WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 22/ 2005 Jan Ziaja*, Krzysztof Baniak** ANALIZA TECHNICZNA TECHNOLOGII WYKONANIA PRZEWIERTU HORYZONTALNEGO POD RZEK USZWIC W BRZESKU OKOCIMIU***. WSTÊP Przekroczenie rzeki Uszwicy w Brzesku Okociiu ia³o na celu po³¹czenie ruroci¹gu sanitarnego po obu stronach rzeki. W celu wykonania tego zadania wykorzystano technologiê horyzontalnego przewiertu sterowanego. Wiercenie na odcinku oko³o 90 etrów wykonano aszyn¹ Ditch Witch JT 720 o aksyalnej sile uci¹gu 77 00 N i aksyalnej wydajnoœci popy p³uczkowej 6 litrów/inutê. Rura przewodowa o œrednicy 90 wykonana z polietylenu wci¹gana by³a w rurze os³onowej o œrednicy 60 tak e wykonanej z polietylenu. Realizacja zadania trwa³a 2 dni, przy czy w dniu pierwszy wykonany zosta³ otwór pilotowy o œrednicy 0, natoiast w drugi dniu realizowano rozwiercanie do œrednicy 00 z równoczesny wci¹ganie przygotowanych ruroci¹gów. 2. PARAMETRY WIERCENIA I POMIARY WYKONANE PODCZAS PRZEWIERTU Podczas prac przekraczania rzeki Uszwicy technologi¹ horyzontalnego przewiertu sterowanego wykonano poiary g³ównych paraetrów wiercenia takich, jak: czas wiercenia, ciœnienie toczenia p³uczki, ciœnienie pchania i uci¹gu, odczyty z sondy poiarowej. * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków ** Poszukiwania Nafty i Gazu Nafta Sp. z o.o. w Pile *** Praca powsta³a w raach badañ statutowych w Zak³adzie Wiertnictwa i Geoin ynierii WWNiG AGH 479
Przeprowadzono równie poiary gêstoœci p³uczki zat³aczanej oraz p³uczki wyp³ywaj¹cej z otworu i ich lepkoœci lejkie Marsha. Ponadto pobrano próbki p³uczek z ró nych etapów wiercenia (wiercenie pilotowe, rozwiercanie) oraz próbki przewiercanego gruntu w celu przeprowadzenia dok³adniejszych badañ laboratoryjnych. Wiercenie pilotowe Paraetry technologiczne zebrane podczas wiercenia pilotowego zosta³y przedstawione w tabeli. Nuer kolejnej erdzi Tabela G³ówne paraetry wiercenia zanotowane podczas wiercenia pilotowego Czas wiercenia i-t¹ erdzi¹ T w,s Ciœnienie t³oczenia p³uczki p p³ 0 5 Pa Ciœnienie pchania p w 0 5 Pa 60 0 2 20 20 50 20 20 5 4 80 20 5 5 20 20 0 6 80 5 5 7 240 5 25 8 480 20 5 9420 5 80 0 480 5 85 420 0 75 2 480 20 20 480 20 50 4 600 20 50 5 480 20 5 6 80 20 0 7 00 20 0 8 60 20 0 9480 5 0 20 420 5 0 2 420 5 20 22 00 20 20 2 00 5 5 24 20 20 5 25 20 20 5 26 240 5 45 27 80 5 45 480
Poiary gêstoœci p³uczki wyp³ywaj¹cej w trakcie wiercenia wykonano polow¹ wag¹ raienn¹ typu Baroid. Zestawienie otrzyanych wyników przedstawiono w tabeli 2. Nuer erdzi, przy której wykonany by³ poiar Gêstoœæ p³uczki wyp³ywaj¹cej pw 0 kg/ Tabela 2 Gêstoœæ p³uczki wyp³ywaj¹cej z otworu Lepkoœæ wzglêdna s, s Uwagi 4,07 P³uczka pobrana w punkcie wejœcia pilota 5,2 P³uczka pobrana w punkcie wejœcia pilota 8,6 44 P³uczka pobrana w punkcie wejœcia pilota 9,0 7 P³uczka pobrana z przebicia nr odstana 0,20 49 P³uczka pobrana z przebicia nr, 4 P³uczka badana zaraz po wznowieniu wiercenia 2,5 P³uczka pobrana z przebicia nr,8 58 P³uczka pobrana z przebicia nr 2 5,7 50 P³uczka pobrana z przebicia nr 2 6, 42 P³uczka po chwilowy odstaniu Poiary k¹ta nachylenia i g³êbokoœci pilota wykonywano po odwierceniu kolejnych odcinków o d³ugoœci jednej erdzi ( etry), sond¹ radiow¹ typu SubSide i na podstawie tych poiarów wykreœlono rzeczywist¹ trajektoriê osi przewiertu. Wykonane zosta³y równie poiary niwelacyjne na trasie przewiertu pozwalaj¹ce na przedstawienie ukszta³towania terenu (rys. ). - G³êbokoœæ [] 5 7 0 0 20 0 40 50 60 70 80 90 D³ugoœæ [] trajektoria osi przewiertu budowa orfologiczna pozio lustra wody granica rozdzia³u warstw i2 granica rozdzia³u warstw 2i granica rozdzia³u warstw i4 Rys.. Trajektoria osi przewiertu i u³o enie warstw w osi przewiertu 48
Paraetry technologiczne zebrane podczas rozwiercania i równoczesnego wci¹gania rury os³onowej przedstawiono w tabelach, 4. Tabela G³ówne paraetry wiercenia zanotowane podczas rozwiercania i równoczesnego wci¹gania Nuer erdzi Czas wiercenia i-t¹ erdzi¹ T w 60s Ciœnienie t³oczenia p³uczki p pl 0 5 Pa Ciœnienie ci¹gniêcia p c 0 5 Pa 2 20 4 20 75 5 4 20 90 6 20 90 7 4 20 90 8 4 25 75 9 4 25 75 0 4 0 80 4 5 75 2 5 0 75 4 0 75 4 5 5 50 5 4 5 50 6 5 0 45 7 4 5 75 8 5 0 75 95 5 55 20 4 0 50 2 5 5 80 22 4 5 50 2 4 5 5 24 2 0 20 25 25 20 26 2 20 25 27 25 25 28 2 25 0 29 25 482
Nuer erdzi, przy której wykonany by³ poiar Tabela 4 Gêstoœæ p³uczki wyp³ywaj¹cej rozwiercanie Gêstoœæ p³uczki wyp³ywaj¹cej pw 0 kg/ Uwagi,4 4,9Ziana koloru wyp³ywaj¹cej p³uczki 5,47 6,4 7,46 8,4 9,8 0,29P³uczka odstana,5 2,4. POMIARY I BADANIA LABORATORYJNE Z poszczególnych etapów wiercenia pobrano próbki p³uczki do dalszych badañ laboratoryjnych, które obejowa³y poiary nastêpuj¹cych paraetrów: lepkoœci dla ró nych prêdkoœci œcinania, wytrzya³oœci strukturalnej, gêstoœci, filtracji, ph. Na podstawie otrzyanych wyników i za pooc¹ prograu Flow-Fluid Coef wyznaczono odel reologiczny badanej cieczy []. Wyniki przedstawiono na wykresie (rys. 2). Naprê enia styczne [Pa] 4,5 4,5 2,5 2,5 0,5 0 0 200 400 600 800 000 punkty poiarowe odel Cassona Prêdkoœæ œcinania [/s] Rys. 2. Wykres odelu reologicznego dla p³uczki zat³aczanej 48
Model reologiczny p³uczki zat³aczanej do otworu to odel Cassona. Równie dla p³uczki wychodz¹cej z otworu uzyskano odel Cassona (rys. ). Naprê enia styczne [Pa] 2,5 0,5 0 0 200 400 600 800 000 punkty poiarowe odel Cassona Prêdkoœæ œcinania [/s] Rys.. Wykres odelu reologicznego dla p³uczki wyp³ywaj¹cej wiercenie pilotowe 4. BADANIA GEOTECHNICZNE W celu okreœlenia rodzaju przewiercanego gruntu na trasie przewiertu pobrano próbki gruntu z ró nej g³êbokoœci. Do badania pobrano trzy próbki. Pierwsza pochodzi³a z g³êbokoœci ok. 0 c z okolicy punktu wejœcia, natoiast dwie kolejne ze zbocza z g³êbokoœci,5 etra od powierzchni i z poziou lustra wody. Badania geotechniczne gruntów wykonano zgodnie z nor¹ PN-88/B-0448. Klasyfikacje przebadanych próbek gruntów przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5 Klasyfikacja badanych gruntów Próbka I II III Oznaczenie/ Podzia³ Nazwa gruntu Rodzaj/ Nazwa gruntu Sybol Rodzaj/ Nazwa gruntu Sybol Rodzaj/ Nazwa gruntu glina piaszczysta Gp glina G glina piaszczysta Sybol Barwa br¹zowa jasnobr¹zowa niebieskoszara Wed³ug uziarnienia drobnoziarnisty D drobnoziarnisty D drobnoziarnisty D Wed³ug spoistoœci I p œrednio spoisty ss a³o spoisty s a³o spoisty s WskaŸnik niejednorodnoœci U równoziarnisty równoziarnisty równoziarnisty Wed³ug wilgotnoœci naturalnej w n a³o wilgotny w a³o wilgotny w wilgotny w G³êbokoœæ pobrania próby, 0,,5,5 Gêstoœæ naturalna, 0 kg/,54,594,574 Gp 484
5. ANALIZA PROCESU WIERCENIA W celu przeprowadzenia analizy procesu wiercenia przewiertu podzielono go na cztery przedzia³y ze wzglêdu na rodzaj przewiercanego gruntu (rys. 4). G³êbokoœæ [] Przedzia³ Przedzia³ 2 Przedzia³ Przedzia³ 4-0 2 4 5 6 7 8 0 0 20 0 40 50 60 70 80 90 D³ugoœæ [] trajektoria osi przewiertu budowa orfologiczna pozio lustra wody granica rozdzia³u warstw i 2 granica rozdzia³u warstw 2 i granica rozdzia³u warstw i 4 Rys. 4. Podzia³ przewiertu na przedzia³y Poierzone wartoœci technologiczne uœredniono w obrêbie ka dego przedzia³u. Ca³y przewiert podzielono na dwa etapy dla których obliczono echaniczne paraetry wiercenia wed³ug poni szej procedury:. wiercenie pilotowe, 2. rozwiercanie. Wartoœci prêdkoœci wiercenia, wydatku p³uczki i si³y pchania lub uci¹gu dla poszczególnych przedzia³ów s¹ wartoœciai œrednii wa onyi z danych uzyskanych podczas przewiertu. Wag¹ jest czas, a œrednia dla prêdkoœci jest liczona ze wzoru [] v w i ( vt) i i t i i () Analogicznie zosta³y policzone wartoœci ciœnienia t³oczenia p³uczki i ciœnienia pchania i uci¹gu. 6. WYDATEK T OCZONEJ P UCZKI Wydatek p³uczki liczony jako iloczyn œredniego ciœnienia t³oczenia p³uczki dla przedzia³u i iloœci litrów przypadaj¹cych na jednostkê ciœnienia Qpl ppl Q s (2) 485
Paraetry pop p³uczkowych podawane przez producenta odnosz¹ siê zwykle do wydatku w litrach na inutê i aksyalnego ciœnienia t³oczenia. S¹ to paraetry zierzone podczas testu i przy u yciu wody, której lepkoœæ wynosi oko³o 27 s (poiar lejkie Marsha). Oznacza to, e wartoœæ wydatku podawan¹ przez producenta nale y zniejszyæ odpowiednio o % dla ka dej sekundy powy ej lepkoœci wody [5]. Maj¹c dane techniczne popy i poiary lepkoœci p³uczki, o na obliczyæ iloœæ t³oczonej p³uczki na jednostkê ciœnienia ze wzoru Q ( s) Qax wody p ax /s Pa () gdzie s podawane jest w u³aku dziesiêtny s pl plw [%]. 7. SI A PCHANIA LUB UCI GU Maj¹c policzone œrednie ciœnienie pchania (uci¹gu) p ws dla przedzia³u i posiadaj¹c dane techniczne o aksyalny ciœnieniu pchania (uci¹gu), o na obliczyæ œredni¹ si³ê pchania (uci¹gu) dla przedzia³u ze wzoru F ws p ws F p ax ax [ N ] (4) 8. TEORETYCZNA PRÊDKOŒÆ WIERCENIA Dla okreœlenia prawid³owoœci wykonania otworu obliczono teoretyczn¹ aksyaln¹ prêdkoœæ wiercenia v wt dla zastosowanego wydatku t³oczenia p³uczki, jak równie inialny teoretyczny wydatek t³oczenia p³uczki Q in dla zanotowanej prêdkoœci wiercenia. W obliczeniach pos³u ono siê zasad¹, e iloœæ t³oczonej p³uczki powinna byæ 4 razy wiêksza od iloœci generowanego urobku. v wt Q V pl pl s (5) V pl 4V otw (6) V otw D 2 o 4 L otw (7) gdzie V otw i V pl zosta³y obliczone na etr d³ugoœci otworu. 486
Q v V in w pl s (8) Dodatkowo obliczono wartoœci aksyalnej dopuszczalnej prêdkoœci wiercenia v wdop zak³adaj¹c, e wyp³ywaj¹ca p³uczka o dany wzbogaceniu w zwierciny o gêstoœci sk przyjêty jak dla przedzia³ów i przy zastosowany wydatku t³oczenia p³uczki do otworu Q pl by³a w stanie wytransportowaæ ca³y wygenerowany urobek. v wdop 4Q ( ) pl pw pl 2 o sk pw D ( ) s (9) 9. WIERCENIE PILOTOWE Na podstawie otrzyanych wyników badañ geotechnicznych i po uœrednieniu ich dla przyjêtych przedzia³ów, wartoœci gêstoœci ska³y przyjêto jak w tabeli 6. Tabela 6 Gêstoœæ gruntu sk dla wiercenia pilotowego Nuer przedzia³u Gêstoœæ gruntu sk, kg/ 575 2 227 227 4 572 Wyniki obliczeñ wed³ug przedstawionej procedury zaieszczono w tabeli 7. Tabela 7 Wartoœci technologiczne uœrednione dla przedzia³ów oraz œrednie teoretyczne wskaÿniki poprawnoœci wykonania otworu wiercenie pilotowe Przedzia³ Œrednia prêdkoœæ wiercenia v w 0 2 /s Teoretyczna prêdkoœæ wiercenia v wt 0 2 /s Teoretyczna aks. dop. prêdkoœæ wiercenia v wdop 0 2 /s Œredni wydatek p³uczki Q p³ 0 5 /s Teoretyczny in. struieñ t³oczenia p³uczki Q in 0 5 /s 2,05, 0,6 4,6 77,95 2 0,6,28 0,6 48,60 2,65 0,80, 0,58 42,72 0, 4,42,090,6 4,85 54,08 487
Analizuj¹c otrzyane dane i porównuj¹c je ze œrednii wskaÿnikai uzyskanyi z przewiertu dla wiercenia pilotowego, o na stwierdziæ, e: prêdkoœæ wiercenia pilotowego v w dla przedzia³ów i 4 by³a zbyt du a przewiert wykonywany nieprawid³owo pod wzglêde oczyszczania otworu; wartoœci struieni t³oczonej p³uczki Q pl dla i 4 przedzia³u by³y zbyt a³e aby p³uczka odpowiednio oczyœci³a otwór ze zwiercin; dopuszczalna prêdkoœæ wiercenia v wdop by³a prawid³owa tylko dla przedzia³u 2, a wiêc na ty odcinku iloœæ t³oczonej p³uczki by³a wystarczaj¹ca dla ca³kowitego wytransportowania urobku. Kolejny punkte analizy wykonanego przewiertu jest okreœlenie stopnia oczyszczenia otworu ze zwiercin oraz obliczenie iloœci urobku wyniesionego na powierzchniê i pozosta³ego w otworze. Wyniki zaprezentowano w tabeli 8. Tabela 8 Stopieñ oczyszczenia otworu pilotowego z urobku Paraetr Przedzia³ Przedzia³ 2 Przedzia³ Przedzia³ 4 Masa generowanego urobku sk,kg 26,4 458,99 458,99 268,98 Masa wytransportowanego urobku skw,kg 255,62 460,24 97,70 222,62 Masa urobku pozosta³ego w otworze skp,kg 70,72 6,2946,6 Iloœæ wytransportowanego urobku, % 78, 00,27 86,65 82,76 Analizuj¹c otrzyane wyniki, o na stwierdziæ, e oczyszczanie otworu by³o w wiêkszoœci niewystarczaj¹ce, aby wytransportowaæ ca³y generowany urobek. Jedynie w przedziale drugi by³o w³aœciwe oczyszczanie otworu. Wartoœæ powy ej 00% w ty przedziale œwiadczyæ o e o ty, e wytransportowana zosta³a czêœæ urobku z poprzedniego przedzia³u lub o kawernowaniu œciany otworu przez przep³ywaj¹c¹ p³uczkê. Nuer przedzia³u Tabela 9 Œrednie paraetry echaniczne wiercenia pilotowego Maksyalna si³a pchania F ax, N Œrednia si³a pchania F ws, N Maksyalne ciœnienie pchania p ax 0 5 Pa Œrednie ciœnienie pchania p ws 0 5 Pa 65,29 5,48 2 2795,85 69,7 7700,00 420 764,0 20,5 4 5854,52,90 488
Analizuj¹c otrzyane wyniki, stwierdziæ o na, i wiercenie na trasie ca³ego przewiertu w fazie wiercenia pilotowego nie odbywa³o siê z wykorzystanie aksyalnej ocy wiertnicy (tab. 9), co œwiadczy o wierceniu w gruntach a³o lub œrednio spoistych oraz o ty, e nie natrafiono podczas wiercenia na trudnoœci geologiczne w postaci twardszych wk³adek lub g³azów poglacjalnych. 0. ROZWIERCANIE Dla rozwiercania przyjêto przedstawione poni ej wartoœci gêstoœci gruntu. Wartoœci te s¹ wiêksze z uwagi na zagêszczanie gruntu dokonane podczas wiercenia otworu pilotowego (tab. 0). Tabela 0 Wartoœci gêstoœci gruntu dla rozwiercania Nuer przedzia³u Gêstoœæ gruntu sk, kg/ 666 2 227 227 4 646 Tabela Wartoœci technologiczne uœrednione dla przedzia³ów oraz œrednie teoretyczne wskaÿniki poprawnoœci wykonania otworu rozwiercanie Przedzia³ Œrednia prêdkoœæ wiercenia v w 0 2 /s Teoretyczna prêdkoœæ wiercenia v wt 0 2 /s Teoretyczna aks. dop. prêdkoœæ wiercenia v wdop 0 2 /s Œredni wydatek p³uczki Q p³ 0 5 /s Teoretyczny in. struieñ t³oczenia p³uczki Q in 0 5 /s,46 0,20,4 48,82 58,46 2,6 0,0 0,44 7,65 284,7,090, 0,50 80, 266,60 4,890,28 2,2 70, 464,28 Analizuj¹c otrzyane wyniki i porównuj¹c je ze wskaÿnikai rzeczywistyi uzyskanyi dla rozwiercania, o na stwierdziæ, e (tab. ): prêdkoœæ rozwiercania v w by³a zbyt du a na ca³ej trasie podczas rozwiercania; struieñ objêtoœci t³oczonej p³uczki Q pl by³ zbyt a³y, aby prawid³owo oczyœciæ otwór ze zwiercin; prêdkoœæ postêpu robót podczas wykonywania rozwiercania nale a³o zwolniæ; rozpatruj¹c v wdop stwierdzono, e w przedziale 4 wartoœci paraetrów podczas rozwiercania zachowane by³y w dopuszczalnych granicach; przy dany struieniu t³oczenia p³uczki otwór zosta³ ca³kowicie oczyszczony ze zwiercin; œwiadczy to o ty, e zastosowana objêtoœæ t³oczonej p³uczki by³a wystarczaj¹ca. 489
Okreœlenie stopnia oczyszczania otworu ze zwiercin przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2 Stopieñ oczyszczania otworu podczas rozwiercania Paraetr Przedzia³ Przedzia³ 2 Przedzia³ Przedzia³ 4 Masa generowanego urobku sk,kg 528,80 2954,98 2954,98 246,98 Masa wytransportowanego urobku skw,kg 52,04 2229,87 204,0 2455,4 Masa urobku pozosta³ego w otworze skp,kg 6,76 725, 650,68 Iloœæ wytransportowanego urobku, % 98,90 75,46 77,98 0,59 Przedstawione wartoœci œwiadcz¹ o niedostateczny p³ukaniu otworu ze zwiercin na odcinkach z przedzia³ów, 2,, przez co czêœæ urobku pozosta³a w otworze albo zosta³a wciœniêta w œciany otworu. Na odcinku czwarty nast¹pi³o ca³kowite oczyszczenie otworu ze zwiercin. Wartoœæ powy ej 00% œwiadczyæ o e o ty, e p³uczka kawernowa³a œciany otworu lub zagêszczona strefa po wierceniu pilotowy by³a wiêksza ni przyjêta do obliczeñ. Tabela Œrednie paraetry echaniczne rozwiercania i równoczesnego wci¹gania ruroci¹gu Nuer przedzia³u Maksyalna si³a uci¹gu wiertnicy F ax, N Œrednia si³a uci¹gu F ws N Maks. ciœnienie uci¹gu wiertnicy p ax 0 5,Pa Œrednie ciœnienie uci¹gu p ws 0 5, Pa 5925,8 86,79 2 20,25 7,50 7700,00 420 25,96,72 4 567,8 29,25 Analizuj¹c otrzyane wyniki nale y stwierdziæ, i proces rozwiercania i równoczesnego wci¹gania ruroci¹gu by³ o liwy do przeprowadzenia w tych warunkach geotechnicznych (tab. ), a nadwy ka ocy urz¹dzenia pozwala³a na unikniêcie ewentualnych koplikacji podczas tego etapu prac.. PODSUMOWANIE Z przeprowadzonej analizy wynika, i prêdkoœæ wiercenia powinna byæ skorelowana z iloœci¹ t³oczonej p³uczki dla zapewnienia odpowiedniego oczyszczenia otworu z urobku. Iloœæ t³oczonej p³uczki dla prawid³owego oczyszczenia otworu uzale niona jest równie od 490
w³aœciwoœci przewiercanego gruntu i paraetrów reologicznych p³ynu wiertniczego. Nie zawsze niewytransportowanie ca³ego urobku z otworu œwiadczyæ usi o nieprawid³owy doborze paraetrów wiercenia (iloœæ t³oczonej p³uczki, prêdkoœæ wiercenia), gdy niewyniesiony urobek jest rozpychany w œciany otworu, zagêszczaj¹c ty say strefê przyotworow¹. Zagêszczenie takie, jak równie tworz¹cy siê fil na œcianach otworu, wp³ywa pozytywnie na stabilnoœæ œcian otworu i zniejsza filtracjê p³uczki w przewiercane grunty. U³atwia to utrzyanie cyrkulacji p³ynu w otworze i transport urobku. Utrzyanie stabilnoœci œcian otworu wp³ywa na prawid³owy przebieg procesu wiercenia oraz na bezawaryjne zakoñczenie zadania, czyli wci¹gniêcie ruroci¹gu. LITERATURA [] Wiœniowski R.: Metodyka wyznaczania odelu reologicznego cieczy wiertniczej. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 8/, 200 [2] Wiœniowski R., Stryczek S., Ziaja J.: Wybrane aspekty projektowania i wykonywania horyzontalnych przewiertów sterowanych (HDD) Horizontal directional drilling selected design and perforance aspects. Materia³y III Konferencji Naukowo-Technicznej, Kielce Cedzona 24 25 kwietnia 200 [] Zeliaœ A., Pawe³ek B., Wanat S.: Metody statystyczne. Warszawa, Polskie Wydawnictwo Ekonoiczne 2002 [4] Ziaja J., Wiœniowski R.: Technologie wykonywania horyzontalnych przewiertów sterowanych. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 2/, 2004 [5] Wewnêtrzne ateria³y Zak³adu Reontowego Urz¹dzeñ Gazowniczych Sp. z o.o. w Pogórskiej Woli 49