Tomasz Œliwa, Maciej Mazur, Andrzej Gonet, Aneta Sapiñska-Œliwa WIERCENIA UDAROWO-OBROTOWE W GEOENERGETYCE**

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 28 ZESZYT Tomasz Œliwa*, Maciej Mazur*, Andrzej Gonet*, Aneta Sapiñska-Œliwa* WIERCENIA UDAROWO-OBROTOWE W GEOENERGETYCE** 1. WPROWADZENIE Pionowe wymienniki ciep³a s¹ najlepszym sposobem, aby pozyskaæ ciep³o z wnêtrza Ziemi. Dziêki wymiennikom otworowym mo na nie tylko pobieraæ ciep³o z górotworu, ale równie je tam wprowadzaæ i magazynowaæ [4]. Otworowe wymienniki ciep³a mog¹ byæ wiercone ró nymi metodami [6] lub wykonywane przy wykorzystaniu istniej¹cych otworów wiertniczych [5], zlikwidowanych [1] lub czêœciowo zlikwidowanych. Otwory wiertnicze, w których maj¹ byæ instalowane pionowe wymienniki ciep³a, mo - na wykonywaæ obrotow¹ metod¹ wiertnicz¹ [2] lub metod¹ udarowo-obrotow¹. Najczêœciej stosowan¹ technikê wiercenia udarowo-obrotowego okreœla siê jako dolny m³otek (DTH Down the Hole). Otwory wiertnicze przeznaczone na instalacje grzewcze i grzewczo-ch³odnicze z pompami ciep³a s³u ¹ do wprowadzenia na wymagan¹ g³êbokoœæ rur wymiennika ciep³a o okreœlonej œrednicy. W takich uk³adach jest to jedyny cel wiercenia. Nieistotny jest problem przepuszczalnoœci strefy przyotworowej warstw z³o owych, co jest wa ne np. w przypadku studni wierconych. Istotne s¹ natomiast zagadnienia dotycz¹ce zachowania siê elementów konstrukcji w warunkach zmian temperatury (np. reakcja stwardnia³ego zaczynu uszczelniaj¹cego oraz jego kontakt ze œcian¹ otworu i rurami wymiennika), co ma decyduj¹cy wp³yw na opornoœæ termiczn¹ podczas wymiany ciep³a górotwór noœnik ciep³a. 2. CHARAKTERYSTYKA METODY DOLNEGO M OTKA W pracy metod¹ dolnego m³otka czynnikiem napêdowym jest sprê one powietrze, które kierowane do m³otka przez mechanizm obrotu rury wiertniczej oczyszcza dodatkowo * AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Kraków ** Praca zrealizowana w ramach Badañ Statutowych Katedry Wiertnictwa i Geoin ynierii Wydzia³u Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, nr umowy

2 wykonywany otwór ze zwiercin jako p³uczka powietrzna. Wydmuch sprê onego powietrza wytworzonego w sprê arce (rys. 1) z m³otka nastêpuje poprzez otwory w œwidrze przedstawione na rysunku 2. Rys. 1. Kompresor Rys. 2. Œwider wiertniczy 760

3 Obroty nadawane przez g³owicê umieszczon¹ na maszcie wiertnicy s¹ przekazywane do m³otka przez rury wiertnicze. Rury wiertnicze ³¹czone s¹ za pomoc¹ gwintu, tak wiêc przewód wiertniczy mo e byæ wyd³u any w miarê pog³êbiania otworu. Si³a nacisku tak e jest przekazywana przez mechanizm obrotu i rury wiertnicze. M³otki wg³êbne s¹ urz¹dzeniami bardzo produktywnymi i znajduj¹ zastosowanie miêdzy innymi w kamienio³omach, górnictwie podziemnym, robotach in ynieryjnych oraz wiertnictwie studziennym. Szczegó³ow¹ budowê dolnego m³otka 3'' przedstawia rysunek 3. W tabeli 1 podano podstawowe parametry techniczne i technologiczne dolnych m³otków typu Puma, a w tabelach 2 6 pokazano podstawowe dane techniczne dolnych m³otków typu Puma. Rys. 3. Budowa dolnego m³otka o œrednicy 3'': 1 po³¹czenie gwintowe 2 3/8'' API reg., 2 uszczelka do po³¹czenia gwintowego, 3 podk³adka, 4 d³awik, 5 zawór zwrotny, 6 sprê yna, 7 pierœcieñ, 8 rozdzielacz powietrza, 9 pierœcieñ rozdzielacza, 10 cylinder, 11 t³ok, 12 korpus, 13 pierœcieñ ustalaj¹cy, 14 prowadnik œwidra, 15 pierœcieñ dystansowy, 16 pierœcieñ ustalaj¹cy œwidra, 17 uchwyt œwidra, 18 zawór stopowy 761

4 Tabela 1 Podstawowe dane techniczne i technologiczne dolnych m³otków typu Puma [2] Parametr Typ m³otka Puma 3 Puma 4 Puma 5 Puma 6 Puma 7 Puma 8 Puma 9 D³ugoœæ, mm Œrednica zewnêtrzna, mm Masa, kg Rodzaj gwintu 2 3/8" 2 3/8" 3 1/2" 3 1/2" 4 1/2" 4 1/2" 5 1/4" Zu ycie powietrza (m 3 /min) przy ciœnieniu Prêdkoœæ obrotowa, obr/min 10,3 bar 13,8 bar 17,2 bar 20,4 bar 23,8 bar Masa uderzeniowa, kg 4,4 5,1 8,8 8,2 13,9 13,5 19,5 6,5 7,4 12,0 12,7 19,8 19,0 27,8 8,8 9,8 15,4 17,3 25,8 25,9 36,3 11,2 12,3 18,7 21,5 31,7 34,0 45,3 13,7 15,0 22,0 25,3 37,7 43,6 54, Masa netto Wymiar zewnêtrzny Tabela 2 Podstawowe dane techniczne dolnego m³otka 3'' [2] D³ugoœæ m³otka Opis ogólny D³ugoœæ m³otka ze œwidrem œwider schowany œwider rozszerzony kg lb mm in mm in mm in mm in , , , ,6 Ciœnienie, bar Zapotrzebowanie na powietrze Strumieñ objêtoœci, m 3 /min 10,3 4,4 13,8 6,5 17,2 8,8 20,4 11,2 23,8 13,7 762

5 Tabela 3 podstawowe dane techniczne dolnego m³otka 4'' [2] Opis ogólny Masa Wymiar D³ugoœæ m³otka ze œwidrem D³ugoœæ m³otka netto zewnêtrzny œwider schowany œwider rozszerzony kg lb mm in mm in mm in mm in , , , ,5 Zapotrzebowanie na powietrze Ciœnienie, bar Strumieñ objêtoœci, m 3 /min 10,3 5,1 13,8 7,4 17,2 9,8 20,4 12,3 23,8 15 Tabela 4 Podstawowe dane techniczne dolnego m³otka 5'' [2] Opis ogólny Masa Wymiar D³ugoœæ m³otka ze œwidrem D³ugoœæ m³otka netto zewnêtrzny œwider schowany œwider rozszerzony kg lb mm in mm in mm in mm in , , ,2 Zapotrzebowanie na powietrze Ciœnienie, bar Strumieñ objêtoœci, m 3 /min 10,3 8,8 13, ,2 15,4 20,4 18,7 23,8 22 Tabela 5 Podstawowe dane techniczne dolnego m³otka 6'' [2] Opis ogólny Masa Wymiar D³ugoœæ m³otka ze œwidrem D³ugoœæ m³otka netto zewnêtrzny œwider schowany œwider rozszerzony kg lb mm in mm in mm in mm in ,5 5, , , Zapotrzebowanie na powietrze Ciœnienie, bar Strumieñ objêtoœci, m 3 /min 10,3 8,2 13,8 12,7 17,2 17,3 20,4 21,5 23,8 25,3 763

6 Masa netto Wymiar zewnêtrzny Tabela 6 Podstawowe dane techniczne dolnego m³otka 8'' [2] Opis ogólny D³ugoœæ m³otka D³ugoœæ m³otka ze œwidrem œwider schowany œwider rozszerzony kg lb mm in mm in mm in mm in , , , ,5 Ciœnienie, bar Zapotrzebowanie na powietrze Strumieñ objêtoœci, m 3 /min 10, ,8 20,8 17,2 26,9 20,4 33,1 23,8 39,3 Wykorzystuj¹c metodê dolnego m³otka, mo na prowadziæ wiercenie z pojedynczym lub z podwójnym przewodem wiertniczym. Pojedynczy przewód wiertniczy stosuje siê w litych warstwach skalnych. Technologia wiercenia opiera siê na u yciu dolnego m³otka, obs³ugiwanego przez zdalnie sterowany kompresor powietrzny, który dostarcza sprê one powietrze potrzebne do zasilania m³otka i jednoczesnego oczyszczania wierconego otworu ze zwiercin. W niektórych przypadkach warstwa lita mo e byæ poprzedzona warstwami luÿnymi, w zwi¹zku z czym wykonuje siê zwykle wstêpne wiercenie przy u yciu rur ok³adzinowych z koronk¹ (przedstawionych na rysunku 4) w celu stabilizacji œciany otworu. Rys. 4. Rura wiertnicza z koronk¹ 764

7 Wiercenie z podwójnym przewodem wiertniczym, okreœlane te jako wiercenie z podwójn¹ g³owic¹ (rys. 5), stosuje siê podczas przewiercania warstw sypkich i s³abo zwiêz³ych. System ten pozwala na stabilizacjê otworu na ca³ej jego g³êbokoœci w szybki i wydajny sposób, jednoczeœnie separuj¹c warstwy wodonoœne i zapobiegaj¹c komunikacji wody z warstw o ró nych g³êbokoœciach. Rys. 5. Podwójna g³owica Przewód sk³ada siê z dolnej g³owicy, obracaj¹cej (zwykle przeciwnie do wskazówek zegara) zewnêtrzny przewód wiertniczy (rury ok³adzinowe), oraz g³owicy górnej, obracaj¹cej zgodnie z ruchem wskazówek zegara przewód wewnêtrzny wraz z narzêdziem. Na rurach ok³adzinowych montowana jest koronka wiertnicza, podczas gdy przewód wiertniczy mo e korzystaæ z m³otka i œwidrów gryzowych zale nie od stosowanej metody. Firma Nordmayer produkuje urz¹dzenie wiertnicze DSB wyposa one w g³owicê z podwójnym rotorem. G³owica z podwójn¹ rotacj¹ pozwala na wiercenie z sukcesywnym rurowaniem otworu do przewidywanej g³êbokoœci, co gwarantuje optymalny postêp wiercenia bez znacz¹cego ubytku p³uczki. G³owica z rotorem umo liwia jednoczesne obracanie erdzi wiertniczych i rur os³onowych w tym samym kierunku. Dodatkowo istnieje mo liwoœæ przesuwu kolumny wewnêtrznej ( erdzi) i zewnêtrznej (rury os³onowe) wobec siebie. Urobek wiertniczy transportowany jest w przestrzeni pierœcieniowej pomiêdzy tymi kolumnami do góry i odprowadzany jest z rotora wê em do zbiornika. Po przewierceniu nadk³adu rotor jest demontowany od g³owicy i za pomoc¹ wysiêgnika zamontowanego na obrotowej koronie masztu deponowany obok wiertnicy. 765

8 Dalsze wiercenie mo e byæ prowadzone za pomoc¹ m³otka wg³êbnego b¹dÿ œwidrami skrzyd³owymi lub gryzowymi. Podobny jest sposób wykonywania otworów, w których instalowane s¹ rury wymiennika ciep³a, w systemie ODEX-PUMEX. System ten równie polega na jednoczesnym rurowaniu otworu podczas jego wiercenia, co przeciwdzia³a obsypywaniu siê œciany otworu za œwidrem. Zapuszczanie rur w nadk³adzie za pomoc¹ mimoœrodowego poszerzacza, zapobiega obsypywaniu siê œciany otworu we wszystkich wystêpuj¹cych warunkach geologicznych. Za pomoc¹ systemu ODEX rury ok³adzinowe mog¹ byæ zapuszczane poprzez warstwê nadk³adu do wymaganej g³êbokoœci w ni ej zalegaj¹cej litej skale. Po wyci¹gniêciu zestawu ODEX z otworu wiercenie mo e byæ kontynuowane poni ej zarurowanego odcinka metod¹ tradycyjn¹. System ODEX mo e byæ wyci¹gniêty z otworu w ka dej chwili podczas wiercenia w nadk³adzie. Rysunek 6 przedstawia ogóln¹ budowê systemu oraz podstawowe wymiary, a w tabeli 7 podano podstawowe wymiary dolnego m³otka z systemu ODEX. Rys. 6. Dolny m³otek system ODEX: 1 prowadnik, 2 poszerzacz, 3 koronka-pilot, 4 but rury os³onowej, 5 elastyczny sworzeñ, 6 sworzeñ, 7 przebijak, 8 kule blokuj¹ce [2] 766

9 Pumex Œrednica wewnêtrzna rury, mm Tabela 7 Podstawowe wymiary dolnego m³otka system ODEX [2] Œrednica poszerzacza, mm maksymalny wymiar zewnêtrzny, mm Rura os³onowa minimalny wymiar wewnêtrzny, mm minimalna gruboœæ œcianki, mm Œrednica buta rury os³onowej, mm DT ,5 DT ,3 DT , ,4 Do wykonania otworów metod¹ dolnego m³otka wykorzystuje siê ró ne p³uczki wiertnicze. Jedn¹ z nich jest piana. Aby spe³nia³a swoj¹ funkcjê, piana musi byæ ciê ka, co pozawala na utrzymanie zwiercin i ich usuwanie z otworu. Piana mo e tak e transportowaæ wodê z wierconych formacji, w przypadku du ego jej nap³ywu, zmniejszaj¹c ciœnienie zwrotne wywierane na m³otek. W niektórych sytuacjach korzystne mo e byæ u ycie piany w celu zwiêkszenia wydajnoœci oczyszczania dna otworu. Stosownie piany w DTH wymaga szczególnej ostro noœci, by mo liwe by³o zmaksymalizowanie wydajnoœci i wyd³u enie okresu eksploatacji m³otka. Nale y pamiêtaæ, e piana, sk³adaj¹ca siê g³ównie z myd³a, rozk³ada olej smarowniczy m³otka, co mo e powodowaæ problemy ze smarowaniem, wiêc podczas wiercenia nale y zwiêkszyæ dawki oleju. Poza tym po zakoñczeniu wiercenia pow³oka olejowa zostaje usuniêta, a czêœci wewnêtrzne m³otka pozostaj¹ bez ochrony antykorozyjnej. Podczas przechodzenia piany przez m³otek tworz¹ siê i znikaj¹ b¹belki powietrza poleruj¹ce czêœci stalowe, co czyni je mniej wra liwymi na korozjê jest to niew¹tpliwie zaleta. Po zakoñczeniu wiercenie z wykorzystaniem piany z wnêtrza m³otka nale y usun¹æ wszelkie pozosta³oœci piany oraz pokryæ go olejem. W przypadku gdy m³otek pozostaje bezczynny przez d³u szy okres, nale y: przedmuchaæ m³otek przez kilka minut powietrzem z du ¹ iloœci¹ wody, odci¹æ dop³yw wody i dalej przedmuchiwaæ m³otek powietrzem z olejem do czasu pojawienia siê na koronce oleju. W celu uzyskania najlepszych rezultatów m³otek nale y czyœciæ codziennie pod koniec dnia. Je eli m³otek ma byæ nieu ywany przez d³u szy czas, przed sk³adowaniem zaleca siê jego rozebranie, wyczyszczenie, nasmarowanie i ponowne z³o enie. 3. PRAKTYCZNY PRZYK AD ZASTOSOWANIA METODY DOLNEGO M OTKA W Goli Dzier oniowskiej firma DemaxDrill wykonywa³a otwory wiertnicze pod wymienniki ciep³a metod¹ dolnego m³otka. Firma ta mia³a za zadanie wykonaæ sto otworów, 767

10 które bêd¹ wykorzystane jako wymienniki ciep³a w zamku w Goli Dzier oniowskiej. Zgodnie z projektem zaplanowano rozmieszczenie otworów o g³êbokoœci 120 m na dziedziñcu zamku. Otwory wykonano metod¹ udarowo-obrotowym, urz¹dzeniem wiertniczym marki KLEMM Bohrtechnik KR805-2W. Na rysunku 7 pokazano podstawowe czêœci dolnego m³otka. Rys. 7. Podstawowe czêœci dolnego m³otka W porównaniu z innymi technikami wiercenia metoda dolnego m³otka ma wysok¹ wydajnoœæ i mo e byæ stosowana w prawie wszystkich formacjach skalnych. Poza tym metoda ta cechuje siê du ¹ prêdkoœci¹ wiercenia, a oœ otworu jest pionowa i prostoliniowa. Wykonanie gotowego otworu do 120 m wraz z zapuszczeniem rur wymiennika (u-rurki) oraz uszczelnieniem mieszanin¹ cementowo-bentonitowo-krzemionkow¹ Hekoterm o podwy - szonym przewodnictwie cieplnym zajmowa³o oko³o 12 godzin. Charakterystyka profilu litologicznego (do 150 m) otworu zamieszczono w tabeli 8. Na rysunku 8 przedstawiono zale noœæ temperatur i mocy jednostkowej od liczby otworowych wymienników ciep³a przy maksymalnej mocy grzewczej pobieranej z uk³adu wynosz¹cej 330 kw. Litologia Tabela 8 Litologia otworu o g³êbokoœci 150 m Strop, m p.p.t. Sp¹g, m p.p.t. Mi¹ szoœæ, m grunty nasypowe 0,0 2,0 2,0 glina z kamieniami 2,0 12,0 10,0 zwietrzelina granitowo-gnejsowa 12,0 54,0 42,0 gnejsy przewarstwione bazaltami 54,0 150,0 96,0 768

11 Rys. 8. Zale noœæ temperatur i mocy jednostkowej od liczby otworowych wymienników ciep³a 4. WNIOSKI 1) Otworowe wymienniki ciep³a z powodzeniem mog¹ byæ wiercone z zastosowaniem metody udarowo-obrotowej. W zestawie takiej wiertnicy konieczne jest u ycie kompresora powietrza, które wywo³uje udary œwidra o ska³ê. Zat³aczane powietrze dodatkowo pe³ni funkcjê p³uczki wiertniczej. 2) Si³a uderzenia œwidra o dno otworu zale y od jego œrednicy, masy i ciœnienia pracy zestawu. 3) Metody z zastosowaniem g³owicy z podwójn¹ rotacj¹ pozwalaj¹ na wiercenie z sukcesywnym orurowaniem otworu, co gwarantuje wiêkszy postêp wiercenia bez znacz¹cych ubytków p³uczki w ska³ach szczelinowatych. Przy orurowaniu otworu rur¹ ok³adzinow¹ z koronk¹ mo e byæ stosowane zarówno wiercenie udarowo-obrotowe, jak te obrotowe na p³uczkê. LITERATURA [1] Dudlâ N.A., Stryczek S., Ostrovskij I.R.: Preduprezdenie i likvidaciâ avarij pri bureni: uèebnoe posobie. Ministerstvo obrazovaniâ i nauki Ukrainy, Nacional nyj gornyj universitet, Krakovskaâ gorno-metallurgièeskaâ akademiâ. Izd. 2, pererab. i dop. Lira LTD, Dnepropetrovsk

12 [2] Gonet A., Sowa M., Œliwa T.: Wykonywanie otworowych wymienników ciep³a. Globenergia, nr 1, 2012 (w druku). [3] [4] Œliwa T., Gonet A., Z³otkowski A.: Górotwór jako rezerwuar ciep³a. Nowoczesne Budownictwo In ynieryjne, nr 6, 2007, s [5] Œliwa T., Nycz P.: Analiza potencjalnych mo liwoœci pozyskiwania ciep³a z karpackich odwiertów naftowych. Technika Poszukiwañ Geologicznych: Geotermia, Zrównowa ony Rozwój, r. 49, z. 1 2, 2010, s [6] Wiœniowski R., Wójcik M., Toczek M.: Nowe technologie wiertnicze stosowane w wierceniach in ynieryjnych. Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 23/1, 2006, s