. usuwanie zwiercin z dna otworu i pobieranie próbek,

5. rurowanie otworu rurami okładzinowymi (nie zawsze),

6. zamykanie nawierconych wód podziemnych (rzadziej) w przypadku eksploatacji z głębiej zalegającej warstwy wodonośnej,

7. roboty ratunkowe (usuwanie wypadków wiertniczych),

8. roboty badawcze i pomiarowe w otworze wiertniczym,

9. przygotowanie otworu do eksploatacji albo jego likwidacja.

Podstawową czynnością jest wiercenie otworu i przygotowanie go do eksploatacji, pozostałe czynności mają charakter pomocniczy.

Okrętne Wiercenie Otworów

Stosuje się je do wykonywania płytkich otworów w celu eksploatacji wody (otwory studzienne) lub do zbadania gruntu pod budowle. W otworach wierconych okrętnie siłą napędową jest siła ludzka stąd możliwe jest wiercenie w ten sposób tylko w skałach bardzo miękkich i miękkich.

Przewód wiertniczy składa się z żerdzi, do których od spodu przykręca się świder, a na wystającą ponad ziemię rurę zakręca się klucz pokrętny, którym w procesie wiercenia obracają ludzie. Po napełnieniu się świdra skałą wyciąga się przewód wiertniczy na powierzchnię i opróżnia świder ze zwiercin.

Dla lepszego usunięcia zwiercin z otworu do otworu zapuszcza się łyżkę wiertniczą. Po wyciągnięciu łyżki na powierzchnię ponownie do otworu zapuszcza się przewód wiertniczy, którego długość zwiększa się poprzez przykręcenie nowych odcinków rur w miarę zagłębiania się świdra w otworze. Do skręcania przewodu wiertniczego używa się kluczy wiertniczych. Do zabezpieczenia ściany otworu przed obsypywaniem stosuje się rury okładzinowe, które zapuszczane są do otworu za pomocą huczka oraz podtrzymywane na powierzchni za pomocą ścisków.

Okrętne wiercenie otworów może być realizowane:

• bez użycia trójnoga,

• z użyciem trójnoga.

Wiercenie otworów bez zastosowania trójnoga może być wykonywane, jeżeli ciężar przewodu wiertniczego oraz rur okładzinowych jest bardzo mały, a tym samym wiercony

otwór bardzo płytki.

Przy nieco głębszych otworach, większych średnicach wierconego otworu oraz dla ułatwienia operacji zapuszczania i wyciągania przewodu wiertniczego wskazane jest zastosowanie trójnoga wraz z dodatkowym wyposażeniem, na które składa się wyciągarka ręczna i okrętka wraz z hakiem.

typy świdrów okrętnych

• rurowe,

• spiralne,

• spiralno-rurowe,

• talerzowe,

• skrzynkowe,

• ślimakowe,

• czółenkowe.

Wiercenia ślimakowe

W przypadku wiercenia okrętnego (np. świdrem spiralnym, kolumną ślimakową) zagłębianie się świdra w skałę odbywa się pod wpływem obracającego się wraz z nim przewodu przy równoczesnym nacisku osiowym. Naruszenie struktury skały miękkiej zachodzi przeważnie w wyniku skrawania i odłupywania zwiercin. Równocześnie wynoszenie zwierconej skały odbywa się przy użyciu kolumny ślimakowej. W czasie wiercenia świder wraz z kolumną wykonuje jednocześnie ruch postępowy z góry w dół i ruch obrotowy.

Wielkość zagłębiania się świdra w czasie jednego obrotu zależy od fizyczno – mechanicznych własności skał, parametrów geometrycznych pracujących elementów świdra, prędkości obrotowej oraz wartości nacisku osiowego na świder. W związku z tym świder spiralny do wiercenia obrotowego w skałach miękkich powinien mieć odpowiedni kształt. Skrawające ostrze powinno mieć kształt spirali ślimaka (rys.3.15), tak aby przejście z ostrzy świdra na spiralę kolumny ślimakowej było płynne, bez ostrych stopni i zagięć. Właściwym rozwiązaniem jest zatem zastosowanie ślimaków o podwójnej spirali Ze wzrostem głębokości otworu rosną straty energii na obracanie kolumny ślimakowej i na transport zwierconej skały przez kolumnę ślimakową.

Wiercenia ślimakowe należą do wierceń bardzo wydajnych. Wykonywane są na sucho, bez użycia płuczki, jednocześnie umożliwiając pobieranie próbek o nienaruszonej strukturze lub rdzeni. Wiercenia te dają dobre rezultaty przy wierceniu otworów płytkich w skałach miękkich i sypkich. W tych warunkach można je z powodzeniem stosować przy wierceniach

hydrogeologicznych.

WYKŁAD 6

Wiercenie Udarowo-Obrotowe

Metoda udarowo-obrotowa wykonywania otworów przy użyciu wgłębnych młotków wiertniczych i wiertnic hydraulicznych znajduje zastosowanie do wiercenia w skałach twardych. Metoda ta pozwala na szybkościowe wiercenie. Metodę tą można stosować do wszystkich rodzajów wierceń: geologiczno – poszukiwawczych i hydrogeologicznych oraz o specjalnym przeznaczeniu (np. otwory strzałowe).

W metodzie tej wgłębny młotek wiertniczy, tzw. bijak pneumatyczny, stanowi narzędzie o konstrukcji pozwalającej na połączoną pracę udarów z obrotami w czasie wiercenia. Nowoczesne wiertnice zapewniają obracanie narzędzia wiercącego, np. świdra, z dostatecznie dużym momentem obrotowym i regulowanym bezstopniowo naciskiem.

Technika wiercenia udarowo-obrotowego oparta jest na wykorzystaniu trzech

zasadniczych elementów:

1. młotka wgłębnego zwanego bijakiem pneumatycznym, spełniającego rolę narzędzia wiercącego wraz ze świdrem

2. wiertnicy służącej do zapuszczania, wyciągania i obracania kolumny przewodu wiertniczego

3. sprężarki dostarczającej powietrze o wymaganym ciśnieniu i wydajności do uruchomienia młotka wgłębnego i płukania otworu.

PROCES WIERCENIA

Wiertnica hydrauliczna z przemieszczalną wzdłuż masztu głowicą napędową obraca rury płuczkowe (przewód wiertniczy) z dokręconym do nich młotkiem wgłębnym, zamontowanym w kolumnie przewodu wiertniczego bezpośrednio nad rdzeniówką lub świdrem. Równocześnie sprężarka tłoczy do obiegu powietrze, które uruchamia wgłębny młotek i równocześnie wypłukuje i wynosi skruszoną skałę na powierzchnię. Młotek wgłębny składa się z głównego korpusu obudowy, w którym znajduje się cylinder roboczy z ruchomym tłokiem, napędzanym przez powietrze i sterowanym układem suwakowym (bezzaworowym). Uderzenia tłoka z wysoką częstotliwością (800-2000 udarów na minutę) przekazywane są na świder dociskany przez cały czas z ustaloną siłą do dna otworu wiertniczego. Równocześnie poprzez rury płuczkowe przykręcone do łącznika górnego młotek jest wolno obracany z prędkością 0,5-3,0 rad/s. Zapotrzebowanie powietrza w czasie wiercenia obejmuje niezbędną jego ilość, potrzebną do uruchomienia młotka oraz do płukania otworu, wynoszenie zwiercin wymaga bowiem utrzymania w przestrzeni pierścieniowej między przewodem wiertniczym a ścianą otworu niezbędnej prędkości strumienia powietrza. Wgłębne młotki wiertnicze wzorowane są na konstrukcji młotków pneumatycznych, tzn., że w dolnym końcu młotka zamontowany jest wymienialny świder lub koronka.

Usuwanie zwiercin

Z otworu wierconego zwierciny usuwane są przedmuchem powietrza wylotowego z mechanizmu udarowego. Powietrze wydostaje się otworem w koronce, porywa zwierciny i jednocześnie chłodzi narzędzie. Mieszanina powietrza i zwiercin odprowadzana przewodem trafia do cyklonu, w którym dochodzi do separacji (oddzielenia części stałych od lotnych). Zwierciny w postaci niewielkich pryzm usypywane są tuz obok organu urabiającego.

Typy świdrów

• Świder krzyżowy - jest rzadko stosowany przy wierceniu pionowych otworów o średnicach powyżej 100 mm, ale używany jest do skał spękanych i szczelinowatych bardzo twardych.

• świder słupkowy - podstawowy świder

• świder do poszerzania odwierconego już otworu o mniejszej średnicy (tzw. rozszerzacz).

Świdry wymienne mogą mieć i inne konstrukcje.

WYKAŁD 7

Turbinowa Metoda WierceniaOtworów. Wiercenie Turbowiertem

Metoda turbinowa wiercenia otworów wiertniczych polega na tym, że silnik służący do obracania świdra znajduje się bezpośrednio nad świdrem w otworze. Przez umieszczenie silnika napędowego na spodzie otworu, przewód wiertniczy nie obraca się w czasie wiercenia, Lecz jest w stanie spoczynku. Do obracania świdra na spodzie otworu stosowane są turbowierty i elektrowierty. Przewód wiertniczy służy do zapuszczenia turbowiertu do otworu i do doprowadzenia płuczki wiertniczej do turbiny hydraulicznej wielostopniowej, wprawianej w ruch ciśnieniem płuczki przetłaczanej z powierzchni ziemi pompami płuczkowymi.

Przebieg wiercenia

Turbowiert wraz ze świdrem jest zapuszczany w czasie wiercenia do otworu wiertniczego na kolumnie rur płuczkowych. Płuczkę ze zbiorników tłoczą pompy do głowicy płuczkowej przewodem i wężem gumowym. Nacisk osiowy świdra na dno otworu jest wywierany poprzez ciśnienie tłoczonej płuczki wiertniczej. Turbowiert jest przykręcony od góry do rury płuczkowej przewodu wiertniczego za pośrednictwem łącznika. Łącznik ten jest przykręcony od dołu do korpusu turbowiertu. Tłoczona przez pompy płuczka wiertnicza napędza turbinę turbowiertu, a następnie wypływa kanałami i otworami w dolnej części wału do korpusu świdra.

WYKŁAD 8

PŁUCZKI WIERTNICZE

Płuczka wiertnicza jest to płyn lub gaz wykorzystywany w otworze wiertniczym do usuwania zwiercin oraz innych ważnych dla wykonania otworu zadań. Zarówno przy wierceniach geologiczno-poszukiwawczych, hydrogeologicznych czy też inżynieryjnych, jak i przy wierceniach technicznych specjalnych bądź wierceniach eksploatacyjnych płuczka wiertnicza odgrywa zasadniczą rolę. Przy zwiercaniu skał obok narzędzia wiertniczego (świdry, koronki wiertnicze), jego obrotów i siły nacisku czy też udarów o skałę, dużą rolę spełnia płuczka wiertnicza będąc jednym z parametrów, bez którego przy wierceniach z płuczką nie byłoby możliwe wykonywanie otworów wiertniczych.

Przy wierceniach stosowane są dwa rodzaje płuczek:

• gazowa (powietrzna),

• ciekła

• równocześnie gazowa (powietrze) i ciekła.

Jako płuczkę ciekłą najczęściej stosuje się wodę zwykle z różnymi dodatkami(syntetyczne mydła, oleje, polimery itd.). Można też sporządzić płuczkę z wody, iłu oraz różnych dodatków, czyli odczynników. Płuczki ciekłe można zaliczyć częściowo do zawiesin, a częściowo do roztworów koloidalnych.

Ze względu na zastosowanie płuczki mogą być przeznaczone:

• do dowiercania złóż ropy naftowej i gazu ziemnego,

• do przewiercania pokładów soli,

• do zwiercania skał ilastych,

• do wierceń w poszukiwaniu wód pitnych,

• do dowiercania do przestrzeni z odciętymi górnikami w przypadku działań ratowniczych.

Do najczęściej stosowanych płuczek wiertniczych można zaliczyć:

1. płuczki słodkowodne,

2. płuczkę iłową normalną

3. płuczki inhibitowane,

4. płuczki zasolone

5. płuczki emulsyjne olejowe,

6. płuczki aeryzowane i pianowe

7. płuczki gazowe (powietrzna).

Elementami systemu obiegu (krążenia) płuczki wiertniczej są:

1. Urządzenia powierzchniowe służące do sporządzania, magazynowania, wprawiania w ruch (tłoczenia) oraz odczyszczania płuczki wiertniczej;

2. Część otworowa obejmująca głowicę płuczkową, przewód wiertniczy (rury płuczkowe, obciążniki, świder), rury okładzinowe.

Wynoszenie zwiercin skalnych z dna i ze spodu otworu przy wierceniach obrotowych odbywa się dzięki krążeniu płuczki wiertniczej.

W zależności od kierunku krążenia (obiegu) płuczki rozróżniamy:

• normalne (prawe) krążenie (obieg) płuczki;

• odwrotne (lewe) krążenie (obieg) płuczki.

Najczęściej stosowane jest prawe krążenie płuczki.

Prawe (normalne) krążenie płuczki polega na tym, że płuczka tłoczona pompami płuczkowymi pod ciśnieniem przepływa przez rury płuczkowe, a wypływając przez otwory w koronce rdzeniowej lub w świdrze porywa ze sobą zwierciny i wypływa z nimi przestrzenią pierścieniową na powierzchnię.

Lewe (odwrotne) krążenie płuczki - płuczka jest tłoczona pompą (lub pompami) w przestrzeń między podwójnymi rurami płuczkowymi stanowiącymi przewód wiertniczy. Przewodem tym dopływa ona do koronki, która odwierca rdzeń. Rdzeń jest kruszony na kawałki (4, 5) przez urywak rdzenia. Kawałki rdzenia płuczka pod ciśnieniem wynosi na powierzchnię ziemi przez głowicę płuczkową do specjalnego koryta. Stąd rdzenie odbierane są do skrzynek.

W przypadku jam (kawern) lub innych utrudnionych warunków w otworze przy tej samej wiertnicy można stosować prawy lub kombinowany system krążenia płuczki.

Najważniejsze właściwości płuczki wiertniczej

1. Ciężar właściwy (gęstość) – dobiera się go tak, aby ciśnienie hydrostatyczne na dnie otworu było o 8 – 10% wyższe od ciśnienia spodziewanego w złożu. Normalnie gęstość płuczki wynosi 1,15 – 1,30 g/cm3 (płuczka iłowa). W miarę potrzeby płuczkę można dociążyć dodając baryt, galenę lub hematyt. Można w taki sposób uzyskać gęstość płuczki nawet do 3,30 g/cm3.

2. Filtracja – jest to zdolność do oddawania wody przez płuczkę do przewiercanej skały na skutek różnicy ciśnień w otworze i w skale. Na ścianie otworu tworzy się film (cienka warstwa), który uszczelnia i wzmacnia ścianę otworu, zapobiegając ucieczce płuczki wiertniczej.

3. Tiksotropia – jest to zdolność do przechodzenia zolu w żel i odwrotnie. Dzięki tiksotropii płuczka przechodząc w żel utrzymuje w sobie zwierciny. Z tiksotropią wiąże się pojęcie wytrzymałości strukturalnej płuczki.

4. Wytrzymałość strukturalna płuczki jest to siła jaka jest potrzebna aby płuczka przeszła z żelu w zol i ruszyła w obieg.

5. Lepkość – z mechanicznego punktu widzenia jest to najważniejszy parametr. Stanowi on o oporach przepływu płuczki przez otwór i poza nim. Zbyt mała lepkość powoduje rozmywanie ścian otworu i straty płuczki. Zbyt duża lepkość powoduje oblepianie ściany otworu a nawet przychwytywanie przewodu wiertniczego.

6. Stabilność płuczki – jest to zdolność płuczki do zachowania stanu jednorodności w czasie. Jej miarą jest zmniejszenie się ciężaru właściwego płuczki po 1 dobie postoju. Stabilność płuczki jest ważna z punktu widzenia zapasu płuczki.

Pomiary właściwości płuczki wiertniczej

Każda płuczka wiertnicza w czasie wiercenia powinna być systematycznie badana. Badania płuczki pozwalają na obserwacje zmian zachodzących w płuczce w czasie wiercenia warstw skalnych na całej długości otworu oraz na wyciąganie odpowiednich wniosków co do charakteru przewiercanych skał a także co do polepszenia jej właściwości. Przy normalnie przebiegającym wierceniu bada się co najmniej raz w ciągu zmiany następujące właściwości płuczki:

• ciężar właściwy;

• filtrację i skład chemiczny filtratu oraz wartość pH;

• zawartość fazy stałej w płuczce;

• własności smarne płuczki;

• lepkość czyli wiskozę;

• wytrzymałość strukturalną;

• zawartość piasku w płuczce;

• zawartość metanu lub innego gazu w płuczce;

• stabilność;

• zawartość jonów chlorowcowych;

• temperaturę; odstój dobowy.

Sposób przygotowania płuczki wiertniczej:

1. materiały do sporządzania płuczki wiertniczej przygotowuje się w wytwórni w postaci sproszkowanej. Surowy ił zostaje odpowiednio wysuszony, następnie drobno zmielony, przesiany przez sita i wraz z dodatkami ulepszającymi mieszany i jako gotowy produkt wysyłany jest w workach na miejsce wiercenia;

2. drugi sposób polega na mieszaniu surowego iłu z wodą w specjalnych mieszalnikach bezpośrednio przy otworze lub też w osobnej wytwórni płuczki. Stamtąd gotowa płuczka przewożona jest na miejsce wiercenia otworu.

Oczyszczania wypływającej płuczki wiertniczej z otworu

Oczyszczanie płuczki z okruchów skalnych ma na celu niedopuszczenie ich do powtórnego krążenia z płuczką, przez co unika się między innymi niszczącego działania okruchów skał ściernych na system hydrauliczny. Oczyszczanie płuczki następuje zatem na odcinku pomiędzy rurą wypływową a zbiornikiem ssącym płuczki.

Przy oczyszczaniu płuczki wiertniczej można wyróżnić następujące metody działania:

1. przeciwdziałanie dyspersji zwiercin wynoszonych przez płuczkę wiertniczą;

2. mechaniczne oddzielanie zwiercin z płuczki wiertniczej;

3. oddzielanie chemiczne zwiercin przez flokulację.

Oczyszczenie płuczki wiertniczej ze zwiercin przeprowadzone może być więc:

1. hydraulicznie;

2. mechanicznie;

3. chemicznie.

• Oczyszczanie hydrauliczne odbywa się w takich urządzeniach jak zbiorniki i koryta płuczkowe.

• Oczyszczanie mechaniczne odbywa się na sitach wibracyjnych, sitach transporterach, w separatorach i hydrocyklonach.

Osadzanie się zwiercin w czasie przepływu płuczki przez koryta i zbiorniki zależy głównie od prędkości jej przepływu przez koryta, od długości koryt oraz od typu zastosowanych przegród osadników lub zbiorników. Średnia prędkość przepływu płuczki w korytach nie powinna przekraczać 1,0 – 1,5 m/s. Stopień oczyszczania płuczki ze zwiercin można określić na podstawie ich zawartości na początku, przy wypływie z otworu i na końcu, przy zbiorniku, z którego płuczka jest ponownie zasysana przez pompę. Różnica zawartości zwiercin na początku i na końcu, po przejściu przez urządzenia do oczyszczania nazywa się współczynnikiem zdolności oczyszczania.

Do właściwego (skutecznego) oczyszczania płuczki ze zwiercin służą urządzenia mechaniczne i hydrauliczne:

• sita wibracyjne,

• sita obrotowe – separatory,

• wirówki,

• hydrocyklony.

Stosuje się je do oczyszczania płuczek wysokokoloidalnych, w których zwieciny utrzymują się bardzo łatwo.

Sito wibracyjne składa się z ramy z naciągniętą na nią nierdzewną siatką metalową, nachyloną pod kątem 3 – 20 . Rama sita napędzana jest silnikiem elektrycznym przez mimośród. Płuczka ze zwiercinami z otworu wiertniczego wypływa rurą do koryta i na siatkę sita. Na sicie pozostają zwierciny, które stopniowo zsuwają się po pochyłej powierzchni siatki do dołu zwiercinowego, płuczka natomiast, wstępnie oczyszczona, przepływa do koryt, którymi odpływa w kierunku zbiornika ssącego. Sito może być pojedyncze lub podwójne. Sito podwójne ma dwie sekcje i wydajność dwa razy większą niż sito pojedyncze.

sito obrotowe (separatory) - płuczka ze zwiercinami płynie do łopatki koła roboczego i wprawia go w ruch obrotowy, który za pośrednictwem przekładni jest przenoszony na bęben sitowy i na bęben pomocniczy, służący do odbioru zwiercin. Na bębnie sitowym z siatką i wałem śrubowym (ślimak) oddzielają się zwierciny. Pod bębnem umieszczone jest blaszane koryto płuczkowe dla płuczki oczyszczonej w tym sicie.

Wirówka - służy do oczyszczania płuczek wiertniczych, zwłaszcza do rozdzielania ciekłych zawiesin lub emulsji zawierających składniki o różnej gęstości. Wirówka składa się z przenośnika śrubowego, który obraca się w stożkowej komorze. Komora ta również się obraca, ale w kierunku przeciwnym i z obrotami wyższymi o 2 – 4 rad/s. Obroty komory powodują powstanie siły odśrodkowej, wskutek czego większe i cięższe cząstki odrzucane są na ścianę zewnętrznego cylindrycznego stożka i są transportowane do dolnego końca wirówki zwojami spirali. Dolny wypływ ogranicza pompa, która wymusza dodatkowo przepływ części cieczy przez otwory perforowanego wirnika, tylko zatem mniejsze cząstki przenoszone są do wnętrza wirnika razem z oczyszczoną cieczą, większe cząstki wypływają na zewnątrz, by w końcu poprzez przestrzeń pierścieniową ujść wypływem dolnym.

hydrocyklony - stosuje się je do oczyszczania płuczki ze zwiercin, a zwłaszcza z piasku, oraz do oddzielania z płuczki materiałów obciążających, jak na przykład barytu. Oczyszczanie płuczki w hydrocyklonie odbywa się wskutek działania siły odśrodkowej wirującej strugi płuczki oddzielającej z niej zwierciny. Urządzenie to składa się z pompy płuczkowej z rurą doprowadzającą płuczkę, silnika elektrycznego napędzającego pompę, dyszy, hydrocyklonu składającego się z części cylindrycznej i stożkowej oraz króćca szlamowego. W celu uzyskania większej wydajności kilka hydrocyklonów łączy się ze sobą równolegle. Hydrocyklony oczyszczają płuczkę ze zwiercin o wymiarach 0,02 – 0,01 mm.

Do oczyszczania płuczki wiertniczej, w zależności od wymaganego stopnia jej oczyszczania, stosuje się urządzenia mechaniczne oczyszczające jedno- lub wielostopniowe. Dwustopniowy system oczyszczania stosowany jest do płuczek wiertniczych konwencjonalnych, o dużej zawartości zwiercin. W przypadku wiercenia z płuczką o małej zawartości fazy stałej lub z płuczką emulsyjną i inwersyjną do dokładniejszego oczyszczania i regulowania zawartości fazy stałej można zastosować trójstopniowy system oczyszczania, z wykorzystaniem na przykład odmulaczy.

Oczyszczanie otworu wiertniczego można przeprowadzać :

• płuczką ciekłą,

• płuczką powietrzną,

• płuczką ciekłą i sprężonym powietrzem.

Oczyszczanie otworu wiertniczego przy zastosowaniu płuczki ciekłej

Oczyszczanie otworu wiertniczego przez płuczkę odbywa się na skutek jej krążenia i zabierania zwiercin spod narzędzia wiertniczego, a następnie wynoszenia ich na powierzchnię ziemi. Zwiercanie skały może odbywać się narzędziem wiertniczym tj. świdrem i wówczas zwierciny mają postać okruchów skalnych, powstałych w wyniku zwiercania całego przekroju otworu. Głębienie otworu może też odbywać się przez wiercenie narzędziem wiertniczym (koronką wiertniczą). Wówczas ze zwiercania pierścienia skały powstają zwierciny, jak przy wierceniu świdrem, a do środka koronki wchodzi równocześnie rdzeń skały.

Oczyszczanie otworu wiertniczego płuczką powietrzną

Oczyszczanie otworu wiertniczego powietrzem można stosować szczególnie w otworach suchych lub z niedużym przepływem wód złożowych. W zależności bowiem od charakteru i intensywności występowania wody wymagana jest różna ilość doprowadzanego powietrza i różne ciśnienie tłoczenia. W porównaniu z wierceniami z płuczką ciekłą metoda z płuczką powietrzną ma następujące

zalety:

• zwiększa się mechaniczna prędkość wiercenia;

• zwiększa się przewiert na świder,

• zapewniona jest możliwość przewiercania poziomów intensywnych, a nawet katastrofalnych ucieczek płuczki, uwarunkowanych szczelinowatością lub zaburzeniami tektonicznymi,

• zwiększa się osiąganie celu wiercenia i oddawanie odkrywanych produktywnych poziomów do eksploatacji,

• uproszczone są prace przygotowawcze przy mniejszym zużyciu wody,

• wykluczone jest zamarzanie płuczki w otworze w strefach wiecznej zmarzliny lub przy wierceniu otworów o małej głębokości zimą w surowych warunkach klimatycznych,

• zmniejsza się koszt wiercenia,

• korzystne warunki wiercenia na terenach, gdzie występuje brak wody.

Warunki stosowania wiercenia z oczyszczaniem dna przez zastosowanie płuczki powietrznej są następujące:

• wiercenie w warstwach bez dopływu wody;

• wiercenie w skałach spękanych szczelinowatych, w których występują duże ucieczki płuczki ciekłej;

• wiercenie w strefach przybiegunowych;

• wiercenie w terenach, w których występuje brak wody (pustynia);

• wiercenie w skałach zwięzłych przez zastosowanie płuczki aeryzowanej;

• wiercenie w skałach sypkich i obsypujących się, które nie zawierają otoczaków i rumoszu skalnego.

Płuczka powietrzna (gazowa) jest często stosowana w praktyce. Ma ona zastosowanie w różnych warunkach wiercenia, a szczególnie tam, gdzie są trudności w zaopatrzeniu w wodę. Nadaje się do wiercenia w warstwach suchych i w przypadku zaniku krążenia płuczki ciekłej w skałach porowatych. Przy stosowaniu płuczki powietrznej ucieczki nie są tak groźne, gdyż płuczka ta jest tania. Unika się przy tym rozmywania ściany otworu, zwłaszcza skał rozpuszczalnych w wodzie (sole, iły itp.) i zwiększa się przewiert na świder, a tym samym postęp wiercenia.

Przy wierceniach obrotowych wielkośrednicowych bezrdzeniowych powinno stosować się odwrotne krążenie płuczki, które w porównaniu do normalnego zapewnia większą prędkość przepływu płuczki wynoszącej zwierciny, w związku z czym mogą być wynoszone większe cząstki zwiercin. Do wad tego systemu krążenia należy jednak zbyt słabe oczyszczanie dna otworu oraz ostrzy świdra przez płuczkę na skutek małej prędkości jej przepływu na dnie otworu. Poza tym przy odwrotnym systemie krążenia płuczka porywa zwierciny spod świdra doprowadzając je do środka otworu. Płuczka doprowadzana jest do przestrzeni pierścieniowej grawitacyjnie, na powierzchnię wydostaje się poprzez jej zassanie wraz ze zwiercinami przez przewód wiertniczy. Przeciwstawiają się temu siły odśrodkowe powstałe przy obracaniu się przewodu ze świdrem. W wyniku tego zwierciny skalne przemieszczają się do środka otworu po dłuższej drodze, co powoduje większe zanieczyszczenie dna otworu zwiercinami oraz powtórne ich urabianie.

Odwrotny system krążenia płuczki może być zrealizowany przez zastosowanie sprężonego powietrza (wiercenia obrotowo-ssące w tym air-lift) do wynoszenia płuczki ciekłej ze zwiercinami na powierzchnię przy użyciu agregatu pompowego ssącego.

Odwrotny obieg płuczki najczęściej wymuszany jest:

• podnośnikiem powietrznym,

• pompą ssącą,

• pompą strumieniową,

• pompą strumieniową wspomaganą podnośnikiem powietrznym.

Powietrze do płuczki podawane jest za pomocą mieszacza powietrza.

Rozróżniamy dwa typy podnośników powietrznych:

• z przewodem powietrznym umieszczonym wewnątrz rur płuczkowych;

• z przewodem (przewodami) powietrznym umieszczonym na zewnątrz rur płuczkowych.

Istotną sprawą dla prawidłowego i bezawaryjnego przebiegu wiercenia z odwrotnym krążeniem płuczki jest utrzymanie jej obiegu. Zasada wymuszania odwrotnego krążenia płuczki polega na tym, że na przykład pompa ssąco – tłocząca przetłacza płuczkę (wodę) przez głowicę płuczkową do zewnętrznej kolumny rur po czym na pewnej głębokości przepływa ona z dużą prędkością przez dyszę do wewnętrznej kolumny rur wywołując przy tym działanie ssące. W wyniku tego płuczka jest zasysana razem z okruchami skalnymi do wewnętrznej kolumny rur, którymi odprowadzana jest na powierzchnię do zbiornika.

WYKŁAD 9

METODA CON-COR

Jeżeli przy wierceniach hydrogeologicznych w terenie nierozpoznanym geologicznie zachodzi potrzeba otrzymywania rdzeni wiertniczych, to wówczas najlepiej jest zastosować metodę Con-Cor, czyli wiertnicę przystosowaną do ciągłego pobierania rdzeni w czasie wiercenia bez konieczności wyciągania przewodu wiertniczego. Metoda ta polega na tym, że wiercenie wykonuje się dwururowym przewodem wiertniczym. Płuczka wiertnicza tłoczona jest przestrzenią pierścieniową pomiędzy dwoma koncentrycznie względem siebie połączonymi rurami. Przepływająca przez otwory w koronce z przestrzeni pierścieniowej płuczka wiertnicza

wypływa wraz z kawałkami z rdzenia i zwiercinami rurą wewnętrzną, stąd przewodem elastycznym kierowana jest na specjalne stanowisko odbioru rdzenia i zwiercin.

Przy zastosowaniu tej metody nie trzeba wyciągać przewodu wiertniczego, aby usunąć rdzeniówkę wraz z rdzeniem, jak w przypadku konwencjonalnego wiercenia rdzeniowego, przez co uzyskiwane są duże przewierty na jeden marsz wiertniczy, a tym samym znaczne wydajności wierceń i obniżenie kosztów poszukiwań wód wgłębnych Metoda Con-Cor jest stosowana zarówno w wierceniach ciągłego rdzeniowania przy użyciu specjalnych koronek i urywaków rdzeni, jak również przy wierceniach bez-rdzeniowych i obrotowo-ssących.

Wiertnica stosowana do wierceń Con-Cor składa się z:

• masztu,

• wyciągu wielokrążkowego,

• wyciągu pomocniczego,

• głowicy napędowej przy pracy jednym lub dwoma silnikami hydraulicznymi,

• graniatki dwururowej,

• silnika napędowego wiertnicy,

• pompy płuczkowej.

Wiertnica jest wyposażona dodatkowo w następujące oprzyrządowanie:

• przewód wiertniczy dwururowy o wymaganej średnicy i długości oraz dwururowe obciążniki ze stabilizatorami;

• koronki wiertnicze z łamaczami (urywakami) rdzeni;

• stanowisko do odbioru rdzeni;

• klucze do skręcania i rozkręcania dwururowego przewodu;

• siłownik hydrauliczny do odcinania połączeń gwintowych przewodu wiertniczego, do podawania i odbierania rur płuczkowych;

• podnośnik hydrauliczny z osprzętem do awaryjnego wyciągania przewodu w przypadku przychwycenia rur;

• system cyrkulacyjny umożliwiający tłoczenie płuczki do przestrzeni międzyrurowej przewodu wiertniczego (system Con – Cor) oraz tłoczenie płuczki do innych układów krążenia, a w tym do prowadzenia wiercenia przy normalnym obiegu płuczki.

Zwierciny wynoszone są z dużą prędkością, rzędu 3,3 m/s przy użyciu wody, a przy zastosowaniu sprężonego powietrza prędkość wynoszenia zwiercin może dochodzić do 27 m/s. Metoda ta jest skuteczna przy wierceniu w piaskach i żwirach, gdyż brak krążenia płuczki poza podwójnymi rurami zabezpiecza ścianę otworu przed wymywaniem, na skutek ciśnienia słupa płuczki na ścianę otworu. Wiercenie przy zastosowaniu sprężonego powietrza jest bardzo efektywne w strefach, w których występują podziemne zbiorniki wodne, rozwarstwienia lub formacje wodonośne.