1 LUCRĂRI DE FORAJ 1. Introducere în forarea sondelor Dezvoltarea societăţii umane a fost şi este dependentă de resursele naturale (apa-potabilă şi industrială, combustibili fosili-hidrocarburi, cărbuni, minereuri). Plasarea acestora în scoarţa terestră, la adâncimi nu întotdeauna accesibile, a impus găsirea unor soluţii pentru identificarea şi exploatarea lor. S-au dezvoltat în consecinţă de-a lungul istoriei tehnicile şi tehnologiile de foraj. Astăzi lucrările de foraj sunt folosite în mai multe domenii: cercetare geologică, extracţie de petrol şi gaze, exploatarea apelor subterane, executarea de lucrări miniere (puţuri, găuri de ventilaţie), cercetări geotehnice. Sonda este o construcţie minieră specială, de formă cilindrică, verticală sau înclinată, caracterizată printr-un raport mare între lungime (adâncime) şi diametru, executată cu instalaţii speciale. Deschiderea de formă cilindrică, fără consolidare cu burlane, se numeşte gaura de sondă. Partea superioară a unei sonde se numeşte gura sondei, iar parte inferioară – talpa sondei. Gaura de sondă este delimitată lateral de peretele găurii de sondă. Forarea (forajul) cuprinde un complex de lucrări de traversare, consolidare şi izolare a rocilor traversate, necesar executării unei sonde. Este o operaţie de dislocare a rocilor şi de evacuare la suprafaţă a fragmentelor rezultate (detritus). Forarea sau săparea sondelor se execută cu ajutorul instalaţiilor de forare (foraj). Funcţie de scopul urmărit instalaţiile de foraj sunt de capacitate mare (sonde sau instalaţii grele de foraj) şi instalaţii de foraj de mică adâncime (sondeze, sau instalaţii uşoare de foraj). Sondele au putere instalată mare (mii de CP), execută găuri la adâncimi mari (mii de metri), cu diametre mari (sute de mm la 7000mm- forajele de mare diametru). Garnitura de foraj utilizată este de diametru mare (se măsoară în inci=tol; 1inci=25,4mm). Sondezele au puteri instalate mici (sute de CP), execută găuri frecvent de până la 1000m, dar pot ajunge şi la 2000m, găuri cu diametre mici. Dislocarea rocii în talpa sondei se execută cu instrumente speciale. Scopul executării forajului impune modul în care se face dislocarea rocii în talpa sondei. Pentru forajele de cercetare, care urmăresc obţinerea unor eşantioane, dislocarea în talpa sondei se face circular, cu ajutorul unui instrument numit cap de carotieră (freză). În acest caz vorbim de forajul prin carotaj mecanic. Eşantioanele obţinute se numesc carote. Dacă dislocarea în talpa sondei este circulară completă, instrumentul de dislocare se numeşte sapă. Instrumentul de dislocare este antrenat cu ajutorul garniturii de foraj (prăjini de foraj), iar detritusul este scos la suprafaţă de fluidul de foraj (de circulaţie). 1.1.Clasificarea forajelor Clasificarea se face după mai multe criterii. 1. după scop 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
LUCRĂRI DE FORAJ
1. Introducere în forarea sondelor
Dezvoltarea societăţii umane a fost şi este dependentă de resursele naturale (apa-potabilă şi industrială, combustibili fosili-hidrocarburi, cărbuni, minereuri). Plasarea acestora în scoarţa terestră, la adâncimi nu întotdeauna accesibile, a impus găsirea unor soluţii pentru identificarea şi exploatarea lor. S-au dezvoltat în consecinţă de-a lungul istoriei tehnicile şi tehnologiile de foraj.
Astăzi lucrările de foraj sunt folosite în mai multe domenii: cercetare geologică, extracţie de petrol şi gaze, exploatarea apelor subterane, executarea de lucrări miniere (puţuri, găuri de ventilaţie), cercetări geotehnice.
Sonda este o construcţie minieră specială, de formă cilindrică, verticală sau înclinată, caracterizată printr-un raport mare între lungime (adâncime) şi diametru, executată cu instalaţii speciale. Deschiderea de formă cilindrică, fără consolidare cu burlane, se numeşte gaura de sondă. Partea superioară a unei sonde se numeşte gura sondei, iar parte inferioară –talpa sondei. Gaura de sondă este delimitată lateral de peretele găurii de sondă.
Forarea (forajul) cuprinde un complex de lucrări de traversare, consolidare şi izolare a rocilor traversate, necesar executării unei sonde. Este o operaţie de dislocare a rocilor şi de evacuare la suprafaţă a fragmentelor rezultate (detritus).
Forarea sau săparea sondelor se execută cu ajutorul instalaţiilor de forare (foraj). Funcţie de scopul urmărit instalaţiile de foraj sunt de capacitate mare (sonde sau instalaţii grele de foraj) şi instalaţii de foraj de mică adâncime (sondeze, sau instalaţii uşoare de foraj).
Sondele au putere instalată mare (mii de CP), execută găuri la adâncimi mari (mii de metri), cu diametre mari (sute de mm la 7000mm- forajele de mare diametru). Garnitura de foraj utilizată este de diametru mare (se măsoară în inci=tol; 1inci=25,4mm).
Sondezele au puteri instalate mici (sute de CP), execută găuri frecvent de până la 1000m, dar pot ajunge şi la 2000m, găuri cu diametre mici.
Dislocarea rocii în talpa sondei se execută cu instrumente speciale. Scopul executării forajului impune modul în care se face dislocarea rocii în talpa sondei. Pentru forajele de cercetare, care urmăresc obţinerea unor eşantioane, dislocarea în talpa sondei se face circular, cu ajutorul unui instrument numit cap de carotieră (freză). În acest caz vorbim de forajul prin carotaj mecanic. Eşantioanele obţinute se numesc carote.
Dacă dislocarea în talpa sondei este circulară completă, instrumentul de dislocare se numeşte sapă.
Instrumentul de dislocare este antrenat cu ajutorul garniturii de foraj (prăjini de foraj), iar detritusul este scos la suprafaţă de fluidul de foraj (de circulaţie).
1.1.Clasificarea forajelor
Clasificarea se face după mai multe criterii.1. după scop
1
2
1.1. Foraje de cercetare geologică • foraje de referinţă – sunt destinate cercetărilor regionale,
se execută la adâncimi relativ mari, în carotaj mecanic continuu;
• foraje de prospecţiuni – urmăresc studiul complex al depozitelor dintr-o anumită regiune, cu precizarea tuturor aspectelor privind litologia, tectonica, resursele minerale, etc. Se execută în carotaj mecanic continuu;
• foraje de explorare – au drept obiectiv conturarea unor zăcăminte, cu determinarea parametrilor cantitativi şi calitativi, necesari în calculul rezervelor, precum şi stabilirea condiţiilor geologice de zăcământ.
1.2. Foraje de exploatare – a hidrocarburilor (petrol, gaze), precum şi a apelor subterane. În această categorie sunt cuprinse şi sondele de injecţie (pentru refacerea presiunii în zăcămintele de ţiţei) şi sondele de observaţie care urmăresc procesul de exploatare. Sarea poate fi exploatată cu ajutorul sondelor.1.3. Foraje cu destinaţie specială
• de interes minier – se execută la zi, în cariere (derocări prin găuri de explozie), sau în subteran, pentru cercetare geologică, găuri de puşcare, drenaj, aeraj, consolidare rocilor, etc.;
• foraje hidrogeologice – executate pentru identificarea, stabilirea condiţiilor de zăcământ (parametrii calitativi şi cantitativi) şi exploatarea apelor subterane (potabile, termale, minerale);
• foraje geotehnice – utilizate pentru cunoaşterea proprietăţilor fizico-mecanice ale rocilor de fundaţie pentru construcţii civile, industriale, baraje, tuneluri, etc.;
• foraje de interes seismic – utilizate pentru provocarea unor explozii artificiale.
• lucrări de foraj cu diametre mari – utilizate în amenajări hidrotehnice, ca şi lucrări miniere (suitori, puţuri de aeraj, etc.), sau rezervoare subterane.
2. după energia utilizată la acţionarea instalaţiei2. 1. Foraj manual2.2. Foraj mecanic – acţionarea se face cu motoare cu abur, cu
combustie internă, electrice, hidraulice, sau pneumatice.3. după energia utilizată la dislocarea rocii
• foraj cu dislocare mecanică• foraj cu dislocare hidromecanică• foraj cu dislocare termică
4. după modul de acţionare asupra rocii forajul mecanic este:4.1. Foraj percutant – dislocarea rocii în talpa sondei se face prin
lovire repetată cu o sapă specială, de forma unei dălţi (trepan). Are două variante: percutant-uscat (cu tije sau cablu) şi percutant-hidraulic. În primul caz sapa este antrenată cu ajutorul unui cablu sau a unei tije (metal, lemn). Detritusul este evacuat prin introducerea unei cantităţi mici de apă şi extragerea periodică a noroiului format, cu o lingură cilindrică. În forajul
2
3
percutant-hidraulic sapa este antrenată cu ajutorul prăjinilor (ţevi de oţel), prin care se pompează continuu fluid pentru spălarea tălpii de detritus.
4.2. Foraj rotativ – cel mai utilizat este forajul rotativ-hidraulic, cu evacuarea materialului dislocat prin circulaţie de fluid. Are două variante: cu rotaţie de la suprafaţă (cu masă rotativă, sau cap rotativ la sondeze) şi cu motoare submersibile. Procesul de forare este continuu, cu evacuarea permanentă a detritusului cu ajutorul fluidului de foraj. Dislocarea rocii se realizează cu diferite tipuri de sape, care execută o mişcare de rotaţie şi pătrundere în teren.
Metoda rotativ-hidraulică se numeşte şi rotary. Sapa este rotită de motoarele instalaţiei prin intermediul masei rotative şi a prăjinilor de foraj. Pentru pătrunderea sapei în roci apăsarea este asigurată de garnitura de foraj. Fluidul de foraj este pompat în talpă prin interiorul prăjinilor.
4.3. Foraj rotativ –percutant
1.2. Dezvoltarea forării sondelor
Primele deschideri prin foraj sunt cunoscute din antichitate. În Egipt în timpul construirii piramidelor s-au executat sondaje cu ajutorul unor tuburi din bronz, armate cu grăunţi de diamant. În China (cu 1700 ani î.e.n.) se săpau sonde cu adâncimi de 500m în sistemul percutant, cu prăjini de bambus şi cu acţionare manuală.
Exploatare şi prelucrarea petrolului a determinat dezvoltare forajului. Până la utilizarea forajului în exploatarea petrolului, aceasta se realiza prin puţuri săpate manual.
Prima sondă pentru petrol a fost forată în Rusia, lângă Baku (1848), în sistem percutant uscat. Abia în 1859, se forează prima sondă pentru petrol în SUA (Pensylvania).
În România, prima sondă de petrol (mijloace mecanice) a fost forată în 1861 la Mosoare (Târgu Ocna). A fost folosit sistemul percutant uscat cu prăjini de lemn.
Primele sonde se sapă în sistemul percutant uscat, dar se trece la forajul percutant hidraulic, la care evacuarea detritusului se realiza continuu, prin circulaţia apei. Acest sistem permitea adâncimi mai mari de forare şi creşterea siguranţei de lucru. În România sistemul a fost aplicat în 1896 în Prahova (Băicoi).
Când apare sistemul sistemul rotativ (sistemul rotary)? La începutul secolului 20 apare în SUA. În România, primele sonde în acest sistem, au fost forate în 1906 (Moreni-Prahova, Tescani –Bacău).
Dezvoltare sistemului rotativ hidraulic duce la creşterea vitezelor de forare şi a adâncimilor sondelor.
În fosta URSS, după 1922 se introduce forajul cu turbină, care este un sistem de foraj rotativ, cu un motor amplasat deasupra sapei. La noi s-a aplicat după 1952. Este preferat în cazul rocilor dure şi la forajul dirijat.
Dintre variantele sistemului de foraj cu motor submersibil un interes deosebit îl prezintă flexo-forajul. Garnitura de foraj este formată dintr-un tub flexibil, cu o structură specială.
Cu toată diversitatea sistemelor şi variantelor, sistemul rotativ cu masă este cel mai folosit.
3
4
Recordul de adancime atins pe plan mondial este de 12.390m (Murmansk-Rusia). În România adâncimea maximă atinsă este de 7025m (Tufeni-Băicoi).
1.3. Componentele instalatiilor de forare
Instalaţiile de forare, sonde sau sondeze, au componentele de bază comune. Aceste componente se împart în componente de suprafaţă şi componente de interior. Componentele de suprafaţă, funcţie de rolul lor sunt:
• Grup de forţă-pentru acţionare, format din motoare, motoare electrice de fund;
• Turla cu substructură;• Sistemul de manevră-pentru intoducerea şi extragerea garniturii de
foraj cu instrumentele de dislocare (sapă, freză). Este alcătuit din macara, troliu, geamblac, cârlig, cablu de foraj, şi scule de manevră (elevatoare, pene, cleşti);
• Sistemul de rotaţie-antrenează garnitura într-o mişcare rotativă. Cuprinde masa rotativă şi capul hidraulic;
• Sistemul de circulaţie-asigură circulaţia fluidului de foraj în sondă. Cuprinde pompa de noroi şi conductele de aspiraţie şi împingere (manifold, din engl. manifold=conductă de aducţie), furtun,
Componentele de interior cuprind: coloana de tubaj, garnitura de foraj şi instrumentele de dislocare.
Ciclul de foraj cuprinde succesiunea operaţiilor executate de la montarea unei instalaţii pe o locaţie şi până la demontarea şi transportul spre o altă locaţie. El poate cuprinde:
Lucrări de suprafaţă – amenajarea terenului, montajul instalaţiei de foraj şi anexelor;Lucrări pregătitoare – verificarea stării de funcţionare a utilajelor, săparea şi consolidarea găurii prăjinii pătrate;
Săparea găurii de sondă – sau forajul propriu-zis, cuprinde un ciclu de operaţii repetat la fiecare introducere a unei sape noi în locul celei uzate şi a garniturii de prăjini până în talpa sondei. Pe măsura adâncirii sondei, la garnitura de foraj se adaugă o nouă prăjină de foraj ("bucata de avansare"). O viteză mică de avansare poate indica uzarea sapei. Extragerea garniturii se face în "paşi" (câte 2-3 prăjini), care se sprijină în turlă, la pod. Toate manevrele se execută cu ajutorul sistemului de manevră şi a mesei rotative (cap rotativ).
Lucrări de consolidare şi izolare a găurii de sondă - forarea începe cu o sapă cu diametru mare, se sapă o porţiune, se tubează prima coloană (coloana de ancoraj) şi se cimentează în spatele coloanei. Se continuă forajul cu o sapă cu diametru mai mic. Funcţie de scopul sondei şi funcţie de condiţiile geologice (natura rocilor, tectonica regiunii) după coloana de ancoraj se tubează direct coloana de exploatare, sau 1-2 coloane intermediare şi apoi coloana de exploatare. Tubarea este operaţiunea de introducere a unor burlane de oţel în gaura de sondă. Burlanele se cimentează în spate în totalitate, sau parţial, pe o anumită înălţime de la talpă.
Operaţii de investigare - la forarea unei sonde, înainte de operaţiunea de tubare se pot executa diferite investigaţii geofizice de tipul carotaj electric, carotaj radioactiv, cavernometrie, măsurători de deviaţie, etc.
4
5
Lucrări de punere în producţie – au loc la forajele executate în scopul exploatării unor resurse (hidrocarburi). Sunt specifice la forajele hidrogeologice, sau lipsesc la forajele de cercetare şi la unele dintre cele speciale.
Lucrări de demontare şi transport – reprezintă etapa de finalizare a forajului.
Lucrări de instrumentaţie – sunt lucrări speciale executate pentru rezolvarea unor accidente în gaura de sondă (prinderi la puţ, ruperi de prăjini, etc.). Acestea se execută cu ajutorul unor scule de instrumentaţie.
Unele etape pot să fie suprimate (consolidare şi izolare, investigare) funcţie de scopul forajului.
2. Procese şi instrumente de dislocare prin foraj a rocilor2.1. Proprietăţile fizice şi mecanice ale rocilor
Eficienţa dislocării rocilor în talpa sondei, precum şi stabilitatea pereţilor sondei sunt influenţate de proprietăţile fizice şi mecanice ale rocilor traversate.
2.1.1. Proprietăţile fizice ale rocilor
a. Porozitatea – se referă la volumul spaţiilor dintr-o rocă, neocupat de substanţa solidă şi se exprimă prin raportul dintre volumul golurilor şi volumul total al rocii. Prezenţa porilor reduce duritatea rocii şi rezistenţa ei la pătrunderea unui corp solid. Într-o primă etapă, până la o anumită valoare a forţei de apăsare, roca se deformează, fără a obţine dislocare.b. Permeabilitatea – capacitatea unui corp poros de a permite deplasarea prin golurile sale comunicante a unui fluid, la crearea unei diferenţe de presiune. În talpa sondei are loc pătrunderea de fluid de foraj pe o anumită adâncime, ceea ce duce la echilibrarea diferenţei de presiune dintre zona de deasupra şi cea de sub talpă, realizându-se condiţii favorabile dislocării rocii cu instrumentele de lucru.c. Neomogenitatea – este specifică rocilor, ele fiind neomogene din punct de vedere al compoziţiei mineralogice, porozităţii, permeabilităţii, gradului de fisurare, tasare, etc. Această proprietate condiţionează comportamentul rocilor la solicitările mecanice din timpul dislocării.d. Abrazivitatea – este capacitatea rocilor de a uza prin frecare instrumentele de dislocare. Capacitatea abrazivă a rocilor se manifestă asupra instrumentelor de dislocare, dar şi asupra altor componente ale echipamentului de foraj.
Abrazivitatea rocilor este o proprietate relativă. Un oţel poate fi uzat abraziv de o rocă, dar aceeaşi rocă poate să aibă o capacitate abrazivă nesemnificativă asupra unui aliaj dur, de tipul unor carburi metalice.
Uzura abrazivă a instrumentelor de dislocare depinde de abrazivitatea rocii, dar mai depinde şi de rugozitatea suprafeţelor de contact, presiunea de contact, temperatura, viteza relativă de deplasare, natura şi compoziţia noroiului de foraj, etc.
Abrazivitatea rocilor depinde de microduritatea mineralelor componente, de forma şi dimensiunile lor, de forma şi proprietăţile suprafeţelor de contact, etc. În general rocile polimenerale, chiar foarte
5
6
compacte cum sunt cele magmatice, sunt mai abrazive decât cele monominerale.
Rocile sedimentare cele mai abrazive sunt gresiile cuarţoase. La compoziţii mineralogice similare rocile detritice rezultate din claste cimentate ulterior, sunt mai abrazive decât rocile cristalizate.
2.1.2. Proprietăţile mecanice ale rocilor
a. ElasticitateaUnele roci precum şi minerale componente ale rocilor se comportă
asemeni unor corpuri elastice. La aplicarea unor presiuni exterioare în interiorul lor se produc deformaţii liniare. Rocile poliminerale nu sunt corpuri elastice.
b. Plasticitatea În procesul dislocării unele roci se deformează plastic, deformare care
începe atunci când starea de tensiune depăşeşte limita elasticităţii. Plasticitatea rocilor depinde de compoziţia mineralogică. Creşterea conţinutului de cuarţ, feldspaţi, sau alte minerale cu duritate mare, reduce plasticitatea rocilor. Cea mai mare plasticitate o au argilele hidratate. Plasticitatea rocilor influenţează mult procesul dislocării. În cazul acestor roci (plastice) efortul pentru separarea de fragmente în talpa sondei este mai mare. Deci contează foarte mult viteza şi tipul de sapă cu care se acţionează.
c. Rezistenţa (tăria) rocilorRezistenţa unei roci este capacitatea sa de a se opune la deformare, în
momentul în care este solicitată de către o forţă.Este o proprietate care influenţează în mare măsură procesul de
dislocare prin foraj, respectiv viteza de avansare a sapei, uzura sapelor, tendinţa de deviere, etc. Rezistenţa rocilor este dependentă de tipul solicitării, care poate fi: compresiune, întindere, sau forfecare. Rezistenţa mecanică a rocilor este influenţată de factori naturali şi de factori tehnici. Dintre factorii naturali putem aminti:• Compoziţia mineralogică a rocilor – natura mineralelor şi cantitatea;
- tipul şi cantitatea cimentului;• Gradul de fisurare, stratificaţia, clivajul (ex. în roci cu şistuozitate,
rezistenţa la compresiune uniaxială este de două ori mai mare, în planul perpendicular pe cel de şistuozitate);
• Structura şi textura rocilor- rocile cu structură cristalină fină au o rezistenţă mai mare;
• Gradul de porozitate;• Adâncimea rocilor – cu cât sunt situate mai adânc în scoarţa terestră,
au o rezistenţă mai mare (vezi presiunea);• Gradul de alterare.Factorii tehnici care pot influenţa rezistenţa rocilor:• Tipul solicitării (compresiune, întindere, forfecare);• Durata de acţionare a sarcinii- rezistenţa scade cu creşterea duratei de
acţionare;• Viteza de aplicare a forţei de dislocare- experimental s-a constatat că
tăria rocilor creşte cu viteza de aplicare a solicitărilor.
6
7
d. Duritatea sau rezistenţa la pătrunderePrin rezistenţa la pătrundere se înţelege valoare presiunii din centrul
suprafeţei de acţiune a sapei, la care se atinge starea limită şi roca cedează. Această proprietate este dependentă de chimismul şi structura cristalină a mineralelor componente.
Deosebim o duritate a mineralelor (duritate absolută) şi o duritate a rocilor (duritate agregativă). Duritatea mineralelor influenţează durata de uzură a elementelor de dislocare (capul carotierei cu role, vidia sau diamante), iar duritatea agregativă influenţează viteza de avansare a sculei de dislocare. Pentru rocile monominerale duritatea se stabileşte cu ajutorul scarii Mohs.
Duritatea rocilor poliminerale se determină cu ajutorul mai multor metode. Una dintre acestea este metoda lui Schreiner. Metoda permite determinarea durităţii, precum şi a elasticităţii şi plasticităţii rocilor şi se bazează pe pătrunderea prin apăsare, a unui poanson într-o rocă cu suprafaţa plană, bine şlefuită. Elementul activ al poansonului este un cilindru cu suprafaţa frontală plană. Sarcina pe poanson creşte treptat (se încarcă), cu posibilitatea ca la fiecare sarcină, deformaţia să se producă până la capăt. Dependenţa dintre deformaţie şi sarcina pe poanson este ilustrată cu ajutorul unor curbe caracteristice, diferitelor tipuri de roci. După această metodă rocile se împart în trei grupe (slabe, medii şi tari), fiecare grupă cu patru categorii.
Pentru majoritatea rocilor, valoarea rezistenţei la pătrundere este mai mare decât rezistenţa la compresiune.
2.1.3. Forabilitatea rocilor În practica săpării sondelor, dificultatea dislocării rocilor se apreciază
printr-un indicator global, numit forabilitate. Forabilitatea depinde de proprităţile fizico-chimice ale rocilor, de duritatea, structura şi textura rocilor, etc. Depinde în egală măsură de instrumentul de dislocare şi metoda de foraj aplicată.
Forabilitatea este o proprietate caracteristică a rocilor, în lucrările de planificare şi normare, de ea depinzând cheltuielile şi durata forajului.
2.1.4. Clasificarea rocilor după rezistenţa lor la forare şi perforare
Rocile se clasifică după proprietăţile lor fizico-mecanice, dar nu există o proprietate care să caracterizeze complet comportamentul unei roci. Complexitatea interacţiunilor din talpa sondei în procesul de dislocare al rocii, face imposibilă găsirea unui criteriu unic de clasificare al rocilor. Interacţiunile complexe sunt generate de comportamentul variabil al rocilor la solicitare, de tipurile de instrumente care acţionează diferit.
Clasificarea rocilor din punctul de vedere al forabilităţii, serveşte la planificarea lucrărilor de foraj, la elaborarea devizelor şi a normativelor de consum de materiale, precum şi la stabilirea normelor de lucru pentru echipa de foraj.
Această clasificare împarte rocile în şase grupe (foarte moale, moale, semitare, tare, foarte tare, extra tare), cu 12 categorii. (fig.)
7
8
2.3. Mecanismul dislocării rocilor
Dislocarea rocilor are loc prin pătrunderea sub apăsare, a elementelor active ale instrumentelor de lucru, acestea având forme şi dimensiuni diferite.Printre procesele simple de dislocare se numără:
• Despicarea – este un proces de dislocare realizat de un corp cu o anumită formă, la simpla pătrundere în rocă sub acţiunea unei forţe. Se întâlneşte la unele sape cu role şi apare la forarea rocilor elastice şi plastice foarte tari.
• Aşchierea – deformare apărută la pătrunderea unui corp în rocă, de o parte şi alta a suprafeţelor de contact corp-rocă. Se întâlneşte la argilele moi. În acest caz, pentru a obţine dislocarea rocii, este necesar ca odată cu pătrunderea, corpul să execute o mişcare de deplasare paralelă cu suprafaţa rocii, sub acţiunea unei forţe.
• Erodarea – proces superficial de dislocare, care apare atunci când instrumentul de lucru are o suprafaţă mare de contact cu roca şi execută deplasarea paralelă cu suprafaţa ei, fiind sub apăsarea unei sarcini. Acest tip de dislocare apare la forajul cu sape cu lame, la sapele cu diamante, în roci tari şi extratari.
2.4. Condiţiile din sondă în procesul de dislocare
Factorii din sondă care influenţează proprietăţile fizico-mecanice ale rocilor din talpă, deci şi eficienţa dislocării sunt: temperatura, presiunea şi fluidul din sondă. Temperatura În scoarţa terestră temperatura creşte cu adâncimea (gradientul geotermic 2-3 grade/100m). Gradientul geotermic este variabil de la o zonă la alta, funcţie de o serie de factori din crusta terestră.
La creşterea temperaturii domeniul deformărilor plastice se măreşte, iar limita de curgere şi rezistenţa se micşorează. Fluidul de foraj prezent în talpa sondei reduce temperatura. Rezistenţa rocilor argiloase, calcarelor şi dolomitelor scade cu creşterea temperaturii.Presiunea La o anumită adâncime în roci se manifestă presiunea litostatică (pg - geostatică), presiunea laterală (pl - confinare) şi presiunea de strat (ps - presiunea fluidului din porii rocii). În procesul de forare, asupra rocii din talpă acţionează un sistem de presiuni care duc la compresiune triaxială. În planul vertical acţionează presiunea fluidului de foraj (pn), iar în plan orizontal presiunea laterală.
Un foraj se execută în condiţii de siguranţă, dacă presiunea fluidului de foraj este mai mare decât presiunea fluidului din porii rocii. Compresiunea triaxială este uniformă dacă pn=pl şi neuniformă dacă pn diferit pl.
Fluidul din sondă Rezistenţa rocilor este influenţată în condiţiile compresiunii triaxiale
(uniforme sau neuniforme) de fluidul pătruns în porii rocilor. Acesta provine de cele mai multe ori din fluidul de foraj. Rocile sunt corpuri hidrofile şi se umectează uşor. Apa din fluidul de foraj influenţează stabilitatea rocilor. Pot apărea deformaţii plastice, diverse reacţii chimice, funcţie de substanţele
8
9
existente în fluidul pătruns în rocă, influenţând rezistenţa rocii, în sensul creşterii sau scăderii ei.
2.5. Instrumente de dislocare a rocilor
Instrumentele de dislocare a rocilor se impart în trei grupe:1. Sape de foraj – pentru dislocarea pe întreaga suprafaţă a tălpii sondei;2. Carotiere – folosite pentru extragerea de probe (carote). Dislocarea în
acest caz se face pe o suprafaţă inelară;3. Instrumente de dislocare cu destinaţie specială – pentru operaţii
deosebite în gaura de sondă.
1. Sape de foraj
Funcţie de tipul dislocării, sapele de foraj se clasifică:- Sape de tip despicător-aşchietor - prin apăsare se realizează
despicarea, iar prin rotaţie, aşchierea. În această categorie se încadrează sapele cu lame.
- Sape de tip sfărâmător-rozător – sapele cu inserţii şi sapele cu diamante.
- Sape de tip sfărâmător – aşchietor – sapele cu role.-
1.1. Sape cu lame Aceste sape pot fi cu două sau trei lame (la 120º). Sapele cu două lame se numesc şi sape coadă de peşte (cu lame subţiri şi cu lame groase). Părţile de contact cu roca sunt armate cu material dur prin sudură. 1.2.1. Sape cu inserţii Aceste sape se numesc şi sape monolit. Sapa are un corp masiv, în care sunt fixate inserţii de diferite forme (plăcuţe şi ştifturi) din carbură de wolfram, cu liant de cobalt. Inserţiile se fixează prin lipire cu un aliaj cu alamă, sau prin presare la rece.1.2.2. Sape cu diamante
Sapele cu diamante sunt utilizate în roci cu durităţi variabile, de la roci puţin tari până la roci extratari. Sunt foarte eficiente la rocile abrasive, în special la adâncimi mari, având o mare rezistenţă la uzură. Durata lor de utilizare este mare, comparativ cu a altor tipuri de sape.
Diamantele, sunt elementele active (diamante industriale) şi sunt prinse într-o matrice (suport), realizată din aliaje dure sinterizate, de tipul carburii de wolfram în amestec cu lianţi (cobalt, fier, cupru, nichel, etc.). Există sape cu diamante insertate, la care granulele de diamant sunt fixate (împlântate) în matrice, sau sape cu diamante impregnate (granule de dimensiuni mici sunt distribuite în masa matricei).Sistemul de spălare al sapei permite circulatia fluidului de foraj în vederea evacuării detritusului, precum şi pentru curăţirea şi răcirea suprafeţelor active. 1.3. Sape cu role
Sapele cu role au elementele active sub forma unor proeminenţe numite dinţi, care sunt plasaţi pe suprafaţa unor corpuri de rostogolire, numite rolele. Rotirea sapei în jurul axei sale determină rostogolirea rolelor. Contactul dinţilor cu roca este periodic şi limitat ca timp. Pătrunderea dinţilor în rocă produce sfărâmarea ei. Când, pe lângă pătrundere, dinţii mai execută o
9
10
mişcare de translaţie faţă de talpă, dislocarea rocii se face prin sfărâmare şi aşchiere. În acest caz rolele execută o mişcare combinată, de rostogolire şi translaţie. Cu cât roca este mai dură şi abrazivă, mişcarea de alunecare trebuie să fie mai scăzută, ea lipsind la rocile foarte dure şi abrasive.
Cele mai utilizate sape (săparea sondelor pentru petrol, gaze) sunt sapele cu trei role. Mai există sape cu o rolă, cu două role şi cu mai mult de trei role. Sapa cu trei role (conuri) este alcătuită din:- corpul sapei format din trei fălci;- conurile sapei care sunt purtătoarele dinţilor. Pot fi conuri perfecte sau conuri conjugate (cu două, sau trei conuri);- dinţii sapei sunt plasaţi pe suprafaţa activă (de lucru), sub formă de coroane circulare paralele. Există sape cu dinţi frezaţi şi sape cu dinţi insertaţi (sape cu ştifturi). Ştifturile sunt confecţionate din carburi sinterizate şi sunt fixate prin presare în locaşuri practicate în corpul rolelor.
În rocile plastice detritusul colmatează spaţiul dintre dinţi, reducând înălţimea dinţilor şi producând manşonarea sapei, cu blocarea rolelor. Pentru evitarea manşonării, s-au construit sape cu autocurăţire, la care dinţii coroanelor unui con calcă în canalele dintre coroanele celorlalte conuri.- lagărele sapei reprezintă sistemul de rulmenţi pentru fixarea în sapă a rolelor şi asigură posibilitatea de mişcare a acestora. - dispozitivele de spălare au rolul de a îndepărta detritusul din talpă şi de a curăţa sapa (dinţii). La sapele moderne spălarea este exterioară, orificiile de circulaţie sunt plasate în exteriorul sapei, între conuri, aproape de talpă. Orificiile sunt echipate cu duze speciale, iar fluidul de foraj iese sub formă de jet. (sape maxijet sau cu spălare exterioară joasa).
Sapele au simboluri din combinaţii de litere care dau indicaţii privind tipul de rocă pentru care este construită, tipul de dantură, tipul de lagăre şi tipul de spălare. Ex: SM – 9 5/8 KLM = sapă pentru rocă slabă-medie (SM), cu diametrul 9 5/8 in (244,5 mm), dantură din stifturi insertate (K), cu lagăre etanşe (L) şi spălare exterioară joasă (maxijet) (M).
2. Carotiere
Carotierele se utilizează în forajul de prospecţiune şi explorare, pentru obţinerea carotelor (eşantioane) în procesul de carotaj mecanic. Funcţie de locul recoltării se numesc: carotiere pentru carotaj în talpa sondei şi carotiere laterale (ciupitoare). 2.1. Carotiere pentru carotaj în talpa sondei au în partea inferioară instrumentul de dislocare (capul de carotieră).
Carotierele simple sunt formate din tubul carotier, reducţie (piesă care face legătura cu prăjina), capul de carotieră şi reţinătorul de probă. Fluidul de foraj circulă prin spaţiul dintre carotă şi tub.
Carotiere duble utilizate la forajul sondelor pentru petrol şi gaze, sunt formate din două tuburi concentrice (tub carotier şi tub portcarotă, cu supapă de evacuare a fluidului), reducţie, cap de carotieră şi reţinătorul de probă. Tubul portcarotă poate fi fix, sau mobil, atunci când legătura cu tubul carotier se face cu ajutorul unor rulmenţi. Acest din urmă tip se foloseşte la obţinerea unor probe netulburate în roci slab consolidate.
10
11
Carotiere amovibile sunt cele la care tubul portcarotă se lansează de la suprafaţă prin interiorul garniturii de foraj. Extragerea se face cu ajutorul unui dispozitiv special (coruncă) lansat prin garnitură cu un cablu. Se utilizează în cazul carotajului pe intervale mari, sau în carotajul intermittent, la intervale mici. Avantajul constă în extragerea de carotă, fără scoaterea garniturii.
Carotiere pentru extragerea probelor orientate sunt instrumente speciale, din două sau trei tuburi concentrice, prevăzute cu dispozitive de măsurare a orientării carotei.2.2. Carotiere pentru recoltarea probelor din pereţii găurii de sondă (carotiere laterale, ciupitoare laterale) sunt alcătuite dintr-un corp central, pe care sunt legate ciupitoarele (păhărele). Acestea sunt împinse în peretele sondei cu diferite metode (frecvent prin explozie) şi sunt apoi extrase la suprafaţă.
Capetele de carotieră sunt de tipul: cu lame, cu inserţii (ştifturi), cu role şi cu diamante.
Capetele de carotieră cu lame se folosesc pentru forajul în roci slab consolidate.
Coroanele cu inserţii din material dur (sinterizat), de tip widia (wie-diamant = ca diamantul) (carbură de wolfram), se folosesc în roci cu duritate variabilă (slabe până la tari). Funcţie de duritate se alege tipul de aliaj din care sunt alcătuite inserţiile. Acestea sunt plăcuţe cu forme diferite (paralelipipedică, rombică, hexagonală, pentagonală) şi lungimi de 7-24mm.
Capetele de carotieră cu role se utilizează în roci cu durităţi medii şi mari. Pot să fie echipate cu 4, 6, sau 8 role.
Capetele de carotieră cu diamante sunt asemeni sapelor, cu diamante insertate, sau cu diamante impregnate.
3. Instrumente de dislocare cu destinaţie specială
Sapa şpiţ (sapa cu vârf) se obţine dintr-o sapă coadă de peşte, subţire, căreia i se taie colţurile lamelor. Acest tip de sapă se foloseşte la corectarea găurilor de sondă cu neregularităţi, sau curăţirea sondelor în care au avut loc surpări. Se foloseşte şi la frezatea şiului după cimentare, pentru continuarea forajului.
Sapa cu lame elicoidale se utilizează la devierea voluntară a găurilor de sondă.
Lărgitoarele sunt folosite pentru mărirea diametrului găurii de sondă. Pot fi cu lame (pentru roci slabe) şi cu role, pentru rocile tari.
3. Garnitura de foraj
În procesul de foraj, instrumentele de dislocare sunt antrenate în mişcare, cu ajutorul garniturii de foraj. La forajul executat cu circulaţie de fluid, garnitura este formată din prăjini tubulare, asamblate prin filete.Funcţiile garniturii de foraj sunt:
• Transmite mişcarea de rotaţie de la suprafaţă la sapă;• Asigură prin propria greutate, apăsarea pe sapă, pentru dislocarea
rocii;
11
12
• Asigură canalele de circulaţie pentru fluidul de foraj. Fluidul curat, circulă spre talpa sondei, prin interiorul prăjinilor, iar al doilea canal, exterior (între prăjină şi peretele sondei), permite reîntoarcerea fluidului, încărcat cu detritus;
• Constituie ansamblul de introducere şi extragere din talpa sondei a instrumentelor de dislocare şi a sculelor speciale;
Garnitura de foraj este formată din: prăjini grele, prăjini de foraj, prăjina de antrenare, racorduri şi reducţii. Prăjinile grele se află la parte inferioară a garniturii, prăjina de antrenare, la partea superioară, iar între ele sunt prăjinile de foraj, ele având lungimea cea mai mare în garnitură.
3.1. 1. Prăjini grele
Prăjinile grele realizează prin greutatea proprie apăsarea pe sapă şi menţin prin rigiditatea lor verticalitatea găurii, evitând devierea. Ele se montează deasupra sapei sau carotierei şi pot asigura 70-80% din apăsarea pe sapă. Prăjinile grele sunt de două tipuri: obişnuite şi speciale.
Prăjinile grele obişnuite, sunt tuburi cilindrice cu peretele gros, construite în variantele:mufă-cep, mufă-mufă şi cep-cep. Diametrele nominale sunt cuprinse între 3 1/8 " şi 11". În aceste cazuri pentru îmbinare se folosesc racorduri cep sau mufă. Sunt confecţionate din oţel aliat, crom-molibden, sau crom-nichel. După confecţionare sunt tratate termic. Cele de diametru mare pot fi confecţionate din oţel carbon.
Prăjinile grele speciale sunt utilizate pentru prevenirea devierii găurii de sondă. Acestea au o rigiditate mai mare şi reduc flambajul prăjinilor.
3.1.2. Prăjini de foraj
Prăjinile de foraj sunt tuburi din oţel, aluminiu, sau aliaje uşoare (cu titan). Pentru mărirea capacităţii de rezistenţă la îmbinări, capetele lor sunt îngroşate (ramforsate). Tăierea filetului în acest caz nu slăbeşte rezistenţa prăjinii.
Diametrul nominal al prăjinilor de foraj corespunde diametrului exterior al corpului prăjinii şi este cuprins între 60,3mm (2 3/8 in) şi 168,3mm (6 5/8 in).Pentru fiecare diametru pot exista de la una la patru grosimi de perete.
Îmbinarea prăjinilor se face cu ajutorul racordurilor speciale. Racordul este format din dintr-un cep special montat la un capăt al prăjinii şi o mufă specială, montată la celălalt capăt al acesteia. Mufa şi cepul special au filet cu pasul mare, pentru înşurubare-deşurubare în timp relativ scurt. Racordurile speciale pot fi: înfiletate şi sudate, funcţie de modul cum sunt fixate la capătul prăjinilor. Prăjinile de foraj cu racorduri înfiletate au la capete cepuri cu filet normal, cu conicitatea şi pasul, mai mici decât la filetele speciale.
12
13
Prăjinile cu racorduri sudate sunt cele mai utilizate. Se renunţă astfel la filetul normal, mărunt, al cepului prăjinii, care produce mai multe inconveniente. Se sudează racordul de corpul prăjinii.
3.1.3. Prăjini de antrenare
Acest tip de prăjini fac legătura între garnitura de foraj şi capul hidraulic. Prăjina primeşte mişcarea de rotaţie de la masa rotativă, prin intermediul unor piese adaptoare. Pentru a putea primi mişcarea, prăjinile de antrenare au corpul profilat la exterior. În secţiune transversală au formă de pătrat, hexagon, octogon, etc. Cele mai folosite sunt cele pătrate şi hexagonale (pentru sonde de mare adâncime). Racordurile fac corp comun cu corpul prăjinii. Filetele de la parte superioară a prăjiniilor de antrenare au sensul invers filetelor din garnitură, pentru a evita deşurubarea.
3.1.4. Reducţii Reducţiile permit legătura dintre prăjinile de foraj de dimensiuni diferite,
sau dintre prăjini şi diferite scule de foraj, sau cu prăjina de antrenare şi prăjina grea. Sunt tuburi scurte (400-700mm), cu filet cep-cep, mufă-cep, sau mufă-mufă.
3.2. Solicitările garniturii de foraj
În procesul de foraj, garnitura este supusă unor solicitări variate funcţie de metoda de foraj aplicată, condiţiile din sondă, sau tipul de operaţie efectuat. Solicitările pot acţiona simultan sau separat.La forajul rotativ asupra garniturii acţionează următoarele solicitări:
• Întindere axială, produsă de: propria greutate, presiunea în interior ca urmare a circulaţiei fluidului, frecarea de peretele sondei, forţele de inerţie, etc.;
• Compresiune axială, consecinţă a forţei de apăsare pe sapă, a frecării de peretele sondei la introducerea garniturii şi a forţelor de inerţie;
• Răsucire, sub acţiunea momentului ce trebuie transmis sapei;• Încovoiere, generată de schimbarea direcţiei găurii de sondă, acţiunea
forţelor centrifuge la rotirea garniturii;• Presiune interioară, de la circulaţia fluidului;• Presiune exterioară, dacă garnitura este goală (fără fluid);• Oscilaţii longitudinale, de răsucire şi transversale, create de acţiunea
sapei în talpă şi de imperfecţiunile garniturii.În perioada de exploatare prăjinile de foraj sunt supuse unor controale care constau în verificarea stării racordurilor speciale, a filetelor, a diametrului exterior şi interior, a rectilinităţii şi a rezistenţei.
4. Tubarea şi cimentarea sondelor
În procesul de foraj, în gaura de sondă pot apărea deranjamente, ca urmare a traversării unor strate ce ridică dificultăţi (roci friabile, roci poros-permeabile cu fluide). Deranjamentele atrag după sine dificultăţi în procesul de forare, sau de exploatare al sondei.
13
14
La sondele de exploatare (petrol), este foarte importantă izolarea unui spaţiu necesar exploatării, care să nu fie contaminat cu alte fluide. În acest scop sonda este consolidată, iar stratele care conţin fluide sunt izolate între ele. Cu interiorul sondei sunt puse în comunicaţie numai stratele care sunt exploatate. Consolidarea sondelor se realizează prin tubare, iar izolarea prin cimentare.
Tubarea este operaţia de introducere în gaura de sondă a unei coloane din tuburi de oţel.
Cimentarea se execută prin introducerea în spaţiul inelar din spatele coloanei de tubare a pastei de ciment (lapte de ciment)(praf de ciment şi apă). Prin întărire se formează piatra de ciment care împiedică comunicarea în spatele coloanei, între stratele izolate. Inelul de ciment asigură fixarea coloanei şi nu permite contactul fluidului de foraj cu rocile din spatele coloanei (contactul poate dăuna stabilităţii rocilor).
4.1 Construcţia sondelorConstrucţia sondelor se face după un program de construcţie. Acesta
cuprinde echipamentele care rămân în sondă în procesul normal de forare: - coloanele de tubare care se introduc în sondă, cu următoarele
precizări: număr, adâncimi de introducere, tipuri şi diametre (programul de tubare);
- sape de foraj (tipuri şi diametre); - garnitura de foraj (tipuri, diametre ale elementelor componente);- cimentare (intervale şi metode aplicate).
Schema generală de tubare a sondelor1. coloana de ghidare
La gura sondei, se sapă o deschidere cu secţiune pătrată sau circulară cu diametru de 0,8 -1m şi adâncimea de 3-6m. În această deschidere se introduce un burlan de oţel, cu diametrul de 500-700mm. Parte superioară a burlanului se ridică deasupra solului (1,5-2m). În spatele burlanului se betonează. În partea superioară a burlanului se află o derivaţie pentru fluidul de foraj.
2. coloana de ancorare sau de suprafaţăAceastă coloană este obligatorie la sondele de hidrocarburi. Rolul coloanei:- consolidează gaura de sondă în zona de mică adâncime, unde pot exista roci mai puţin consolidate, sau cu conţinut de fluide;- protejează acviferele de mică adâncime de eventuale contaminări cu fluid de foraj;- evită pătrunderea altor fluide în fluidul de foraj;- este suportul pe care se montează instalaţia de prevenire a erupţiilor, dar şi suportul pentru următoarele coloane.Adâncimea la care se introduce această coloană depinde de condiţiile din sondă şi de stratele străbătute. Obişnuit adâncimea de introducere este între 50-300m, dar poate ajunge şi la 1000m (pentru sonde de mare adâncime). Diametrul acestor coloane variază între 10 ¾-16 ¾ in (273,05-425,45mm).
3. coloana de exploatare sau de producţieEste o coloană obligatorie la sondele de hidrocarburi. Rolul coloanei:
14
15
- constituie canalul de deplasare al fluidelor exploatate de la stratul productiv la suprafaţă.- permite exploatarea selectivă a stratelor, comunicaţia existând doar cu stratele care interesează extracţia.Această coloană se introduce până în talpa sondei. Diametrul coloanei este cuprins de obicei între 4 ½- 6 5/8 in (114,3-268,27mm).
4. coloana intermediară sau de protecţieAcest tip de coloană nu se întâlneşte la toate sondele. Se introduce între coloana de ancorare şi cea de exploatare. Există situaţii când se introduc două până la patru coloane intermediare. Coloana intermediară se impune atunci când:- există strate cu roci fisurate şi se produc pierderi de fluid;- există roci cu stabilitate redusă (se surpă), sau roci cu plasticitate ridicată producând inchiderea găurii de sondă;- sunt prezente strate cu fluide cu presiuni anormale (mari, mici).Adâncimea la care se introduc este impusă de problema care trebuie rezolvată. Diametrul acestor coloane este cuprins între 7- 13 3/8 in (177,80-339,72mm). La toate sondele, coloanele de ancorare şi prima coloană intermediară sunt coloane întregi. Partea lor superioară iese la suprafaţă. La unele sonde coloanele intermediare -mai puţin prima- şi coloana de exploatare pot să nu fie până la suprafaţă. Partea lor superioară se poate opri la 50-150m deasupra bazei coloanei precedente. Acest tip de coloană se numeşte coloană pierdută (liner).
4.2. Compunerea coloanelor de tubare
Coloana de tubare este alcătuită din burlane şi accesorii de coloană.
4.2.1. Burlane de tubare Sunt tuburi de oţel care se asamblează cap la cap pentru a forma coloana de tubare. Burlanul are un diametru nominal, sau exterior, fiecăruia corespunzându-i între una şi opt grosimi ale peretelui. Burlanele sunt confecţionate din oţel, sau oţel aliat. Îmbinarea burlanelor se face prin înfiletare, sau mai rar prin sudare.
4.2.2. Accesorii de coloană Introducerea în condiţii optime a coloanei şi realizarea unei bune cimentări se efectuează cu ajutorul unor accesorii.
Şiul este plasat la capătul inferior al coloanei şi permite trecerea acesteia spre talpă, fără dificultăţi şi fără a deranja peretele găurii. Sunt de două tipuri de şiuri: simple şi cu ventil de reţinere. Ambele tipuri sunt rotunjite, dar şiurile cu ventil au în interior o supapă cu închidere de jos în sus, împiedicând pătrunderea fluidului de foraj în coloană. În această situaţie coloana de tuburi rămâne goală în interior, ceea ce reprezintă un avantaj, reducând sarcina la cârligul macaralei. Dacă se execută o operaţie de cimentare, ventilul împiedică revenirea pastei de ciment în interiorul coloanei. Şiul cu ventil prezintă şi inconveniente, cum ar fi diferenţa de presiune între exteriorul şi interiorul coloanei de burlane. Presiunea mare din exterior poate duce la turtirea burlanelor.
15
16
Inelul de reţinere are rolul de a opri dopurile de cimentare deasupra şiului evitând astfel contaminarea cimentului cu noroi de foraj. Se confecţionează dintr-un material care se frezează uşor (fontă) şi se plasează la 10-30m deasupra şiului, în interiorul unei mufe de legătură a burlanelor.
Mufa plutitoare se foloseşte la coloanele de lungime mare, grele, unde există mari diferenţe de presiune (între exterior şi interior). Mufa are pereţii groşi, iar în interior are un ventil de reţinere asemeni şiului.
Centrorii sunt dispozitive montate în exteriorul coloanei de tubare, pentru menţinerea poziţiei concentrice a coloanei în gaura de sondă. Se obţine astfel un inel continuu şi uniform de ciment în jurul coloanei. Există mai multe variante de construcţie, dar cea mai comună este cea a centrorilor cu lame drepte.
Scarificatorii (curăţitorii de colmataj) au rolul de a curăţa colmatajul de pe peretele sondei, prin răzuire. Se montează în parte inferioară a coloanei. Scarificatorii pot fi: longitudinali şi transversali. La primii curăţirea colmatajului se face printr-o mişcare de rotire a coloanei, iar la al doilea tip, prin deplasarea sus-jos a coloanei.
Susţinătorul de coloană sunt utilizate la suspendarea coloanelor pierdute. Susţinătorul (agăţătorul de coloană) este plasat la partea superioară a coloanei pierdute şi este prevăzut cu un dispozitiv care se deblochează în momentul stabilirii poziţiei corecte, fixând şi blocând coloana pierdută în coloana precedentă.
4.3. Solicitările coloanelor de burlane Coloana de tubare este supusă diferitelor solicitări din momentul
introducerii în sondă şi până la abandonarea sondei. Solicitarea la întindere este prezentă aproape permanent şi este generată
de greutatea coloanei, de forţa de frecare cu peretele sondei, de forţa aplicată pentru încercarea de desprindere, pentru eventuala prindere în gaura de sondă. Forţa de întindere poate provoca smulgerea din filet a burlanelor, sau turtirea lor.
Solicitarea la presiune exterioară apare atunci când presiunea din exteriorul coloanei depăşeşte presiunea din interior. Apar în acest caz deformări ale burlanelor (turtire, ovalizare).
Solicitarea la presiune interioară apare atunci când presiunea din interiorul coloanei o depăşeşte pe cea din exterior ei. Se manifestă prin fisuri în corpul burlanelor, sau chiar desprinderea unor bucăţi din burlane.
4.4. Operaţia de tubare Pentru realizarea unei tubări corespunzătoare este necesară executarea
unor operaţii pregătitoare:• pregătirea burlanelor pe tipuri de grosime (în perete) şi în ordinea
introducerii în sondă;• probarea burlanelor la presiune interioară cu apă, mai ales la coloanele
de exploatare şi la cele pentru sonde de mare adâncime; • controlarea stării filetelor;• controlarea accesoriilor de coloană (şiu, inel de reţinere, scarificatori,
centrori) şi montarea lor;• executarea lucrărilor pregătitoare în gaura de sondă (corectarea găurii,
circularea îndelungată a fluidului de foraj.
16
17
Operaţia de tubare constă în:• înşurubarea şiului la primul burlan şi sudarea în câteva puncte;• montarea inelului de reţinere la două-trei burlane de şiu şi montarea
centrorilor dacă este necesar;• ridicarea de pe rampă în turlă, a fiecărui burlan, suspendarea în
elevator şi înşurubarea la coloana suspendată în pene. • Coborârea atentă a coloanei în sondă, pentru evitarea prinderilor;• Efectuarea periodic a unei circulaţii pentru evacuarea dn sondă a turtei
de colmatare şi a altor fragmente desprinse din perete; • Circularea sondei la finalul tubării şi manevrarea coloanei (sa nu fie
prinsă, scarificatorii înlătură colmatajul).
4.5. Cimentarea sondelor
Cimentarea este operaţia de introducere în spatele coloanei de tubare
a unei cantităţi de lapte de ciment (pastă de ciment), urmată de introducerea
unui volum de noroi, care dislocuieşte cimentul din coloană, împingând
cimentul în spatele coloanei. După un anumit timp (24-48 ore) cimentul face
priză şi se transformă într-o masă compactă
(piatra de ciment), care împiedică circulaţia fluidului în spatele coloanei şi în
acelaşi timp fixează coloana şi creşte rezistenţa acesteia la acţiunea de
turtire, care poate fi exercitată de roci. Cimentarea incorectă facilitează
pătrunderea apelor în stratele productive şi compromite exploatarea lor.
Cimentarea se face în următoarele scopuri:
• Izolarea stratelor productive între ele, precum şi a acviferelor din
vecinătate;
• Consolidarea rocilor instabile sau plastice;
• Prevenirea manifestărilor de gaze;
• Izolarea stratelor productive de grosime mică, pentru conservarea lor
temporară;
• Protejarea coloanei împotriva deformării;
• Fixarea coloanei;
• Cimentarea succesivă a diferitelor coloane (ghidaj, ancoraj,
intermediară, exploatare);
17
18
4.5.1. Cimenturi de sondă
La prepararea laptelui de ciment se utilizează cimentul de sondă. Este un
ciment special de tip Portland, care poate fi amestecat cu cantităţi relativ mari
de apă, fără să se sedimenteze, şi fără ca timpul de întărire şi rezistenţa
mecanică să aibă de suferit.
Amestecurile adecvate cuprind ciment de sondă, apă şi o serie de aditivi,
funcţie de scopul cimentării.
1. lapte de ciment cu filtrat redus – se obţine prin adaos de argilă
bentonitică, substanţe macromoleculare şi polimeri organici. Este
utilizat pentru reducerea filtrării apei din pasta de ciment, în roci foarte
permeabile.
2. lapte de ciment uşor – are densitate redusă şi se obţine prin adaos de
substanţe care reduc filtraţia, sau substanţe uşoare (diatomit, perlit
expandat). Se folosesc în sonde la catre se produc pierderi de
circulaţie.
3. lapte de ciment greu – are densitate mare, se foloseşte la sonde
adânci, unde sunt necesare noroaie cu densitate mare (2-2,3kgf/dm3),
iar cimentul trebuie să aibă aceeaşi densitate cel puţin, sau mai mult.
Pentru realizarea unei densităţi mari, pentru a depăşi densitatea
fluidului de foraj, se folosesc adaosuri de materiale grele (barit,
magnetit, galena, cu densităţi între 4,2-6,73kgf/dm3).
4. lapte de ciment pentru obturare – este folosit pentru închiderea zonelor
cu pierdere de circulaţie. La cimentul de sondă se adaugă silicat de
sodiu, argilă coloidală (gel), sau materiale de blocare (fibroase-azbest,
granulare- fulgi de mică, lamelare-fâşii de celofan).
Funcţie de condiţiile concrete, care se impun în procesul de cimentare, în
cimenturi se adaugă întârzietori (când se lucrează cu cantităţi mari de ciment)
şi acceleratori (coloană ancoraj la mică adâncime, dopuri în coloană) de priză.
Pomparea laptelui de ciment şi a fluidului de foraj, pentru refularea laptelui
în spatele coloanei, se execută cu ajutorul agregatelor de cimentare
(autopurtate). Se folosesc de asemenea dispozitive speciale : pâlnie de
amestec, capete de cimentare, dopuri de cimentare.
18
19
Capetele de cimentare se montează la capătul superior al coloanei şi face
legătura cu agregatul de cimentare, prin intermediul unor conducte de
împingere. Permite lansarea dopurilor şi asigură închiderea coloanei la
sfârşitul operţiei de cimentare. Cele mai utilizate sunt: capul de cimentare
simplu cu filet şi capul de cimentare etajat (cap de lansare). La cel etajat
dopul doi se află în interiorul lui. Pomparea laptelui de ciment se face prin
braţele laterale inferioare, iar a fluidului de refulare prin cele superioare la
început, apoi după lansarea dopului, prin toate patru.
Dopurile de cimentare sunt folosite la separarea laptelui de ciment de
fluidul de foraj. Sunt confecţionate din cauciuc, material plastic şi au armături
metalice. După întărirea cimentului dopurile sunt frezate (distruse). La
cimentările obişnuite, cu două dopuri, acestea sunt din cauciuc. Primul este
găurit şi prevăzut cu o membrană de separare. Când dopul atinge inelul de
reţinere, membrana se sparge şi laptele de ciment trece sub dop.
4.5.2. Metode de cimentare
Metodele de cimentare la sondele în foraj se impart în: primare, secundare
şi speciale.
Cimentările primare
Funcţie de situaţia coloanei şi funcţie de modul cum se realizează operaţia
propriu-zisă se deosebesc mai multe metode:
• cimentarea cu dopuri este utilizată la coloane întregi, cimentate pe
toată înălţimea, sau pe o porţiune din partea inferioară a găurii. Se
folosesc două dopuri. Se lansează primul dop, după care se pompează
laptele de ciment integral. Se lansează al doilea dop şi se începe
pomparea fluidului de foraj. Când primul dop a atins inelul de reţinere,
membrana dopului se sparge şi cimentul trece prin şiu în spatele
coloanei. Pomparea continuă până când al doilea dop ajunge la inelul
de reţinere, aşezându-se peste primul dop. Acesta este momentul
încheierii cimentării. Pentru a împiedica contaminarea laptelui de
ciment cu fluid de foraj, după lansarea primului dop se pompează în
coloană un fluid de separare. Volumul dopului de fluid corespunde unei
înălţimi în spaţiul inelar de 150-200m.
19
20
Şiul împiedică revenirea laptelui de ciment în coloană. După perioada
de prizare dopurile, cimentul rămas în coloană şi şiul pot fi frezate,
funcţie de operaţiile ce urmează a fi executate
• cimentarea etajată presupune pomparea laptelui de ciment în tranşe,
fiecare fiind plasată într-o anumită zonă a spaţiului inelar. Cea mai
utilizată este metoda în două trepte (etaje). Se utilizează la sondele cu
coloane de lungime mare, la sonde cu două zone productive situate la
distanţă mare, la cimentări care ar necesita un număr mare de
agregate de cimentare, dar spaţiul la sondă nu permite amplasarea lor.
Se folosesc patru dopuri de cimentare şi o mufă specială (niplu cu
orificii, montat între două burlane ale coloanei, la o înălţime dinainte
stabilită). Se lansează primul dop, care este găurit şi se pompează
cantitatea de lapte de ciment pentru etajul inferior. Se lansează al
doilea dop şi se pompează o cantitate de fluid de foraj egală cu
volumul interior al coloanei, între inelul de reţinere şi mufa specială. Se
lansează al treilea dop şi se pompează laptele de ciment pentru etajul
superior. Se lansează dopul 4 şi se pompează fluid de foraj egal cu
volumul interior al coloanei dintre mufa specială şi parte asuperioară a
coloanei de tubare. Când dopul 3 (dop de deschidere) ajunge la mufa
specială, presiunea creşte, se deschid orificiile mufei şi laptele de
ciment trece în spatele coloanei. Când dopul 4 (dop de închidere)
ajunge la dopul 3 operaţia de cimentare este finalizată.
• Cimentarea de coloană pierdută – lansarea coloanei pierdute se face
cu ajutorul garniturii de foraj. Între coloană şi garnitură se intercalează
agăţătorul şi lansatorul de coloană. Prin agăţător coloana pierdută se
fixează în coloana precedentă. Prin lansator se realizează
desprinderea garniturii de la coloană. După suspendarea coloanei se
introduce lapte de ciment necesar cimentării.
Cimentări secundare
Cea mai frecventă este cimentarea prin perforaturi. Se utilizează la
repararea unor cimentări primare necorespunzătoare. Se perforează coloana
în partea superioară şi inferioară a zonei ce urmează a fi cimentată. Se
introduce garnitura, prevăzută cu un packer şi se fixează deasupra
20
21
perforaturilor inferioare. Se pompează apoi prin prăjini lapte de ciment, care
pătrunde în spatele coloanei, împingând fluidul care va intra în coloană prin
perforaturile superioare.
Cimentări speciale
• cimentarea pentru formarea de dop – este folosită în scopul blocării
găurii de sondă şi executării unei găuri noi prin foraj dirijat, sau
trecerea în producţie a unui strat superior în sondă tubată. Se
introduce garnitura de prăjini până la adâncimea care corespunde părţii
inferioare a dopului. Se pompează lapte de ciment, apoi fluid până
când laptele de ciment a ajuns la acelaşi nivel în interiorul şi exteriorul
garniturii. Se retrage garnitura până deasupra nivelului cu lapte de
ciment.şi se face circulaţie pentru spălare, apoi se extrage.
4.5.3. Controlul calităţii cimentării
La cimentările primare se verifică calitatea cimentării cu ajutorul carotajului
termic, radioactiv şi acustic, cu ajutorul controlului oglinzii şi controlului
etanşeităţii coloanei.
Carotajul termic (termometria) măsoară înălţimea la care s-a ridicat cimentul
în spatele coloanei. Se măsoară temperatura în gaura de sondă. În timpul
prizării întărirea amestecului apă-ciment este însoţită de degajare de căldură,
deci în zona cimentată se vor înregistra temperaturi mai mari. Analiza
temperaturii indică cu destul de mare precizie nivelul ridicării cimentului în
spatele coloanei,dar mai puţin gradul de umplere a spaţiului inelar.
Carotajul radioactiv este folosit pentru a indica înălţimea de ridicare a laptelui
de ciment în spatele coloanei, dar şi gradul de umplere în spatele coloanei.
Se face un carotaj radioactiv înainte de tubare şi cimentare, se obţine o curbă,
care se compară cu cea măsurată după cimentare.
Carotajul acustic se execută după întărirea cimentului. Permite detectarea
intervalelor în care cimentarea nu este reuşită, respective acolo semnalul
acustic nu este atenuat, el propagându-se prin coloană.
Controlul oglinzii cimentului constă în determinarea adâncimii la care este
plasat dopul de ciment. Operaţia se execută cu ajutorul garniturii şi nu trebuie
să pătrundă în ciment. Se verifică de fapt rezistenţa cimentului.
21
22
Verificarea etanşeităţii coloanei de tubare se realizează prin crearea unei
diferenţe de presiune între exteriorul şi interiorul coloanei, prin golirea
coloanei, sau crearea de presiune în coloană. În primul caz nu trebuie să
crească nivelul în sondă, iar în al doilea caz, presiunea nu trebuie să scadă.
5. Fluide de foraj
Forajul rotativ se caracterizează prin circulaţia continuă a fluidului de
foraj (fluid de circulaţie). Sistemul care asigură circulaţia fluidului are o parte
exterioară (elementele de suprafaţă) şi una interioară (elementele din sondă).
Elementele de suprafaţă sunt: habe sau batale, pompe, manifold,
încărcător, furtun de foraj, cap hidraulic, echipament de curăţire a fluidului de
foraj. În sondă sistemul cuprinde garnitura de foraj, sapă, spaţiu inelar
(garnitură-peretele sondei).
Circuitul normal al fluidului de foraj (circulaţie directă) este: habe-
pompă-manifold-încărcător-furtun-cap hidraulic-garnitură de foraj-sapă-spaţiu
inelar-echipament de curăţire-habă. Circuitul invers, cu intrarea prin spaţiul
inelar şi ieşirea prin garnitura de foraj, poartă numele de circulaţie inversă.
5.1. Funcţiile noroiului de foraj
Fluidul de foraj îndeplineşte următoarele funcţii:
• Curăţă talpa sondei de detritus şi îl transportă la suprafaţă;
• Menţine detritusul în suspenşie când sonda este oprită;
• Asigură contrapresiunea pe peretele găurii de sondă, împiedicând
surparea rocilor friabile, deformarea celor plastice şi împiedică
pătrunderea fluidelor din strate în sondă;
• Colmatează peretele sondei, izolând sonda de rocile traversate;
• Răceşte şi lubrifiază sapa şi garnitura de foraj;
• Reduce rezistenţa rocilor prin umectare şi adsorbţie.
Fluidele de foraj trebuie să îndeplinească anumite condiţii:
22
23
• Să nu influenţeze rocile traversate, respectiv să nu producă umflarea
argilelor, să nu contamineze apele freatice şi să nu blocheze
formaţiunile productive;
• Să reziste presiunilor şi temperaturilor din sondă;
• Să nu fie afectate de mineralele solubile (sare, gips), sau de gaze;
• Să nu erodeze şi corodeze echipamentul de foraj;
• Să nu fie toxic şi să nu prezinte pericol de incendiu;
• Să fie uşor de preparat şi de întreţinut;
• Să fie ieftine.
Aceste condiţii sunt îndeplinite în mare măsură de noroaiele de foraj de
calitate bună şi de unele fluide de compoziţie specială.
5.2. Clasificarea şi caracterizarea fluidelor de foraj
Funcţie de compoziţie şi starea fizică, fluidele de foraj se împart în:
1. fluide lichide – sunt pe bază de apă şi pe bază de produse petroliere;
2. fluide gazoase – aer, gaze naturale, sau gaze de eşapament;
3. amestecuri lichid-gaz- noroi aerat, petrol gazat, spumă şi ceaţă.
Fluidele pe bază de apă se împart în: apă (dulce, salină sau cu polimeri) şi
noroi de foraj.
5.2.1. Fluide lichide
5.2.1.1. Apa –fluid de foraj
Apa a fost primul fluid de foraj. Folosirea ei este limitată, din cauza
depozitelor traversate. Prezenţa argilelor bentonitice, a unor roci friabile (nisip,
siltit), sau a unor săruri, fac imposibilă utilizarea ei. Avantajele apei sunt date
de debitele mari cu care se poate lucra şi de curăţirea eficientă a tălpii şi a
sapei, ceea ce duce la viteze mari de săpare.
5.2.1.2. Noroaie de foraj
Noroaiele de foraj sunt cele mai utilizate fluide de foraj. După compoziţie
se împart în: noroaie naturale sau netratate, noroaie tratate, noroaie
emulsionate.
a. noroiul natural se formează în timpul forajului din apă şi argila
dislocată, sau se prepară la suprafaţă din apă şi argile hidratabile şi
23
24
dispersabile (grupa bentonitelor cu mineral principal montmorillonitul, alături
de care mai sunt nontranitul, hectoritul, saponitul). În amestec cu apa, se
produce umflarea şi dispersarea particulelor argiloase.
b. noroaiele tratate se obţin din cele naturale prin adăugare de reactivi
de reducere a vâscozităţii şi filtraţiei şi materiale de îngreuiere. Şi aceste
noroaie sunt sensibile la săruri, dar mult mai puţin.
Reducerea densităţii acestor noroaie se face prin adăugare de apă, dar
în acest caz, noroiului îi creşte capacitatea de filtraţie. Este necesar ca noroiul
să se îmbogăţească în material coloidal şi se adaugă argilă bentonitică,
activată cu carbonat de calciu (trassgel).
Creşterea densităţii noroiului se face prin adăugare de materiale cu