PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OTWORU WIERTNICZEGO

Transkrypt

1 PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OTWORU WIERTNICZEGO

2 TEZY WYKŁADU 1. Zadania rur okładzinowych, 2. Konstrukcje otworów wiertniczych, 2.1. czynniki wpływające na konstrukcję otworu, 2.2. typy kolumn rur okładzinowych, 2.3. schematy orurowania, 3. Projektowanie konstrukcji otworu wiertniczego, 3.1. wpływ czynników geologiczno technicznych na głębokość zapuszczania kolumny rur okładzinowych, 3.2. określenie podstawowych danych wymaganych dla projektowania konstrukcji otworu,

3 ZADANIA RUR OKŁADZINOWYCH zabezpieczenie ściany otworu przed obsypywaniem się, oddzielenie od siebie pokładów produktywnych od warstw płonnych, umożliwienie przyłączenia głowicy przeciwwybuchowej (przeciwerupcyjnej) oraz głowicy eksploatacyjnej (wydobywczej) głowice przeciwerupcyjne

4 SCHEMAT URZĄDZENIA PRZECIWERUPCYJNEGO Schemat montażowy urządzenia przeciwerupcyjnego produkcji rumuńskiej 1-potrójna głowica przeciwerupcyjna szczękowa (pozioma), 2-uniwersalna głowica przeciwerupcyjna (pionowa ze szczęką pierścieniową), 3-łącznik dwukołnierzowy, 4-rurociąg wpływowozatłaczający (manifold), 5-odłowa płuczki, 6-zestaw ciśnieniowy, 7-pulpit sterowniczy głowice przeciwerupcyjne

5 Rys. Uzbrojenie wylotu otworu dla wierceń przy podciśnieniu A. Głowica przeciwerupcyjna obrotowa B. Głowica przeciwerupcyjna uniwersalna C. Głowica przeciwerupcyjna szczękowa podwójna D. Łącznik krzyżakowy ko E. Urządzenia kontrolne F. Zawór bezpieczeństwa G. Przewód rurowy dla wiertniczych przy podciśnieniu H. Przewód rurowy dla wiertniczych przy podciśnieniu I. Głowica przeciwerupcyjna szczękowa pojedyncza J. Rurociąg do zatłaczania pod ciśnieniem K. Więźba rurowa

6 FOTOGRAFIE Z WIERZCHOWIC

7 FOTOGRAFIE Z WIERZCHOWIC

8 Usytuowanie otworów Podziemnego Magazynu Gazu Wierzchowice w rejonie erupcji

9

10

11

12 Projekt konstrukcji otworu wiertniczego składa się z: Projektu orurowania (casing program); Projektu cementowania (cementing program);

13 W ramach projektu orurowania otworu wykonuje się: Projekt schematu zarurowania; Projekt obliczeń wytrzymałościowych kolumn rur okładzinowych; Projekt uzbrojenia (i wyposażenia) technicznego poszczególnych kolumn rur.

14 Przy projektowaniu schematu orurowania otworu należy uwzględnić następujące czynniki: Przeznaczenie otworu (wiercenie geologiczne, strukturalne, poszukiwawcze, eksploatacyjne, wiercenie na morzu); Sposób wiercenia, rodzaj i jakość stosowanych płuczek wiertniczych, wydajność stosowanych narzędzi wiercących; Wymagana końcowa średnica i głębokość zapuszczenia kolumny rur okładzinowych; Metoda dowiercania do poziomów produktywnych skał zbiornikowych; Stopień zaopatrzenia materiałowego oraz posiadany asortyment wymiarów i gatunków rur okładzinowych;

15 Stabilność skał ocenianą z punku widzenia tworzenia się obwałów, zsypów i możliwości kawernowania ściany otworu; Temperaturę w otworze; Przepuszczalność (porowatość) skał; Ciśnienie płynu złożowego; Występowanie stref chłonnych (miejsc ucieczek płuczki), w których mogą wystąpić komplikacje wiercenia; Występowanie poziomów wodnych, solankowych, ropnych i gazowych; Parametry złożowe skały zbiornikowej charakterystyczne dla danej struktury, rodzaj oraz częstotliwość przewarstwień dla skał miękkich i twardych oraz kąty nachylenia warstw.

16 Projektowanie konstrukcji otworu wiertniczego powinno być poprzedzone kompleksową analizą warunków: geologiczno wiertniczych rejonu wierceń techniczno technologicznych możliwości wykonania otworu w przewidywanym czasie i założonym kosztorysie W tym celu konieczna jest analiza: warunków litologicznych warunków stratygraficznych obszaru wierceń naturalnej tendencji skał do krzywienia osi otworu

17 Przeprowadza się analizę zmian w funkcji głębokości wielkości ciśnień i gradientów ciśnień: złożowych szczelinowania geostatycznych w celu określenia dopuszczalnych zakresów gęstości płynów wiertniczych stosowanych podczas wykonywania otworu wiertniczego (płuczki, cieczy buforowych, zaczynów uszczelniających, oraz cieczy zatłaczanych w celu opróbowania warstw produktywnych, czy płynów służących do intensyfikacji przypływu płynu złożowego do otworu). Wielkości ciśnień i gradientów ciśnień: złożowych, szczelinowania, oraz geostatycznych wyznacza się na podstawie odpowiednich wzorów.

18 Podstawowe ograniczenia wpływające na konstrukcję otworu wiertniczego to: 1. geologiczne; 2. techniczne; 3. wymagana średnica ostatniej kolumny rur okładzinowych; 4. długość wyjścia kolumny rur okładzinowych poniżej buta poprzedniej kolumny rur; 5. możliwość zapuszczenia rezerwowej kolumny rur.

19 Liczba kolumn rur okładzinowych zapuszczonych do otworu wiertniczego zależy od: metody wiercenia, celu wiercenia, warunków geologicznych i hydrotechnicznych, stanu technicznego ściany otworu, sposobu eksploatacji poziomów produktywnych

20 Projekt każdej z kolumn rur okładzinowych uwzględnia: typ połączenia rur okładzinowych (złączkowe, bezzłączkowe) materiał i gatunek stali, z której wykonane są rury długości poszczególnych odcinków kolumny rur (sekcji) o różnych grubościach ścianek i gatunkach stali

21 Końcowym efektem konstrukcji otworu wiertniczego jest: 1. Projekt orurowania otworu, tzw. schemat orurowania: liczba kolumn rur okładzinowych, średnice zewnętrzne i wewnętrzne poszczególnych kolumn rur okładzinowych, grubości ścianek poszczególnych sekcji kolumn rur, głębokość zapuszczenia poszczególnych kolumn rur okładzinowych, średnica świdrów (koronek) do wiercenia pod poszczególne kolumny rur okładzinowych 2. Projekt uszczelniania (cementowania) poszczególnych kolumn rur: wysokość słupa zaczynu poza każdą kolumną rur okładzinowych, właściwości technologiczne zaczynu i kamienia uszczelniającego

22 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych Schemat orurowania otworu wiertniczego składa się z następujących rodzajów kolumn rur okładzinowych: wstępnej (osłonowej, wierzchniej, blaszanki); prowadnikowej (konduktorowa, kierunkowa); technicznej (pośrednia); eksploatacyjnej.

23 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych Kolumna wstępna (Surface casing) Ma najczęściej średnicę mm (13 ⅜ - 30 ") i długość od kilku do kilkudziesięciu metrów. Jest pierwszą kolumną rur okładzinowych, zabezpiecza otwór przed obsypywaniem się powierzchniowych, luźnych warstw skalnych (piasków, żwirów). Zastosowanie tej kolumny wynika również z konieczności ujęcia wypływającej płuczki w pierwszej fazie wiercenia. Kolumnę wstępną zapuszcza się do głębokości występowania warstwy zwięzłej i zacementuje na całym odcinku, łącznie z dnem szybiku.

24 Kolumna ta może służyć jako podstawa dla prewentera celem ujścia gazów występujących w płytkich wierceniach Rura wstępna wbita w ziemię z przyspawaną więźbą rurową i zamontowaną uniwersalną głowicą przeciwerupcyjną w stanie gotowym do zwiercenia korka cementowego

25 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych Kolumna prowadnikowa (Conductor casing) Stanowi podstawę przeciwerupcyjnego zabezpieczenia otworu. Najczęściej spotykane średnice rur okładzinowych tej kolumny to: mm (9 ⅝ - 18 ⅝ "); głębokość zapuszczania kolumny zależy od warunków geologicznych i hydrogeologicznych. Kolumna ta powinna izolować poziomy wody słodkiej, skały przepuszczalne mające połączenia z powierzchnią, strefy ucieczek płuczki oraz osłaniać warstwy słabe, których ciśnienie szczelinowania jest niższe od ciśnienia złożowego gazu spodziewanego na głębokości postawienia buta kolumny pośredniej. Długość kolumny prowadnikowej najczęściej wynosi m ale może mieć także 1500 m i więcej w otworach głębokich.

26 Rury prowadnikowe jako fundament głowicy przeciwerupcyjnej

27 Zapuszczanie rur okładzinowych

28 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych Kolumna pośrednia (Intermediate casing) Zapuszcza się ją do otworu ze względów geologicznych, złożowych i technicznych, przy czym, jeśli jedyną przyczyną są wymagania techniczne, kolumnę tę zapuszcza się jako kilku sekcyjną, kombinowaną (Tieback combi-nation casing) lub traconą (liner). Kolumna pośrednia oddziela od siebie przewiercone poziomy wody, ropy i gazu, izoluje strefy ucieczki płuczki, skały plastyczne - zaciskające otwory, skały słabo zwięzłe lub tektonicznie naruszone i obsypujące się oraz skały i wody chemicznie aktywne. Średnice rur okładzinowych tej kolumny to: 339,7 mm 127,0 mm (13⅜ 5 )

29 Typical tapered string completion (Typowa kombinowana kolumna rur okładzinowych)

30 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych Kolumna eksploatacyjna (Production casing) Kolumna eksploatacyjna zapuszczana jest w celu opróbowania i zabezpieczenia prawidłowej eksploatacji poziomów ropo- lub gazonośnych. Najczęściej spotykane średnice kolumn eksploatacyjnych to: mm (4 ½ - 7"). Głębokość zapuszczenia kolumny wynika z charakterystyki złoża i zamierzonych sposobów opróbowań oraz eksploatacji a także rodzajów jej wtórnych metod wydobywania.

31 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych Kolumna tracona (Liner) Przy wzroście głębokości otworów coraz częściej zamiast kolumn pełnych wprowadza się kolumny rur nie sięgające wylotu otworu. Podstawowymi skutkami takiego działania są: możliwość zachowania stosunkowo dużej średnicy końcowej otworu obniżenie kosztów wiercenia. Kolumnę rur traconych (liner) definiuje się pojęciem: kolumna stosowana do izolowania odcinka otworu od osiągniętej głębokości w górę, aż do ostatniej, uprzednio zapuszczonej kolumny rur.

32 Kolumny tracone pośrednie lub eksploatacyjne zapuszczane są do otworu wiertniczego w celu: izolacji stref ucieczki płuczki, podwyższonego ciśnienia, obwałów, zaciskania otworu, występowania wód chemicznie aktywnych; orurowania odcinka otworu odwierconego wskutek konieczności pogłębienia otworu; niemożności zapuszczenia kolumny pełnej w otworze wiertniczym; opróbowania poziomów perspektywicznych występujących w pobliżu spodu otworu poszukiwawczego; polepszenia warunków przyszłej eksploatacji rurami wydobywczymi (zwiększenie średnicy rur wydobywczych w górnym odcinku otworu) jak również w sytuacjach, kiedy: Kolumna tracona (Liner) c.d. wysokie ciśnienie, temperatura i głębokość otworu wiertniczego wymagają wykonania zabiegu cementowania w jak najkrótszym czasie; długi czas zapuszczania kolumny pełnej mógłby wpłynąć na niedoprowadzenie jej do planowanej głębokości.

33 Kolumna tracona (Liner) c.d. A. Tie-Back Casing (Kolumna rur okładzinowych do wiązania rur traconych) B. Intermediate Casing (Kolumna rur technicznych) C. Drilling Lineer (Rury tracone wiertnicze) D. Tie-Back Stub Liner (Rury tracone kombinowane, łączące istniejące w otworze rury tracone) E. Production Liner (Rury tracone wydobywcze) Types of liners (Rodzaje rur traconych)

34 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych Czynniki techniczno technologiczne decydujące o celowości stosowania linerów w głębokich otworach to: 1. Oszczędność sprzętu (rur okładzinowych i płuczkowych) 2. Oszczędność mocy hydraulicznej 3. Zmniejszenie niebezpieczeństwa awarii przewodu wiertniczego

35 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych 1. Oszczędność sprzętu (rur okładzinowych i płuczkowych) Zmniejszenie kosztów rur okładzinowych jest tym większe, im głębiej znajduje się but poprzedniej kolumny rur. Długość zakładki kolumny traconej w kolumnie poprzedniej nie zależy bowiem od głębokości orurowania i wynosi zwykle od 50 do 300 metrów (średnio 150 m). Zmniejszenie kosztów rur płuczkowych polega na ograniczeniu zużycia rur ze stali wysokowytrzymałych. Umożliwia to zastosowanie w części otworu powyżej kolumny traconej rur płuczkowych o większej średnicy.

36 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych 2. Oszczędność mocy hydraulicznej Przy stałym natężeniu przepływu, straty ciśnienia w przewodzie kombinowanym (w górnej części rury płuczkowe o większej średnicy wewnętrznej, w dolnej części o mniejszej) są mniejsze niż straty ciśnienia w przewodzie o jednakowej, mniejszej średnicy. Dla określonej mocy hydraulicznej pomp płuczkowych zapuszczenie kolumn traconych, umożliwia to zwiększenie natężenia przepływu a także stopnia wykorzystania świdrów dyszowych.

37 Typy kolumn rur okładzinowych stosowanych w otworach wiertniczych 3. Zmniejszenie niebezpieczeństwa awarii przewodu wiertniczego Stosując przewód kombinowany, na danej głębokości otworu istnieje możliwość uzyskania znacznie większego zapasu wytrzymałości przewodu na rozciąganie, aniżeli w przypadku przewodu złożonego z rur o jednakowej średnicy, wykonanych z tej samej stali.

38 Nominalne średnice zewnętrzne rur okładzinowych wg API SP 5 CT cale 4 ½ 5 5 ½ 6 ⅝ 7 7 ⅝ 8 ⅝ 9 ⅝ mm 114,3 127,0 139,7 168,3 177,8 193,7 219,1 244,5 cale 10 ¾ 11 ¾ 13 ⅜ ⅝ ½ 24 ½ mm 273,0 298,4 339,7 406,4 437, ,1 622,3

39 Projekt schematu zarurowania otworu wiertniczego Po ustaleniu ilości i długości poszczególnych kolumn rur okładzinowych, określa się średnice zewnętrzne kolumn rur okładzinowych oraz średnice narzędzi wiercących Wielkość średnicy odcinka otworu wiertniczego, a zatem i wielkość średnicy świdra do jego odwiercenia wyznacza się ze wzoru: D O = D m + k z gdzie: DO - średnica otworu wiertniczego (świdra), [m]; Dm - zewnętrzna średnica elementu złącza (kielicha - mufy) rur okładzinowych [m]; kz prześwit zewnętrzny, [m]; kz (0,016 m 0,095 m) - dla otworów normalnośrednicowych; kz (0.1m 0.2m) - dla otworów wielkośrednicowych.

40 Projekt schematu zarurowania otworu wiertniczego c.d. Przy projektowaniu schematu zarurowania otworu wiertniczego ważny jest również dobór prześwitu pomiędzy świdrem a średnicą wewnętrzną poprzedniej kolumny rur okładzinowych. Dla jego określenia wykorzystuje się wzór: k w = D w + D 0 gdzie: Dw - wewnętrzna średnica rury okładzinowej [m] kw prześwit wewnętrzny, [m]. Wielkość prześwitu wewnętrznego ma szczególne znaczenie przy projektowaniu kolumn rur okładzinowych o różnych grubościach ścianki. Wielkość tego prześwitu jest zależna od średnicy nominalnej rur okładzinowych i przyjmuje się go w granicach: kw (0,002 m 0,008m) dla średnicy kolumn rur okładzinowych Dz (4 1/2 85/8 ) kw (0,002 m 0,012m) dla średnicy kolumn rur okładzinowych Dz (9 5/8 185/8 ) kw > 0,020 m dla średnicy kolumn rur okładzinowych Dz 20.

41 Rozkład ciśnień w otworze wiertniczym

42 Ciśnienie złożowe (porowe) jest to ciśnienie pod jakim znajduje się płyn złożowy w poziomie stanowiącym skałę zbiornikową gdzie: P zł = H G zł [Pa] H głębokość spągu warstwy, dla której oblicza się ciśnienie złożowe, [m] G zł gradient ciśnienia złożowego w analizowanej warstwie, [Pa/m] Gradient ciśnienia jest to wielkość przyrostu ciśnienia przypadająca na jednostkę głębokości.

43 Ciśnienie hydrostatyczne słupa płuczki jest to ciśnienie wywierane przez słup płuczki (cieczy wiertniczej) o wysokości H i gęstości właściwej ρ p P h = H g ρ p [Pa] lub gdzie: P h = H G h [Pa] H głębokość spągu warstwy, dla której oblicza się ciśnienie hydrostatyczne, [m] g przyspieszenie ziemskie, m/s 2 ρ p gęstość płuczki, kg/m 3 G h gradient ciśnienia złożowego w analizowanej warstwie, [Pa/m] p ciężar właściwy płuczki, N/m 3 P h = H p [Pa]

44 Ciśnienie szczelinowania jest to ciśnienie, przy którym następuje zniszczenie skały pod wpływem przekroczenia wytrzymałości szkieletu skały i przezwyciężenia ciśnienia płynu wypełniającego tę skałę (P sz ) - ciśnienie przy którym występuje chłonność skał górotworu (zaniki płuczki) gdzie: P sz = P zł + 1- (P g P zł ) [Pa] P z ciśnienie złożowe, [Pa] P g ciśnienie geostatyczne (górotworu), tzw. pionowe ciśnienie górotworu, [Pa] - liczba Poissona Liczba Poissona (współczynnik odkształcenia poprzecznego) to iloraz: [0,1 0,45] = względne poprzeczne odkształcenia (ε 1) względne podłużne odkształcenia (ε 2 )

45 Ciśnienie szczelinowania Dla formacji sprężystych (np. piaskowce zbite) ciśnienie szczelinowania określa się wzorem P sz P zł 2 3 ( P P ) [ MPa] Dla formacji o dobrych właściwościach filtracyjnych płynu wypełniającego otwór wiertniczy ciśnienie szczelinowania określa się wzorem P sz P zł 1 2 W przypadku występowania piaskowców o różnym stopniu zailenia przyjmuje się współczynnik Poissona w granicach 0,28 0,30 (rośnie ze wzrostem zailenia), a wielkość ciśnienia szczelinowania oblicza się wzorem z ( P z zł P zł ) [ MPa] P sz P zł [ 0,398 0,428]( P P ) [ MPa] z zł W warstwach plastycznych (np. czerwone iły solne, sole, iły itp. ) ciśnienie szczelinowania oblicza się z następującej nierówności: P sz P z [MPa]

46 Ciśnienie geostatyczne (górotworu) jest to ciśnienie P z wywierane przez skały stanowiące nadkład wraz z płynami znajdującymi się w tych skałach: gdzie: P z = gσ h i ρ i, [Pa] h i miąższośc skał poszczególnych warstw (typów skał), [m] g przyspieszenie ziemskie, m/s 2 i gęstość skał danej warstwy, kg/m 3

47 Wartość ciśnienia nadkładu (ciśnienie pionowe) rośnie wraz z głębokością i gęstością poszczególnych skał. Należy dokonać następujących obliczeń zależnych od: - miąższości pokładów skał sprężystych i ich porowatości - miąższości pokładów skał plastycznych i ich stopnia skompaktowania Do ustalenia zależności gęstości skał sprężystych typu porowatego (np. piaskowce) i ich porowatości stosuje się wykres (A). (A) Zależność gęstości masy skał od porowatości

48 Gęstość skał plastycznych (np. łupków) w funkcji głębokości (H) określa się na podstawie następującego nomogramu. (B) (B) Zależność gęstości łupków, iłów i iłowców od głębokości ich zalegania

49 Na głębokościach m nie można określić dokładnej gęstości łupków (tzw. Strefa nieokreślona). Dla tych głębokości przyjmujemy wartość średnią gęstości równą 2040 kg/m 3 Krzywą zmian gęstości łupków w funkcji głębokości ich zalegania, przy założeniu, że seria łupków w głębokościach od 200 do 6000 m jest jednorodna przedstawia następujący nomogram (C). (C) Krzywa sedymentacji - kompakcji łupków przypadku jednorodnego ilastego w pokładu

50 W celu obliczenia gęstości łupków na głębokości H (powyżej zalegają skały różnego typu) należy wykresy przedstawione na rysunkach B i C wykorzystać w sposób następujący: - określić wartość ciśnienia geostatycznego P g na głębokości H x, a następnie określić na tej podstawie średnią gęstość skał nadkładu n, n n Pzin i 1 Pzn, n gh x g h i 1 in kg 3 m - przyjąć określoną wartość n przedstawioną na rysunku C, odczytać głębokość H 1 która odpowiada serii jednorodnej łupków, - znając głębokość H 1 (z rysunku B), odczytać rzeczywistą gęstość łupków w partii stropowej st,

51 c.d. - określić gęstość łupków w partii spągowej sp pokładu o miąższości h w ten sposób, że do określonej głębokości H 1 dodać miąższość warstwy łupkowej h H H h, 2 1 m a następnie z rysunku B, dla obliczonej wartości H 2 odczytać szukaną gęstość łupków w partii spągowej sp, - dla pokładu łupków o miąższości h wyznaczyć średnią arytmetyczną gęstość śr równą śr sp kg, 2 m st 3 - obliczoną w ten sposób gęstość średnią łupków w pokładzie o miąższości h przyjąć do obliczenia ciśnienia geostatycznego

52 Przy rozpatrywaniu skał węglanowych i ewaporatów, gęstość określa się następująco: - dla wapieni (rys. A) przy założeniu, że ich porowatość zawarta jest w granicach 5 7% - dla dolomitów (rys. A) przy założeniu, że ich porowatość waha się w granicach od 9% do 11%, - dla soli od 2050 kg/m3 do 2200 kg/m 3, - dla anhydrytów od 2800 kg/m3 do 3000 kg/m 3, - dla gipsów od 2250 kg/m3 do 2350 kg/m 3.

53 EC ekwiwalentny ciężar wł. Cieczy zatłaczanej do otworu [N/m 3 ] G naddatek gradientu ciśnień ( G = 600 Pa/m) Określanie głębokości zapuszczania poszczególnych kolumn rur okładzinowych dla warunku analizy ciśnień w pionowym otworze wiertniczym

54

55 Przykładowe konstrukcje otworów wiertniczych PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OTWORU WIERTNICZEGO

56 Przykładowe konstrukcje otworów wiertniczych PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OTWORU WIERTNICZEGO

57 Przykładowe konstrukcje otworów wiertniczych PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OTWORU WIERTNICZEGO

58 Dziękuję za uwagę