Krytyczne funkcje płynów wiertniczych Cyrkulacja płuczki do punktu wejscia Pierwszy z cyklu artykułów poświęconych problematyce technologii płynów wiertniczych przedstawia zagadnienia funkcji płynów w kierunkowych przewiertach horyzontalnych w kontekście wykorzystywanych komponentów i stosowanych praktyk wiertniczych. Płyny wiertnicze to jeden z najważniejszych elementów w technologii wierceń HDD. Od połowy lat dziewięćdziesiątych obserwujemy w nich stały postęp. Zmieniła się filozofia projektowania, selekcji i przygotowania produktów. Ograniczono bezpośrednie zapożyczenia z głębokich wierceń naftowych na rzecz oryginalnych rozwiązań dostosowanych do specyfiki wiercenia długich otworów o stosunkowo dużych średnicach. Współczesne płyny odgrywają kluczową rolę w optymalizacji procesu wiercenia otworów dla inżynierskich instalacji rurowych. Kompozycje bentonitowo-polimerowe spełniają wiele kluczowych funkcji w procesie wiercenia pilotowego, poszerzania otworu oraz instalacji. Wiertnicy, którzy rozumieją istotę funkcjonowania sfery płuczkowej stanowią nieocenione źródło informacji dla każdego operatora. Zaawansowane systemy płuczkowe posiadają unikatowe zalety nie do zastąpienia przez inne czynniki techniczne. Zwłaszcza wtedy kiedy parametry wiertniczego projektu są wymagające. Poszerza się zakres zastosowań techniki nazywanej kiedyś river crossing. Projektowane są otwory o długościach do 2500 m, instalowane rurociągi o średnicach 1000 1400 mm. Odważnie sięga się po zastosowanie technologii HDD do wierceń na płytkim szelfie morskim. Ekstremalne projekty realizowane są także w terenach górskich wymagających wiercenia przy różnicach elewacji przekraczających 300 m. Płuczka to klucz do sukcesu w wierceniach kierunkowych. Większość problemów technicznych zdarzających się w trakcie realizacji projektu nie wynika z niedoskonałości wykorzy- Robert Osikowicz Horizontal Engineering And Drilling Service 60 Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005
Typ produktu Przydatność dla HDD Koncentracja kg/m 3 Parametry reologiczne Filtracja Inhibicja Tarcie Bentonity Bentonity naturalne * 50 100 ** ** - * Bentonity aktywowane *** 15 50 *** *** ** ** Polimery naturalne Polianionowa celuloza *** 0.5 2 ** *** ** ** Karboksymetyloceluloza * 1 3 * ** * * Skrobia modyfikowana * 1 5 * ** - - Polimer CD *** 0.5 5 *** * * * Guma guar modyfikowana * 1 8 * * - * Polimery syntetyczne Polimery PHPA ** 0.2 3 * * *** ** Selektywne flokulanty * 0.1 2 * - ** ** Absorbenty ** 0.5 3 ** * - *** Środki specjalne Środki powierzchniowo-czynne (detergenty) *** 0.5 5 - - * *** Środki smarne *** 1 10 - - * *** Biocydy * 0.5 2 - - - - Środki likwidujące zaniki cyrkulacji, blokatory ** 5 20 - ** - * Legenda: *** własności bardzo dobre ** własności dobre * własności umiarkowane - brak Tab. 1. Charakterystyka wybranych produktów płuczkowych stywanego sprzętu wiertniczego ale z błędów popełnionych w technologii wiercenia. Duże obciążenia elementów przewodu wiertniczego w trakcie wiercenia pilotowego, poszerzania otworu czy wreszcie instalacji można w znacznym stopniu zredukować, używając odpowiedniego systemu i procedur wiertniczych. System rozumiany jest tutaj jako synergiczne działanie założonej kompozycji chemicznej, parametrów fizycznych płynu, wydatku tłoczenia w jednostce czasu, zestawu mechanicznej separacji faz. Siły występujące w trakcie instalacji to pochodna po geometrii otworu, wyporności rurociągu, współczynniku tarcia między rurą a otaczającym gruntem. Woda jako płyn wiertniczy stosowana jest w trakcie nieskomplikowanych, krótkich instalacji. Dla większych, trwających nierzadko kilkanaście dni projektów płuczka jest bardziej skomplikowana. Zawiera składniki odpowiadające za reologię, poziom filtracji oraz zdolności inhibicyjne. Coraz częściej używa się pojęcia płyn wiertniczy w celu podkreślenia, że posiada on specjalną charakterystykę reologiczną pomocną w optymalizacji procesu wiercenia opartego na bilansie przepływów i ciśnień. Parametrem szczególnie istotnym jest tarcie. Ma ono bezpośrednie przełożenie na siły osiowe oraz moment obrotowy parametry krytyczne dla wiercenia kierunkowego. Optymalizacja procesu Czy jest możliwe poprawa efektywności wiercenia i jednoczesna redukcja kosztów prowadzonych prac? Oczywiście tak, ale wymaga to dużo wysiłku ze strony operatora wiertniczego. Rożne aspekty związane z procesem wyboru typu systemu płuczkowego, przygotowaniem i kondycjonowaniem płynu, hydrauliką otworową oraz mechaniczną separacją faz wpływają na czas trwania operacji wiertniczych i bezpośrednio przekładają się na ponoszone koszty. Rekomendowany system płuczkowy powinien spełniać wszystkie kryteria wynikające z przeznaczenia otworu oraz minimalizować problemy wiertnicze i ryzyko inwestycji. Analiza potencjalnych problemów i zagrożeń na etapie przygotowania projektu pozwalana prawidłowo wyselekcjonować produkty płuczkowe. Wymagane parametry techniczne, koszty pozyskania, osiągalność na rynku oraz akceptacja środowiska naturalnego są zwykle najważniejszymi kryteriami wyboru systemu płuczkowego. Płyn wiertniczy jest charakteryzowany przez następujące własności: parametry reologiczne (lepkość plastyczna, granica płynięcia, żele) mierzone lepkościomierzem obrotowym typu Fann; lepkość LSRV przy niskich prędkościach ścinania, mierzona lepkościomierzem Brookfielda, ciężar właściwy zawartość fazy stałej (w tym frakcji piaszczystej), filtracja w ośrodku porowatym płynu pod wpływem ciśnienia różnicowego, alkaliczność (ph), istotna dla stabilności systemu zawartość jonów wapnia, magnezu oraz chlorków, współczynnik tarcia pomiędzy różnymi ośrodkami. Dla wybrania optymalnego płynu powinien być analizowany każdy z wymienionych powyżej parametrów. Typ formacji geologicznej, parametry techniczne projektu to jedne z podstawowych kryteriów oceny i wyboru. Operatorzy umiejętnie kształtujący własności płynu w zależności od sytuacji w otworze posiadają istotną przewagę nad firmami traktującymi to zagadnienie jako czynnik o drugorzędnym znaczeniu. Dobrze przygotowany i kontrolowany płyn w kombinacji ze sprawnym, właściwym osprzętem wiertni- Gruboziarnisty urobek wyniesiony z poziomego otworu Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005 61
Czynnik technologiczny Wpływ duży Wpływ umiarkowany Wpływ nieznaczny Prędkość przepływu w przestrzeni pierścieniowej Parametry reologiczne płynu Technologia wiercenia wskaźnik płuczka: zwierciny Jakość cyrkulacji, kontrola ciśnień w otworze Rozmiar zwiercin Typ płynu wiertniczego Obroty przewodu wiertniczego Średnica otworu Typ narzędzia Geometria przewodu wiertniczego wiercenie pilotowe poszerzanie otworu Ciężar właściwy płynu Tab. 2 Czynniki wpływające na efektywność oczyszczania otworu. czym to warunki konieczne dla bezpiecznej i ekonomicznej realizacji projektu. Kompozycja płynu Podstawowe produkty wykorzystywane w tej technologii to aktywowane polimerami bentonity uzupełniane materiałami specjalnymi takimi jak: koloidy ochronne, środki powierzchniowo-czynne, polimery stabilizujące formacje ilaste. Pewną popularność zdobyły systemy do wiercenia na bazie wody morskiej oraz płyny biorozkładalne oparte na naturalnych polimerach, których parametry reologiczne oraz trwałość suspensji można kontrolować dzięki dodatkom biocydów i enzymów degradujących. Kiedy wiercimy w piasku czy żwirze, płyn wiertniczy powinien spełniać dwie kluczowe funkcje: stabilizować ścianę wyrobiska oraz mieć zdolność do skutecznego transportu urobku. Kiedy natomiast w profilu otworu spotykamy formacje ilaste, wymagane są dodatkowe zdolności inhibicyjne. Płyn powinien ograniczyć pęcznienie iłu oraz wyeliminować efekt powierzchniowego przyklejania do ściany otworu zworników przewodu czy też co nie mniej istotne, rury produktowej. Warunki geologiczne zmieniają się często kilkukrotnie w trakcie długiego wiercenia. Opracowanie uniwersalnego składu płynu z możliwością modyfikacji parametrów technicznych i zdolności inhibicyjnych jest zagadnieniem kluczowym. We współczesnej technologii płuczkowej duże znaczenie odgrywają produkty o działaniu wielofunkcyjnym. Uczestniczą one w tworzeniu struktury płuczki, obniżaniu filtracji oraz równocześnie ograniczają hydratację i dyspersję przewiercanych skał. Zastosowanie takich komponentów w składzie płuczki wiertniczej wpływa na jej jakość i postęp wiercenia otworu oraz eliminuje lub zmniejsza znacznie zawartość innych konwencjonalnych środków np. bentonitu naturalnego. Stosunkowo nową tendencją obserwowaną w technologii HDD są płyny charakteryzujące się wysokimi lepkościami przy niskich prędkościach ścinania nazywane LSRV Fluids (Low Share Rate Viscosity). LSRV są wytworzone przez specjalne polimery cechujące się korzystnymi charakterystykami. Produkty powstałe na bazie tych związków, posiadając bardzo wysokie lepkości przy niewielkich naprężeniach ścinających, pozwalają na uzyskanie doskonałych zdolności transportu zwiercin w poziomym otworze oraz utrzymywanie ich w zawieszeniu podczas braku przepływu. Doświadczenie polowe oraz badania laboratoryjne wskazują, że płyny charakteryzujące się wysokimi parametrami LSRV są znacznie mniej podatne na naturalną filtrację do porowatej formacji (np. piasku czy żwiru). Przy niskich prędkościach przepływu, z jakimi mamy do czynienia w poziomych otworach o znacznych średnicach, lepkości płynu są znacznie Separacja urobku na sicie wibracyjnym Wiercenie kierunkowe odbywa się dzieki urabianiu hydraulicznemu wyższe niż w trakcie przepływu przez armaturę powierzchniową, przewód wiertniczy i dysze narzędzia. Jest to zaleta, która pozwala na zachowanie prawidłowego laminarnego charakteru przepływu i ograniczenie niekorzystnego wpływu płuczki na ścianę otworu. Zarówno płyny bentonitowo-polimerowe jak i polimerowe powinny być testowane według procedur pozwalających sprawdzić ich przydatność w konkretnych aplikacjach. W tab. 1 wymienione są produkty powszechnie używane przez operatorów wiertniczych i dostosowane do specyfiki technologii. Selekcja typu płynu i materiałów płuczkowych odbywa się na podstawie analizy warunków geologicznych. Dla uproszczenia 62 Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005
możemy przyjąć, że mamy do czynienia z formacjami o grubym ziarnie (żwir, piasek), drobnym ziarnie (mułek, ił) oraz skałami zwięzłymi. W tym ostatnim przypadku rozmiar i kształt zwiercin zależeć będzie od użytego narzędzia i technologii wiercenia. Problemy wiertnicze Istnieje wiele łatwych do wykazania zalet wynikających z wyboru optymalnego systemu płuczkowego. Zwiększony zostaje postęp wiercenia dzięki poprawie efektywności oczyszczania otworu oraz polepszeniu własności inhibitujących i smarnych. Postęp wiercenia jest wprost zależny od dostępnego momentu obrotowego na narzędziu urabiającym, wywieranego efektywnego nacisku oraz dostarczonej energii hydraulicznej. Płyn wiertniczy ma znaczący wpływ na każdy z podstawowych parametrów pracy narzędzia. Nacisk wywierany zależy wprost od stopnia oczyszczenia otworu. Jeżeli ograniczymy występowanie zasypów i przewężeń w otworze większa część energii mechanicznej dotrze do czoła narzędzia. Czas wiercenia prawidłowo oczyszczanego otworu można skrócić o około 30%. Oczyszczanie otworu przekłada się również na zdolność do wiercenia kierunkowego i realizację założonej trajektorii. Często występujące kłopoty z budowaniem i utrzymywaniem inklinacji spowodowane są nadmiarem fazy stałej w przestrzeni pomiędzy przewodem a ścianą otworu. Nacisk wywierany przez wiertnicę w niewielkiej części dociera do narzędzia. Sterowanie osią przewiertu jest łatwiejsze w czystym otworze, obciążenia, jakim poddawany jest przewód, są wtedy najmniejsze. Bardzo istotnym aspektem jest wiercenie po krzywej o możliwie stałych parametrach, co daje w efekcie trajektorię bez zbędnych serpentyn. Wpływ niekontrolowanych odejść od idealnej trajektorii przejawia się w wyższym momencie obrotowym i nadmiernych siłach osiowych, zarówno w trakcie wiercenia, jak i instalacji rurociągu. Jakość cyrkulacji w otworze bywa dla wielu firm wyznacznikiem jakości płynu wiertniczego i prawidłowych procedur wiertniczych. Utrata cyrkulacji zdarza się wówczas, gdy opory przepływu na odcinku od narzędzia do punktów charakterystycznych (wejście i wyjście otworu HDD) są wyższe od ciśnienia wystarczającego do szczelinowania przewiercanej formacji. W zależności od głębokości wiercenia zdarzają się przebicia (break-outs) na powierzchnię terenu, do dna rzeki lub też całkowite zaniki podziemne wewnątrz formacji. Zaniki płynu, zwłaszcza w trakcie dużych projektów, mogą okazać się bardzo niebezpieczne i kosztowne. Brak prawidłowej cyrkulacji skutkuje zwykle niestabilnością otworu oraz nadmiernym czasem potrzebnym do przygotowania instalacji. Wydłużeniu ulega czas operacji wiertniczych związanych z niskim postępem wiercenia i dodatkowymi marszami kontrolnymi. Jeżeli płyn wiertniczy podlega oczyszczaniu i recyrkulacji ograniczamy znacząco koszty operacyjne i mamy możliwość optymalizowania hydrauliki otworowej, ponosząc znacząco niższe koszty materiałowe. Dzięki stosowaniu prawidłowego programu płuczkowego udaje się wyeliminować problemy związane z przychwyceniem przewodu wiertniczego, szczelinowaniem hydraulicznym przewiercanych warstw, nadmierną migracją płynu poza otwór, słabą kontrolą nad wierceniem kierunkowym. Każda z wymienionych komplikacji skutkuje nieproduktywnym czasem pracy wiertnicy, a więc stratą pieniędzy. Problemy wiertnicze są ściśle powiązane z niespełnieniem krytycznych funkcji płynu, jakimi są oczyszczanie otworu i utrzymywanie stabilności ściany. Funkcje płynu Wiele funkcji może zostać uznanych za uniwersalne niezależnie od zastosowania i typu płynu wiertniczego. Dadzą się one zakwalifikować do następujących kategorii: Atrakcje górskich projektów transmitowanie energii hydraulicznej na czoło otworu, wynoszenie zwiercin przestrzenią pierścieniową na powierzchnię, utrzymywanie w zawieszeniu urobku w trakcie cyrkulacji i podczas przerw w tłoczeniu płynu, utrzymywanie w stanie zintegrowanym ściany otworu, minimalizowanie wpływu na przewiercane formacje, chłodzenie narzędzi i elektronicznych urządzeń pomiarowych, przekazywanie danych geologicznych i technologicznych uzyskiwanych w procesie wiercenia, zabezpieczenie przed nadmiernym zużyciem mechanicznym elementów przewodu wiertniczego, ograniczanie tarcia, kontrola ciśnień wgłębnych w otworze. Dla stworzenia optymalnie działającego płynu wiertniczego każda z dziesięciu wymienionych funkcji musi być rozważona, i w miarę możliwości realizowana. Omówimy teraz najważniejsze funkcje w kolejności istotności dla procesu. Transmitowanie energii hydraulicznej na czoło otworu Płyn wiertniczy jest medium transmitującym energię hydrauliczną do systemu. Jest ona potrzebna do przetłoczenia płuczki poprzez powierzchniowy system płuczkowy, przewód wiertniczy do dysz narzędzia, a następnie poprzez przestrzeń pierścieniową (pomiędzy przewodem wiertniczym a ścianą otworu) na powierzchnię. Urabianie formacji geologicznej nie jest w praktyce możliwe bez użycia płynu wiertniczego. Niezależnie czy będzie to płyn na osnowie wody, czy też powietrza, postęp wiercenia jest proporcjonalny do energii hydraulicznej będącej funkcją strumienia przepływu oraz spadku ciśnienia w dyszach narzędzia. Strumień płynu zasilać może także wgłębne silniki hydrauliczne typu naporowego. Energia hydrauliczna często jest określana w odniesieniu do powierzchni przekroju poprzecznego urabianej formacji. Istotną rzeczą jest skorelowanie wydatku pompy z postępem wiercenia, aby mieć pewność, że czoło otworu jest zawsze pozbawione urobku. Płuczki o niskiej zawartości fazy stałej oraz charakteryzujące się niską lepkością przy wysokich prędkościach przepływu, z jakimi mamy do czynienia wewnątrz armatury i przewodu wiertniczego, będą bardziej efektywne w dostarczaniu możliwie dużej porcji energii do narzędzia dla prawidłowego urabiania i oczyszczania otworu. Ponieważ wraz z odległością rosną straty ciśnienia wewnątrz przewodu, mo- 64 Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005
żemy osiągnąć punkt, w którym dostępna energia w narzędziu wiertniczym będzie niewystarczająca dla osiągnięcia zadowalającego postępu wiercenia. Transport urobku na powierzchnię Zwierciny powstałe w procesie wiercenia oraz pochodzące z erozyjnego działania płynu powinny zostać wyprowadzone przez płuczkę na powierzchnię. Zaniedbania w tej materii z reguły skutkują problemami wiertniczymi, włączając w to możliwość przychwycenia przewodu, nadmierny moment obrotowy i zaciąganie w otworze. Przeładowanie przestrzeni pierścieniowej urobkiem prowadzi do utraty cyrkulacji i zwiększonych kosztów płuczkowych. Zbyt duża ilość pozostałego w otworze kierunkowym urobku znacznie obniża postęp wiercenia kierunkowego. Transport zwiercin to zagadnienie interdyscyplinarne powiązane zarówno z parametrami reologicznymi płynu, jak i parametrami technologicznymi wiercenia. Oczyszczanie otworu wiertniczego to parametr krytyczny z punktu widzenia funkcjonowania płynu. Cyrkulująca płuczka odprowadza zwierciny z czoła otworu i przesuwa w kierunku wyjścia otworu. Pod wpływem działania siły grawitacji faza stała ma tendencję do opadania na dolną ścianę otworu. Tendencja ta nasila się w przypadku urobku o dużych rozmiarach. Prędkość sedymentacji cząstek jest funkcją parametrów reologicznych płynu oraz gęstości płynu i urobku. Im wyższe parametry reologiczne, tym prędkość opadania jest niższa. Dla efektywnego usuwania zwiercin z otworu poziom parametrów reologicznych musi być skorelowany ze strumieniem tłoczonej płuczki wiertniczej. W długich otworach horyzontalnych prędkość przepływającego płynu musi być na tyle wysoka, aby przezwyciężyć stałą tendencję do osiadania urobku. Ciężar właściwy płynu jest determinowany przez dodatkowe czynniki i nie jest tutaj rozważany jako cecha decydująca o zdolności płynu do wynoszenia urobku wiertniczego. Cyrkulujący w otworze płyn powinien utrzymywać w zawieszeniu zwierciny, posiadając przy tym możliwość transportu przy niskiej różnicy ciśnień. Pozostawiony w otworze urobek, osiadając na dnie, skutkuje zwiększeniem oporów wiercenia i zwiększa ryzyko procesu instalacji. Kiedy zwierciny mieszają się z płuczką, wypadkowe parametry zmieniają się znacząco. Zmiany te są szczególnie wyraźne, jeśli wiercimy w formacji ilastej. Płyn wiertniczy określony jest precyzyjnie parametrami reologicznymi. Środki strukturotwórcze to najczęściej modyfikowane bentonity oraz biopolimery. Dzięki nim uzyskujemy charakterystykę reologiczną pozwalającą z jednej strony na skuteczny transport urobku, z drugiej zaś na uniknięcie nadmiernych ciśnień wgłębnych. Lepkościomierz typu Fann oraz przyrząd Brookfielda pozwalają symulować zachowanie płynu przy różnych prędkościach ścinania oraz przewidzieć skuteczność oczyszczania otworu przy założonej wielkości cząstek fazy stałej. Pamiętać należy przy tym, że pomiar lepkości dokonywany za pomocą lejka Marsha jest tylko wskazaniem pomocniczym i nie może być wiarygodnym instrumentem do określania parametrów reologicznych. Czysta woda jako płyn newtonowski nie posiada ani granicy płynięcia, ani żeli. Podobnie większość polimerów służących jako koloidy ochronne nie posiada korzystnej charakterystyki reologicznej. Ich wodne roztwory dają wysokie wartości lepkości pozornej i plastycznej, nie tworzą natomiast żeli koniecznych do utrzymywania w zawieszeniu urobku i transportu przy niskich prędkościach przepływu. Dlatego bentonit oraz polimer CD to wciąż najskuteczniejsze produkty strukturotwórcze w technologiach bezwykopowych. Posiadają one zdolność do szybkiego budowania struktur żelowych i charakteryzują się stosunkowo wysoką granicą płynięcia. Efektywne oczyszczanie długiego otworu horyzontalnego stanowi jedno z kluczowych zagadnień w inżynierii wiertniczej. Wpływ kilkunastu różnych czynników został pokazany w tab. 2 oraz na rysunku. Czynniki te różnią się stopniem istotności dla procesu, jak również zakresem, w jakim możemy na nie wpływać. Podstawowe parametry technologii wiercenia oraz własności płuczki należą do czynników regulowanych. Parametry geotechniczne, granulacja zwiercin, ciężar właściwy urobku są czynnikami obiektywnymi, na które mamy mniejszy wpływ. Jakkolwiek wiele czynników ma wpływ na jakość oczyszczania otworu, to dla procesu wiercenia i bezpieczeństwa prac należy skupić się na tych, które wiertacz czy inżynier płuczkowy mogą skutecznie kontrolować. Są to parametry reologiczne, postęp wiercenia (poszerzania otworu), wydatek pompy, obroty przewodu wiertniczego. Wielkość strumienia tłoczonej płuczki jest czynnikiem najistotniejszym i krytycznym z punktu widzenia skuteczności procesu. Dla przypadków laminarnego przepływu, z jakim mamy do czynienia w większości analizowanych przypadków, prędkość przepływu dla skutecznego transportowania zwiercin w poziomym otworze musi znaleźć wsparcie w parametrach reologicznych dostosowanych do średniej granulacji zwiercin w otworze. Generalne zalecenie mówi, że stosunek granicy płynięcia do lepkości plastycznej powinien być większy od 2, wskazania lepkościomierza Fann przy niskich prędkościach ścinania 0,9, 1,8, 3 oraz 6 obrotów na minutę oraz wskazania lepkościomierza Brookfield dostosowane do wskaźnika efektywności oczyszczania (zależnego od prędkości przepływu w przestrzeni pierścieniowej i geometrii otworu). Im większa średnica otworu, tym wyższe konieczne parametry LSRV (low-shear-rate viscosity). Projektowanie płynu o określonym poziomie tych parametrów pozwala uniknąć nadmiernej sedymentacji urobku o określonej granulacji. Inżynieria płuczkowa potrafi skorelować parametry reologiczne płynu z prędkością przepływu w przestrzeni pierścieniowej dla uzyskania optymalnego postępu wiercenia przy wymaganym stopniu oczyszczenia otworu. Mechaniczne wspomaganie transportu zwiercin poprzez obracanie przewodem wiertniczym jest najbardziej skuteczne w trakcie wiercenia pilotowego oraz przy poszerzaniu do stosunkowo niewielkich średnic. Prędkość przepływu w przestrzeni pierścieniowej może być zredukowana, jeśli zrekompensujemy ją wysokimi parametrami reologicznymi przy niskich prędkościach ścinania. Mówiąc obrazowo, lepsze parametry płynu są wymagane przy niedostatecznym wydatku pompy płuczkowej. Utrzymywanie w zawieszeniu fazy stałej Kiedy cyrkulacja w otworze zostaje przerwana, faza stała nieulegająca dyspersji w płynie zaczyna opadać na jego dolną ścianę. Jest to zjawisko naturalne i łatwe do przewidzenia. Płyn wiertniczy wytworzony na bazie bentonitów i polimerów jest suspensją o określonej charakterystyce. Parametry reologiczne definiują typ płynu. Odpowiedni poziom wybranych parametrów gwarantuje utrzymanie w stanie zawieszenia ziaren o średnicy do kilkudziesięciu milimetrów. Płyny wiertnicze oparte na modyfikowanych bentonitach lub biopolimerach charakteryzuje zjawisko zmiany lepkości w zależności od prędkości ścinania. Objawia się to efektem gęstnienia w przypadku małych prędkości ścinania lub natychmiastowego żelowania w przypadku ich braku. Zdolność do budowania struktur żelowych w stanach statycznych i upłynniania w stanie dynamicznego przepływu określa się mianem tiksotropii. Płyny rozrzedzane ścinaniem są szczególnie polecane do zastosowań wiertniczych. Woda jako podstawowy składnik płynu wymaga wzbogacenia o materiały Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005 65
strukturotwórcze. Poziom i progresja żeli zależą od koncentracji i jakości materiałów strukturotwórczych. Zastosowanie wody jako płynu wiertniczego do realizacji otworów w formacjach słabo zwięzłych jest poważnym błędem. Faza stała niezawieszona w płynie tworzy zasypy, przewężenia, w końcu może doprowadzić do zamknięcia przestrzeni pierścieniowej i w konsekwencji zaniku cyrkulacji. Brak cyrkulacji skutkuje szczelinowaniem formacji, brakiem kontroli ciśnień wgłębnych, wzrostem momentu obrotowego oraz możliwością przychwycenia przewodu w otworze. Jednym ze sposobów przeciwdziałania odkładania się urobku w otworze jest wykorzystanie płynów o wysokim poziomie lepkości przy niskich prędkościach ścinania LSRV (low-shear-rate viscosity) oraz spełnienia laminarnych warunków przepływu. Stabilizacja ściany otworu oraz ograniczenie wpływu na przewiercane formacje Wiercenie na głębokościach do kilkudziesięciu metrów wiąże koniecznością zmierzenia się z osadowymi formacjami o niskim stopniu zagęszczenia (żwiry, piasek) lub z warstwami zawierającymi frakcję ilastą (np. gliny, margle, iły, iłołupki). Formacje przepuszczalne chłoną filtrat z płynu wiertniczego. Płuczka tworzy struktury zbliżone do żelu blisko ściany otworu, zapobiegając niekontrolowanej penetracji płynu do formacji. Użytecznym parametrem może być pomiar filtracji płuczki przy założonym ciśnieniu różnicowym wynikającym z głębokości położenia sekcji poziomej otworu. Celem działania jest drożny otwór pozbawionym zawałów i przewężeń. Najlepszą formą stabilizowania ściany otworu wiertniczego jest jej rozpieranie kontrolowanym ciśnieniem wewnętrznym wynikającym z obecności płynu wiertniczego. Słup płynu znajdującego się w otworze zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych (w trakcie cyrkulowania) stanowi przeciwciśnienie dla formacji. Ogranicza to dopływ do otworu wody gruntowej i zabezpiecza ścianę przed sypaniem. Gradient ciśnienia formacji powinien być wstępnie określony, aby zapobiec wytworzeniu w otworze ciśnienia przekraczającego ciśnienie szczelinowania. Skutkiem szczelinowania może być częściowy lub całkowity zanik prawidłowej cyrkulacji płuczki w otworze. Kontrola ciśnień wgłębnych Zaniki cyrkulacji to zjawisko często występujace w technologii HDD. Parametry płuczki powinny być kontrolowane, a technologia wiercenia musi zapewnić utrzymanie płynu w otworze. Stan równowagi pomiędzy ciśnieniem wywołanym procesem drążenia otworu a naturalną odpornością formacji na szczelinowanie jest wartością nadrzędną wobec postępu prac wiertniczych. Próby odzyskania cyrkulacji w otworze powinny być podejmowane po dokonaniu analizy przyczyn tego zjawiska. Stosunkowo nowa metoda nazywana APWD (Annular Pressure While Drilling) pozwala na ciągły pomiar zmian ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej w obrębie dolnej części przewodu. Daje to szansę wczesnego ostrzegania przed nadmiernym przeładowaniem otworu urobkiem, informując przy tym o niewystarczającej zdolności płynu do oczyszczania czoła otworu i transportu zwiercin. Żródło energii hydraulicznej pompy wysokociśnieniowe Rozbudowany system separacji faz Chłodzenie i smarowanie zestawu wiertniczego oraz wgłębnych urządzeń pomiarowych W wyniku wiercenia i pokonywania tarcia w otworze powstaje ciepło. Sprawą oczywistą jest konieczność odprowadzenia ciepła zwłaszcza z dolnej części przewodu wiertniczego. Otwór o niewłaściwej cyrkulacji lub otwór bez płuczki w przestrzeni pierścieniowej skutkuje nadmiernym wycieraniem się przewodu na zwornikach. Dostarczanie wymaganego przez technologię strumienia objętości płuczki jest sprawą kluczową. Należy kontrolować temperaturę roboczą sondy pomiarowej, aby nie dopuścić do nadmiernego przegrzania. Problem tarcia w otworze wiertniczym Zagadnienie tak oczywiste, że często zaniedbywane. Gdy przewód wiertniczy lub instalowany rurociąg dociska do ściany otworu występują między nimi siły kontaktowe. Siłę występującą w konsekwencji istnienia sił kontaktowych definiujemy jako tarcie. Płyn wiertniczy jest środkiem smarnym, pozwalającym na prowadzenie prac na długich odcinkach, jednocześnie wydłużającym żywotność narzędzia i pozostałych elementów przewodu wiertniczego. Dla powodzenia procesu tarcie pomiędzy współpracującymi ośrodkami powinno być utrzymane na jak najniższym poziomie. Wartość współczynnika tarcia będzie zależna od rodzaju ośrodków (najczęściej stal skała, stal stal lub tworzywo sztuczne skała), składu chemicznego płynu oraz zawartości fazy stałej pochodzącej ze zwiercin. Najpewniejszą metodą obniżenia tarcia jest właściwe oczyszczenie otworu i zachowanie prawidłowej cyrkulacji. Dodatkowym elementem wykorzystywanym zwłaszcza w trakcie wiercenia długich otworów są specjalne środki smarne o wielofunkcyjnym działaniu. Ważący w powietrzu dziesiątki, a nawet setki ton rurociąg pod wpływem oddziaływania płuczki może charakteryzować się korzystną pływalnością, Redukowane są w ten sposób obciążenia procesu instalacji. Inżynieria płuczkowa pozwala na optymalizowanie zachowania rurociągu poprzez dostosowanie ciężaru wła- 66 Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005
ściwego zamkniętej rury do ciężaru właściwego płynu w otworze. Balastowanie rurociągu jest najskuteczniejszym sposobem na uzyskanie bezpiecznej wyporności i niskich sił tarcia. CZYNNIKI WP YWAJ CE NA OCZYSZCZANIE OTWORU KIERUNKOWEGO WYDATEK P YNU PARAMETRY REOLOGICZNE Zalecenia praktyczne Wiercenia kierunkowe są skomplikowaną dziedziną sztuki inżynierskiej. Transport urobku w sekcji poziomej stanowi nie lada problem. Należy zwrócić szczególną uwagę na kilka kluczowych aspektów: Każdy duży projekt wymaga analizy i indywidualnego podejścia. Nie należy nigdy zapominać o jakości cyrkulacji w otworze. Zachowanie stabilności ściany otworu jest bardzo ważne szczególnie podczas poszerzania otworu. Parametry reologiczne (zwłaszcza wysokie LSRV) i prędkość przepływu płuczki są najistotniejszymi czynnikami wpływającymi na transport gruboziarnistego urobku. Niska zawartość fazy stałej skutkuje wyższym postępem wiercenia oraz poprawia smarność płuczki. Dobra smarność wpływa na niskie obciążenia osiowe przewodu i moment obrotowy. Niski poziom tarcia pozwala na wiercenie długich otworów o skomplikowanych trajektoriach. Właściwa hydraulika otworowa gwarantuje dobry postęp wiercenia oraz transport urobku w przestrzeni pierścieniowej. Utrzymanie dobrego postępu wiercenia wymaga pełnej kontroli nad zachowaniem przewodu wiertniczego. Własności inhibicyjne płynu nie mogą być celem nadrzędnym nad prawidłową charakterystyką reologiczną. Sprawdzanie i modyfikowanie parametrów płuczki w trakcie projektu to podstawa działania w inżynierii wiertniczej. Podsumowanie Przedstawione powyżej zagadnienia dotyczą wszystkich typów płynów wiertniczych. Niezależnie od zastosowanej kompozycji płyn cyrkulujący w otworze powinien dobrze spełniać funkcje, do których został stworzony. Nowoczesne systemy płuczkowe składają się z uniwersalnych produktów cechujących się synergicznym działaniem. Kompatybilność składników daje możliwość opracowywania nowych systemów płynów wiertniczych oraz modyfikacji już stosowanych w praktyce przemysłowej w kierunku lepszych właściwości reologicznych i inhibicyjnych. Efektywne działanie produktów płuczkowych (zarówno bentonitów, jak i polimerów) zależy od właściwej kontroli ich dozowania do płuczki, stosownie do wymagań geologiczno-technicznych realizowanego projektu. Potrzeba ich stosowania musi uwzględniać zarówno właściwości płuczki, jak i efekty ekonomiczne. Prowadzone badania laboratoryjne i praktyka polowa wyraźnie wskazują, że stosowanie komponentów oryginalnie opracowanych dla rynku technologii bezwykopowych wpływa korzystnie na właściwości płynów wiertniczych i stwarza możliwości modyfikacji ich parametrów w szerokim zakresie. Wp yw na transport zwiercin MIMO RODOWO PRZEWODU CI AR W A CI- WY ZWIERCIN ROZMIAR ZWIERCIN CI AR W A CI- WY P YNU TYP NARZ DZIA ILO DYSZ REDNICA K T OTWORU OBROTY PRZEWODU GEOMETRIA PRZEWODU Mo liwo ci kontroli przez za og wiertnicz POST P WIERCENIA LITERATURA [1]. E.W. McAllister: Pipeline Rules of Thumb Handbook, 5th Edition, Elsevier 2001. [2]. S.Ariaratnam, J.Lueke; Reducing Risks in Unfavorable Ground Conditions During Horizontal Directional Drilling, Practice Periodical on Structural Design and Construction Aug. 2004. [3]. J. Fink: Oil Field Chemicals, Gulf Publishing Company 2003. [4]. J.D. Hair & Associates, Inc. Drilling Fluids In Pipeline Installation by Horizontal Directional Drilling, Pipeline Research Council International, Inc. 1994. [5]. L.J. Leising, I.C.Walton: Cuttings-Transport Problems and Solutions, SPE Drilling Conference 2002. [6]. B.Murphy, M.Rowden: Proactive Fluids Management Makes Tough Directional Well Possible, World Oil Oct. 1999. [7]. Classifications of Fluid Systems, World Oil July 2004. Robert Osikowicz - absolwent Wydziału Wiertnictwa Nafty i Gazu AGH w Krakowie, specjalność technologia wierceń. W latach 1992 97 pracował w firmie wiertniczej Diament w Zielonej Górze. Od 1996 roku związany z branżą technologii bezwykopowych. W firmie HEADS zajmuje się nowymi rozwiązaniami technicznymi wspierającymi wiercenie otworów kierunkowych różnego przeznaczenia. Kontakt: robert@heads.com.pl. Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005 67