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 
4Q
  ( 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
4k  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
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Prace Magisterskie

2 Cards Pisanie PRAC

Create flashcards