Wiertnictwo - notatki - wykład PDF

Preview

Summary

Notatki z przedmiotu Wiertnictwo z prof. Rafałem Wiśniowskim...

Description

Metody wiercenia otworów Podział otworów wiertniczych W zależności od celu i przeznaczenia: - geologiczne, - badawcze, - poszukiwawcze, - eksploatacyjne, - otwory wiercone do celów specjalnych.

W zależności od głębokości wiercenia: płytkie (wykonywane zestawami wiertniczymi lub maszynowo), głębokie (wykonywane wierceniami przewoźnymi lub stabilnymi), -super głębokie.

Ze względu na średnicę otworu: - małośrednicowe: Φ1000 mm. Żywotność lin zwiększy się ze wzrostem średnicy, jednakże konstrukcje wież i wieżo masztów nie zezwalają na nadmierny wzrost. Bloki korony konstruowane są z dużym zapasem. Wielokrążki ruchome winny spełniać następujące warunki: - dostateczną wytrzymałość i współczynnik bezpieczeństwa ≥ 5, - średnia krążków > 30krotna liny wielokrążkowej, - zespół wielokrążek ruchomy-hak-elewator powinien odznaczać się dużym ciężarem dla uzyskania dużej prędkości opadania, napięcia lin wielokrążkowych i układania się lin na bębnie. Niektóre wielokrążki ruchome są wykonywane łącznie z hakiem w celu skrócenia długości układu. Haki wiertnicze powinny odznaczać się wytrzymałością konstrukcyjną i umożliwiać podniebiennie najcięższej kolumny rur okładzinowych zapasem na pokonanie oporów ich przychwycenia. Haki wiertnicze powinny lekko obracać się na sworzniu i mieć sprężynę obliczoną na podniesienie jednego pasa przewodu wiertniczego z elewatorem.

Skok pionowy trzpienia haka powinien być większy od długości połączenia gwintowego rur płuczkowych, co zapewnia automatyczne podniesienie pasa rur odkręconego od kolumny przewodu wiertniczego. Haki dzielimy ze względu na udźwigi lekkie i średnie od 250-4000 kN oraz haki ciężkie do 10000 kN. Według konstrukcji haki dzielimy na jedno, dwu lub trójrożne. Dla wiertnic stołowych z zasady stosuje się haki trójrożne dla równoczesnego podwieszenia głowicy płuczkowej i elewatora na zawiesiach. Liny stalowe W systemach wielokrążkowych wiertnic używa się lin okrągłych o konstrukcji 6 lub 8 splotowej, o podwójnym skręcie z konopnym (organicznym) lub stalowym rdzeniem z liniowym lub punktowym stykiem drutów. W charakterze metalowego rdzenia stosuje się liny z siedmiu splotów o siedem drutów w każdym. Liny z konopnym rdzeniem mają konstrukcję 6x19 z prawym i lewym skrętem splotu. Liny wielokrążkowe produkuje się o średnicy od 19,05-38.10 mm. W zależności od kierunku splotu w warstwie zewnętrznej liny dzielą się na prawe i lewe. Poszczególne warstwy mogą mieć jednostronny lub wielokierunkowy przebieg skrętu. Według kierunku skrętu splotów w linie i drutów w splocie dzielimy na: - jednokierunkowe, - wielokierunkowe.

Przewód wiertniczy Przewód wiertniczy składa się: - graniatki, - rur płuczkowych, - obciążników, - łączników, - stabilizatorów, - nożyc wiertniczych, - amortyzatorów (w niektórych przypadkach). Przy wierceniu obrotowym stołowym przewód wiertniczy spełnia następujące funkcje: - przenosi moment obrotowy od stołu obrotowego do narzędzia wiercącego; - wywiera nacisk osiowy na narzędzie częścią masy obciążników (2/3-3/4 Lo); - jest kanałem doprowadzającym płuczkę do świdra i na dno otworu wiertniczego. Przewód wiertniczy pod czas swojej pracy poddawany jest rożnym naprężeniom. Do głównych naprężeń zaliczyć należy: - naprężenia rozciągające się wywołane ciężarem własnym lub napinaniem przy operacjach ratunkowych, - naprężenia ściskające (w części obciążników) powstające w trakcie wiercenia, - naprężenia zginające, zmienne co do wielkości i kierunku działania, występujące na odcinkach zmian azymutalnych i inklinacyjnych osi otworu wiertniczego jak również na skutek wiercenia krzywymi elementami przewodu, - zmienne obciążenia skręcające przekazywane przez stół obrotowy oraz będące wynikiem reakcji zwiercanej skały. Graniatki (Kelly)

Pierwszym elementem przewodu wiertniczego jest graniatka. Graniatkę przykręca się do wrzeciona głowicy płuczkowej przy pomocy łącznika z lewym gwintem (swivel sub). Pomiędzy łącznikiem a graniatką montuje się czasem zwrotny zawór bezpieczeństwa (kelly cock). Graniatki o przekroju kwadratowym Wykonuje się o nominalnych średnicach od 63,5 mm do 152,4 mm w typoszeregu: 2½”, 3”, 3½”, 4¼”, 5¼”, 5½”, 6”, o standardowych długościach 12.198 m i 16,460 m (40 ft, 54 ft). Górną część graniatki spęcza się na długości 420 mm do średnicy: - 196,8 mm oraz 146 mm dla graniatek długości 40 ft. Rury płuczkowe i zworniki (Drill pipe & Tool Joint) Rury płuczkowe i zworniki są głównym elementem przewodu wiertniczego. Rury płuczkowe produkowane są w wymiarach średnic 23/8”, 27/8”, 31/2”, 4”, 41/2”, 5”, 51/2”, 65/8” oraz nie objętej normami API 6”. Długości rur płuczkowych wynoszą 30 ft oraz 40 ft. Rury płuczkowe ze względu na trudne warunki pracy produkowane są ze specjalnych gatunków stali o dużej wytrzymałości, plastyczności i odporności na zmienne obciążenia i wibracje. Zestawienie gatunków stali wraz z danymi wytrzymałościowymi oraz sposobu oznakowania rur płuczkowych: Granica plastyczności min max

Doraźna wytrzymałość Rm [MPa]

Normy API

Wydłużenie 2” próbki %

Gatunek stali

Oznaczenie kolorem

D-55

Zielony

380

-

660

18

E-75

Niebieski

515

725

690

17

X-95

Brązowy

655

860

720

G-105

biały

335

930

790

15

S-135

Biały

930

1140

1000

12,5

U-170

biały

170

1379

1241

10,5

API spec 5CT

16,5

Graniatki stalu D-55, E-75, X-95 stosowane są do wierceń głębokich, zaś do supergłębokich używa się stali S-135 oraz U-170. Rury płuczkowe wykonuje się również w odmianach wytrzymałościowych stali odpornych na korozję. Zestawienie gatunków stali wraz z danymi wytrzymałościowymi oraz sposobu oznakowania rur płuczkowych odpornych na korozję przedstawiono w tabeli. Rury płuczkowe spęczą się na końcach w celu zwiększenia wytrzymałości połączenia ze zwornikiem. Grade

Yield Strength psi

Tensile Strength Psi

Elongation in 2”

APISpecificati

Characteristics and recommendations for special Mannesmann drill pipe grades

N/mm2* min max

N/mm2* min.

% min

on where applicable

MW-CE-75

75 000 515

90 000 620

95 000 660

18

5 AC

Rockwell hardness max.22

MW-CX-95

95 000 655

110 000 760

105 000 720

16,5

5 AC

Rockwell hardness max. 28

MW-U-170

170 000 1 170

200 000 1 360

180 000 1 240

10,5

5 AX

Super-high-strength drill pipe for deep wells in combination with API-tool joint grade

Anticorrosion grades with restricted yield strength as C-75 and C-95 (API-Grades) for drilling sour oil and gas wells – in combination with special tool joint grade below

Ze względu na sposób spęczenia rury płuczkowe dzieli się na: - wewnętrznie spęczane WS (internal upset IU), - zewnętrznie spęczane ZS (external upset EU), - wewnętrznie i zewnętrznie spęczane WZS (internal-external upset IEU). W celu połączenia rur w pasy rur płuczkowych pojedyncze rury płuczkowe łączy się na trawle ze zwornikami.

Do najczęściej stosowanych technologii łączenia rur płuczkowych ze zwornikami zalicza się: - skręcanie (obecnie wycofane z użytkowania ze względu an małą szczelność połączenia gwintowego), - skręcane na gorąco, - zgrzewanie. Rury płuczkowe ze zgrzewanymi zwornikami produkowane są według normy API-STD 7 i posiadają następujące połączenia gwintowe: - z wąskim przelotem WP (Regular REG), - z szerokim przelotem SP (Full Hole FH), - z jednakowym przelotem JP (Internal Flush IF). W celu łączenia rur stosuje się również zworniki typu: - EH (Extra Hole lub Semi Internal Flush, w których średnica i przelot są nieco większe niż u zworników z szerokim przelotem), - SH (Slim Hole, w których średnica jest mniejsza a przelot większy niż u zworników z wąskim przelotem). Zworniki są produkowane z gatunków stali SAE 4140 oraz 36HMN, posiadają stożkowe (18 ) i prostokątne podtoczenia pod elewator. W celu zmniejszenia zużycia zworników napawa się ich powierzchnię twardymi gatunkami stali oraz twardym spiekiem węglika wolframu o grubości 1,6 mm i 2,4 mm. Również gwinty zwornika w celu zwiększenia ich niezawodności pokrywa się metaliczną warstwą adsorpcyjną (cynkuje, fosfatyzuje, bonderyzuje). Obciążniki (Drill Colar) Obciążniki są dolnym elementem przewodu wiertniczego. Zadaniem ich jest: - utrzymanie kolumny rur płuczkowych w stanie naprężeń rozciągających, - wywieranie nacisku na świder, - zwiększanie sztywności dołu kolumny przewodu. Obciążniki połączone są przewodem wiertniczym za pomocą łącznika (Ceossover Sub). Elementem najbardziej narażonym na uszkodzenie w skutek zmiennych naprężeń są połączenia gwintowe. Obciążniki wykonuje się ze stali36HM.

STANDARDOWE

Antymagnetyczne

OBCIĄŻNIKI

W przeciwieństwie do rur płuczkowych, których calizna rury jest elementem bardziej narażonym na zniszczenie niż połączenie gwintowe. W obciążnikach najsłabszym elementem konstrukcji są połączenia gwintowe. Na obrazku podział obciążników z punktu widzenia kształtu i właściwości.

SPECJALNE

Kwadratowe

Spiralne

Produkowane są obciążniki gładkie oraz obciążniki z zatoczkami pod elewator lub kliny w długościach 30 ft oraz 40 ft dla średnicy > 152 mm oraz 30 ft dla średnicy do 152 mm. Wymiary obciążników wynoszą od 31/2 – 111/4. Obciążniki produkowane są z połączeniami gwintowymi zgodnymi z normami API: NC, REG, IF, FH. Obciążniki antymagnetyczne Obciążniki antymagnetyczne znajdują szczególne zastosowanie przy wierceniu otworów kierunkowych. Zainstalowana w zestawie przewodu wiertniczego aparatura pomiarowa (MWD) wymaga bowiem niwelowania niekorzystnego oddziaływania ziemskiego pola magnetycznego na wyniki pomiarów. Obciążniki o przekroju kwadratowym W celu zwiększenia sztywności dolnej części przewodu stosuje się również obciążniki o przekroju kwadratowym, w którym przekątna jest prawie równa średnicy otworu. Obciążniki te eksploatowane są zazwyczaj w połączeniu ze stabilizatorami i rozszerzaczami. Obciążniki spiralne Obecnie coraz częściej stosuje się obciążniki spiralne z kanałami wykonywanymi po linii śrubowej. Przechwycenie obciążników jest wynikiem dużej różnicy ciśnień pomiędzy ciśnieniem płuczki a ciśnieniem złożowym. Siła oddziaływania na obciążnik określona jest formułą:

Gdzie: - ciśnienie hydrostatyczne, - ciśnienie złożowe, – powierzchnia kontaktu (ściana, obciążnik), W większości przypadków nie można zmniejszyć siły F przez obniżenie wartości różnicy ciśnień, ponieważ ciśnienie złożowe jest wielkością niezależną z technologicznego punktu widzenia (ustaloną), a ciśnienie hydrostatyczne słupa płuczki musi zabezpieczać przed erupcją płynu złożowego, mogącą nastąpić z innych poziomów litologicznych. Wielkość tej siły można jednak zmniejszyć redukując powierzchnię obciążnika ze ścianą. W obciążnikach spiralnych powierzchnia styku A zmniejszona zostaje co najmniej o 40%. Uzyskuje się przez to 40% zmniejszenie siły F. Zmniejszenie powierzchni styku obniża jednak o około 4% całkowity ciężar obciążników. Obciążniki spiralne wykonuje się w dwóch wersjach nacinania spirali: - dla obciążników do 7”, - dla obciążników powyżej 7”. Połączenia gwintowe wszystkich typów obciążników są fosforyzowane, przez co zwiększa się och odporność na korozję. Kierunki zwiększania wytrzymałości połączeń gwintowych obciążników.

W przeciwieństwie do rur płuczkowych, w których calizna rury jest elementem najbardziej narażonym na zniszczenie, w obciążnikach najsłabszym elementem konstrukcji są połączenia gwintowe. W celu zwiększenia wytrzymałości połączeń gwintowych obciążników stosuje się: - krążkowanie bruzd gwintu (polega ono na wytworzeniu zgniotu bruzdy gwintów), - wykonuje się zewnętrzne podtoczenia (dla d>0,127 m), w celu likwidacji działania karbu (koncentracji naprężeń); - wykonuje się wewnętrzne podtoczenia czopa mufy, w celu likwidacji koncentracji naprężeń oraz ochrony pierwszego i ostatniego zwoju, - stopniowane średnice wewnętrzne, dla zwiększenia wytrzymałości czopa. Krążkowanie bruzd polega na wytworzeniu zgniotu bruzdy gwintów.

Łożyska Typy łożysk:  Łożyska ślizgowe,  Łożyska toczne kulkowo-wałeczkowe. Łożysko toczne przylega całą powierzchnią. Niskie obciążenia na jednostkę powierzchni. Łożysko toczne posiada kontakt punktowy. Dużo obciążenie na jednostkę powierzchni. Metalurgia łożysk Bieżnie łożysk tocznych pokrywa się kowalnymi materiałami np.: srebrem, w celu zmniejszenia skutków ewentualnego erozyjnego oddziaływania mogących się przedostać do wnętrza łożyska intruzyjnych drobin skalnych. Utwardzenie Warstwa srebra

Miedziane wstawki

Mechanizm zamykania gryzów Układ zamykający elementy toczne jest podstawą bezpiecznej eksploatacji świdra: kulki są wprowadzane od strony łapy łożyska, a następnie są szczelnie zamykane sworzniem. System ułożyskowania świdrów gryzowych Do jednych z najciekawszych rozwiązań konstrukcyjnych systemów ułożyskowań narzędzi gryzowych zaliczyć należy konstrukcje świdrów ATM firmy Baker Hughes, w których zastosowano pierścień uszczelniający typu Ringlok.

Najnowsze rozwiązania w zakresie rozwiązań konstrukcyjnych uszczelnień łożysk świdrów trójgryzowych to: - łożyska z uszczelnieniem typu O-Ring (posiadających pierścień uszczelniający), - łożyska świdrów typu metal-metal. Uszczelnienia typu O-Ring i metal-metal - O-Ring ATJ/GTX Metal-metal: - podwójny element sprężynujący ATM, - pojedynczy element sprężynujący ULTRAMAX. Uszczelnienie O-Ring (pierścieniem elastomerowym) Uszczelnienie typu O-Ring jest bardzo wytrzymałe na ściskanie ze względu na wypolerowaną powierzchnię gwarantującą gładkość pomiędzy gryzem a segmentem. Uszczelnienie izoluje wewnętrznie smarowaną sekcję od wpływu płuczki wiertniczej. Jako element uszczelniający stosuje się pierścień elastomerowy. Uszczelnienie O-Ring jest odporne na temperaturę i ścierne zużycie. Uszczelnienie typu metal-metal W uszczelnieniu typu Metal-Metal zastosowano wypolerowane pierścienie metalowe osadzone na statycznych elastomerowych elementy sprężynujących. Można uzyskiwać duże prędkości obrotowe, przy wysokiej temperaturze, i obciążeniu. Uszczelnienie z pojedynczymi elementami sprężynującymi Elastomer

Metal

Łożyska narzędzi uszczelniane wewnętrzne lub

wiercących mogą być poprzez smarowanie nieuszczelniane.

System

smarowania Pierścień zamykający Metalowa część kompensatora

Zamknięcie kompensatora Zbiornik ze smarem pod ciśnieniem (jeden na każdy gryz) Zbiornik wypełniony jest smarem

Gumowa część

Kąt nachylenia gryzów Skały miękkie

Skały twarde Kąt nachylenia osi łożysk to kąt zawarty pomiędzy osią łożysk a płaszczyzną poziomą. W skałach miękkich ma on mniejszą wartość.

Geometria świdra – gryz offset/skew Offset gryza to odległość mierzona pomiędzy osią gryza a prostą równoległą do niej, przechodzącą przez środek otworu.

t (1/16”)

Kąt Skew (stopnie) Kalibrowanie średnicy narzędzi gryzowych Bardzo ważnym zadaniem jakie stawia się przy eksploatacji świdra gryzowego, jest konieczność utrzymania średnicy nominalnej otworu wiertniczego. Czynnik ten jest bardzo istotny ze względu na: - żywotność narzędzia i ekonomikę jego pracy, - krzywienie otworu wiertniczego, - niebezpieczeństwo awarii i komplikacji wiertniczych.

W celu zachowania pierwotnej średnicy czopy łap napawa się płytkami z węglika wolframu lub uzbraja się naturalnymi diamentami. W celu ograniczenia zużycia świdra gryzowego na średnicy zwiększa się powierzchnię zębów umieszczonych na skrajnych wieńcach. Stosowanie diamentów syntetycznych DT – diamenty syntetyczne na zewnętrznym wieńcu

DX – diamenty syntetyczne na zewnętrznej powierzchni wieńca Systemy oczyszczania narzędzi gryzowych Do obecnie stosowanych rozwiązań systemu płukania narzędzi gryzowych zaliczyć należy: a) Świdry z centralnym płukaniem, b) Świdry z dyszami standardowymi c) Świdry z przedłużonymi dyszami, d) Świdry do wiercenia z płuczką powietrzną. Międzynarodowa klasyfikacja świdrów gryzowych W celu usystematyzowania konstrukcji narzędzi gryzowych oraz skorelowania niektórych cech konstrukcyjnych narzędzi wiercących z właściwościami przewiercanych warstw skalnych, Międzynarodowe Stowarzyszenie Kontraktorów Wiertniczych IADC (International Associacion od Drilling Contractors) stworzyło klasyfikację świdrów gryzowych. Klasyfikacja ta obejmuje zarówno właściwości skał, jak i osobliwości konstrukcyjne. Uwzględnia również niektóre szczególne przypadki aplikacji narzędzi wiercących. Oznaczenie każdego świdra składa się z 3 cyfr i ewentualnie litery. Pierwsze dwie cyfry oznaczają rodzaj świdra oraz właściwości skał, w których pracuje on najefektywniej. Trzecia cyfra opisuje cechy konstrukcyjne danego narzędzia. Dodatkowa litera objaśnia szczególne osobliwości konstrukcyjne (C – centralne płukanie) lub przeznaczenie świdra (D – do wierceń kierunkowych).

Podklasa twardości

Łożyska Łożyska nieuszczelni Zbrojenie one nie nieuszczelnione Świdry ze skrajnych zbrojenie Łożyska Łożyska świder wieńców i standardowymi skrajnych toczne przeznaczony ślizgowe łożyskami powierzchni uszczelnione do wiercenia z wieńców i uszczelnione tocznymi bocznej powierzchnii płuczką gryzów bocznej powietrzną gryzów 1

Świdry z zębami frezowanymi

Świdry z zębami słupkowymi

1

Skały miękkie

2

Skały średnio twarde

3

Skały twarde

4

Skały bardzo miękkie

5

Skały miękkie

6

Skały średnio twarde

7

Skały twarde

8

Skały bardzo twarde

2

3

4

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

5

Łożyska ślizgowe uszczelnione, zbrojenie skrajnych wieńców powierzchni bocznej i gryzowej

6

7

1- 3 - 5

Obecnie stosowane świdry i koronki diamentowe dzieli się na: - świdry typu PDC (Policrystaline Diamond Compact), z ostrzami z polikrystalicznych, - świdry z ostrzami z naturalnych diamentów, - świdry impregnowane, - świdry hybrydowe. Diamenty typu borts pochodzą z Afryki, mają kulisty kształt i są najlepiej rozpowszechnione ze wzglądu na niską cenę. Wyparły one diamenty typu corbonado. Diamenty Corbonado pochodzą z Brazylii. Są drobnoziarniste, porowate o kolorze brunatnoczarnym i czarnym. Do wiercenia w skałach średniotwardych używa się również tańszych diamentów typu Kongo. Diamentami zbroi się najbardziej narażone na zużycie powierzchnie boczne świdrów i koronek rdzeniowych. Korelacja prędkości wiercenia świdrami z ostrzami wykonanymi z naturalnych diamentów od wielkości kamieni diamentowych

Ilość kamieni przypadających na 1 karat [sztuk]

Uzyskiwana prędkość wiercenia [m/godzinę]

1 2

2,4 3,7

2 3

1,2 2,4

3 5

1,2 1,8

5 8

0,9 1,5

8 12

0,3 1,2

> 12

< 0,3

Naturalne diamenty osadzone są w matrycy wykonanej z węglika wolframu, przy czym kamienie o najmniejszej wielkości stosowane są w narzędziach wiercących przeznaczonych do skał najtwardszych. Wynika to z faktu, że najmniejsze kamienie przenoszą największą wartość siły przypadającej na jednostkę powierzchni styku kamienia ze skałą. Korelacja wielkości kamieni diamentowych od wytrzymałości skał na ściskanie Wy...