praca mgr - Wybrane aspekty rurowania i cementowania rur
advertisement
Spis treści: 1. Wstęp ................................................................................................................................ 3 Cel i zakres pracy ............................................................................................................. 4 Charakterystyka metod cementowania stosowanych w otworach kierunkowych ........... 5 1.1. Cementowanie przez rury płuczkowe lub przez rury wydobywcze ................................. 6 1.2. Cementowanie jednostopniowe ........................................................................................ 7 1.3. Cementowanie wielostopniowe ........................................................................................ 8 2. Wybór metody cementowania otworów kierunkowych ................................................. 12 2.1. Technologia cementowania otworów kierunkowych z poziomym końcowym odcinkiem ........................................................................................................................................ 14 2.2. Dobór właściwości płuczki i zaczynu cementowego. .................................................... 16 3. Wybór i typy urządzeń wiertniczych stosowanych przy cementowaniu i rurowaniu otworów kierunkowych .................................................................................................. 19 4. Uzbrajanie i wyposażenie techniczne rur okładzinowych. ............................................ 20 4.1. Rozmieszczenie centralizatorów na kolumnie rur okładzinowych w otworach kierunkowych ................................................................................................................. 22 4.2. Buty i zawory zwrotne ................................................................................................... 26 4.3. Skrobaki i wycieraki osadu iłowego............................................................................... 27 5. Zapuszczanie rur okładzinowych jako pierwszy etap właściwego uszczelniania otworu ........................................................................................................................................ 28 5.1. Ilość płuczki w otworze .................................................................................................. 28 6. Badania laboratoryjne oparte przy przepływie zaczynu przez rury i przestrzeń pierścieniową .................................................................................................................. 29 7. Komputerowe wspomaganie procesu zapuszczania rur okładzinowych przy otworach kierunkowych ................................................................................................................. 30 8. Cel wykonywania zabiegów uszczelniających ............................................................... 31 9. Metody uszczelniania ..................................................................................................... 32 9.1. Uszczelnianie metodą wtrysku masy plastycznej........................................................... 32 10. Charakterystyka środowiska panującego w otworze wiertniczym ................................. 33 10.1. Analiza ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną ścianą otworu wiertniczego a rurami płuczkowymi lub okładzinowymi. ............................................. 33 10.2. Wyznaczenie wielkości zmian ciśnienia płynów wiertniczych w trakcie wiercenia lub przeprowadzania zabiegu uszczelniania przestrzeni pierścieniowej. ............................. 34 10.3. Wyznaczanie zmian wartości ciśnień spowodowanych operacjami dźwigowymi przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych ............................................................. 38 1 11. Czynniki warunkujące skuteczność cementowania........................................................ 40 12. Dobór zaczynów uszczelniających właściwości technologiczne ................................... 41 13. Zastosowanie cieczy buforowej (rodzaj cieczy buforowej, właściwości cieczy buforowej) ...................................................................................................................... 42 14. Projektowanie technologii cementowania ...................................................................... 43 15. Wyposażenie kolumny rur dla skutecznego cementowania ........................................... 44 16. Kontrola skuteczności cementowania ............................................................................ 45 17. komplikacje i awarie przy rurowaniu i cementowaniu................................................... 46 18. Analiza rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych podczas rurowania i cementowania otworów kierunkowych .................................................................................................. 47 19. Zaczyny uszczelniające stosowane przy cementowaniu otworów kierunkowych ......... 48 20. Awarie i komplikacje występowania podczas rurowania i cementowania otworów kierunkowych ................................................................................................................. 49 21. Analiza ekonomiczna procesu cementowania otworów kierunkowych ......................... 50 22. Bibliografia ..................................................................................................................... 51 23. Spis tabel ........................................................................................................................ 52 24. Spis rysunków ................................................................................................................ 52 2 Wstęp 3 Cel i zakres pracy 4 1. Charakterystyka metod cementowania stosowanych w otworach kierunkowych Cementowanie otworów wiertniczych jest procesem polegającym na wtłaczaniu zaczynu cementowego w przestrzeń pierścieniową pomiędzy kolumną rur okładzinowych a skałami udostępnionymi otworem wiertniczym. W otworze naftowym, gazowym lub wodnym głównym celem zabiegu cementacji jest odizolowanie strefowe dopływu do otworu wody, ropy naftowej lub gazu ziemnego. W tym celu należy osiągnąć trwałe uszczelnienie hydrauliczne pomiędzy rurami okładzinowymi a cementem oraz pomiędzy cementem a skałą, przy czym z przestrzeni pierścieniowej powinna być usunięta w pełni płuczka przez zaczyn cementowy, aby w kamieniu nie powstały kanały wypełnione wodą lub płuczką. Zabiegi cementowania można wykonywać przez kolumnę rur okładzinowych, przez rury płuczkowe lub przez rury wydobywcze. Cementowanie przez kolumnę rur okładzinowych może dotyczyć kolumny wstępnej, prowadnikowej, technicznej lub eksploatacyjnej. W określonych warunkach techniczno-geologicznych wykonuje się cementowanie kolumny rur okładzinowych wielostopniowo, najczęściej dwustopniowo. Rozróżnia się dwa sposoby dwustopniowego cementowania kolumny rur technicznych: następuje po sobie oddzielnie zatłaczanie dwóch porcji zaczynu cementowego lub jako nieprzerwana operacja zabiegu cementowania; porcjowe zatłaczanie różnych rodzajów cieczy, górny odcinek otworu wypełnia się płuczką, wodą lub płuczką na osnowie ropnej, przy czym porcja tej cieczy zatłaczana jest przez bardzo długą kolumnę rur okładzinowych i służ do przeciwdziałania rozwałom skał lub w celu zabezpieczenia rur okładzinowych przed korozją, przy czym cementuje się dolny odcinek otworu. (Szostak i Chrząszcz 1996) Zwykle maksymalna dopuszczalne ciśnienie w otworze decyduje czy otwór ma być cementowany jedno dwu, czy też wielostopniowo. Po dowierceniu odcinka otworu do planowanej głębokości i wyciągnięciu przewodu wiertniczego, następuje zapuszczenie do otworu kolumny rur okładzinowych, którą następnie cementuje się z użyciem metody dwóch klocków cementujących. Klocek dolny oddziela płuczkę od wtłaczanego po nim do rur okładzinowych zaczyn cementowy, który następnie przetłaczany jest do przestrzeni pierścieniowej otworu i wypełnia ją do dna otworu do wysokości przynajmniej powyżej strefy produkcyjnej. Z zasady zaczyn cementowy wytłaczany jest przestrzenią pierścieniową do wierzchu otworu. Proces cementowania rur okładzinowych 5 jest zakończony z chwilą osiągnięcia przez górny klocek cementacyjny wierzchu klocka dolnego, co uwydatnia się wzrostem ciśnienia na agregacie cementacyjnym. 1.1. Cementowanie przez rury płuczkowe lub przez rury wydobywcze Cementowanie przez rury płuczkowe lub przez rury wydobywcze wykonuje się w następujących przypadkach: cementowanie pod ciśnieniem przy użycie zwiercalnego lub wyciągalnego pakera zabiegowego, cementowanie w celu przeprowadzenia prac rekonstrukcyjnych w otworze wykonywane: - przez przetłoczenie zaczynu cementowego przez perforowaną kolumnę rur traconych, w miejscach zwiercania tuneli. Cementowanie pod ciśnieniem traconej kolumny rur okładzinowych przy użyciu wyciągalnego pakera zabiegowego lub przy uszczelnianym wylocie otworu, Cementowanie stref ucieczki płuczki Wykonywanie korków cementowych w nieururowanym otworze wewnątrz kolumny rur okładzinowych, Cementowanie rur okładzinowych o dużej średnicy przy użyciu przewodu wiertniczego. Stosując cementowanie przez przewód wiertniczy można uniknąć wielu problemów przy cementowaniu rur okładzinowych o dużej średnicy. Sposób cementowania polega na zapuszczaniu do otworu rur okładzinowych wraz z butem rurowym, zaworem zwrotnym oraz łącznikiem uszczelniającym rury płuczkowe w bucie rur. Rury okładzinowe ujmuje się w klinach, aby swobodnie wisiały w otworze. Rury płuczkowe z czopem elementu uszczelniającego zapuszcza się do wnętrza rur okładzinowych. Istnieje szereg innych opcji cementowania rur okładzinowych przez rury płuczkowe. Zawory zwrotne mogą być użyte w łączniku lub w bucie rurowym. Adaptacja cementowania przez rury płuczkowe może polegać na użyciu łącznika cementacyjnego względnie na użycie łącznika uszczelniającego w bucie rur okładzinowych. Jeżeli podczas cementowania rur okładzinowych o dużej średnicy zaistnieje utrata krążenia zaczynu cementowego, to należy rury okładzinowe docementować od strony wylotu 6 otworu. W tym celu zapuszcza się rury wydobywcze o małej średnicy (50 mm) jak najniżej do przestrzeni pierścieniowej i wtłacza zaczyn cementowy aż ukaże się on na powierzchni. 1.2. Cementowanie jednostopniowe Po zapuszczeniu do otworu rur okładzinowych wykonuje się krążenie płuczki przez głowicę cementacyjną tak długo jak to jest potrzebne dla usunięcia z otworu zwiercin i płuczki zżelowanej. W tym czasie dokonuje się obróbkę chemiczną płuczki, zwracają uwagę aby jej parametry reologiczne były jednakowe dla płuczki wtłaczanej i wypływającej z otworu. Na podstawie dotychczasowej praktyki stwierdzono, że konieczne jest aby współczynnik lepkości dynamicznej, granicy płynięcia oraz wytrzymałości strukturalna płuczki, były zredukowane do wymaganej wielkości oraz aby przy warunku współosiowego usytuowania kolumny rur okładzinowych w otworze, uzyskać przepływ płuczki cała przestrzenią pierścieniową. Jako zasadę należy przyjąć, że objętość płuczki przetłaczanej podczas płukania otworu powinna wynosić przynajmniej jedną pełną objętość otworu. Krążenie okresowe płuczki w otworze przez rury okładzinowej jest również wskazane a nawet wymagania podczas zapuszczania kolumny rur okładzinowych do otworu, w celu usunięcia płuczki zżelowanej oraz zwiercin uwalnianych z kawern, a także z zeskrobywanego ze ściany otworu osadu iłowego przez skrobaki i centralizatory. W czasie cementowania otworu należy stworzyć warunki aby zaczyn cementowy wtłoczył całą objętość płuczki z przestrzeni pierścieniowej otworu. Kontakt bezpośredni zaczynu cementowego z płuczką zżelowanie płuczki i tworzenie się na powierzchni styku płuczki z zaczynem cementowym często nieprzetłaczalnej masy o bardzo dużej lepkości. Jako środek zapobiegawczy najczęściej stosuje się wtłaczanie przed zaczynem cementowym cieczy wyprzedzających, przemywających lub buforowych. Ciecze przemywające wtłaczane przed zaczynem cementowym wpływają na oczyszczenie przestrzeni pierścieniowej otworu z płuczką i umożliwiają dobre związanie skały z cementem. Przy cementowaniu jednostopniowym rur okładzinowych, przetłaczanie zaczynu cementowego do przestrzeni pierścieniowej otworu przez but rur okładzinowych, następuje przy użyciu dolnego i górnego klocka cementacyjnego (rys.1.1) oraz głowicy cementacyjnej jednoklockowej. Głowice cementacyjne produkowane są różnych typów, jedno i dwuklockowe, umożliwiające w sposób ciągły cementowanie rur okładzinowych bez dłuższych przerw. 7 Rys 1.1. Schemat cementowania jednostopniowego 1.3. Cementowanie wielostopniowe Cementowanie wielostopniowe kolumny rur okładzinowych jest konieczne z wielu powodów: - jeżeli brak jest zdolności skał do utrzymywania ciśnienia hydrostatycznego, wywieranego przez długi słup zaczynu cementowego; - gdy górny poziom skały zbiornikowej należy zacementować zaczynem cementowym niezanieczyszczonym (o wyższej gęstości i o wyższej wytrzymałości na ściskanie); - jeżeli jest niepotrzebne wypełnianie zaczynem cementowym przestrzeni pierścieniowej otworu pomiędzy poziomami produktywnymi o znacznej różnicy głębokości ich występowania. Przy obecnej praktyce wiertniczej bardzo często długie kolumny rur okładzinowych cementuje się do wierzchu dla zabezpieczenia rur okładzinowych przed korozją. Ucieczki płuczki występującej poniżej buta ostatniej kolumny rur okładzinowych uniemożliwiając często wytłaczania zaczynu cementowego do wierzchu otworu. 8 Cementowanie dwustopniowe, obejmuje w pierwszym stopniu cementowanie skał słabo zwięzłych, umożliwia zacementowanie rur okładzinowych do wierzchu otworu. Istnieją trzy typowe wielostopniowe technologie cementowania: - zwykłe cementowanie dwustopniowe, gdzie każdy stopień stanowi oddzielny zabieg; - dwa stopnie cementowania przebiegają jednocześnie jako zabieg ciągły; - trójstopniowe cementowanie, gdzie każdy stopień jest wykonywany jako oddzielny zabieg. Przy cementowaniu dwustopniowym wyposażenie rur okładzinowych jest konwencjonalne (but prowadnikowy, zawór zwrotny) jak również mufa dwustopniowego cementowania, zapuszcza się na spód otworu do określonej głębokości. Istnieje szereg konstrukcji muf dwustopniowego cementowania, więc istotnym zagadnieniem jest dokładne zapoznanie się z działaniem i obsługa wybranego typu mufy. W celu umożliwienia technicznego wykonania zabiegu cementowania dwustopniowego, produkowane są różne konstrukcje muf wielostopniowego cementowania. Po zatłoczeniu do przestrzeni pierścieniowej otworu drugiej porcji zaczynu cementowego przez mufę cementacyjną, wywiera się ciśnienie tłoczenia na klocek cementacyjny nacisk na przesuwną tuleję, która zasłania otwory przepływowe w mufie cementacyjnej (rys.1.2). 9 Rys 1.2. Schemat cementowania dwustopniowego Źródła: Opracowanie firma „Davis” Zabieg cementowania dwustopniowego można wykonać jako nieprzerwany zabieg lub po wytłoczeniu pierwszej porcji zaczynu cementowego należy otworzyć przepływowe mufy cementacyjne i płukać przez nie otwór. Do zalet tej metody zalicza się: - możliwość cementowania rur okładzinowych do wylotu otworu, - możliwość pozostawienia niezacementowanego odcinka otworu w dowolnym interwale, - zmniejszenie wielkości ciśnienia tłoczenia wywieranego przez agregat cementacyjny, - przeciwdziałanie utratom krążenia zaczynu cementowanego lub jego ucieczkom w porowate poziomy skał, w wyniku zwiększenia się ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy w otworze. Przy cementowaniu pierwszego stopnia mieszanie i przetłaczanie cieczy wyprzedzającej jak i też zaczynu cementowego jest podobne do zabiegu cementowania jednostopniowego. Po sporządzeniu zaczynu cementowego i jego ujednorodnieniu przez mieszanie w zbiorniku, uwalnia się w głowicy cementacyjnej klocek cementacyjny pierwszego stopnia po wtłoczeniu do rur okładzinowych cieczy wyprzedzającej. Za klockiem dolnym pierwszego stopnia, tłoczy się zaczyn cementowy oraz przybitkę o określonej objętości do momentu, aż wzrośnie ciśnienie tłoczenia sygnalizując dojście klocka cementacyjnego do pierścienia oporowego, zamontowanego powyżej zaworu zwrotnego. Po wykonaniu cementowania pierwszego stopnia, w głowicy cementacyjnej zwalnia się klocek cementacyjny, otwierający otwory przepływowe mufy cementacyjnej. Klocek cementacyjny przetłaczany w rurach okładzinowych zatrzymuje się na dolnym gnieździe mufy cementacyjnej. Następnie wywiera się ciśnienie cieczy w rurach okładzinowych aby ściąć sworznie mocujące dolną tuleję, która przesuwa się w dół odsłaniając otwory przepływowe. Nagły spadek ciśnienia tłoczenia wskazuje na otwarcie otworów przepływowych. Tą czynność można wykonać w dowolnym czasie po zakończeniu cementowania pierwszego stopnia. Zależy to od programu cementowania. Jeżeli planuje się pełne wypełnianie pozarurowej przestrzeni pierścieniowej otworu zaczynem cementowym, to część objętości zaczynu cementowego z pierwszego stopnia będzie znajdować się nad mufą cementacyjną i należy go wytłoczyć z przestrzeni pierścieniowej zanim rozpocznie się jego wiązanie. Z chwilą otwarcia otworów przepływowych w mufie cementacyjnej należy utrzymać płuczkę krążącą w otworze aż do ukończenia jej obróbki chemicznej dla regulacji parametrów. 10 Cementowanie trójstopniowe stosuje się w skałach o małej wytrzymałości oraz gdy występuje problem z korozją rur okładzinowych. Zasadniczo nie różni się ono do cementowania dwustopniowego, z tym że przewidziany jest dodatkowo trzeci stopień cementowania. 11 2. Wybór metody cementowania otworów kierunkowych W zależności od tempa przyrostu kąta skrzywienia otwory kierunkowe o końcowym poziomym odcinku podzielić można na trzy oddzielne grupy: - dużym promieniu - średnim promieni - małym promieniu kąta skrzywienia osi otworu Otwory kierunkowe o dużym przyroście kąta skrzywienia osi otworu (15 do 30 0/3,05 m) charakteryzują się małym promieniem krzywizny i małą długością odcinka otworu. Otwory kierunkowe o średnim przyroście kąta skrzywienia osi otworu (8 do 20 0/30,5m) mają średni promień krzywizny (91,4 do 213,5m) oraz poziomy odcinek otworu o długości do około 457 otwory kierunkowe o małym przyroście kąta skrzywienia osi otworu (3 do 8 0 /30,5m) i dużym promieniem krzywizny (900 – 2000m) mają długość poziomego odcinka otworu przewyższające często 1500. (Szostak, Chrząszcz i Wiśniowski 1999) Rys 2.1.Schemat otworów kierunkowych z końcowym poziomym odcinkiem. Źródła: Opracowanie własne na podstawie Szostak, Wiśniowski 1999r. i L. Szostak, W. Chrząszcz 1996 12 Obecnie większość otworów kierunkowych z poziomym odcinkiem nie jest cementowanych. Bardzo często poziomy odcinek otworu kierunkowego jest orurowany rurami okładzinowymi perforowanymi na powierzchni a w niektórych otworach rurami perforowanymi owiniętymi siatką z obsypką żwirową. W otworach poziomych roponośnych skała zbiornikowa powinna mieć dostateczną spójność i wytrzymałość dla przeciwdziałania zgniataniu i obsypywaniu. Poprzednia kolumna techniczna rur okładzinowych, która jest zapuszczana do otworu o dużym nachyleniu musi być dobrze zacementowana. Je8st to niezbędne w celu zabezpieczenia kolumny pośredniej przed wydobywanymi płynami i dla zapewnienia uszczelnienia między górnymi orurowanymi interwałami a wydobywczymi. Bardzo często, sposób udostępnienia i warunki wydobycia dyktuje potrzebę zapuszczania kolumny rur okładzinowych i jej uszczelnienie w produktywnym poziomie skał zbiornikowych z następujących powodów: - przy planowaniu zabiegów stymulacyjnych poszczególnych interwałów i warstw w wielu poziomach produktywnych; - przy przewidywaniu występowania problemów związanych z powstawaniem stożków wodnych lub gazowych, w następstwie usytuowania otworu zbyt blisko czapy gazowej lub wody podścielającej, może to być wynikiem utraty kontroli nad kierowanym wierceniem otworu 13p. spiralnym odwierceniem lub nawierceniem czapy gazowej przed wejściem w roponośny poziom skał zbiornikowych; - gdy aktualnie eksploatowany poziom skały zbiornikowej wymagać będzie docementowania pod ciśnieniem, w celu przeciwdziałania dopływowi niepożądanej wody lub gazu ziemnego. Typowy sposób orurowania otworu poziomego polega na całkowitym zacementowaniu kolumny rur traconych i wydzieleniu interwału perforacji. Inna metoda cementowania polega na uszczelnianiu kilku interwałów przy użyciu pakerów-uszczelniaczy rurowych i selektywne rozmieszczenie traconych rur perforowanych selektywnie później. Pakery rurowe napełnione cementem zapewniają lepsze długotrwałe uszczelnienie niż wypełnione płuczką. Pakery rurowe krótkie (o długości mniejszej jak 2 m) są łatwiejsze do cementowania i zapewniają lepszą izolacje niż pakery rurowe dłuższe typu konwencjonalnego. 13 2.1. Technologia cementowania otworów kierunkowych z poziomym końcowym odcinkiem Obecnie wiele firm zagranicznych wykonuje otwory kierunkowe z poziomym odcinkiem nie zważając na zwiększony koszt ich wykonawstwa. Stosowana standardowa metoda wiercenia otworów kierunkowych z poziomym odcinkiem umożliwia uzyskanie maksymalnego przyrostu kąta skrzywienia osi otworu kierunkowego: dla otworów o promieniu krzywizny od 900 do 3000 m, od 20 do 60 na długości 30,5 m, przy czym długość poziomego odcinka otworu może wynosić od 600 do 1500 m; dla otworu o promieniu krzywizny do 90 do 220 m, od 80 do 200 na długości 30,5, przy czym długość poziomego odcinka otworu może wynosić od 90 do 230 m. (Wiśniowski 2002) Stwierdzono, że przed cementowanie poziomych odcinków otworu, należy wpierw zapiąć paker uszczelniając wypełniony zaczynem cementowym na odcinku intensywnego przyrostu kąta skrzywienia osi otworu. Należy przy tym użyć wysokojakościowego zaczynu cementowego, który po związaniu odznaczałby się duża granicą wytrzymałości na zgniatanie kamienia cementowego, nie niższą do 29,4 MPa po 24 godzinach. Przy cementowaniu poziomych odcinków otworu zaleca się użycie zaczynu cementowego o właściwościach tiksotropowych, który powinien efektywniej wypierać płuczkę z przestrzeni pierścieniowej otworu przy burzliwym charakterze przepływu, przy czym różnica gęstości zaczynu cementowego i płuczki powinna być minimalna. Przy projektowaniu parametrów reologicznych zaczynu cementowego należy dążyć do uzyskania zaczynu cementowego o małej filtracji i minimalnej (zerowej) zawartości wody wolnej. Przy cementowaniu rur okładzinowych w poziomych odcinkach otworu, wykorzystuje się pakiet uszczelniający, którego element uszczelniający zapina się w otworze za pomocą wtłaczania zaczynu cementowego, lub przez obrót odcinka kolumny rur okładzinowych zapomoga specjalnej głowicy i kierunkowego urządzenia napędowego, zapuszczonego na rurach płuczkowych lub na rurach wydobywczych. Przy cementowaniu poziomych odcinków otworu spotykane są komplikacje związane bezpośredni z trudnościami występującymi przy wierceniu poziomego odcinka otworu. W celu ich unikania należy znać rodzaj płynu złożowego przypływającego do otworu z przewiercanego poziomu skały zbiornikowej. Efektywność wykonania zabiegu cementowania zależy do stopnia wytłaczania płuczki z przestrzeni pierścieniowej otworu przez zaczyn cementowy, uwarunkowanego przez utrzymywanie optymalnych właściwości tiksotropowych zaczynu oraz minimalnych wielkości 14 lepkości pozornej płuczki, ilorazu granicy płynięcia i lepkości plastycznej oraz zwiększenia gęstości płuczki. Skuteczność cementowania rur okładzinowych w otworach kierunkowych pochyłych i w odcinkach poziomych, polepsza się w przypadku dokładniejszego wytłoczenia płuczki z przestrzeni pierścieniowej otworu przez zamontowanie na kolumnie rur okładzinowych centralizatorów, których ilość w kolumnie rur okładzinowych praz miejsce ich usytuowania, określa się metodą modelowania i obliczeń na EMC. Przy projektowaniu parametrów reologicznych zaczynów cementowych należy dążyć do ograniczenia do minimum jego gęstości i granicy płynięcia, przy konieczności uzyskania minimalnej zawartości wody wolnej w zaczynie cementowym. W warunkach laboratoryjnych i przemysłowych stwierdzono, że optymalne skojarzenie tych parametrów reologicznych, można uzyskać przez stosowanie spienionych zaczynów cementowych oraz zaczynów cementowych zawierających mikrosfery ceramiczne, zapewniając przy tym stałą kontrolę filtracji zaczynu cementowego i określonej granicy wytrzymałości na zgniatanie kamienia cementowego. Doświadczenia przemysłowe wykazują, że w otworach kierunkowych wierconych z poziomym odcinkiem, faza stała z płuczki sedymentuje na dolnej ścianie otworu kierunkowego. Może ona być powodem nieefektywnego wytłoczenia płuczki z przestrzeni pierścieniowej otworu przez zaczyn cementowy i powstania w otworze kanałów cemencie na znacznej długości. Nadmiar wody w zaczynie cementowym może powodować powstanie kanałów wodnych w górnej części przestrzeni pierścieniowej otworu. Im większy kąt skrzywienia osi otworu tym większe powstają kanały w cemencie wypełnione płuczką, a tym samym pogarsza się jakość uszczelniania skał zbiornikowych przez cementowanie rur okładzinowych w otworach kierunkowych. Analogicznie kanały zawodniona powstają w związanym cemencie w górnej części przestrzeni pierścieniowej otworu. Tego typu kanały wypełnione płuczka lub wodą nie występują w przypadku prawidłowo dobranej receptury zaczynu cementowego i przy efektywnym wytłoczeniu płuczki z przestrzeni pierścieniowej otworu. W otworach pionowych stwierdzono, że skutecznemu cementowaniu i efektywnym uszczelnianiu skał zbiornikowych sprzyja współosiowe koncentryczne usytuowanie kolumny rur okładzinowych w otworze, mała wielkość granicy płynięcia płuczki, zwiększone prędkości zatłaczania zaczynu cementowego, w celu uzyskania burzliwego charakteru przepływu zaczynu cementowego oraz dokładnego wypłukania otworu przed zabiegiem cementowania rur okładzinowych. Znaczna ilość tych czynników polepszają skuteczność cementowania odnosi się również do otworów kierunkowych i wierconych z poziomym odcinkiem 15 W wyniku prac laboratoryjnych i badań przemysłowych, wykonywanych w otworach kierunkowych stwierdzono, że tworzenie się kanałów płuczkowych z fazą stałą wzdłuż dolnej ściany otworu, można wyeliminować przez prawidłowy dobór właściwości i parametrów reologicznych płuczki, stosowanie centralizatorów, manewrowanie w kierunku pionowym rur okładzinowych lub jej obracanie oraz efektywne wypłukanie otworu poprzedzające zabieg cementowania rur okładzinowych w otworze. Występowania w otworze kanałów płuczkowych z fazą stałą na znacznej długości, pogarsza zdolność wytłoczenia płuczki przez ciecz poprzedzającą i zaczyn cementowy, a więc dyskwalifikuje cel cementowania utworzenie wokół kolumny rur okładzinowych równomiernej grubości płaszcza z kamienia cementowego oraz wyeliminowania zjawiska pozarurowego przepływu gazu ziemnego. Brak szczelności przestrzeni pierścieniowej pozarurowej może spowodować migrację gazu ziemnego, korozję i urwanie kolumny rur okładzinowych, utratę kontroli ciśnienia w otworze a przywrócenie szczelności otworu wymaga znacznych kosztów przy zwiększonym ciśnieniu tłoczenia. Na podstawie prac doświadczalnych stwierdzono że: występuje określona wielkość granicy wytrzymałości strukturalnej i granicy płynięcia płuczki, poniżej której tworzą się kanały płuczkowe z fazą stałą; wielkość granicy wytrzymałości strukturalnej i granicy płynięcia płuczki, konieczna dla przeciwdziałania tworzeniu się kanałów płuczkowych z fazą stałą, zmniejsz się w miarę jak maleje kąt skrzywienia osi otworu kierunkowego. Manewrowanie w kierunku pionowym kolumny rur okładzinowych oraz jej obracanie nie powoduje zauważalnego efektywniejszego wytłoczenia płuczki z przestrzeni pierścieniowej na odcinku występowania skał przepuszczalnych, jednak gdy użyte zostaną skrobaki osadu iłowego i centralizatory, wówczas wytłoczenie płuczki z przestrzeni pierścieniowej przez zaczyn cementowy, znacznie się polepsza. 2.2. Dobór właściwości płuczki i zaczynu cementowego. Głównym problemem technologicznym, wpływającym na skuteczność cementowania rur okładzinowych w poziomych odcinkach otworów kierunkowych, jest dobór płuczek o takich parametrach reologicznych i charakterystyce zdolności transportu zwiercin i cząstek fazy stałej, które eliminowałyby do minimum nagromadzenia się fazy stałej w dolnej części przestrzeni pierścieniowej otworu poziomego. 16 Sedymentacja zwiercin i cząstek materiału obciążającego płuczkę, zależy do granicy płynięcia i wytrzymałości strukturalnej płuczki. Przy wierceniu otworów kierunkowych najczęściej używa się płuczek, będących odwrotną emulsją ropną lub olejową, które zapewniają dobrą stabilność skał tworzących ścianę otworu i sprzyjają efektywnemu wynoszeniu zwiercin w czasie płukania i wiercenia otworu. Użycie do wiercenia płuczek na osnowie wodnej powoduje często obwały ściany otworu poziomego i zatykanie urobkiem skalnym przestrzeni porowo-szczelinowej skały zbiornikowej. Dla unikania tych wad do płuczek sporządzonych na osnowie wody, dodaje się środki smarne i elektrolity. Modelowania procesu cementowania rur okładzinowych w otworach kierunkowych i w poziomych odcinkach otworu wykazało, że w celu skutecznego uszczelniania poziomu produktywnego należy uwzględnić dwa ważne czynniki: konieczność uzyskania zaczynu cementowego o takiej jakości i parametrach reologicznych, aby zawartość wody wolnej w zaczynie cementowym była bliska zeru, co eliminuje w dużym stopniu tworzenie się kanałów wodnych w górnej części przestrzeni pierścieniowej cementowanego poziomego odcinka otworu; pomiar procentowej zawartości wody wolnej w zaczynie cementowym wykonany wg norm API jest mało przydatny dla warunków cementowania rur okładzinowych w poziomych odcinkach otworów kierunkowych. Określenie wg norm API zawartości około 1% wody wolnej w zaczynie cementowym, wykazuje wzrost do 9% wody wolnej w pochyłym lub poziomym odcinku otworu kierunkowego w warunkach wysokich temperatur. Na jakość cementowania rur okładzinowych w poziomych odcinkach otworów kierunkowych, oprócz zatłaczania do otworu, przed zaczynem cementowym, cieczy wyprzedzającej, wpływają również właściwości i parametry reologiczne płuczki, będące odwrotną emulsją ropną lub olejową. Płuczka ta zapewnia minimalne ucieczki jej w warunkach występowania skał porowo-szczelinowych, przez wyeliminowanie dehydratacji w przestrzeni pierścieniowej otworu pionowego oraz utworzenia się na ścianie otworu mało przepuszczalnego osadu iłowego. Faza ropno-olejowa płuczki zapewnia również stabilność skał tworzących ścianę otworu poziomego, oraz właściwości smarne w czasie wiercenia otworu. Przy cementowaniu rur okładzinowych odwrotna emulsja ropno-olejowa wpływa na odspajanie kamienia cementowego od powierzchni zwilżonej ropą naftową lub olejem. W celu usunięcia z otworu odwrotnej emulsji ropnej, wytłacza się wytłacza się ją cieczą wyprzedzającą buforową, która przy dodatku do niej środków powierzchniowo-czynnych, powoduje że zwilżanie powierzchni skał i rur okładzinowych następuje wodą. 17 Ciecz wyprzedająca buforowa składa się z 1,6 m3 ropy naftowej, zawierającej 1% SPC oraz 1,6 m3 wody. Anionowy środek powierzchniowo-czynny jest cieczą roztwarzaną w ropie naftowej. Może być stosowany również anionowy SPC, roztwarzany w wodzie jak i w ropie naftowej. Optymalne warunki cementowania rur okładzinowych w otworach kierunkowych z poziomym odcinkiem są następujące: 1) Ilość wody wolnej, zawartej w zaczynie cementowym powinna być jak najmniejsza (zaleca się 0%). 2) Ciecz wyprzedzająca buforowa powinna odpowiadać typowi i jakości płuczki wiertniczej. 3) Efektywne oczyszczanie poziomego odcinka otworu ze zwiercin i osadu ilastego, zależy od wielkości prześwitu technologicznego między ścianą otworu poziomego a rurami okładzinowymi. Kanały płuczkowe z faza stałą mogą powstawać w kamieniu cementowym w dolnej części otworu poziomego, jeżeli nie uzyska się efektywnego wypłukania otworu przed zabiegiem cementowania. Na całej długości poziomego odcinka otworu należy umieszczać na rurach okładzinowych centralizatory, określając ich ilość dla danej średnicy otworu oraz miejsca ich usytuowania, na podstawie modelowych obliczeń na EMC. 18 3. Wybór i typy urządzeń wiertniczych stosowanych przy cementowaniu i rurowaniu otworów kierunkowych 19 4. Uzbrajanie i wyposażenie techniczne rur okładzinowych. W celu prawidłowego wykonywania uszczelnienia przestrzeni pierścieniowej pomiędzy ścianą otworu a kolumna rur okładzinowych oraz zapewnienia konstrukcji obudowy otworu wiertniczego odpowiednich właściwości wytrzymałościowych stosuje się specjalistyczne wyposażenie i uzbrojenie techniczne kolumny rur okładzinowych. Przez wyposażenie kolumny rur okładzinowych rozumie się te wszystkie elementy, które mają zapewnić prawidłowe, bezawaryjne przeprowadzanie zabiegu cementowania. Elementem uzbrojenia są urządzenia techniczne, które można zakładać na kolumnę rur lub w nią wbudowywać w celu zwiększenie skuteczności uszczelniania pozarurowej przestrzeni pierścieniowej. W wyniku wieloletniej praktyki opracowane zostały różne rozwiązania konstrukcyjne poszczególnych elementów wchodzących w skład wyposażenia i uzbrojenia technicznego rur okładzinowych, a dobór odpowiedniego zestawu elementów osprzętu kolumny rur okładzinowych zależy do warunków geologicznych, techniczno-technologicznych i ekonomicznych wykonywania otworu wiertniczego należy już w fazie projektowej przewidzieć lokalizacji poszczególnych elementów wyposażenia i uzbrojenia technicznego kolumny rur okładzinowych. Dlatego też na rysunku 4.1 przedstawiłem podstawowe zalecenia dotyczące rozmieszczenia osprzętu kolumny rur okładzinowych. Rys 4.1 Zasady rozmieszczania wyposażenia i uzbrojenia kolumny rur okładzinowych Źródła: Opracowanie własne 20 Typowe wyposażenie kolumny rur okładzinowych zawiera: 1. But rur okładzinowych znajdujący się w dolnym końcu rury okładzinowej. Każda kolumna rur okładzinowych powinna być zakończona butem. Buty samonapełniające zleca się stosować w zasadzie tylko w bardzo długich pośrednich kolumnach rur okładzinowych (300 m i dłuższych). Ich zastosowanie jest również wskazane w przypadku bardzo małych prześwitów między ścianą otworu a rurami, przy dużej wytrzymałości strukturalnej płuczki oraz w warunkach dużego zagrożenia szczelinowania skał i ucieczką płuczki. 2. Zawór zwrotny znajdujący się w bucie lub nad butem rur okładzinowych. Zaleca się stosować, gdy długość kolumny rur przekracza 300 m. W przypadku cementowania kolumny prowadnikowej i krótkich kolumn pośrednich, jak też przy małej różnicy gęstości zaczynu cementowego i przybitki nie jest konieczne użycie dodatkowego zaworu zwrotnego, poza znajdującym się w bucie kolumny. Natomiast kolumny eksploatacyjne oraz długie (ponad 3000 m) i cementowane na długich odcinkach kolumny pośrednie powinny mieć dwa lub trzy zawory zwrotne. Poza zaworami w bucie rur, drugi zawór zwrotny powinien być umieszczony bezpośrednio nad pierwszą rurą nad butem. 3. Pierścień oporowy umieszczony ponad ostatnim (głównym) zaworem zwrotnym, 20÷30 m od buta rur przy cementowaniu z jednym klockiem. Jeżeli stosuje się dwa lub trzy dodatkowe zawory, wskazane jest użycie zaworu głównego o konstrukcji umożliwiającej spełnienie roli pierścienia oporowego. Zmniejsza się wtedy wysokość korka cementowego i liczba elementów zwiercanych po cementowaniu. 4. Klocki cementacyjne stosowane są jako półsztywna przegroda dla oddzielenia zaczynu cementowego od płuczki, oczyszczenia wewnętrznej powierzchni rur okładzinowych z płuczki oraz służą dla wskazania kiedy zatłaczanie zaczynu cementowego do otworu zostało zakończone. Klocki cementacyjne standardowo są obecnie wykonywane z elastomerów wulkanizowanych ze zwiercalnym rdzeniem z aluminium, żeliwa lub plastiku. 5. Łączniki bezpieczeństwa umieszczone ponad ostatnim górnym zaworem zwrotnym. Stosowane przy uszczelnianiu kolumny rur okładzinowych o długości większej od 2000 m oraz w przypadku stosowania zaczynu cementowego z dodatkiem środków tamponujących lub materiałów obciążających, kiedy istnieje zagrożenie zatkania się dróg przepływu (zaworu zwrotnego). 6. Centralizatory rozmieszczone są na rurach okładzinowych: - nad butem rur okładzinowych, 21 - w strefie złożowej nad i pod tą strefą, - pod włącznikiem kolumny traconej, - pod łącznikiem sekcji rur oraz nad butem poprzedniej kolumny, - w miejscach wyznaczonych na podstawie obliczeń ugięcia centralizowanych odcinków rur okładzinowych i sił działających na elementy konstrukcyjne centralizatorów rur okładzinowych. W celu usztywnienia dolnej części kolumny rur okładzinowych zaleca się stosowanie po dwa centralizatory na pierwszych 2-3 rurach okładzinowych. Centralizatory należy rozmieszczać w taki sposób, aby nie przekraczać dopuszczalnych wartości sił odporowych elementów sprężynujących centralizatorów i równocześnie zapewnić minimalna wartość prześwitu promieniowego pomiędzy ścianą otworu a ugiętą kolumną rur okładzinowych Norma API 10D. w krzywoliniowych odcinkach otworu należy unikać stosowania centralizatorów kadłubowych. W odcinkach otworu o bardzo dużej krzywiźnie zaleca się stosowanie centralizatorów odpinanych. Przy stosowaniu centralizatorów sprężystych konieczny jest właściwy dobór geometrii elementów sprężynujących, tak aby zapewnić pełne przyleganie prowadnika do ściany otworu. 7. Skrobaki i wycieraki osadu iłowego stosowane: - w dolnej części kolumny rur, - w strefie złożowej. Szczególnie gęsto należy rozmieszczać skrobaki na 2-3 rurach nad butem w celu wzmocnienia płaszcza cementacyjnego i zapobiegnięciu obruszenia kolumny przy nabieraniu krzywizny nowym narzędziem wiercącym. 8. Mufy cementowania wielostopniowego lokalizacja wynika z warunków geologicznotechnologicznych i centralizatorów. Przyjmuje się jako zasadę lokalizację mufy cementacyjnej w kilkunastometrowej, nie skawernowanej strefie skał nieprzepuszczalnych. 4.1. Rozmieszczenie centralizatorów na kolumnie rur okładzinowych w otworach kierunkowych Centralizatory stosowane są w celu współosiowego zapuszczenia kolumny rur okładzinowych w otworze wiertniczym oraz przeciwdziałania przemieszczenia się odcinków rur w kierunku prostopadłym do osi otworu w trakcie wykonywania zabiegu cementowania. W wyniku wieloletnich doświadczeń opracowano szereg typów centralizatorów rur okładzinowych różniących się między sobą stosowanymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi 22 (32,31,71,85). Niezależnie od rodzaju użytych centralizatorów racjonalnie ich rozmieszczenie w kolumnie rur okładzinowych i efektywność uszczelniania poziomów produktywnych. Aby określić liczbę niezbędnych centralizatorów oraz ustalić odległości pomiędzy nimi, należy dokonać analizy rozkładu sił działających na centralizowaną kolumnę rur okładzinowych w punktach centralizacji oraz ugięcia poszczególnych odcinków rur okładzinowych. Prawidłowe zaprojektowanie centralizacji kolumny rur okładzinowych powinna zapewniać bezawaryjne zapuszczanie kolumny rur w kierunku prostopadłym do osi otworu wiertniczego oraz przeciwdziałać przemieszczaniu się odcinków rur w kierunku prostopadłym do osi otworu w trakcie wykonywania zabiegu cementowania. Przy ustaleniu odległości pomiędzy centralizatorami sprężynowymi należy uwzględniać następujące ograniczenia: - dopuszczalną wartość siły odporowej przenoszonej przez sprężynujące elementy stosowanego centralizatora; - maksymalną wartość strzałki ugięcia centralizowanej kolumny rur okładzinowych, gwarantującą sprawne przeprowadzanie procesu cementowania oraz właściwe wypełnianie zaczynem cementowym uszczelnianej przestrzeni pierścieniowej. Przeprowadzając obliczenia centralizacji kolumny rur okładzinowych, powinno się możliwie precyzyjnie zdefiniować założenia projektowe. W tym celu należy określić przebieg trajektorii osi otworu wiertniczego. Na etapie projektu konstrukcji otworu kierunkowego przyjmuje się obliczone wartości kątów odchylenia od pionu i azymutów, stycznych do planowej osi otworu kierunkowego w poszczególnych punktach trajektorii. Sporządzając projekt wykonawczy centralizacji kolumny rur okładzinowych, należy przyjąć rzeczywisty przebieg odwiercanego otworu wiertniczego ustalony w wyniku profilowania inklinometrem wgłębnym. Na podstawie uzyskanych doświadczeń z dotychczas przeprowadzonych symulacji należy stwierdzić, że im większa jest częstotliwość pomiaru wartości kąta odchylenia od pionu i azymutu trajektorii osi otworu wiertniczego w funkcji głębokości otworu, tym częściej wyniki przeprowadzonej centralizacji można uznać za zbliżone do optymalnych. Teza powyższa wynika z faktu konieczności interpolacji przebiegu trajektorii pomiędzy punktami pomiarowymi. Wykorzystane w praktyce metody interpolacji (stycznej, stycznej wyrównanej, średnich kątów, minimalnej krzywizny, promienia krzywizny, Mercury’ego i inne) są tym dokładniejsze, im mniejsza jest odległość pomiędzy punktami pomiarowymi. (Wiśniowski 2002) Drugim zagadnieniem wpływającym na dokładność centralizacji jest właściwe określenie rzeczywistej średnicy otworu wiertniczego. W fazie projektowania otworu 23 kierunkowego, dla nieorurowanych odcinków otworu kierunkowego, jak średnicę otworu można przyjmować wartość średnicy narzędzia wiercącego użytego podczas wiercenia otworu pod projektowaną kolumnę rur okładzinowych. W praktyce wiertniczej projekt wykonawczy rozmieszczenia centralizatorów rur okładzinowych sporządza się po przeprowadzeniu pomiarów średnicy w odwierconym otworze kierunkowym. Uwzględniając bowiem rzeczywiste zmiany średnicy otworu kierunkowego, można ustalić typy centralizatorów oraz racjonalne określić rozmieszczenie ich na rurach okładzinowych. Doświadczenia praktyczne wskazują, że z im mniejszym skokiem głębokościowym wykonuje się profilowanie średnicy, tym dokładniej będzie można określić rzeczywistą wartość prześwitu promieniowego oraz ustalić warunki istnienia podpory w miejscu umieszczenia danego centralizatora. Trzecią grupę założeń projektowych centralizacji stanowią dane technicznotechnologiczne obejmujące: - dane centralizowanych rur okładzinowych, tj.: średnicę zewnętrzną, średnicę wewnętrzną, długość oraz ciężar jednego metra poszczególnych sekcji rur okładzinowych; - dane możliwych do zastosowania centralizatorów, tj.: typ (stały sprężynowy), maksymalną średnicę zewnętrzną, minimalną średnicę ściśniętego centralizatora, dopuszczalna wartość siły bocznej nie powodującej zniszczenia centralizatora; - wartość ciężaru właściwego płuczki stosowanej podczas orurowania otworu oraz maksymalny ciężar właściwy płynów stosowanych w trakcie zabiegu cementowania kolumny rur okładzinowych. Przy projektowaniu rozmieszczenia centralizatorów rur okładzinowych w otworze kierunkowym powinno zapewniać się takie warunki, aby dla każdego centralizatora wartość siły bocznej oraz wartość ugięcia odcinków kolumny rur okładzinowych nie przekraczały wartości dopuszczalnych. (Wiśniowski 2002) Dopuszczalna wartość sił bocznych działających na centralizatory rur okładzinowych przedstawia tabela 4.1. 24 W wyniku działania sił oraz momentów gnących odcinek kolumny rur okładzinowych podpartych dwoma centralizatorami ulega ugięciu (rys.4.2 ). Na skutek ugięcia zmniejsza się odległość pomiędzy ścianą otworu a rurą okładzinową. Wartość ta określana jest jako prześwit promieniowy i wyznaczana z zależności: PP Ro Rr C f gdzie: PP – prześwit promieniowy [m]; Ro - promień otworu kierunkowego [m]; Rr - promień zewnętrzny rur okładzinowych [m]; C - kompresja centralizatora [m]; f - wartość przemieszczenia elementu ugięcia osi kolumny rur okładzinowych w stosunku do osi otworu kierunkowego [m]. Tabela 4.1. Zestawienia dopuszczalnych wartości sił bocznych działających na elementy centralizatorów rur okładzinowych Średnica zewnętrzna rur Średni ciężar jednostkowy Dopuszczalna wartość siły bocznej okładzinowych rur okładzinowych działającej na centralizatory cale m N/m N 4 1/2 0,114 170 2064 5 0,127 190 2313 5 1/2 0,140 227 2758 6 5/8 0,168 350 4270 7 0,178 380 4626 7 5/8 0,194 386 4697 8 5/8 0,219 526 6405 9 5/8 0,244 585 7117 10 3/4 0,273 746 4537 11 3/4 0,298 789 4804 13 5/8 0,340 891 5427 16 0,406 950 5783 18 5/8 0,473 1278 7784 20 0,508 1373 8363 Źródła: Wiśniowski 2002r. 25 Rys 4.2. Zależności geometryczne umożliwiające wyznaczenie prześwitu promieniowego Źródła: Wiśniowski 2002r. Wartości prześwitu promieniowego nie może być zbyt mała ze względu na pojawiające się problemy związane z cementowaniem kolumny rur okładzinowych. Na podstawie wieloletnich doświadczeń uzyskanych przy cementowaniu kolumny rur okładzinowych ustalono, że minimalna wartość prześwitu promieniowego ugiętego odcinka kolumny rur okładzinowych nie powinna być mniejsza niż 67% różnicy promienia otworu i zewnętrznego promienia rur okładzinowych. 4.2. Buty i zawory zwrotne Buty rurowe prowadnikowe są najprostszą konstrukcją butów rurowych. Nie zawierają zaworów zwrotnych lub narzędzi do ukierunkowania przepływu zaczynu cementowego. Zadaniem butów rurowych prowadnikowych jest ochrona od uszkodzenia dolnej krawędzi rury okładzinowej i ułatwianie przejścia kolumny rur przez wręby i inne przeszkody w otworze. Zwykłe buty rurowe prowadnikowe nie mają zaokrąglonego podtoczenia, więc nie zaleca się ich stosować w otworach w otworach skrzywionych. Buty rurowe prowadnikowe mają różne kształty w dolnej części i często otwory boczne, aby kolumna rur okładzinowych mogła być oparta o dno otworu i wówczas zaczyn cementowy może przepływać przez otwory boczne usytuowane w bucie rurowym 26 prowanikowym. Otwory boczne polepszają wypieranie płuczki z przestrzeni pierścieniowej i umożliwiają płukanie otworu, w celu zapobiegania przychwyceniom kolumny rur okładzinowej. Buty rurowe prowadnikowe wyposażone są często w zawory zwrotne zwane często zaworami pływakowymi lub w zawory zwrotne pływakowe do automatycznego napełniania płuczką kolumny rur okładzinowych w czasie zapuszczania jej na spód otworu. Zawory zwrotne pływakowe zmniejszają obciążenie na haku wiertniczym od ciężaru podwieszonej kolumny rur okładzinowych, ze względu na wyporność kolumny rur okładzinowych w płuczce. W czasie zapuszczania kolumny rur okładzinowych ich wyporność reguluje się przez napełnianie kolumny rur okładzinowych cieczą (płuczką) od góry, które wykonuje się co 50 do 100 m, przy większych średnicach lub przy cienkościennych rur okładzinowych, aby zapobiec ich zgnieceniu. 4.3. Skrobaki i wycieraki osadu iłowego Skrobaki osadu iłowego mocowane na rurach okładzinowych, w powiązaniu z centralizatorami, wpływają pozytywnie na usuwanie ze ściany otworu osadu iłowego oraz z żelowanej lub odfiltrowanej płuczki, która przy braku tych narzędzi pozostałaby nieruchoma w przestrzeni pierścieniowej otworu. 27 5. Zapuszczanie rur okładzinowych jako pierwszy etap właściwego uszczelniania otworu 5.1. Ilość płuczki w otworze 28 6. Badania laboratoryjne oparte przy przepływie zaczynu przez rury i przestrzeń pierścieniową 29 7. Komputerowe wspomaganie procesu zapuszczania rur okładzinowych przy otworach kierunkowych 30 8. Cel wykonywania zabiegów uszczelniających 31 9. Metody uszczelniania 9.1. Uszczelnianie metodą wtrysku masy plastycznej Jest to metoda uszczelniania instalacji ciśnieniowych bez ich wyłączania z ruchu. Zaletą metody jest jej stosunkowo duża wszechstronność, możliwość stosowania przy stosunkowo wysokich ciśnieniach i temperaturach, duży zakres mediów. Do wad należy zaliczyć koszt oraz stosunkowo długi czas uszczelniania. Metoda ta jest więc przydatna szczególnie tam gdzie zatrzymanie instalacji jest niemożliwe lub związane z dużymi kosztami. Najbardziej znane na naszym rynku są dwie firmy propagujące ten rodzaj uszczelniania Angielska z oddziałem w Niemczech Furmanite i Francuzka Petroseal. Pierwsze próby w Polsce prowadzone były w Stacji Ratownictwa Chemicznego Petrochemii Płock w oparciu o produkowane w kraju masy. Zakres temperaturowy ich stosowania ograniczał się w zasadzie do ok. 2000 C. Zagraniczne masy pozwalają zwiększyć ten zakres do 7000 C a ciśnienie do 240 bar. Metodą tą można uszczelnić nieszczelne połączenia kołnierzowe, pokrywy zaworów, nieszczelne dławiki zaworów, nieszczelności na rurociągach i ich rozgałęzieniach oraz wiele innych przypadków. Technologia uszczelniania polega na wstępnym ograniczeniu wycieku w celu zmniejszenia szczelin a następnie wstrzyknięciu w okolicę nieszczelności masy plastycznej dostosowanej do medium i temperatury. Masa ta wytwarza wewnątrz połączenia nową elastyczną uszczelkę wypełniającą wszystkie wolne przestrzenie. Ograniczenie wycieku uzyskujemy stosując obejmy, uszczelnienie drutem, specjalnie spreparowane boksy itp. Wstrzykiwanie masy wykonywane jest metodą hydrauliczną pod dużym ciśnieniem za pomocą specjalnych adapterów pozwalających na ich zamknięcie w każdym momencie. Metodyka wykonania uszczelnienia pozwala zamontować adaptery w miejscach pozostających pod ciśnieniem. W momencie wstrzykiwania masy zwiększa się jednak obciążenie połączenia kołnierzowego. Dlatego konieczna jest niekiedy wymiana uszkodzonych śrub lub stosowanie dodatkowych ścisków zabezpieczających połączenie. Pracownicy stosujący tę metodę powinni być jednak dobrze zapoznani z technologią a szczególnie z warunkami BHP. Pożądane jest także posiadanie kwalifikacji ratownika chemicznego. Z własnych doświadczeń po kilku latach stosowania metody na licencji Furmanite mogę stwierdzić że jest ona bardzo skuteczna. Tylko niewielki procent nieszczelności nie kwalifikował się do jej zastosowania. 32 10. Charakterystyka środowiska panującego w otworze wiertniczym 10.1. Analiza ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną ścianą otworu wiertniczego a rurami płuczkowymi lub okładzinowymi. Podczas przepływu płuczki wiertniczej konieczna jest znajomość wielkości ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną ścianą otworu wiertniczego a rurami płuczkowymi lub zapuszczaną kolumną rur okładzinowych. Zbyt duża wartość ciśnienia może spowodować zaniki płuczki wiertniczej w otaczające skały, zbyt mała natomiast może być powodem niekontrolowanego przypływu płynu złożowego do otworu wiertniczego. Analizując przepływ płynów wiertniczych poszczególnych procesów wiercenia, rurowania oraz podczas zabiegu cementowania, wielkość ciśnienia w nierurowanej przestrzeni pierścieniowej należy obliczać ze wzoru: p p ph pd gdzie: pp – ciśnienie w przestrzeni pierścieniowej [Pa]; ph – ciśnienie hydrostatyczne [Pa]; pd – ciśnienie związane z dynamiką przepływu płynu w przestrzeni pierścieniowej [Pa]. Wielkość ciśnienia hydrostatycznego ph określa się za pomocą zależności: ph g h Składowa dynamiczna pd równania związana jest z ruchem płuczki wiertniczej w przestrzeni pierścieniowej. W celu jej wyznaczenia należy rozważać: Opory hydrauliczne przepływających płynów wiertniczych podczas wiercenia otworu (płuczka wiertnicza) lub przeprowadzania zabiegu uszczelniania przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną ścianą otworu a kolumną rur okładzinowych (płuczka wiertnicza, ciecz buforowa, zaczyn uszczelniający); Opory hydrauliczne powstające w wyniku zjawiska tłokowania oraz siły bezwładności cieczy generowane podczas operacji zapuszczania i wyciągania przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych. Siły bezwładności powstające w trakcie uruchamiania pracy pomp płuczkowych. 33 W trakcie wiercenia lub przeprowadzania zabiegu uszczelniania przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną ścianą otworu a kolumną rur okładzinowych jej wartość wyznacza się jako sumę oporów przepływu płynów wiertniczych liczonych od danego miejsca przestrzeni pierścieniowej do punktu wypływu płynu z otworu wiertniczego. W trakcie rozruchu pomp składową pd określać należy z warunku bezwładności płynu wiertniczego. W procesie zapuszczania i wyciągania przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych z zamkniętym dolnym końcem (zaworem zwrotnym), wielkość składowej pd należy określać uwzględniając zjawisko zapuszczania lub hamowania przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych. Powstające w przestrzeni pierścieniowej ciśnienie nie może przekraczać wartości ciśnienia szczelinowania skał stanowiących nieorurowaną ścianę otworu wiertniczego. p p p sz 10.2. Wyznaczenie wielkości zmian ciśnienia płynów wiertniczych w trakcie wiercenia lub przeprowadzania zabiegu uszczelniania przestrzeni pierścieniowej. Podczas wiercenia lub przeprowadzania zabiegu uszczelniania przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną ścianą otworu a kolumną rur okładzinowych przepływający płyn wiertniczy powoduje przyrost ciśnienia o wielkość p b. Wielkość ta jest równa sumie oporów przepływu płynów wiertniczych liczonych od danego miejsca przestrzeni pierścieniowej do punktu wypływu płynu z otworu wiertniczego. Wartość pd zależy od przyjętego modelu reologicznych tłoczonego płynu, strumienia objętości przepływu, charakteru przepływu oraz geometrii i właściwości fizycznych elementu, w którym przepływ się odbywa. Algorytm wyznaczania oporów przepływu w przestrzeni pierścieniowej dla zadanego strumienia objętości przepływu jest następujący: - Przyjmuje się strumień objętości przepływu płynu wiertniczego. - Ustala się model reologiczny płynu wiertniczego [Wiśniowski]. - Wyznacza się parametry geometryczne poszczególnych elementów cyrkulacyjnych (długość, średnice zewnętrzną, średnicę wewnętrzną). - Dla każdych elementu cyrkulacyjnego określa się: - Średnia prędkość przepływu płynu wiertniczego - Charakter przepływu: 34 - W zależności od przyjętego modelu reologicznego płynu ustala się: liczbę Reynoldsa lub uogólnioną liczbę Reynoldsa; - W zależności od przyjętego modelu reologicznego płynu: krytyczną liczbę Reynoldsa, liczbę Hedstroma, lub krytyczną uogólnioną liczbę Reynoldsa; - Wielkość oporów hydraulicznych. - Oblicza się sumę oporów hydraulicznych w poszczególnych elementach cyrkulacyjnych od danego punktu do wylotu otworu. - Średnia prędkość przepływu płynu wiertniczego Średnia prędkość przepływu płynu wiertniczego w poszczególnych elementach cyrkulacyjnych przestrzeni pierścieniowej wyznacza się ze wzoru v śr 4Q ( D02 d z2 ) W celu ustalenia charakteru przepływu dla poszczególnych modeli reologicznych płynów porównuje się liczbę Reynoldsa (Re) lub uogólnioną liczbą Reynoldsa z ich wartościami krytycznymi Rekr,. W przypadku gry liczba Reynoldsa lub uogólnioną liczbą Reynoldsa jest mniejsza od wartości krytycznej należy stosować zależności umożliwiające obliczenie oporów laminarnego przepływu płynu. W przeciwnym wypadku należy wykorzystywać wzory dla przepływu turbulentnego. Wartość liczby Reynoldsa płynu przemieszczającego się w przestrzeni pierścieniowej wyznaczać należy ze wzoru: Re v śr ( D0 d z ) W zależności od przyjętego modelu reologicznego płynu wiertniczego w celu ustalenia krytycznej liczby Reynoldsa stosuje się różne procedury postępowania:. Dla cieczy newtonowskiej, o modelu reologicznym ( dv ) , wartość krytycznej dr liczby Reynoldsa: ustala się apriorycznie w postaci: Re kr 2100 Przyjmując model cieczy Binghama w postaci 0 ( dv ) , w celu określenia dr wartości krytycznej liczby Reynoldsa w przestrzeni pierścieniowej, niezbędne jest wyznaczenie liczby Hedstroma: 0 ( D0 d z ) 2 He 2 35 Krytyczna wartość liczby Reynoldsa uzyskuje się z nomogramu (rys.1) Krytyczna liczba Reynoldsa, NRec przedstawiającego zależność krytycznej liczby Reynoldsa od liczby Hedstroma. Liczba Hedstroma, NHa Rys 10.1. Zależność wartości krytycznej liczby Reynoldsa dla cieczy Binghamowskiej od liczby Hedstroma. Dla celów obliczeń hydraulicznych cieczy Binghamowskiej można wykorzystać również pojęcie uogólnionej liczby Reynoldsa. Re D0 d z vśr D0 d z 0 dla warunku D0 d z 0 vśr 14 vśr lub Re D0 d z vśr D0 d z 0 1,473 0,133 dla warunku D0 d z 0 vśr 14 vśr Jako jej wartość krytyczną przyjmuje się wówczas: _ Re kr 2100 Rozważając płuczkę wiertniczą jako ciecz Ostwalda de Waele o modelu reologicznym dv k ( ) n wartość uogólnionej liczby Reynoldsa wyznaczać należy ze wzoru: dr 36 A jej krytyczną wartość z zależności: _ Re kr 3470 1370 n Wielkość strat ciśnienia przepływu newtonowskiej cieczy wiertniczej w przestrzeni pierścieniowej o długości L określa się: Dla laminarnego przepływu ze wzoru Hagena-Poiseilla: 32 L v śr pr ( D0 d z ) 2 Dla przepływu turbulentnego ze wzoru: 0,1582 L 0,75 v1śr,75 0, 25 pr ( D0 d z )1, 25 Opory plastyczno-lepkiej cieczy wiertniczej w przestrzeni pierścieniowej o długości L wyznaczać należy: Dla laminarnego przepływu ze wzoru Hagenna-Poiseuilla: 32 L v śr 16 0 L ( D0 d z ) 0 pr 14 + dla warunku 2 3 ( D0 d z ) v sr ( D0 d z ) Lub L vsr 0 L ( D0 d z ) 0 pr 47,128 4,242 14 dla warunku 2 ( D0 d z ) v sr ( D0 d z ) Dla przepływu turbulentnego ze wzoru: 0.072 L 0,83 v1sr,83 0,17 pr dla orurowanej przestrzeni pierścieniowej ( D0 d z )1,14 0.06 L 0,86 v1sr,86 0,14 pr dla nieorurowanej przestrzeni pierścieniowej ( D0 d z )1,14 Wielkość strat ciśnienia przepływu pseudoplastycznej cieczy wiertniczej w przestrzeni pierścieniowej o długości L powinno się obliczać: Dla laminarnego przepływu z przekształconego wzoru Ostwalda de Waele: 2 (3 n 1) vsr n 4k L pr [ ] ( D0 d z ) n ( D0 d z ) Dla przepływu turbulentnego ze wzoru: 2 A L 1 B v sr2 B B pr ( D0 d z ) 3,93 lg n Gdzie A 50 1,75 lg n B 7 Wielkość składowej dynamicznej pd ciśnienia płynów wiertniczych trakcie wiercenia lub przeprowadzania zabiegu uszczelniania przestrzeni pierścieniowej pomiędzy nieorurowaną ścianą otworu a kolumną rur okładzinowych jest równa sumie oporów przepływu wiertniczych liczonych od danego miejsca przestrzeni pierścieniowej do punktu wypływu płynu z otworu wiertniczego. 37 Wstawiając obliczoną ze wzoru (18) wartość pd do równania (1) oraz uwzględniając zależność (2) uzyskuje się rzeczywistą wartość ciśnienia cieczy wiertniczej podczas wiercenia lub przeprowadzania zabiegu uszczelniania przestrzeni pierścieniowej. 10.3. Wyznaczanie zmian wartości ciśnień spowodowanych operacjami dźwigowymi przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych Analizując zmianę wartości ciśnienia płuczki w otworze powstającą na skutek operacji dźwigowymi przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych należy uwzględnić następujące przypadki: - zapuszczanie lub wyciąganie przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych o zamkniętym dolnym końcu (przewód wiertniczy lub rury okładzinowe wyposażone w zawór zwrotny, przytkanie urobkiem dysze lub otwory w świdrze, zapuszczanie rurowego próbnika złoża, uszkodzony zawór obejściowy w zestawie wgłębnego silnika hydraulicznego, inne przypadki); - zapuszczanie lub wyciąganie przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych o otwartym dolnym końcu, w przypadku którego możliwe jest przemieszczanie się płuczki z otworu wiertniczego do przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych lub z przewodu wiertniczego względnie rur okładzinowych do otworu wiertniczego; - zapuszczenie lub wyciąganie przewodu wiertniczego przy równoczesnej cyrkulacji płuczki w otworze (szybkie przerabianie otworu wiertniczego, napinanie przewodu wiertniczego z równoczesnym płukaniem); - zapuszczanie lub wyciąganie przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych przy występowaniu poszerzonego ich dolnego końca, którego średnia jest bliska średnicy otworu (oblepiony urobkiem: świder, uszczelniacz rdzeniówki, but rur okładzinowych, centralizatory). Zmiana ciśnienia płuczki w przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego podczas przemieszczania przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych jest wynikiem zjawisk tłokowania. W procesie tym wyróżnić można dwa czynniki wpływające na wielkość ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej: 1. hydrauliczne opory przepływu, powstające podczas wypierania płuczki przez przewód wiertniczy lub rury okładzinowe przy ich zapuszczeniu, lub generowane w trakcie 38 wypełniania płuczką objętości otworu uwolnionej przez przewód wiertniczy lub rury okładzinowe wyciągane z otworu. 2. ciśnienie powstające w wyniku bezwładności masy cieczy w przypadkach przyspieszenia lub zahamowania jej ruchu. W poszczególnych fazach przemieszczania przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych wymieniane powyżej czynniki w różnym stopniu wpływają na zmianę wielkości ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej. Zapuszczenie i wyciąganie przewodu wiertniczego lub rur okładzinowych do otworu wiertniczego jest bowiem procesem dynamicznym. 39 11. Czynniki warunkujące skuteczność cementowania 40 12. Dobór zaczynów uszczelniających właściwości technologiczne 41 13. Zastosowanie cieczy buforowej (rodzaj cieczy buforowej, właściwości cieczy buforowej) 42 14. Projektowanie technologii cementowania 43 15. Wyposażenie kolumny rur dla skutecznego cementowania 44 16. Kontrola skuteczności cementowania 45 17. komplikacje i awarie przy rurowaniu i cementowaniu 46 18. Analiza rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych podczas rurowania i cementowania otworów kierunkowych 47 19. Zaczyny uszczelniające stosowane przy cementowaniu otworów kierunkowych 48 20. Awarie i komplikacje występowania podczas rurowania i cementowania otworów kierunkowych 49 21. Analiza ekonomiczna procesu cementowania otworów kierunkowych 50 22. Bibliografia Gonet, Andrzej, i Jan Macuda. Wiertnictwo hydrogeologiczne. trzecie poprawione i uzupełnione. Kraków: AGH, 2004. Szostak, Ludwik, i Wacław Chrząszcz. Wybrane zagadnienia wiercenia otworów kierunkowych. Kraków: AGH, 1996. Szostak, Ludwik, Wacław Chrząszcz, i Rafał Wiśniowski. Technologia cementowania. Kraków: AGH, 1999. Wiśniowski, Rafał. Rozprawy monografie. Kraków: AGH, 2002. 51 23. Spis tabel Tabela 4.1. Zestawienia dopuszczalnych wartości sił bocznych działających na elementy centralizatorów rur okładzinowych ............................................................................................ 25 24. Spis rysunków Rys 1.1. Schemat cementowania jednostopniowego.................................................................... 8 Rys 1.2. Schemat cementowania dwustopniowego .................................................................... 10 Rys 2.1.Schemat otworów kierunkowych z końcowym poziomym odcinkiem. ....................... 12 Rys 4.1 Zasady rozmieszczania wyposażenia i uzbrojenia kolumny rur okładzinowych .......... 20 Rys 4.2. Zależności geometryczne umożliwiające wyznaczenie prześwitu promieniowego .... 26 Rys 10.1. Zależność wartości krytycznej liczby Reynoldsa dla cieczy Binghamowskiej od liczby Hedstroma. ....................................................................................................................... 36 52
