Forajul Sondelor

PROIECT LA FORAJUL SONDELOR

CUPRINS

Cap, 1 Noțiuni introductive

Cap. 2 Stabilirea diametreior coloanelor de tubare si ale sapelor de foraj

Coloana de exploatare

Coloana intermediară

Coloana de ancoraj

Cap. 3 Garnitura de foraj

Alegerea prăjinilor de foraj și a prăjinilor grele

Calculul de rezistență a! garniturii de foraj corespunzătoare intervalului forat pentru coloana de exploatare

Exploatare garniturii de foraj

Cap. 4 Fluide de foraj

Tipuri de fluide de foraj

Proprietățile fizice ale fluidelor de foraj

Calculul volumelor de fluid de foraj

Cantitățile de materiale utilizate pentru prepararea fluidelor de foraj

Cap.5 Tubarea sondei

Calculul de rezistență al coloanelor de tubare

Echiparea coloanelor de tubare

Executarea operației de tubare

Cap,6 Cimentarea sondei

Calculul cimentării coloanelor de tubare

Metoda de cimentare

Echipamentul de cimentare.

Desfășurarea operației de cimentare

Cap.7 Alegerea echipamentului de suprafață

Bibliografie

TEMA PROIECTULUI Stabilirea programului de construcție al unei sonde

Să se stabilească programul de construcție al unei sonde dacă se cunosc următoarele

date:

Adâncimea de introducere a coloanei de ancoraj: Ha= 750 m;

Adâncimea de introducere a coloanei intermediare: Hs= 1950 m;

® Adâncimea de introducere a coloanei de exploatare: Hex= 2500 m;

Densitatea fluidului de foraj corespunzător coloanei de ancoraj: pna= 1170 kg/m3;

Densitatea fluidului de foraj corespunzător coloanei intermediare: pm= 1300 kg/m3;

® Densitatea fluidului de foraj corespunzător coloanei de exploatare: pne= 1500 kg/m3; ® Apăsarea de sapă: Gs~ 135 kN;

Turația: n= 90 rot/min;

® Coeficientul de siguranță utilizat la alegerea materialului garniturii de foraj: cs= 1.5;

Presiunea de la încărcător: p,- 120 bar;

Capitolul 1 Noțiuni introductive

în esență, arhitectura unei sonde reprezintă programul de construcție pentru realizarea sondei respective.

Elementele componente ale arhitecturii unei sonde sunt:

numărul coloanelor de tubare si adâncimile de introducere;

tipurile coloanelor: întregi, pierdute (lainere), pierdute și întregite, de același diametru pe toată lungimea sau telescopate;

diametrele coloanelor si ale sapelor de foraj;

componența garniturilor de foraj;

componenta coloanelor: tipuri de burlane, materiale și grosimi de perete pentru burlanele fiecărei coloane;

intervalele si metodele de cimentare, inclusiv calculele referitoare la efectuarea cimentărilor;

fluidele de foraj: tipuri si caracteristici fizice;

Construcția proiectată determină, de regulă, echipamentul și sculele cu care se va executa sonda: instalația de foraj, diametrul și alcătuirea garniturilor de foraj folosite pe diverse intervale, tipul și diametrul motoarelor de foraj submersibile – când se utilizează-, echipamentele de investigare geologică și geofizică, de perforare și de probare. Schema de construcție determină, indirect, tipul și proprietățile fluidelor folosite, uneori și tehnologia de foraj aplicată,

Dificultățile și accidentele din timpul forajului pot fi adesea limitate sau chiar evitate prin alegerea corespunzătoare a naturii și a proprietăților fluidelor de foraj, printr-o tehnologie adecvată ori cu ajutorul unor metode specifice de prevenire sau de combatere a dificultăților respective. Uneori însă condițiile sunt atât de potrivnice încât continuarea forajului cu cheltuieli materiale, energetice și de timp acceptabile nu este posibilă. în asemenea situații, pereții găurii în zona care provoacă ori poate crea ulterior probleme trebuie consolidați și izolați cu o coloană de burlane cimentată în spate.

în stabilirea arhitecturii unei sonde se consideră datele obținute de la forajul unor sonde reper, cu condiții asemănătoare legate de factori specifici: geologici, tehnici, tehnologici, etc.

2

Capitolul 2

Stabilirea diametrelor coloanelor de tubare si ale sapelor de foraj

Programul de tubare al sondei impus prin datele de proiect cuprinde 3 coloane cu următoarele adâncimi de fixare:

coloana de ancoraj : 0 – 750m;

coloana intermediară: 0 – 1950m ;

coloana de exploatare: 0 – 2500m;

Calculul diametrelor coloanelor și a sapelor se face conform programului de construcție al sondei stabilit. Se impune o coloană de exploatare de 5 in.

10 3/4 in
750 m

7 5/s in
1950 m

5 in
2500 m

Fig. 1 Programul de construcție al sondei

Mai departe, diametrele celorlalte coloane si ale sapelor aferente se stabilesc, într-un proces unic, prin utilizarea metodei „de jos în sus",

între pereții sondei si cei ai coloanelor de burlane, trebuie să existe un joc radial jr, respectiv o rație de tubare R, suficient de mari pentru introducerea fără dificultăți a coloanei și pentru o cimentare eficientă a spațiului inelar, (fig. 2)

Dacă se consideră că diametrul sondei este egal cu diametrul sapei de foraj, jocul radial dintre peretele sondei și coloană este exprimat prin relația:

Dinu Alexandru

in care

Ds – diametrul sapei;

Dm – diametrul coloanei la exteriorul mufelor de îmbinare ale burlanelor;

Funcție de diametrul mufei și de jocul radial, diametrul sapei corespunzătoare este:

2 * jr

Diametrul sapei pentru o coloană mai poate fi determinat și prin intermediul așa numitei rații de tubare sau rații a spațiului inelar, R, Această rație este exprimată prin relația:

O coloană de tubare sub baza căreia se continuă forajul trebuie să permită trecerea sapei corespunzătoare coloanei următoare. Diametrul interior minim al coloanei prin care trece sapa se determină cu relația:

în care a este jocul radiat dintre sapă și coloană,

în mod normal a=2..5 mm; valorile mai mari corespund diametrelor mai mare ale sapelor.

Cunoscând diametrul interior, diametrul exterior se poate determina cu relația:

D — Dj + 2 * t în care t reprezintă grosimea peretului burlanelor.

__ )r _ Ds ~ Pm

Ds 2 * Ds

Dj — Ds 4- 2 • a

D,

D

î

i —-

i

Ds

Fig. 2 Stabilirea diametrelor sapelor și coloanelor

4

2.1 Coloana de exploatare

Coloana de ancoraj

Dinu Alexandru

La sapa cu diametrul Dsi=244.5 mm si jocul radial a=2 mm corespunde un diametru
interior pentru coloana de ancoraj:

'STAS

Dja = Dsî + 2 • a = 244.5 + 2 • 2 = 248,5 mm => |Dia = 250,1 mm
Conform STAS, diametrul exterior al coloanei de ancoraj:

Da = 10 in = 273 mm

Diametrul mufei:

Dma = 11 in = 298.5 mm

Pentru un joc radial jr=25 mm corespunde o sapă cu diametrul :

Dsa – Dma + 2 • jr = 298,5 4- 2 • 25 = 348.5 mm =>

STAS

Dsa = 13 ^/q in = 346.1 mm

Se recalculează jocul radial:

j = 346-1~2<)H = 23.8 mm

jreL 2 2

Rația de tubare:

Dsa – Dma 346.1 – 298.5 R“ = -f^T = 2-346.1 = °'°687 6 [0’°5 – °'1]

Datele privitoare la coloanele și sapele din programul de tubare sunt prezentate în

tabelul următor:

6

Capitolul 3 Garnitura de foraj

Dinu Alexandru

Alegerea prăjinilor de foraj și a prăjinilor grele

Coloana de ancorai

Date de calcul:

adâncimea de fixare a coloanei: Ha= 750 m;

diametrul coloanei: Da= 10 % in;

diametrul sapei: Dsa=13 5/8 in- 346.1 mm;

apăsarea pe sapă ( din datele de proiect): Gs= 135 kN;

Prăjinile grele se aleg în funcție de diametrul sapei. Pentru cazul de față se vor alege prăjini grele cu diametrul: Dg= 9 1/2 in- 241.3 mm.

Diametrul interior corespunzător: dg= 76.2 mm;

Lungimea necesară de prăjini grele va fi:

Numărul de prăjini grele: 67:9.15 = 7.32 (rotunjit la 7 prăjini).

Prăjinile de foraj

Ținându-se seama de diametrul sondei se vor alege prăjini cu diametrul Dp= 5 Vi in (139.7 mm), dp= 121.36 mm, masa unitară qp=35.37 kg/m.

Lungimea necesară:

Ipa— Ha – lga= 750 – 67= 683 m;

Coloana intemediară

Date necesare calculului:

adâncimea de introducere: Hj- 1950 m;

diametrul coloanei: Ds= 7 5/8 in;

diametrul sapei: Dsi= 9 5/8 in= 244.475 mm;

Prăjinile grele se aleg în funcție de diametrul sapei. Pentru cazul de față se vor alege prăjini grele cu diametrul: Dg=8 in= 203.2 mm.

Diametrul interior corespunzător: dg= 71.4 mm;

135 *103

■ga

0.75 *323.2* 9.81 . (l-HZf)

V 7850/

= 66.71 = 67 m

1

Dinu Alexandru

Lungimea necesară de prăjini grele va fi:

Gc 135 • IO3

135 • IO3

= 98.56 “99 m

Numărul de prăjini grele: 99:9.15 = 10.81 (rotunjit la 11 prăjini).

Prăjinile de forai

Ținându-se seama de diametrul sondei se vor alege prăjini cu diametrul Dp= 5 in (127 mm), dp= 108.62 mm, masa unitară qp=31.09 kg/m.

Lungimea necesară:

10= Hj – lgl= 1950 – 99=1851 m;

Coloana de exploatare

Date necesare calculului:

adâncimea de introducere: Hex“ 2500 m;

diametrul coloanei: Dex=5 in;

diametrul sapei: Dsex=6 % in= 171.45 mm;

Prăjinile grele se aleg în funcție de diametrul sapei. Pentru cazul de față se vor alege prăjini grele cu diametrul: Dg=5 in= 127 mm.

Diametrul interior corespunzător: dg= 57.2 mm;

Lungimea necesară de prăjini grele va fi:

Numărul de prăjini grele: 286:9.15 = 31.25 (rotunjit la 31 prăjini).

Prăjinile de forai

Ținându-se seama de diametrul sondei se vor alege prăjini cu diametrul Dp= 4 Vi in (114.3 mm), dp= 100.54 mm, masa unitară qp=22.22 kg/m.

Lungimea necesară:

îpex= Hex Igex” 2500 – 286~2214 m;

135 • 103

gex

0.75 • qg ■ g (l — 0.75 • 79.3 • 9.81 • (l

1500

7850.

🙂

= 286 m

8

Dinu Alexandru

3.2Calculul de rezistență al garniturii de foraj corespunzătoare intervalului forat pentru coloana de exploatare A. In timpul forajului

întinderea si compresiunea

Se datorează greutății proprii a garniturii de foraj, existenței fluidului de foraj în gaura de sondă, forțelor de frecare și de inerție și circulației fluidului de foraj.

Efortul unitar în secțiunea de la suprafață ( 1-1) are expresia:

Gp + Gg — Fpl + Fp2 + Fp3 – Gs 01_1 _ – —

în care:

Gp – greutatea proprie a prăjinilor de foraj scufundate în fluidul de foraj:

Gp=qp-gV(l-T:)=3-9-loSN;

Po

Gg ■■■■ greutatea proprie a prăjinilor grele scufundate în fluidul de foraj:

Gg=qg-g-l9-(l-^)= 1-8-105 N;

Po

Fpi, Fp2/ Fp3 – forțele de presiune:

Ppi = Pn ' g ■ Og + lp) • Ag = 3.678 • 10=N Fp2 = Pn ’ lp ' (Ag — Ap) = 2.502 • 105N

Fps = Pi • ț • dp=9.522 • 104N

Ag, Ap – aria transversală a prăjinilor grele, respectiv a prăjinilor de foraj;

Ag=f' (D| — d|) = 10 • 10~3m2

Ap=~ • (Dp – d£) =r 2.32 ■ 10_3m2 Schema de calcul este prezentată în figura următoare:

9

Dinu Alexandru

Prin urmare efortul unitar oz în secțiunea de la suprafață va fi egal cu:

Gp + Gg — Fp1L + Fp2 + Fp3 — Gs N N

_, = — p = 1.779 • IO8 — = 17.79 • IO7-,

Ap ml ml

Efortul unitar în secțiunea de trecere prăjini de foraj – prăjini grele ( secțiunea 2 -2 ) va avea următoarea expresie:

Gg — Fpi + Fp2 — Gs N

a2_2 = -1 1 – -3.129 • IO7 —r

Ap m2

Efortul unitar în secțiunea inferioară a garniturii (la baza prăjinilor grele, în secțiunea 3-3) are expresia:

“Gs " FP1 7 N

a =—L Ei = —5.03 * 10 —=■

Ag m2

Se observă că efortul maxim este efortul de întindere din secțiunea 1 – 1 ( secțiunea de la suprafață):

amax:=a2=OM= 17.79-107 N/m2

Solicitarea garniturii de foraj la torsiune

Garnitura de foraj este solicitată la torsiune în procesul de foraj sau de carotaj mecanic, la frezarea dopurilo de ciment sau a diverselor scule nerecuperabile rămase în sondă, când se încearcă degajarea unei garnituri prinse prin răsucire, în cursul unor instrumentații.

10

Dinu Alexandru

Efortul tangențial în secțiunea 3 – 3 (la sapă) este egal cu:

Ms

T = —iL = 2.625 • IO6 N/m2 W vvpg

în care:

Ms – momentul de torsiune la sapă: MS=MSP-GS= 1.012-103 N-m;

Wpg – modulul de rezistență polar al secțiunii inelare a prăjinilor grele:

îi /D| – di\

w = ( s. – 3 «55 . i0-4

pg 16 V Dg ;

Efortul tangențial în secțiunea 2 – 2 (la trecerea de la prăjinile grele la prăjinile de foraj) are expresia:

^2-2

Momentul de torsiune în secțiunea 2 -2 se calculează cu relația:

^2-2 = Ms + Mrg

în care: Mrg – momentul necesar rotirii prăjinilor grele:

Pro • IO3

M = = 541>4 N . m

y 2 • n * n

Prg – puterea necesară rotirii garniturii de prăjini grele:

Prg = c • D| ■ n1'7 • yn . IO"3 – L = 35 * 10“5 * 0.1272 • 2500 • 901-7 • 1.5 = 5.1 KW c – coeficient care ținea seama de înclinarea sondei: c= (18.8…52.2)* 10'5;

Prin urmare momentul în sarea unei garnituri prinse prin răsucire, în cursul unor instrumentații.

10

Dinu Alexandru

Efortul tangențial în secțiunea 3 – 3 (la sapă) este egal cu:

Ms

T = —iL = 2.625 • IO6 N/m2 W vvpg

în care:

Ms – momentul de torsiune la sapă: MS=MSP-GS= 1.012-103 N-m;

Wpg – modulul de rezistență polar al secțiunii inelare a prăjinilor grele:

îi /D| – di\

w = ( s. – 3 «55 . i0-4

pg 16 V Dg ;

Efortul tangențial în secțiunea 2 – 2 (la trecerea de la prăjinile grele la prăjinile de foraj) are expresia:

^2-2

Momentul de torsiune în secțiunea 2 -2 se calculează cu relația:

^2-2 = Ms + Mrg

în care: Mrg – momentul necesar rotirii prăjinilor grele:

Pro • IO3

M = = 541>4 N . m

y 2 • n * n

Prg – puterea necesară rotirii garniturii de prăjini grele:

Prg = c • D| ■ n1'7 • yn . IO"3 – L = 35 * 10“5 * 0.1272 • 2500 • 901-7 • 1.5 = 5.1 KW c – coeficient care ținea seama de înclinarea sondei: c= (18.8…52.2)* 10'5;

Prin urmare momentul în secțiunea 2-2:

Efortul tangențial:

M2^2 = Ms + Mrg = 1012 + 541.4 = 1553.4 N • m

M2_2 1553.4

T2-2 = ww = IssFîFî = a402 •10 N/m

Efortul tangențial la suprafață (în secțiunea 1 – 1) are expresia:

_ Mm Tl_1 wpp

în care: Mm – momentul de torsiune la masa rotativă:

Mm= Ms4-Hrg+Mrp= 1012+3362.7= 4375.2 N-m;

Pr • IO3

MrD 4- Mre = Mr = 3362.7 N • m

tp ,g r 2 ■ n • ir

Pr ~ c * (D| • lg + Dp * }p) • n1*7 ■ pn • IO"3 – 35 • IO"5 • (0.1272 • 286 + 0.11432 • 2214) • 9017 • 1.5 = 31.692 KW

11

Dinu Alexandru

Wpp – modulul de rezistență polar al secțiunii inelare a prăjinilor de foraj:

n [Dp — dt\

= îi • = 11767'10'm

Efortul tangețial maxim:

Xmax = – 3.718 . IO7 N/m2

vvpp

Solicitarea garniturii de forai la încotovere

Garnitura de foraj este solicitată la încovoierea atunci când sonda este curbată, cand îsi pierde forma rectilinie de echilibru stabil ori atunci când este supusă la vibrații transversale.

Efortul de încovoiere se calculează cu următoarea relație:

f • it2 • E ■

CTî

2 * I2

in care:

E- modulul de elasticitate longitudinal al materialului:

E — 2.1 – IO11 N/.

/ :

mm

f – săgeata:

Ds – Dp f —£ – 0.0286

lungimea semiundei:

E * I

TE

Qn •

= 16,248

I – mometul de inerție axial:

oj -viteza unghiulară:

WDD ■ Dd * „

= —EH E = 6J25 * 10~6m

2

tt • n

oo = —r— = 9.424 rad/s

30

In final, efortul de încovoiere va avea valoarea:

f-TT2 • E • D,

Gî

= 1.283 • 107 N/m2

2-1 s2

12

Dinu Alexandru

Solicitarea garniturii de forai la presiune interioară si exterioară
De-a lungul unei garnituri de foraj,presiunile din exteriorul si interiorul acesteia
sunt,cel mai adesea ,neuniforme si inegale. Din punct de vedere practic,interesează mai
ales situațiile în care diferența dintre cele două presiuni este semnificativă.

Presiunea exterioară este egală cu presiunea interioară și cu cea la încărcător:
pe — pi = Pine = 120 bar = 1.2 • IO7 Nfm2
Efortul unitar tangențial în secțiunea 1 -1 (la suprafață):

vf • Pi — r2 • pe , ,

S_ra – = -1-2 • 107 N/m

1 e 1 i

în care:

n – raza interioară a prăjinilor de foraj:

d

^ = 0.05027 m
2

re – raza exterioară a prăjinilor de foraj:

D

re = y = 0,05715 m

Efortul unitar radial ,în acest caz, este egal cu efortul unitar tangențial:

°ri-i=ati-i — ~l-2 • IO7 N/m2
în secțiunea prăjinilor grele ( secțiunea 2-2) efortul tangențial are expresia:

rf • Pi ~ rî * pe – ,

ot2-2 “ —= ~1-2 *10 N/m

în care: n ~ raza interioară a prăjinior grele:

dR

ri = Y = 0.0286 m

re – raza exterioară a prăjinilor grele:

°g

re — Y “ °'0635 m

Și în această secțiune efortul unitar radial este egal cu cel tangențial:

<*r2-2 = <*tl-l = -1«2 • 107 N/m2 în continuare, se va calcula efortul unitar echivalent în timpul procesului de foraj, în vederea alegerii materialului din care va fi realizată garnitura de foraj. Mai întâi se vor calcula tensiunile principale astfel:

Gl = or = -1.2 • IO7 Pa

13

Dinu Alexandru

^ax

(^ax ^t)(^ax ^t)

+ tf.j. = 1.973 • IO8 N/m2

4

în care: aax = a2 + <7t = (17.79 + 1.283) • IO8 = 1.907 • IO7 N/m2

în timpul extragerii fără circulație

Solicitarea garniturii de forai la întindere si compresiune

Se calculează efortul unitar în secțiunea de îa suprafață ( secțiunea 1-1) astfel:

în care: s – coeficientul de frecare, s=0.15;

a – accelerația la extragerea garniturii de foraj, a=0.4 m/s; Gp – greutatea prăjinilor de foraj, GP=3.9-1G5 N;

Gg – greutatea prăjinilor grele, Gg=1.8*105 N;

Schema de calcul este următoarea:

Efortul unitar echivalent are valoarea:

2.45-108 N/

14

Dinu Alexandru

Solicitarea garniturii de forai la presiune interioară si exterioară în acest caz efortul radial este egal cu efortul tangențial:

ar = at = —p n . g . H = -1500 • 9.81 ■ 2500 = -3.678 • IO7 Pa în continuare, se va calcula efortul unitar echivalent în timpul procesului de extragere fără circulație, în vederea alegerii materialului din care va fi realizată garnitura de foraj.

Mai întâi se vor calcula tensiunile principale astfel:

^ = ar = -3.678 • 107 Pa az = a,., = 2.45 ■ 108 N/m2

Sax + ^t ,
0z +

at^ = 2.4558 • 108 N/m;

(gax_gt)(gax <*ț) = „3 6?8 . 107 N/ 2

4 ' nv

Efortul unitar echivalent în timpul extragerii fără circulație are valoarea:

ffech extragere

N

\ [Ox – o2)2 + (a2 a3)2 + (ff3 – aj)2] = 2.65897 • 108 N/m;

Se observă că efortul unitar este maxim în cazul extragerii fără circulație. Cu valoarea iui se continuă calculul.

Pentru alegerea materialul din care va fi confecționată garnitura de foraj, se impune un coeficient de siguranță cs=i,5 și se calculează limita minimă de curgere:

cs = -2^ => Rp02 = 1,5 ■ 2.65897 • IO8 = 3.988 • 108 N/ 2 = 398.8 N/mm2

tfech '

Din STAS se alege valoarea cea mai apropiată de cea calculată. Astfel se optează pentru un oțel cu clasa de rezistență E-75, cu limita minimă de curgere:

Rpo)2 = 517 N jmm2

Exploatare garniturii de foraj Clase de utilizare

în funcție de gradul se uzură, amploarea coroziunii, mărimea și numărul defectelor și de oboseala acumulată, prăjinile sunt trecute în categorii inferioare de utilizare și se folosesc în condiții de solicitare mai puțin severe.

15

Dinu Alexandru

Potrivit normelor API, prăjinile de foraj se clasifică astfel:

prăjini noi, cu dimensiunile nominale;

prăjini premium ( clasa 1);

prăjini clasa a 2-a;

prăjini clasa a 3-a;

în România, prăjinile sunt încadrate în cinci clase: nominală, î, ÎI, III și IV. Față de normele API, s-a introdus drept criteriu suplimentar și aria secțiunii transversale. Limitele grosimii peretului sunt: (1 – 7/8)to, (7/8 – 4/5)to, (4/5 – 2/3)to și (2/3 – ¥2%, pentru primele 4 caise, cu to – grosimea nominală a peretului.

Criterii similare de clasificare se utilizează și pentru racordurile prăjinilor. Normele API folosesc drept criterii diametrul exterior măsurat la cca. 25 mm de ia umeri și, dacă uzura este excentrică, grosimea minimă a umerilor mufei. Evident, momentele de strângere recomandate se micșorează cu gradul de uzură a racordurilor.

Controlul si reconditionarea materialului tubular

Metode de control

1.Inspecții vizuale. Ele se vor efectua în timpul introducerii sau extragerii din sondă, pe rampă sau în bază. Se controlează:

suprafața exterioară a prăjinilor, când este posibil si cea interioară, pe care se pot detecta: cretături, fisuri, lovituri, turtiri, gârtuiri, străpungeri, uzură, urme periculoase de eroziune și de coroziune;

îmbinările filetate care pot fi neetanșe, uzate, gripate, erodate, lovite, fisurate;

rectilinitatea prăjinilor;

2. Controlul dimensional. Diametrul exterior al prăjinilor și al racordurilor se măsoară cu șublere, pe diverse direcții; de obicei însă se utilizează șabloane în trepte ori cu comparator: acestea permit să se încadreze prăjinile direct în clasa de uzură corespunzătoare. Dacă racordurile sunt uzate excentric se măsoară și lățimea minimă a umerilor mufei,

Alungirile remanente, cauzate de tracțiuni peste limita de curgere, se pun în evidență, măsurând lungimea totală a prăjinilor. Valorile maxime admise sunt: 1.7% – oțel clasa E, 1.6% – oțel X – 95, 1.4% – G-105 și 1.2% – S-135.

16

Dinu Alexandru

Controlul proprietăților fizico-mecanice. Orientativ, rezistența unui oțel se apreciază măsurând duritatea Brinell. Pentru materialul tubular se utilizează, de obicei, bile de 10 mm și sarcini de 3000 daN.

Verificarea la presiune interioară și la tracțiune.

Metode nedistructive ( defectoscopice).

Ștanțarea prăjinilor

în România, prăjinile de foraj sunt ștanțate în zonele îngroșate, cât mai aproape de racorduri, la ambele capete. Marcajul este format dintr~un grup de litere și cifre care semnifică:

anul intrării în exploatare;

baza tubuiară ce are prăjina în patrimoniu;

numărul de ordine al prăjinii;

grosimea peretului, simbolizată printr-o literă mică;

oțelul din care este fabricată prăjina;

Transportul, depozitarea și manevrarea prăjinilor

în timpul transportului și al depozitării, la descărcare sau încărcare, la ridicarea și scoaterea lor din turlă, prăjinili și celelalte accesorii ale garniturii de foraj trebuie să fie echipate la ambele capete cu protectoare de fiiet bine strânse,

Prăjinile se transportă în autocamioane cu peridoc. Ele se așează pe suporți de lemn cu mufa în aceași parte, spre cabină.

Prăjina de antrenare se transportă într-un burlan de protecție, fixată cu pene de lemn, pentru a preveni încovoierea ei sub propria greutate.

Pe podul sondei, prăjinile sunt trase cu un troliu pneumatic. Protectorul cepului se deșurubează numai după suspendarea prăjinii în elevator sau împreună cu prăjina de antrenare.

înainte de înșurubare, filetele se curăță, se șterg și se ung cu vaselină consistentă.

După centrarea cepului în mufă, îmbinarea se înșurubează cu o viteză care să nu depășească 2-4 rot/min, având grijă ca prăjina adăugată să fie aliniată și să nu balanseze.

17

Dinu Alexandru

Prăjina sau pasul adăugat se înșurubează cu un cablu ori cu un lanț înfășurate pe racord, trase cu ajutorul mosorului troliului de foraj sau cu un clește automat.în acest timp, mufa prăjinii din pene este asigurată cu un clește mecanic ancorat de piciorul turlei.

La extragere garniturii, racordurile se vor slăbi numai cu doi clești: dacă se folosește masa rotativă, prăjinile se pot roti în pene și bacurile acestora lasă rizuri periculoase pe corpul prăjinilor. Rizurile sunt adesea spirale pentru că garnitura coboră ușor în timpul rotirii.

18

Dinu Alexandru

Capitolul 4 Fluide de foraj 4.1 Tipuri de fluide de foraj

Funcție de condițiile specifice forajului unei sonde fluidele de circulație utilizate trebuie să răspundă unor cerințe complexe, de natură tehnică, tehnologică, economică și de protecție a mediului. Unele dintre principalele cerințe se referă la tipul de fluid și la compoziția acestuia urmate de valorile caracteristicilor fizice, care trebuie să se mențină între anumite limite, fără să fie sau să fie influențate cât mai puțin de natura și conținutul rocilor traversate, de presiune, de temperatură sau de alți factori.

în condiții normale, fără complicații majore, unele dintre cele mai utilizate fluide de foraj sunt noroaiele de foraj. Ele au drept component fluid-apa și component solid – argila de o calitate adecvată. Dintre noroaiele de foraj o largă răspândire o au noroaiele naturale și noroaiele dispersate neinhibitive (noroaiele tratate). Preparate la suprafață din argile bentonitice( adesea activate) cu bune proprietăți coioidale și de dispersie, aceste fluide se folosesc la forarea unor intervale de suprafață sau a zonelor cu pierderi de circulație unde se cer de regulă noroaie cu viscozitate și gelație ridicate, fără alte proprietăți specifice.

Astfel, se alege pentru forarea coloanei de ancoraj (10 % in) un fluid de foraj dispersat(noroi natural). Acest tip de fluid are la bază sistemul dispers apă-argilă ( soluție diluată de bentonită în apă, cu pn-1040.. 1060 kg/m3, un filtrat de aproximativ 15 cm3 și o viscozitate aparentă la pâlnia Marsh între 40..45s) și Îndeplinește cerințele de stabilitate, colmatare și gelificare, necesare forajului.

Pentru forajul intervalelor corespunzătoare coloanei intermediare si coloanei de exploatare se alege un fluid de foraj inhibitiv pe bază de ioni de K. Fluid ales este cel denumit INHIB-KCI, un fluid cu clorură de potasiu și fluidizanți inhibitori. Acesta este un amestec de iignosulfonați, humați si dicromați, care amplifică efectul inhibant al ionului de potasiu.

La prepararea unui astfel de fluid se pleacă de la o soluție diluată de argilă bentonitica prehidratată (pn= 1040.. 1060 kg/m3) la care se adaugă:

30…60 kg/m3 ÎNHIB;

30…200 kg/m3 KCI;

~ 3…5 kg/m3 NaOH pentru a menține pH-ul sistemului între 9.5… 11;

un coloid organic: 5.,.20 kg/m3 carboximetilceluloză;

19

Dinu Alexandru

o substanță tensioactivă neionică pentru reducerea tensiunii interfaciale: 5…20 kg/m3 EGOP-gltcoli oxipropilați;

un antispumant: 1.5…2 kg/m3 CSF;

motorină pentru îmbunătățirea proprietăților de filtrare si lubrifiere;

Aceleași substanțe se adaugă și pentru întreținerea noroiului, iar la fiecare metru forat se adaugă 1…2 kg KCI, pentru că în filtrat trebuie să existe permanent un exces de ioni de k+ ( minimum 30 kg/m3) KCI.

Proprietățile fizice ale fluidelor de foraj

Compoziția, calitățile sau carențele unui fluid de foraj sunt definite printr-o serie de proprietăți, unele dintre ele comune tuturor tipurilor de fluide, altele specifice doar anumitor categorii, O parte (densitatea, conținutul de gaze, rezistivitate, etc.) se măsoară și se înregistrează la sondă și în mod continuu; celelalte sunt măsurate numai intermitent, la sondă ori in laborator.

Densitatea Drept caracteristică fizică principală a unui fluid de foraj este considerată densitatea. Aceasta asigură îndeplinirea multor funcțiuni ale fluidului de circulație în procesul de foraj,

într~o situație dată stabilirea vaiorii densității fluidului de foraj are în vedere două situații:

împiedicarea pătrunderii in sondă a fluidelor aflate în porii rocilor traversate, deci evitarea afluxului;

evitarea fisurării rocilor, urmartă de pătrunderea fluidului de foraj din sondă în deschiderile formate, deci evitarea influxului;

Pentru îndeplinirea celor două cerințe menționate este necesar ca în orice moment al forajului sa se îndeplinească condiția:

Pp<Pn<Pf

în care pn este presiunea creată de fluidul de foraj, pp – presiunea fluidului din rocă iar pf – presiunea de fisurare a rocii respective.

20

Dinu Alexandru

Dacă se consideră că presiunea creată de fluidul de fora] este cea a coloanei hidrostatice și se exprimă celelalte două presiuni în raport cu gradienții de presiune corespunzători se ajunge la relația:

TPH< pngH< CfH

, . rp ^ rf

deci: —< pn<- g g

De aici rezultă două densități limită pentru fluidul de foraj:

densitatea minimă:

_rP

pnmin“™";

&

densitatea maximă:

_ rf'

Pnmax- ~

&

în datele inițiale de proiect au fost date densitățile fluidelor de foraj cu care se vor săpa intervalele corespunzătoare celor 3 coloane, Astfel:

pentru coloana de ancoraj:

pna” 1170 kg/m3;

pentru coloana intermediară:

pnj—1300 kg/m3;

pentru coloana de exploatare:

pne” 1500 kg/m3;

Caracteristicile reologice

în funcție de valorile densității caracteristicile reologice urmează să aibă valorile: Pentru coloana de ancoraj:

viscozitatea plastică:

rjpa=0,033pn3“ 22~ 0.033 ■ 1170 – 22=16.61 cP;

tensiunea dinamica de forfecare:

Toa=0.0085pna-7=0.0085 ■ 1170 – 7=2.945 N/m2;

Pentru coloana intermediară:

viscozitatea plastică:

r]pF0,033pni- 22- 0.033 • 1300™ 22=20.9 cP;

tensiunea dinamică de forfecare:

T0i=0.0085pnr7=0.0085 • 1300 – 7=4.05 N/m2;

21

Dinu Alexandru

Pentru coloana de exploatare:

viscozitatea plastică:

nPe=0.033pne“ 22= 0.033 • 1500 – 22=27.5 cP;

tensiunea dinamică de forfecare:

Toe=0.0085pne-7=0.0085 • 1500 – 7=5.75 N/m2;

Principalele caracteristici fizice ale fluidelor de foraj utilizate sunt sintetizate în tabelul următor:

Intervalul

Calculul volumelor de fluid de foraj

Intervalul forat corespunzător coloanei de ancoraj

& St

I

■»

3r

Ha=750 m;

Dsa=346.1 mm=0.3461 m;

Volumul de noroi necesar forării acestui interval este:

Vna=2-(^ •Dsa2-Ha)=2-(j •0.34612-750)=141.1 m3;

4 4

22

Dinu Alexandru

Intervalul forat corespunzător coloanei intermediare

Schema de calcul este următoarea:

Hj=1950 m;

Diametrul interior al coloanei de ancoraj:

Dja=250.1 mm;

Diametrul sapei:

Dsi=244.5 mm;

Volumul de noroi necesar forării acestui interval este:

Vni=2-[2- Dia2 • Ha+ 2 • Dsi2 • (Hi-Ha)] = 2 • 0.25012 • 750+Î-0.24452 • (1950 – 750)]

Vni= 186.27 m3;

Intervalul forat corespunzător coloanei de exploatare

Schema de calcul este următoarea:

Dinu Alexandru

He=2500 m;

Diametrul interior al coloanei intermediare:

Djj—177 mm;

Diametrul sapei:

Dse= 171.5 mm;

Volumul de fluid necesar forării acestui interval :

Vne=2“[(Dii2 • Hi+Dse2 • (He-Hi))]=2-[î(o.l772 • 1950+0.17152 • (2SOO-1950))]

vne=121.31 m3;

4.4 Cantitățile de materiale utilizate pentru prepararea fluidelor de foraj

Intervalul corespunzător coloanei de ancoraj

Pentru forajui intervalului corespunzător coloanei de ancora] s-a optat pentru un fluid de foraj natural, alcătuit din argilă și apă. Cantitățile necesare pentru prepararea acestui fluide se calculeaza astfel:

Va + Varg = Vna

va ■ pa + Varg ' Parg = Vna ’ pna

Din acest sistem rezultă ca volumul de argilă necesar este:

v 141.1 -(l 170-1000)

P^-Pa 2500-1000

Masa de argilă:

mm = Krg • Pnrg = 15'2500 = 39975fe = 29315tone

Volumul de apă este egal cu:

Va = Vna- Varg = 141.1 – 15.99 = 125.11 m3

Intervalul corespunzător intermediare

Pentru forarea acestui interval, s-a optat pentru un fluid de foraj inhibit, îngreuiat, îngreuierea se va face pe fluidul de foraj utilizat la forarea intervalului anterior:

Vi + Vb = Vni

Vi ■ Pna + Vb * pb = Vni * Pni

24

Dinu Alexandru

Din acest sistem rezultă masa de barită necesară îngreuierii noroiului:

m =EiAP'"~P:'«).y = 4100 • (] ,?.?.?.~_LLZ2). 186.27 = 33884.6% = 33.884fon<?

Pb-P„„ 4100-1170

Vi – volumul noroiului natural pe care s-a făcut îngreuierea:

v = V»r(p„-p,,i) = 186.27-(4100-1300) =

P„~Pm 4100-1170

Va + Varg = Vi

Va * pa + Varg ' parg = Vi ■ pi

Din acest sistem rezultă volumul și masa de argilă necesară preparării noroiului precum și volumul de apă:

F

arg

p^-p. 2500-1000

m„c = vm ' P«e = 20.17 ■ 2500 = 50425% = 5Q.425tone

Va = Vi – Varg = 178 – 20.17 = 157.83 m3

Intervalul corespunzător coloanei de exploatare

Pentru forarea acestui interval, s-a optat pentru un fluid de foraj inhibit, îngreuiat, îngreuierea se va face pe fluidul de foraj utilizat la forarea intervalului anterior:

Vi + Vb = Vni

Vi • pni + Vb * pb ^ Vne * Pne

Din acest sistem rezultă masa de barită necesară îngreuierii noroiului precum și volumul noroiului natural pe care s-a făcut îngreuierea:

m = p>-(p.,-pj. y = 4100 – (l 500 -1300). 12L3 J = 35526% = 35.526toie ph~pni “ 4100-1300

V 121-31-(4100-1500) 112 61ji3 P„-P„ 4100-1300

Pentru determinarea volumului de argilă și de apă necesar preparării fluidului de foraj se rezolvă următorul sistem:

Va 4* Vgrg = Vl

Va ’ Pa + Varg * parg “ Vi * pi

= V> (p, – = llrjlll1300-100°) = 22.52tn'

arc

Pu,-P. 2500-1000

mm = • pm = 22.52 ■ 2500 = 56300% = S63lone Va = Vj – Varg = 112.64 – 22.52 = 90.12 m3

25

Capitolul 5 Tubarea sondei

Dinu Alexandru

Calculul de rezistență al coloanelor de tubare

Pe întreaga durată de existență a une sonde, începând cu procesul de foraj, continuând cu cel exploatare si încheind cu abandonarea, coloanele de tubare ale sondei respective sunt supuse unui complex de solicitări. Acestea acționează independent sau în interdependență, accidental sau permanent, static sau dinamic, cu valoare constantă sau variabilă, funcție de momentul din durata de existență a sondei și de operația efectuată.

Natura și intensitatea solicitărilor depind de o multitudine de factori obiectivi sau subiectivi: adâncimea și traiectul sondei, stabilitatea formațiilor de roci traversate, natura și presiunea fluidelor din deschiderile rocilor, gradienții de fisurare ai rocilor, temperatură, modul de fixare a coloanelor la suprafață, operația executată și tehnologia aplicată, natura și compoziția fluidelor existente în sondă în momentul respectiv etc.

Datorită acțiunii lor in foarte multe situații și a valorilor ridicate, în calculul obișnuit al coloanelor se consideră solicitările:

de tracțiune produsă de greutatea proprie ce acționează, în multe cazuri, concomitent cu presiunea interioară sau presiune exterioară;

de presiune interioară produsă de fluidul existent sau pătruns în coloană din roci traversate;

de presiune exterioară produsă de fluidul introdus în spatele coloanei sau de un fluid existent în rocile traversate sau de împingerea laterală a unei roci;

De-a lungul unei coloane solicitările mai sus menționate sunt variabile. în consecință, componența sau profilul coloanei respective esti și el variabil, atât ca material, cât, mai ales ca grosime a peretului burlanelor,

în proiect este realizată următoarea variantă de calcul de rezistență pentru coloanele de tubaj:

~ pentru coloana de ancoraj se consideră solicitarea de întindere sub propria

greutate, cu sonda plină cu fluidul de foraj utilizat pentru intervalul acestei coloane la finalul

26

Dinu Alexandru

operației de cimentare când, la oprirea dopului plin de cimentare, se produce închiderea coloanei și apare o creștere de presiune; această presiune suplimentară produce un plus de solicitare la întindere; după stabilirea componenței coloanei, se calculează adâncimea până la care se poate produce golirea coloanei fără pericolul turtirii la presiune exterioară; golirea poate să aibă loc ca urmare a unei pierderi de circulație, la continuarea forajului, într-o formație de roci fisurate sau într-o falie neetanșă;

“ pentru coloana intermediară se consideră solicitarea de presiune interioară care poate să apară în cazul unei manifestări eruptive, cu prevenitorul de erupție de la gura sondei închis pe garnitura de foraj; se consideră că fluidul pătruns in coloană este gazos și a umplut coloana, fluidul de foraj din coloană fiind complet aruncat din sondă, gazele pătrunse provenind dintr-un strat aflat imediat sub baza coloanei intermediare; în aceste condiții are loc asa numita situație „ sondă închisă plină cu gaze"; după calculul de compunere la solicitarea de presiune interioară se face verificarea la solicitarea de întindere sub propria greutate și dacă este cazul se fac corecturile necesare pentru asigurarea corespondenței coloanei ambelor solicitări menționare;

pentru coloana de exploatare se consideră solicitarea de presiune exterioară în condiția coloanei complet goală; presiunea este cea creată de coloana hidrostatică a fluidului de foraj existent în sondă la forarea intervalului corespunzător coloanei respective; și în acest caz se face verificarea la întindere sub propria greutate a coloanei;

Calculul de rezistență al coloanei de ancoraj

Pentru coloana de ancoraj sunt cunoscute următoarele date:

diametrul coloanei: Da=10 % in= 273 mm;

adâncimea de introducere în sondă: Ha=750 m;

adâncimea finală a sondei: H=2500 m;

densitatea fluidului de foraj: pn=1170 kg/m3;

presiunea suplimentară la finalul cimentării: psupi=20 bar;

27

Dinu Alexandru

coloana este formată din burlane de oțel J55 cu îmbinări cu filet rotund, mufă lungă(ML);

Se vor folosi următorii coeficienți de siguranță:

coeficientul de siguranță la turtire: ct=l;

coeficientul de siguranță la smulgerea din filet: cs=1.6;

Datele privind caracteristicile burlanelor sunt prezentate în tabelul următor:

La partea inferioară a coloanei, pe o lungime la^lOO m, se aleg burlane cu grosime de perete maximă, ta= 11,43 mm, având diametrul interior:

Dla=Da“2*ta= 273 – 2-11,43=250.14 mm;

Forța axială suplimentară datorată creșterii presiunii interioare:

Fsupi = ;' D?a • ^ \ ■ 0.250142 • 20 • IO5 =98235 N= 98.235 kN;

Primul tronson, aflat deasupra celui cu grosime maximă de perete este compus din burlane cu cea mai mică grosime de perete ti=8.89 mm, la care Fadsi=1331.87 kN, qi=60.32 kg/m și padu-109 bar. Lungimea tronsonului va fi:

Fadsl — * 9‘ ^1 ~ ^ “ Fsup|

1331.87 • IO3 – 100 • 75.96 • 9.81- (l – i—) – 98235 " 60.32 ■^■(l~i|Z£)

^=2323,9 m;

28

Dinu Alexandru

Deoarece lungimea tronsonului rezultată din calcul depășește necesarul de 700 m(Ha- la=650 m) tronsonul de burlane cu grosimea peretelui t=8.89 mm va avea lungimea:

li=650 m;

Ca urmare, din punctul de vedere al solicitării la întindere coloana de ancoraj va avea componența:

0…65O m li=650m ti=8.89 mm

.750 rn 12—100 m t2-~ 11.43 mm

Adâncimea de golire pentru burlanele cu grosimea cea mai mică de perete, ti=8.89 mm și cu padti=109 bar va fi:

pariM 109 ■ IO5 H – LML – = 950 m

gl pn * g 1170-9.81

Din calcul rezultă o golire totală a coloanei.

Calcului de rezistență al coloanei intermediare

Compunerea coloanei se va stabili din punctul de vedere al presiunii interioară și apoi se face verificarea la întindere, făcându-se corecțiile necesare dacă acest lucru este necesar.

A. Calculul coloanei intermediare la presiune interioară

Se consideră că adâncimea la care se afiă stratul de aflux a gazelor este egală cu adâncimea de introducere a coloanei intermediare, Hi și că presiunea gazelor corespunde gradientului presiunii de strat din zona coloanei de exploatare, rpe. Din punctul de vedere al calculului coloanei nu are importanță dacă în timpul manifestării se află sau nu se află garnitura de foraj.

în calcule se ține seama și de presiunea din exteriorul coloanei dată de coloana hidrostatică de apă mineralizată, cu densitatea pam.

Pentru coloana intermediară sunt cunoscute următoarele date:

diametrul coloanei: D{=7 5/8 in=193.7 mm;

adâncimea de introducere: 1-1,= 1950 m;

adâncimea finală a sondei: H=2500 m;

densitatea apei mineralizate: pam=1070 kg/m3;

29

Dinu Alexandru

gradientul presiunii fluidului din roca de sub baza coloanei( zona coloanei de exploatare:

Presiunea fluidelor din pori la adâncimea maximă deschisă sub șiui coloanei de 7 5/8 in, la 2500m, se consideră egală cu presiunea coloanei de noroi cu densitatea pne:

Pp= pne-g-He= 1500-9.81-2500= 36787500 N/m2 = 367.87 bar;

Gradientul presiunii fluidelor din pori:

Pp = 36^7 p He 2500 ' '

în calcule se va lucra cu un gradient al presiunii fluidelor:

Tpe-0,158 bar/m (acoperitor);

gradientul geotermic din zonă: rt=0,03 °C/m;

temperatura medie la suprafață: ts=9 °C;

densitatea relativă a gazelor: prg=0.675;

coeficientul de neidealitate al gazelor la partea de jos și la partea de sus a coloanei se consideră egal cu 1 (această valoare corespunde gazelor perfecte);

constanta generală a gazelor: R=287 J/kg* °K;

Urmează să se stabilească alcătuirea coloanei de tubare la solicitarea de presiune în condiția sondă închisă plină cu gaze și să se verifice respectiva coloană la solicitarea de întindere sub propria greutate.

Densitatea fluidului de foraj pentru forarea acestui interval este:

Pni=1300 kg/m3;

Datele burlanelor necesare calculului sunt prezentate în tabelul următor:

Coeficienții de siguranță utilizați în calcul sunt următorii ( H<3500 m):

coeficientul de siguranță la spargere: csp=l.l;

coeficientul de siguranță la smulgerea din filet: cs=1.6;

30

Presiuni ia interiorul coloanei, p*

Dinu Alexandru

Presiunea la partea inferioară a coloanei este egală cu presiunea de strat:

pn = Ppe = rp • Hi = 0.158 • 1950 – 308.1 bar

Temperaturi:

la partea inferioară a coloanei:

Ti = Tt • Hj + 273 = 0.03 * 1950 4- 273 = 331.5 °K

la partea superioară a coloanei (la suprafață):

Ts = ts + 273 = 9 + 273 = 282 °K

temperatura medie:

Ts 4- T} 282 + 331.5
Tm = = = 306.75 °K

Coeficientul mediu de neidealitate al gazelor:

Zs + Zs

7 = — 2 – i

2

Presiunea la partea superioară a coloanei:

H 0.67S’9.8X'1950

p = p.. * e Tm-zm-R ~ 308.1 * e 306.75-1*28? = 266.06 bar

IS Hi

Densitatea medie a gazelor:

Ph~Pk 308.1- 266.06 . , , .

n — = 105 _ 219 76 ka/nV

Pm9 g-Hj 9.81 * 1950 * 9/

Presiuni la exteriorul coloanei, pe

Presiunea la partea inferioară a coloanei:

pei = Pam * g*Hj = 1070 • 9.81 • 1950 – 204.68 bar

Presiunea la partea superioară a coloanei:

Pes"0

Diferențe de presiune ce solicită coloana, Api

La partea inferioară a coloanei:

Apic = pic – pei = 308.1 – 204.68 = 103.42 bar

La partea superioară a coloanei:

APis = Pis “Pes = 266 06 bar

31

Dinu Alexandru

Compunerea coloanei la solicitarea de presiune interioară

Din datele referitoare la presiunile ce solicită coloana de tubare( 103.42 bar 1a partea inferioară și 266.06 bar la partea superioară) și din valorile presiunilor admisibile de spargere ale burlanelor prezentate in tabel rezultă că în compunerea coloanei întră burlane din oțel J55 cu grosimea de perete ti=8.33 bar și burlane din oțel N80 cu grosimea de perete t2=8.33 mm.

Pentru calculul de compunere se va utiliza varianta analitică de jos în sus.

Primul tronson de la partea inferioară a coloanei va fi din oțel J55 cu grosimea de perete ti=8.33 mm care are presiunea admisibilă de spargere padspi=259 bar, imediat superioară presiunii de solicitare a coloanei la bază Apic= 103.42 bar.

Lungimea primului tronson va fi:

Tronsonul al doilea va fi compus din burlane din oțel N80 cu t2=8.33 mm și cu Pad$p2=377 bar. Lungimea tronsonului va fi:

Deoarece lungimea calculată depășește lungimea coloanei, al doilea tronson va avea

Padspl ^Pic

259 – 103.42

IO5 = 1866 m

Pasp2 Paspi 377 259

IO5 = 1414 m

lungimea

l2=Hi-l1 = 1950-1866=84 m

In consecință, compunerea coloanei intermediare va fi

84…0 m

1950…84 m

li=1866m

l2=84m

ti=8.33 mm t2=8.33 mm

32

Dinu Alexandru

Variația presiunii interioare de solicitare funcție de adâncime este prezentată în figura următoare:

Ap/s

Verificarea coloanei la solicitarea de întindere

Calculul de verificare la solicitarea de întindere se face de jos în sus, de ia baza

coloanei la suprafață. Se au in vedere punctele de trecere de la un tronson la următorul.

La partea superioară a primului tronson ti=8.33 mm și Fadsi=962 kN:

( Pnî\ . ( 1300\

h = qa * 9' J ‘ li = 39.29 * 9.81 • • 1866 = 600.114 kN

Se observă că Fadsi>Fi deci coloana rezistă,

La partea superioară celui de-al doilea tronson t2=8.33 mm ,Fads2 = 1363 kN :

f2 = qr g- (i – Ș4) • ii + q2 • 9- (* – jr) ■ '* = 600114 + 39.29 • 9.81 • (1 – • 84

F2 = 627.128 kN;

33

Dinu Alexandru

Se observă că Fads2>F2 deci coioana rezistă.

Verificarea la întindere a demonstrat că, coloana intermediară va avea componența rezultată din calculul la presiunea interioară.

Calcului de rezistență al coloanei de exploatare

Coloana de exploatare trebuie să prezinte siguranță pe o perioadă lungă de timp, ea fiind elementul prin care se realizează procesele legate de exploatarea diferitelor fluide. Un prim element căruia trebuie să i se acorde o atenție deosebită este stabilirea condițiilor și stărilor de solicitare.

Frecvent, pentru calculul de rezistență al coloanei de exploatare se consideră solicitarea la presiune exterioară cu coloana complet goală. Presiunea este asociată de coloana hidrostatică a fluidului de foraj utilizat la forajul sondei în momentul terminării procesului de săpat a sondei. Se neglijează existența cimentării coloanei.

După stabilirea compunerii la presiune exterioară se procedează la verificarea la întindere sub propria greutate.

Pentru coloana de exploatare sunt cunoscute următoarele date:

diametrul coloanei: De=5 in= 127 mm;

adâncimea de introducere: He=2500 m;

densitatea fluidului de foraj: pne=1500 kg/m3;

Datele burlanelor necesare calculului sunt prezentate în tabelul următor:

34

Dinu Alexandru

Coeficienții de siguranță utilizați în calcul sunt următorii ( H<3500 m):

coeficientul de siguranță la turtire: ct=l;

coeficientul de siguranță la smulgerea din filet: cs=1.6;

Presiunile la interiorul coloanei sunt nule, iar la exteriorul acesteia sunt date de
coloana hidrostatică a fluidului de foraj. Astfel:

îa partea de sus a coloanei: pes-0;

la partea inferioară a coloanei:

Pei = Pne ' 9*He = 1500 • 9.81 * 2500 ~ 367.87 bar
Din compunerea coloanei vor face parte burlanele:

la partea superioară: cu presiunea admisibilă de turtire cea mai mică – oțel J55,
t=5.59 mm și p3dt=211 bar;

la partea inferioară cu presiunea admisibilă de turtire imediat mai mare de 367.87
bar, oțel J55, t=7.52 mm și pacit“383 bar;

Pentru calculul de compunere ta presiune exterioară se va folosi varianta analitică de
sus în jos.

Primul tronson este format din burlane oțe! J55, cu ti=5.59 mm și cu padt=211 bar.

Lungimea tronsonului va fi egală cu:

padt1 211 * IO5

~ Pne-9 ~ 1500 • 9,81 “ 1434 m

Lungimea celui de-al doilea tronson, format din burlane oțel J55, t2=6.43 mm și

Padt2=285 bar este:

Padt2 ~~ Pariti (286 — 211) * IO5

= – l— < = 510 m

Pne ■ g 1500 • 9.81

Lungimea celui de-al treilea tronson, format din burlane oțel 355, t3=7.52 mm și cu
Padt3”383 bar este:

, Padt3 – Padt2 (383 – 286) ■ IO5

)ne • g 1500 • 9.81

= 660 m

Deorece lungimea obținută pentru aceste tronson depășește necesarul rămas, al treilea tronson va avea lungimea:

l3=He“(!a +12)=2500-(1434+510)=556 m.

35

Dinu Alexandru

în concluzie profilul coloanei de exploatare supusă solicitării de presiune exterioară va fi următorul:

0…1434 m

1944m

.2500 m

li=1434 m l2=510 m h=556 m

ti=5.59 mm, oțel J55 t2=6,43 mm, oțel J55 t2=7.52 mm, oțel J55

Variația presiunii exterioare de solicitare funcție de adâncime este prezentată în figura următoare:

36

Diiiex^

Verificarea la solicitarea de întindere
,‘a în toate cazurile de calcul la solicitarea de întindere caicului se face dds îrx
oaza coloanei la suprafață, Se au în vedere punctele de trecere între trorfarv^

derând capacitatea de rezistență a burlanelor cu forță admisibilă ta smulgle
să.

La partea superioara a primului tronson tx = 7,52 mm, Fadsl=62.0 kN ,din ^

Fi = q, • g- (l – • \i = 22.32 • 9.81 • (l – • 556 = 984-78 N = 98. ^ ^ ^ :
Deoarece Fadsi>Fi coloana rezistă.

La partea superioară a celui de-al doilea tronson din oțel 355> t2=6,43 ir^r^
ads2=506.2 kN:

F2 = q, • g- (l – y • I, + q2 • g- (l – **) • l2 = 98478 + 19.35 .9.81 ■ (t ^ ||Oq

= 176789 N = 176.789 kN ° 5lO

Deoarece Fads2>F2 coloana rezistă.

La partea superioară celui de-al treilea tronson din oțel 355, t3=5.5S mrri Fads3=506.2 kN:

/ 1500\

176789 + 17.11 • 9.81 * ț^l ~~ ‘ 1434 – 371491 N ^ ^ Deoarece Fads3>F3 coloana rezistă. *

Verificarea 1a întindere a demonstrat că, coloana de exploatare va

rezultată din calculul la presiunea exterioara. lPor*

er>ta

Echiparea coloanelor de tubare

înainte de tubare, coloanele de burlane sunt echipate cu anumite a

Ccesorîi 9

continuare vor fi prezentate principalele accesorii cu care va fi echipată r exploatare cu diametrul De= Sin.

Siul (sabotul) se află la partea inferioară a coloanei de exploatare *

prjn f

rotunjită, asigură introducerea coioanei( o bucată scurtă de burlan, cu n rrn$ sa

prevăzută cu o calotă semisferică din aluminiu turnat sau din ciment cu ■ $roși, frezabile). drtlbeiQ

Dinu Alexandru

Există șiuri simple, șiuri cu ventil de reținere, șiuri cu umplere automată a coloanei și și uri diferențiale. Pentru coloana de exploatare aleasă se va alege un șiu cu ventil de reținere. Acest tip de șiu permite numai circulația directă, din interior în spațiul inelar al coloanei. Valva împiedică revenirea pastei de ciment în coloană la sfârșitul operației. Totodată, ea previne sifonarea noroiului și manifestarea sondei prin interiorul coloanei. Se folosesc valve cu bilă din aluminiu cu calotă metalică ori din ciment, cu ciupercă împinsă în sus și de un arc sau cu clapetă articulată și arc.

Se va alege pentru echiparea coloanei de exploatere un șiu cu valvă de reținere cu bilă din aluminiu și calotă din ciment, prezentat in figura următoare;

Niplu cu valvă: se înșurubează deasupra șiufui, după unul, două sau chiar trei burlane. Valva acestuia va constitui o siguranță suplimentară împotriva revenirii pastei în coloană, construcția acestuia fiind similară cu cea a șiului. Niplul are cep filetat la partea de jos pentru înșurubarea în mufa burlanului. Se va folosi un niplu cu valva de reținere înșurubată:

Centrori de coloană

38

Dinu Alexandru

Ei sunt dispozitive mecanice care se montează pe coioana de burlane pentru centrarea ei în gaura de sondă. Când coloana este centrată:

se îmbunătățește gradul de dezlocuire a noroiului de pastă;

se formează un inel de ciment uniform;

se previne prinderea coloanei prin lipire de pereții găurii de sondă;

se împiedică burlanele să intre în găurile de cheie;

se reduc forțele de manevrare și de rotire a coloanei;

se evită deșurubarea burlanelor de la partea inferioară a coloanelor când se lucrează în interiorul lor( cimentul este "armat");

în principiu, centrorii se plasează de-a lungul întregii zone cimentate sau cel puțin în dreptul stratelor productive, în zonele cu pericol de prindere și în cele cu devieri mari sau cu găuri de cheie.

Pentru echiparea coloanei de exploatare din proiect se vor plasa câte doi centrori pe primele trei burlane din zona șiului după care se va plasa câte un centror la trei burlane.

Se aleg centrori de coloană cu lame elastice eticoidale, schema constructivă fiind prezentată în figura următoare:

Curătitorii de turtăf scarificatorO. Aceștia sunt accesorii montate pe coloane de burlane pentru îndepărtarea turtei de colmatare si îmbunătățirea contactului ciment-rocă, Totodată, ei distrug structura noroaielor gelificate și ajută la inducerea turbulenței. Se vor folosi numai dacă se rotește sau se manevrează coloana în timpul cimentării și numai împreună cu centrori.

Curățitorii de turtă se plasează în dreptul stratelor permeabile, unde noroaiele depun o turtă groasă, cu precădere în dreptul celor productive, la intervale de 2-5 m.

39

Dinu Alexandru

Coloana de exploatare se va echipa cu curățiori pentru manevră constituiți din coliere metalice pe care sunt fixate sârme de oțel.

Turbuiizorii. Ei constituie niște manșoane cu 4 – 8 lame elicoidale care creează o curgere turbulentă în jurul lor și contribuie la îndepărtarea noroiului din zonele lărgite în timpul cimentării. Ei reduc și frecările când se rotește coloana. Se fixează de corpul burlanelor cu șuruburi sau între două coliere.

Executarea operației de tubare

Pregătirea operației de tubare

Introducerea coloanei de burlane fără dificultăți, întreruperi nedorite sau accidente și reușita cimentării coloanei necesită o pregătire a găurii de sondă și verificarea sculelor de tubare, controlul instalației de foraj, pregătirea materialelor necesare pentru prepararea pastei de ciment, precum și a unor echipamente utilizate în timpul cimentării.

Pregătirea găurii de sondă

După ce se efectuează operațiile de carotaj electric și radioactiv, cavernometria și măsurătorile de deviere, se recomandă reintroducerea garniturii de foraj cu sapa, eventual și cu un corector, într-un marș de șablonare a găurii de sondă. Uneori, în sondele adânci și dificile, se execută chiar două, trei marșuri de control.

Se corectează astfel, porțiunile în care există tendințe de strângere a pereților și de așezare a sapei, zone cu schimbări bruște ale direcției găurii de sondă, cu îngenunchieri care pot împiedica introducerea coloanei de burlane.

La talpă se circulă până ce se evacuează complet detritusul de noroi. Se rezolvă eventualele pierderi de circulație cu materiale de blocare. Se corectează densitatea noroiului, iar viscozitatea și gelația acestuia sunt reduse cu fluidizanți cât mai mult posibil. Pentru îmbunătățirea proprietăților lubrifiante se adaugă în noroi 10-15 kg/m3 praf de grafit sau câteva procente de petrol.în acest mod se micșorează pericolul de prindere prin lipire a coloanei de burlane, mai ales în sonde deviate.

Garnitura de foraj se introduce și se extrage cu o viteză moderată pentru a evita fisurarea formațiunilor ori afluxul de gaze în sondă. Pentru determinarea exactă a tălpii sondei, se remăsoară lungimea garniturii de foraj.

40

Dinu Alexandru

Pregătirea burlanelor si a accesoriilor coloanei

Toate burlanele și accesoriile coloanei se aduc din timp la sondă și se verifică, în conformitate cu profilul coloanei. La fiecare 1000 m se aduc în plus două, trei burlane: considerând această regulă, pentru coloana de exploatare din proiect sunt necesare 7 burlane în plus.

Burlanele se probează, cu apă, pe rampa sondei cu ajutorul unui agregat de cimentare. în acest scop , la capetele fiecărui burlan se înșurubează două capace, presiunea de probare fiind menținută 15 – 20 s. Ea nu trebuie să depășească 80 % din presiunea minimă de spargere.

Se indentifică toate burlanele, după marcaj, ca grosime, calitate de oțel și îmbinare, se măsoară lungimea lor( fără cep) și se numerotează în ordinea introducerii în sondă.

Se curăță cu petrol și se verifică toate filetele. Protectoarele mufelor sunt îndepărtate, iar cele ale cepurilor sunt reînșurubate cu mâna.

Se șablonează la interior toate burlanele.

Ultimul burlan, cel care va fi înșurubat la capătul superior al coloanei, numit și burlan de lansare, trebuie ales ca lungime a.î. mufa burlanului precedent să nu se afle în dreptul capului de coloană, acolo unde se pun bacurile de suspendare, iar capătul de sus să se găsească într-o poziție accesibilă, la circa 1.5 m deasupra mesei rotative.

Se verifică dacă există toate accesoriile necesare ca număr, dimensiuni, tip de filet, precum și funcționarea lor.

Se înșurubează pe rampa șiul ales la primul burlan, niplul cu valvă la al treilea burlan, după programul stabilit. înșurubările se asigură împotriva deșurubării cu cordoane scurte de sudură sau cu rășini epoxidice, dacă burlanele nu sunt sudabile.

Se montează centrorii și scarificatorii pe burlane cu inele de blocare.

Pregătirea instalației și a sculelor de tubare

La coloanele lungi și grele, se verifică principalele componente ale instalației de foraj, în primul rând sistemul de frânare al troliului și cablul de foraj.

Se controlează funcționarea podului mobil de tubare. Acolo unde nu există, se montează unul la înălțimea unui burlan deasupra podului sondei.

Dacă masa rotativă nu poate suporta greutatea coloanei de burlane sau dacă diametrul mufelor depășește diametrul de trecere al mesei, aceasta se îndepărtează și în locul ei, pe grinzile substructurii, se montează un suport special pentru broasca cu pene.

41

Dinu Alexandru

Chiolbașii trebuie să fie suficient de lungi pentru a putea monta capul de cimentare sau capul rotativ în cazul rotirii coloanei.

în prevenitorul cu închidere parțială se schimbă bacurile de prăjini cu bacuri pentru coloana respectivă.

Se aduc la sondă sculele de tubare și se verifică daca ele funcționează, nu sunt uzate și corespund cu diametrul și greutatea coloanei: elevatoare simple sau cu pene, elevatoare pentru ridicarea burlanelor în turlă, clești mecanici sau mecanizați, protectoare de filet ușor demontabile. Cleștii trebuie să aibă fălci și bacuri de rezervă.

Dacă nu se folosesc cleștii mecanizați, pentru înșurubarea burlanelor se folosește o frânghie suficient de lungă cu diametrul de 40 mm. Cu cleștii mecanici burlanele doar se strâng. Momentul de strângere se controlează cu un indicator de moment, montat pe coada cleștelui de strâns.

Se pregătesc flanșele și dispozitivele de suspendare și de etanșare a coloanei la suprafață.

De la încărcător se montează un furtun cu cana pentru umplerea coloanei.

Se asigură vaselina necesară pentru îmbinările burlanelor.

La pompele de noroi, pistoanele, cămășile și supapele uzate se schimbă.

Se aduc la sondă, înainte de începerea tubării, toate substantele necesare cimentării coloanei, precum și unele echipamente necesare preparării pastei de ciment și a fluidului de separare: habe, agitatoare.

Introducerea coloanei de burlane

Coloanele ușoare, formate din burlane cu mufă separată, se manevrează cu elevatoare care prind sub mufă și se suspendă în masa rotativă cu pene corespunzătoare diametrului burlanelor. Coloanele mai grele și cele alcătuite din burlane cu mufă din corp se manevrează cu elevatori cu pene, care prind pe corpul burlanelor și se suspendă într-o broască cu pene așezate pe masă ori în locul ei. Penele broaștei sunt manevrate simultan și se angajează pe corpul burlanelor la aceeași înălțime.

Tubarea începe cu introducerea în sondă a primului burlan, la care este înșurubat șiul coloanei. Astfel pentru tubarea coloanei de exploatare din proiect se vor introduce mai întâi burlanele din oțel J55 cu grosimea de perete t=7.52 mm pe o lungime de 556 m.

42

Dinu Alexandru

La primul burlan de acest tip se va înșuruba șiul ales, și anume șiul cu valvă de reținere cu bilă din aluminiu și calotă de ciment. Capătul superior al fiecărui burlan se ridică pe podul sondei cu ajutorul unei macarale existente pe rampă sau prin legarea burlanului de cel precedent. De pe pod, burlanul este prins cu elevatorul simplu și ridicat în turlă. Dacă se folosește un elevator cu pene, prea greu pentru a fi deplasat lateral și închis pe burlan, acesta este apucat cu un elevator ușor atârnat cu două bucăți de cablu de brațele elevatorului greu, de manevră și ridicat în turlă. După ce capătul inferior al burlanului se ridică suficient de sus, se desface protectorul cepului.

Pentru reducerea momentului de frecare, evitarea gripării și asigurarea etanșeității îmbinării, filetul mufei se unge cu o unsoare stabilă la temperaturi și presiuni ridicate, preparată dintr-un ulei mineral ( din petrol naftenic), stearat de aluminiu ( sau litiu) și praf de grafit.

Se introduce cepul burlanului atârnat în mufa celui suspendat în pene. Operația se face cu multă atenție pentru a evita deteriorarea filetelor și a suprafețelor de etanșare. Burlanul atârnat se aliniază cu cel de jos pentru a împiedica încălecarea spirelor. La început, până la angajarea cepului în mufă, burlanul atârnat se rotește încet.

îmbinarea se strânge cu cleștii mecanici sau mecanizați până când momentul atinge o valoare predeterminată, dependentă de tipul îmbinării și de diametrul burlanelor. Astfel:

burlanele din oțel 355, cu diametrul D = 5 in, cu grosimea de perete ti=7.52 mm și filet rotund lung se vor strânge cu un moment optim de 310 kgf*m;

burlanele din oțel 355, cu grosimea de perete t2=6.43 mm și filet rotund lung se vor strânge cu un moment optim de 250 kgf*m;

burlanele din oțel 355, cu grosimea de perete t3=5.59 mm și filet rotund scurt se vor strânge cu un moment optim de 185 kgf*m;

După înșurubare, podarul prinde pe burlan elevatorul de manevră, coloana se ridică încet din pene și apoi se introduce în sondă cu viteză redusă, mai ales când există pericol de fisurare a formațiunilor.

în timpul introducerii coloanei, pe lungimea ultimului burlan înșurubat, elevatorul ușor se prinde sub mufa burlanului următor, ridicat deja cu capătul superior pe podul sondei.

Pe parcursul introducerii, coloana se umple permanent cu noroi, după 5-10 bucăți adăugate.

43

Dinu Alexandru

La introducerea coloanei, se supraveghează indicatorul de greutate și ieșirea noroiului la derivație. Datorită frecărilor cu pereții găurii de sondă și cu noroiul din jur, la ridicarea din pene sarcina crește ușor, iar la coborâre scade în aceeași măsură, cu 10-20 kN la 1000 m. Dacă variațiile sunt mult mai mare, înseamnă că există o tendință de prindere, ori coloana se sprijină pe diverse praguri de-a lungul găurii de sondă.

Trebuie evitată coborârea elevatorului sub mufă, când coloana se sprijină pe un prag; dacă aceasta scapă brusc, mufa lovește de elevator și se poate smulge o îmbinare.

Ieșirea noroiului la derivație se supraveghează pentru a observa o eventuală pierdere de circulație sau o posibilă manifestare a sondei,

Colona se va opri la cel puțin 3 m de talpa sondei; pe ea ar putea fi depus detritus care ar înfunda valva șiului,

Se montează capul de cimentare și se circulă aproximativ volumul sondei. Circulația trebuie însoțită de manevră deoarece coloana este echipată cu scarificatori: la început pe

m, apoi pe 6 m.

O schemă de manevrare a burlanelor de tubaj este prezentată în figurile următoare:

44

Capitolul 6 Cimentarea sondei

Dinu Alexandru

Caicului cimentării coloanelor de tubare

Prin operația de cimentare la o sondă se realizează plasarea într-o anumită zonă a unui amestec fluid denumit curent pastă de ciment. în timp pasta face priză și se întărește formând piatra de ciment

Scopul acestei operații este multiplu:

prin cimentarea spațiului inelar, se împiedică circulația nedorită a fluidelor prin spatele coloanelor, dintr~un strat în altul, spre suprafață sau în interiorul lor, prin perforaturi ori pe la șiu;

prin intermediu! cimentului, burlanele sunt solidarizate de pereții găurii de sondă.

Ca urmare, coloanele tubate sunt capabile să preia sarcinile axiale create de greutatea proprie, de greutatea lainerelor și a coloanelor agățate de ele, de presiunea exercitată în prevenitoare sau în capul de erupție, dacă sonda este închisă sub presiune, de variațiile de presiune și de temperatură.

Prin etanșarea spațiului inelar, burlanele sunt protejate în exterior de acțiunea agresivă a apelor subterane mineralizate;

Cimentările efectuate imediat după introducerea coloanelor de burlane, uneori și cele efectuate în gaura netubată pentru a combate pierderile de noroi sau manifestările eruptive, se numesc cimentări primare. Cimentările de remediere, cele pentru retragerea de la un strat epuizat sau inundat, de izolare a unui strat cu gaze sunt considerate cimentări secundare,

Pentru o cimentare de coloană trebuie să se cunoască cantitățile de materiale necesare, utilajele ce urmează a fi folosite și durata operației respective care nu trebuie să depășească timpul admisibil în care pasta de ciment permite deplasarea ei fără dificultăți.

Principalele elemente care trebuie luate în atenție la calculul unei cimentări de coloană sunt:

stabilirea intervalului de cimentat, respectiv înălțimea de cimentare;

proprietățile fizice ale pastei de ciment (densitate și caracteristici geologice), funcție de tipul de pastă corespunzător condițiilor date;

45

Dinu Alexandru

volumul de pasta de ciment și, respectiv, cantitățile de materiale necesare preparării acesteia;

volumul fluidului de refulare, pompat după pasta de ciment;

înălțimea în spațiul inelar și volumul fluidului separator (fluidului tampon), pompat înaintea pastei de ciment;

tipurile și numărul de echipamente necesare efectuării operației de cimentare: autocontainere și agregate de cimentare,;

unele mărimi specifice efectuării operației: debite, presiuni de pompare, presiuni în zone deosebite ale sondei și durata operației.

în mod obișnuit, cimentările de coloane se fac pe următoarele intervale:

~ coloanele de ancoraj – pe întreaga înălțime, fiind necesară obținerea unei foarte bune legături între coloane și rocile traversate;

coloanele pierdute (lainerele), fie ca sunt coloane intermediare sau de exploatare pe întreaga înălțime;

ia coloanele intermediare se consideră cea cu valoarea cea mai mare dintre așa numitele înălțimi: geologică și tehnică; din punct de vedere geologic coloana trebuie cimentată de la bază până deasupra unor zone ce nu pot rămâne în contact mai îndelungat cu fluidul de foraj îndeosebi zone cu roci instabile; în cazurile in care există la sonda respectivă o coloană intermediară precedentă pasta de ciment urmează să ridice cel puțin lOOm în interiorul acestei coloane; din punct de vedere tehnic înălțimea de cimentare se stabilește astfel încât in întreaga perioadă de existență a sondei să nu apară

o situație de solicitare a coloanei care să pună în pericol integritatea acesteia;

la coloanele de exploatare, din punct de vedere geologic șide exploatare, pasta de ciment trebuie să se ridice cu cel puțin 200 – 300 m deasupra celui mai de sus strat productiv; dacă înaintea coloanei de exploatare există o coloană intermediară pasta de ciment urmează să se ridice în interiorul acesteia din urmă pe o distanță de cel puțin

.200 m; și la coloanele de exploatare de lungimi mari și cu intervale de cimentare relativ reduse se impune considerarea înălțimii de cimentare din punct de vedere tehnic; și în aceste cazuri se optează pentru înălțimea de cimentare cu valoarea cea mai mare.

46

Cimentarea coloanei de ancoraj

Dinu Alexandru

în calculul de cimentare a coloanei se va determina:

înățimea de cimentare;

proprietățile fizice ale pastei de ciment;

volumele de fluide pompate in sondă la cimentare;

cantitățile de materiale necesare preparării pastei;

echipamentele necesare preparării și pompării paste;

presiunea finală de cimentare;

Date de calcul

diametrul coloanei: Da- 10 % in= 273.05 mm;

adâncimea de introducere a coloanei: Ha=750 m;

diametrul sapei de foraj: Dsa=13 5/8 in= 346.075 mm;

distanța de la șiu la inelul de reținere: h= 20 m;

compunerea coloanei de tubare:

..650 m li=65G m ti=8.89 mm

650 ,.750 m l2=100 m ~ t2= 11.43 mm

gradientul de fisurare a! rocilor: rfis=rp+ 0.03 bar/m;

pp= 86.08 bar; rp=—=0.114 bar/m;

M 750 1 '

rp=0.144 bar/m;

densitatea fluidului de foraj: pna-1170 kg/m3;

viscozitatea plastică a fluidului de foraj: npn= 16.61 cP;

tensiunea dinamică de forfecare a fluidului de foraj: t0=2,945 N/m2;

coeficientul de cavernometrie: ki=1.2;

coeficientul de pierderi prin manipulare și de amestecare a pastei cu fluidul de foraj In zona de contact: k2-1.0;

coeficientul de compresibilitate al fluidului de foraj datorită aerării: k3=1.03;

1- înălțimea de cimentare

47

Coloana de ancoraj se cimentează pe întreaga înălțime. Deci:

Hc=Ha= 750 m;

Dinu Alexandru

Caracteristicile fizice ale pastei de ciment

a} Densitatea

Densitatea minimă a pastei de ciment se va calcula astfel:

Ppmin = Pn + (10° – 300)=1170+200=1370 kg/m3 Densitatea maximă, pentru evitarea fisurării rocilor;

Ppmax = Pf ~ (10° – 2°0)kg/m3

|-f 0 144 p = – = —— • IO5 = 1468 kg/m3 Hf g 9.81 3

Ppmax = 1468 – 150 = 1318 kg/m3

Deoarece cimentarea coloanei de ancoraj necesită folosirea unei paste de ciment cu

calități superioare iar din calcul densitatea pastei este mică, se va alege pentru cimentarea

coloanei de ancoraj o pastă cu densitatea:

pp= 1750 kg/m3;

Această pastă se încadrează în categoria pastelor normale, care se prepară din ciment și apă.

b) Caracteristicele reologice

Se apreciază în raport cu caracteristicile fluidului de foraj:

viscozitatea plastică:

rjpp= r]pn*l.3= 1.3* 16.61= 21,59 cP;

tensiunea dinamică de forfecare:

Tp0=1.2 ■ Tn0— 1.2 • 2.945= 3.534 N/m2;

3. Volumele de fluide pompate în sondă

Volumul de pastă de ciment

Pasta de ciment umple întreag spațiul inelar și interiorul coloanei pe înălțimea h- lOm de la bază

Vp = Ae * Ha + A, * h

în care: Ae ~ aria spațiului inelar;

Aj – aria interioară a coloanei de ancoraj;

Ae = ^ • (D|, – D*) = ÎJ • (DiL • k, – Da2)

48

Dinu Alexandru

în care: Dsd- diametrul sondei calculat în funcție de diametrul sapei;

Da~ diametrul nominal al coloanei de ancoraj;

Ae = 7(1.2 • 0.3460752 – 0.273052) = 0.05429 m2 4

A, = ^ • (Da — 2tz)2 = ^ • (0.27305 – 2 • 0.01143)2 = 0.0491 m2

Ha

y

Pn

-p.c.

u9

Vp = 0.05429 • 750 + 0.0491 * 20 – 41.7 m3

Volumul de fluid de refulare

Fluidul de refulare se introduce în coloană pe intervalul de la inelul de reținere până ia suprafață:

Vn = k3 * A} • (Ha~h)

n ?

Ai=î-D2m

în care: Dim- diametrul interior mediu al coloanei;

tm- grosimea medie de perete;

^im 2tm

tm —

^ + (l2 – h)-t2 650 • 8.89 + 11.43 • (100 – 20)

H-h

750 – 20

= 9.168 mm

Dim = 273.05 – 2 • 9.168 = 254.714 mm

Vn – 1.03 • 0.05093 * (750 – 20) = 38.29 m:

49

Dinu Alexandru

Cantitățile de materiale pentru pasta de ciment Pentru prepararea a 1 m3de pastă se folosesc: ciment:

pp-pa 1750-1000

mc-Pc ■ = 3150*-— — = 1098.8 kg/m3

pc“Pa 3150 — 1000 57

apa:

pc-pb 3150 – 1750 _ _

Va = p7~^pă ~ 3150 ~Î000 = °'6^1 m /m

Factorul apă-ciment:

ma va * Pa 0,651 * 1000

m = _£ = -i-Ti = – ■ = 0,592

mc mc 1098.8

Pentru întregul volum de pastă se folosesc:

ciment: Mc = k3 * qc • Vp – 1,05 • 1098.8 • 41.7 = 48111 kg

apă: Va = k3 • va ■ Vp = 1,05-0,651-41.7= 28.5 m3

Echipamentele necesare preparării și pompării pastei de ciment Numărul de autocontainere necesare transportării șt alimentării agregatelor cu ciment este dat de relația:

Mc 48111 Nac ~ ” 10000 “ 4,8

Rezultă că vor fi necesare 5 autocontainere tip APC – 10.

Numărul de agregate de cimentare:

Nac 5 N^ = f =2 = 2'5 Sunt necesare, deci, 3 agregate de cimentare.

6. Presiunea finală de cimentare Presiunea finală este presiunea maximă în operația de cimentare. Ea va fi dată de relația:

Pf = Pmax = Pc + Pp Presiunea de circulație se determină cu relația:

pc = 0.012 * Ha = 0.012 • 750 — 9 bar

50

Dinu Alexandru

Presiunea datorată diferenței de densitate a fluidelor:

pp = (Pp – pn)g( Ha – h)=(1750-l 170)9.81(750-20)=41.53 bar.

Deci:

pf = 9 + 41.53 = 50.53 bar

Cimentarea coloanei intermediare

în calculul de cimentare ai coloanei se va determina:
înățimea de cimentare;
densitatea și tipul de pastă;
volumulele de fluid pompate;
cantitățile de materiale necesare preparării pastei;
echipamentele necesare preparării și pompării pastei;
graficul de variație a presiunii de pompare;

Date de calcul
diametrul coloanei: Df 7 5/8 in= 193.675 mm;
adâncimea de introducere a coloanei: Hi-1950 m;
adâncimea de introducere a coloanei de ancoraj: Ha= 750 m;

diametrul sapei: Dsi=9 5/8 in= 244,475 mm;
compunerea coloanei de tubare din :

84. 0 m l2=84m

distanța de la baza coloanei la inelul de reținere: h=20 m; diametrul coloanei precedente( de ancoraj): Da= 10 3A in= 273.05 mm; grosimea medie a peretului burlanelor coloanei de ancoraj: tma= 9.168 mm; diametrul interior al coloanei de ancoraj: Dima = Da – 2tma = 273,05 – 18.34 = 254.71 mm gradientul de fisurare la baza coloanei intermediare: rfis=rp+ 0.03 bar/m; pp- 248.68 bar;

Tf=0.177 bar/m; densitatea fluidului de foraj: pns= 1300 kg/m3; coeficientul de cavernometrie: ki=1.2;

51

ti=8.33 mm, oțel J55 t2=8.33 mm, oțel N80

Dinu Alexandru

coeficientul de acoperire a pierderilor de pastă în strate și la contactul cu fluidul de foraj: k2=1.05;

creșterea posibilă de presiune interioară în coloana intermediară ulterior fixării: pj=150 bar;

reducerea posibilă de temperatură în coloană: At = 30 °C;

înălțimea de cimentare Se vor determina două înălțimi de cimentare: o înălțime din punct de vedere geologic, Hcg și o înălțime de cimentare din punct de vedere tehnic, Hct. Se va lua în considerare cea mai mare dintre aceste două înălțimi.

Pentru cazul de față înălțimea Hcg satisface condiția izolării complete a zonei de sub baza coloanei de ancoraj; pasta de ciment urmează să se ridice în interiorul coloanei precedente de ancoraj) pe o distanță de 100 m:

Hcg = Hj — Ha + 100 = 1950 – 750 + 100 = 1300 m înălțimea de cimentare tehnică previne cedarea coloanei la solicitarea de întindere când, pe lângă greutatea proprie a porțiunii necimentate apar forțe suplimentare axiale produse de creșterea presiunii în interiorul coloanei și de reducere a temperaturii.

Valoarea înălțimii de cimentare d.p.d.v tehnic este dată de relația:

qmgHi + Fpj + fAt – F3dsl

1=1 ___ :

qmg

unde qm este masa medie pe unitatea de lungime a burlanelor coloanei:

Qm = q = 39.29 kg/m3

tm – grosimea medie a peretului burlanelor;

tm = 8,33 mm Dmj – diametrul interior mediu al burlanelor;

^mi = Di — 2tm ~ 177,015 mm FPi – forța suplimentară produsă prin creșterea presiunii interioare

n

Fpi — M- * 2"' * P*

\i- coeficientul lui Poisson; pentru oțel ji=0,3;

Deci:

Fpj = 0,3 • ~ ■ 0,1770152 • 150 • IO5 = 221376 N

FAt – forța suplimentară produsă prin reducerea temperaturii;

Fm ^ ' At ♦ E * Abm

Abm “ aria secțiunii transversale a burlanelor

52

Dinu Alexf*c%_*

Abm = Tttm(Dj – tm) = TT • 8,33 • (193,675 – 8,33) = 4847.9 mm2 = 4847.9 • lCT^rr a – coeficientul de dilatare liniară a oțelului, a -ll*icr6;

E – modulul de elasticitate a oțelului: E=2,06-1011 N/m2;

Deci:

FAt – 11 • 10"6 • 30 • 2,06 • 1011 • 4847.9 • IO"6 = 329560 N

Rezultă:

39,29 • 9,81 • 1950 + 221376 + 329560 – 961000

H = = 886 m

ct 39,29 • 9,81

Deoarece Hcg>Hct înălțimea de cimentare a coloanei intermediare este:

Hc — Hcg = 1300 m

Densitatea si tipul pastei de ciment

Densitatea minimă:

kg

Ppmin = Pn + (100 — 300),—

kg

Ppmin = 1300 4- 200 = 1500~“~

m

Densitatea maximă

Ppmax = Pf ” (100 – 200) , kg/m3 rf 0.177

Pf = g = IFsT'10 = 1806 kg/

Ppmax = 1806 – 100 – 1706 kg/m3 Se va alege o pastă de ciment normală, preparată din ciment praf și apă, cu densitatea: pp™ 1750 kg/m3.

Densitățile apei și cimentului praf sunt următoarele:

pc = 3150 kg/m3 pa=1000 kg/m3

53

Dinu Alexandru

Volumele de fluid pompate în sondă

Volumul de pastă de ciment

La finalul operației de cimentare situația din sondă este cea reprezentată in figura următoare:

în care: Dsd = Ds = vT2^ 244.475 = 267.808 mm;

Ds – diametrul sapei, Ds=244.475 mm;

Dia – diametrul interior al coloanei de ancoraj, Dia=254.714 mm;

Dj – diametrul exterior ai coloanei intermediare, D{= 193.675 mm;

Djj – diametrul interior al coloanei intermediare la partea de jos, Dh=177.015 mm;

Hc – înălțimea de cimentare, Hc=1300 m;

h – distanța de la baza coloanei la inelul de reținere, h= 20 m;

h' – înălțimea de ridicare a pastei în interiorul coloanei de ancoraj, h =100 m;

Din calcule va rezulta volumul total al pastei de ciment:

Vp – – * (267.8082 – 193.6752)(1300 – 100) + j • (254.7142 – 193.6752) ■ 100 + £

4 4 4

177.0152 * 20

Vp^ 34.867 m3

Volumul de fluid de refulare

Considerând compresibilitatea k3=l,03, volumul de fluid de refulare este:

Vn = k3 «~ • D2ini ■ – h) = 1,03 * ~ * 0,1770152 • (1950 – 20) = 48,897 m3

4* 4

<

h

în conformitate cu această figură volumul pastei de ciment este:

54

Dinu Alexandru

Cantitățile de materiale necesare preparării pastei

Pasta de ciment aleasă, pastă normală, se prepară din ciment și apă. Cantitățile corespunzătoare de ciment și apă pentru prepararea a 1 m3 de pastă sunt:

Pp-Pa 1750 – 1000

,"P‘ ^ " 315“ ' 3150- 1000 * 1 >™ W"’

pc-pb 3150 – 1750 _ ,

v = Kc.. = = 0,650 m3/m3

Pc-Pa 3150- 1000 '

Factorul apă – ciment:

qa Va . pa 0,650 . 1000 a _

m = – __ = = o,59

qc qc 1100

Cantitățile totale de materiale necesare sunt: ciment: Mc = k3 * qc * Vp = 1,05 * 1100 * 34.867=40271.38 kg; apa:Va = k3 • va ■ Vp = 1.05 * 0.650 * 34.867^23.79 m3;

Echipamentele necesare preparării si pompării pastei de ciment

Numărul de autocontainere necesare transportării și alimentării agregatelor cu ciment este dat de relația:

Nac = — = -0271'-8 = 4.0271 ^ 5 autocontainere tip APC – 10

ac Mar 10000 r

sau

Nac = — – = 3.35 s 4 autocontainere tip APC – 12

ac Mac 12000 K

Numărul de agregate de cimentare:

i

‘ag 2 2

■ag

Nae = ~r = \ = 3 (pentru autocontainere tip APC – 10)

Nag = — = – = 2 (pentru autocontainere tip APC -12)

6. Variația presiunii de cimentare în orice moment al operației de cimentare presiunea de pompare dată de agregate

este:

P = Pc + Pp

pc ~ presiunea de circulație, de învingere a rezistențelor hidraulice;

Pp – presiunea dată de coloanele de fluid;

55

Dinu Alexandru

Se determină corelația dintre volumul de pastă și volumul interior al coloanei: volumul de pastă:

Vp= 34.867 m3;

volumul interior:

Vic = – . Dfj • H} = – • 0,1770152 ■ 1950 = 47,964 m3 4 4

Deoarece Vp<Vic la finalul pompării pastei numai o parte din coloană are pastă de ciment, restul este plină cu fluid de foraj, înălțimea ocupată de pasta de ciment în coloana de tubare este:

Vp 34,867

H = = = 1417.6 m

p -• Dfi – • 0,1770152

4 4

Presiunea de circulație este:

pc = 0,012 * Hj = 0,012 * 1950 – 23.4 bar Presiunile de pompare în diferite momente caracteristice ale operației și volumele pompate până în aceste momente sunt calculate în continuare.

Schema de calcul este următoarea:

1. La începutul operației:

pc= 23.4 bar PP1= 0 pi=pc= 23.4 bar; Vi=0

56

Dinu Alexanr-s.j

La terminarea pompării pastei de ciment, după care începe pomparea fluidului de refuis^ (fig, a)

pc= 23,4 bar

Pp2 = Pe2 – Pi2 = Pn • g • Hi – [Pn ' g(Hj – Hp) + pp • g • Hp] = (pn – pp)g • Hp = (1300

1750) • 9,81 • 1417.5 = -62.57 bar P2=Pc+Pp2=23.4 – 62.57= -39.17 V2=VP= 34.867 m3

Deoarece presiunea este negativă în acest moment al cimentării, fluidul se va deplasa în sondă doar gravitațional, datorită diferenței de presiune hidrostatică.

în momentul în care pasta de ciment a ajuns la baza coloanei (fig. b):

pc= 23.4 bar

Pp2 = Pe2 – Pi2 = Pn • g • Hi – [p„ • g(Hj – Hp) + Pp • g ■ Hp] = (p„ – pp)g • Hp = (1300—

1750) • 9,81 • 1417.5 = -62.57 bar p3=23.4 – 62.57= -39.17

V3 = Vic = ~ 0,1770152 ■ 1950 = 47.964 m3

4

Deoarece presiunea este negativă în acest moment al cimentării, fluidul se va deplasa în sondă doar gravitațional, datorită diferenței de presiune hidrostatică.

4. La finalul operației de cimentare

pc= 23.4 bar;

PP4 = Pp * g * Hc + pn * g(Hj – Hc) – [pp * g • h + pB • g(Hc – h)]

= (pp “ Pn) ■ g(Hc – h) =

=(1750~1300)-9.81>(1300-20)*105= 56.5 bar

p4~pmax“23.4 + 56.5= 79.9 bar;

V4=VP + Vn~ 34.867 + 48.897- 83.764 m3;

Deci coordonatele punctelor sau momentelor caracteristice sunt următoarele:

1. (Vi=0; pi=23.4 )

(V2=34.867; p2=-39.17 )

(V3=47.964; p3-~39.17 )

(V4=83.764; p4=79.9 )

57

Dinu Alexedrs^j

Graficul de variație ai presiunii de pompare în funcție de volumul pompat pentru cimentarea coloanei intermediare este prezentat în figura următoare:

90

80

70

60

50 –

40 –

30

I 20
d

10

O

-10 –

-20 –

-30
-40

-50 –

23.4

O

10

20

70

33^7 — – – –

[m3}

so

sp

Analizând graficul de variație al presiunii de pompare cu volumul se observă că presiunile p2 și p3 se află sub linia de p=0; în acest caz deplasarea fluidului în sondă pe un anumit interval de volum și, deci, de timp se face numai sub influența diferenței de presiune hidrostatică; pompele agregatelor au rolul de a împinge fluidul în manifoldui instalației.

58

Dinu Alexandru

6.1.3 Caicului cimentării coloanei de exploatare în regim turbulent

Cerințele privind calitatea cimentărilor coloanelor de ancorare sunt mult mai severe decât pentru celelalte coloane. Se cere o cât mai bună izolare între strate, fapt asigurat în primul rând de îndepărtarea fluidului de fora] și de o bună aderență a pietrei de ciment de peretele sondei și de peretele exterior al coloanei.

Unul dintre principalii factori de natură tehnologică cu influență mare asupra îndepărtării fluidului de foraj este regimul de curgere al pastei de ciment în spațiul inelar dintre peretele sondei și coloană. Prin regimul turbulent se asigură, la curgerea pastei, o distribuție uniformă a vitezei de curgere pe întreaga secțiune transversală a spațiului inelar. Acest fapt contribuie în bună măsură și la îndepărtarea turtei de colmatare de pe peretele sondei, fapt ce asigură un contact direct piatră de ciment – rocă.

în realizarea curgerii turbulente un factor de bază este viteza de curgere. Valoare acesteia trebuie să fie cel puțin egală cu așa numita viteză critică. La rândul său această viteză depinde în foarte mare măsură de caracteristicile fizice ale fluidului care curge, în cazul de față pasta de ciment și de configurația spațiului de curgere.

Se impune realizarea regimului turbulent cel puțin pe un interval în spațiul inelar de la baza coloanei până deasupra zonei productive. Obișnuit, pentru siguranță se asigură regimul turbulent pe întregul interval de înălțime de cimentare a coloanei de exploatare.

Cu alte cuvinte se dorește realizarea de regim turbulent din momentul începerii ridicării pastei de ciment în spațiul inelar până la sfârșitul operației de cimentare.

La o cimentare de coloană în regim turbulent primele probleme ale calculului cimentării: înălțimea de cimentare, caracteristicile fizice ale pastei de ciment, volumele de fluide pompate în sondă, cantitățile de materiale necesare preparării pastei și numărul de echipamente sunt aceleași ca și la calculele de coloane de ancoraj și intermediară. Ele nu vor mai fi repetate la acest calcul de cimentare. Vor fi prezentate elementele specifice cimentării turbulente.

Pate de bază necesare calculului

diametrul coloanei: De= 5 in= 127 mm;

adâncimea de introducere a coloanei: He= 2500 m;

diametrul sapei pentru coloane de exploatare: Dse= 6 % in- 171.45 mm;

59

Dinu Alexandru

diametrul coloanei anterioare( intermediară): D,= 7 5/8 in= 193.675 mm;

adâncimea de introducere a coloanei intermediare: Hj= 1950 m;

coeficientul de cavernă pentru intervalul de sub coloana intermediară: ki= 1.15;

densitatea fluidului de foraj: pne= 1500 kg/m3;

viscozitatea plastică a fluidului de foraj: r)pn=27.5 cP;

tensiunea dinamică de forfecare a fluidului de foraj: Ton= 5.75 n/m2;

distanța dintre inelul de reținere și șiul coloanei de exploatare: h=30 m;

înălțimea de cimentare a coloanei de exploatare: Hce^He – Hi + 200= 750 m) pasta se

ridică în interiorul coloanei intermediare pe o înălțime de 200 m;

compunerea coloanei de exploatare rezultată din calculul de rezistență:

_____ ________

.1944 m l2=510 m t2=6.43 mm, oțel J55

.2500 m b-556 m t2=7.52 mm, oțel J55

densitatea cimentului praf: pc= 3150 kg/m3;

Date suplimentare necesare calculului cimentării

grosimea medie a peretului burlanelor coloanei de exploatare:

Ev i{ 5.59 • 1434 + 6.43 • 510 + 7.52 • 556 t™ = TT = 2500 = 6.19 mm

diametrul interior mediu al coloanei de exploatare:

Die = De – 2tme = 127 – 2 * 6.19 = 114,62 mm diametrul sapei in zona de sub coloana intermediară:

Dsd = y/K * Ds = JÎJE • 171,45 = 183,85 mm

diametrul interior al coloanei intermediare: Dtl~ 183.85 mm; aria secțiunilor de curgere în sondă:

aria interioară a coloanei de exploatare:

Aie = ” • D? = T ■ 0,114622 = 0,0103 m2 ic 4 4

aria exterioară( a spațiului inelar):

Aee = j(D^d – De) = 7' (0.183852 – 0,1272) = 0,0138 m2

Zj* C£

factorul de compresibilitate a fluidului de foraj: k2= 1.03;

60

factorul de pierderi: k3= 1.05;

Dinu Alexandru

Densitatea pastei de ciment

Ppmin = Pn + (100 … 300), kg/m3

Ppmin = 1500 + (100 …300) = 1600 …1800 kg/m3 Se admite pp=1800 kg/m3.

Proprietățile reoioaice ale pastei

viscozitatea plastică:

Tjpp = 1.3 • r}pn = 1,3 * 27.5 = 35,75 cF tensiunea dinamică de forfecare:

T0P = 1.2 • xon = 1,2 • 5.75 = 6.9 N/m2

Volumele de fluide pompate In sondă

c.l Volumul de pastă de ciment

Vp = Aee • Hce 4- A{e * h = 0,0138 • 750 + 0.0103 * 30 = 10.659 m3

c,2 Volumul de fluide de refulare

Vn = k2 * Aie(He – h) = 1,03 ■ 0,0103 * (2500 – 30) = 26,204 m3

Cantitățile de materiale necesare pentru prepararea pastei

La densitatea pp=1800 kg/m3 pasta de ciment se încadrează în categoria pastelor normale, care se prepară din ciment și apă.

Pentru prepararea a 1 m3 de pastă se folosesc: ciment:

Pp-Pa 1800- 1000 kg/

mc ~ Pc ‘ — — 3150 • ———77— =1172 g/ 3 Pc — Pa 3150 – 1000 m

apa:

V ~ Pc — pa 3150 – 1000 'm

Pc — Pd 3150 ~ 1800 ke/

va = ^ = 0,628 kg/ 3

Factorul apă – ciment este:

Dinu Alexandru

ma va ■ pa u,

0,628 • 1000

mc 1172

Pentru prepararea întregului volum de pastă se vor folosi:

ciment:

Mc = k3 « mc • Vp = 1,05 ■ 1172 • 10.659 = 13116.96 kg

apă:

Va = k3 ■ va • Vp = 1,05 • 0,628 • 10.659 = 7.028 m3

Echipamentele necesare

Se vor utiliza autocontainere APC – 10, numărul necesar de autocontainere fiind:

Mc 13116.96

N“ = = Tooor s 2 au“ainere

Pentru o utilizare succesivă a câte două autocontainere la un agregat de cimentare numărul necesar de agregate este:

Nag — 1 agregat de cimentare Schema de amplasare a autocontainerelor si agregatelor de cimentare este următoarea:

Apa

Pasta de ciment

APC – 10

Habă

62

Dinu Alexandru

Debitele de fluide utilizate ia cimentare

f.l Debitul de preparare si pompare în sondă a pastei de ciment, 0D Agregatele de cimentare efectuează concomitent prepararea și pomparea pastei de ciment, în condiția menționată de folosire succesivă a câte două autocontainere la un agregat,

Durata de preparare a pastei din cimentul transportat de un autocontainer este de

20 minute, funcție de capacitatea acestuia. Ca urmare, durata de preparare a pastei din cele 2 autocontainere ce alimentează un agregat este tp=2-(15..20) min. Deci, acesta este timpul de pompare în sondă a pastei de ciment la cimentarea coloanei de exploatare. Cunoscând volumul de pastă și timpul de preparare se poate determina debitul mediu de pompare a pastei astfel:

VD 10.659 m3

q ~JL= = 0,00592 — = 5.92 !/s

tp 30*60 5 /s

f,2 Debitul necesar realizării regimului turbulent de curgere a pastei în spațiul

inelar

Este necesar ca regimul turbulent de curgere a pastei de ciment în spațiul inelar dintre coloană și peretele sondei să fie asigurat din momentul în care pasta a ajuns la baza coloanei și a început să treacă în spatele coloanei. în majoritatea cazurilor acest regim se menține pe întreaga perioadă de ridicare a pastei. Deci, până la finalul cimentării.

Debitul de pompare pentru realizarea regimului turbulent trebuie să fie cel puțin egal cu așa numitul debit critic.

Considerând pasta de ciment un fluid de tip binghamian, viteza critică se determină cu următoarea relație:

vcr = 25

^=25

Pp

\

6-9

= 1.547 m/s

1800

Debitul corespunzător acestei viteze:

Qn = vcr • Aee – 1.547 ■ 0,0138 – 0,0213 m7s = 21,3 l/s.

63

Dinu Alexandru

9) Volumele de fluide pompate în sondă cu debitele QP si O»

q,1 Votumui pompat cu debitul 0G După cum s-a menționat este necesar realizarea unei curgeri turbulente a pastei de ciment numai în spațiul inelar dintre coloană și peretele sondei. Cât timp pasta se află în interiorul coloanei nu interesează regimul de curgere a fluidelor aflate în sondă.

Se pompează cu debitul Qp până când pasta a ajuns la baza coloanei și urmează să treacă în spațiul inelar. Deci volumul pompat cu acest debit este egal cu volumul interior al coloanei:

Vpp = Vic = Aie • He = 0,0103 • 2500 = 25.75 m3

o.2 Volumul pompat cu debitul Qg Cu debitul Qn se pompează un volum de fluid ce reprezintă diferența dintre volumul total ce se pompează la operația de cimentare și volumul pompat inițial cu debitul Qp. Volumul respectiv este egal cu volumul de pastă ce se ridică în spațiul inelar:

Vnn = Vp – Ai * h – 10.659 – 0,0103 • 30 = 10.35 m3 Deoarece volumul de pastă, Vp= 10,659 m3, este mai mic decât volumul interior al coloanei, Vic= 25.75 m3, rezultă că după pasta de ciment se pompează cu debitul Qp un volum de fluid de refulare:

V'n = Vic – Vp – 25.75 – 10,659 = 15.091 m3

h) Vitezele de curgere ale fluidelor în sondă

h.l Vitezele ia pomparea cu debitul On= 5.92 l/s

în interiorul coloanei;

QD 0.00592

"'-/W-MioS-0-574 /!

în exteriorul coloanei:

Qp 0,00592

v = — = ~ = 0 429 m/o

ep Aee 0,0138 /s

h.2 Vitezele la pomparea cu debitul On= 21»

în interiorul coloanei:

Qn 0.213

Vîn = — = 2.067 m/s

1!1 Aie 0.0103 /s

în exteriorul coloanei:

64

Dinu Alexandru

*) Presiunile de pompare în sondă

în orice moment al operației de cimentare presiunea de la agregate, p3/ este determinată de: caracteristicile fizice ale fluidelor în circulație, pozițiile ocupate de aceste fluide, configurația spațiilor de curgere și vitezele de deplasare ale fluidelor.

Presiunea de pompare este exprimată prin relația generală:

în care: pp este presiunea dată de coloanele hidrostatice ale fluidelor;

pc-”presiunea de circulație pentru învingerea rezistențelor hidraulîce( cădere de presiune în circulație;

pm – căderea de presiune in manifold, de la ieșirea din pompele agregatelor până la intrarea în coloană și presiunile necesare circulației prin capul de cimentare, dechiderea primului dop de cimentare și șiul coloanei; în valoarea lui pm este cuprinsă și presiunea necesară învingerii frecărilor dopurilor de cimentare de peretele coloanei.

La rândul lor:

Valorile pentru pp depind de densitățile fluidelor și de înălțimile ocupate de acestea în sondă.

în ceea ce privește presiunile de circulație, ele se determină cu relațiile generale:

în care a* și pe se referă la interiorul și respectiv, la exteriorul coloanei. Ele se stabilesc cu relațiile:

Pa = Pp + Pc + Pm

Pp ” Ppe Ppi

Pc = Pei Pce pm = 0.7 + 10 ■ p • Q2

11

n

Pce “ Pe ’

65

Dinu Alexandru

a* și pe sunt coeficienți ai rezistențelor hidraulice și sunt funcție de numerele
Reynolds și Bingham si se vor determina cu graficele din fig. 14 și 15.

Numerele Re și Bi sunt date de relațiile:

pentru interiorul coloanei:

Vj * Die • p

^ei ~

%

pentru exteriorul coloanei:

D _

Vi ’Tlp

ve * (Pșd De) ' P
%

(Dsd De) * t0

Bi« —

1G Ve * lip

Toate valorile mărimilor necesare calculelor căderilor de presiune sunt prezentate in tabelul următor. Cu aceste valori se pot calcula presiunile de circulație în orice moment al desfășurării operației de cimentare.

în continuare se prezintă algoritmul de caicul,

Curgerea fluidului de forai în interiorul coloanei ia debitul QG=5,92 l/s.

Se cunosc: vip= 0.574 rn/s; pn = 1500 kg/m3; ripn = 27.5 cP; xon = 5.75 n/mz)

Dle= 114.62 mm;

Se calculează:

Vin- Die -Pn 0.574 • 0.11462 • 1500

Re = _2E—!£_Î21 = = 3588.6

n ilpn 0,0275

Die-Ton 0.11462-5.75 Bijn = ——231 = „ rv„" = 41.75

vip * %n 0.574 • 0.0275

Din graficul corespunzător curgerii prin conducte rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Aj – 0,14

Ca urmare rezultă:

Pn-vg, 1500 • 0.5742

«i = V V-FT2 = °'14 • , nn^ = 301-82 2 ■ Die 2 ■ 0.11462

66

Dinu Alexandru

Curgerea fluidului de foraj în spațiul inelar la debitul Qn= 5,92 l/s.

Se cunosc: vep= 0.429 m/s; pn = 1500 kg/m3; t|Pn = 27.5 cP; t0„ = 5.75 N/m2;

Dsd- De= 183.85 – 127=56.85 mm;

Se calculează:

veD • (Dsd – De) • pn 0.429 • 0.05685 • 1500 = – JL-^ = 0^0275 = 1330'29

(Dsd – De) • xon 0.05685 • 5.75 B‘e" ~ vep • T)pn ~ 0.429 • 0.0275 ~ 27'?1

Din graficul corespunzător curgerii prin spații inelare rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Xe = 0,27

Pn * v|p 1500 * 0.4292 ^ = l'-W^k) = 0’27 2:â0568T = 655-5

Curgerea fluidului de forai în interiorul coloanei la debitul Qn= 21,3 l/s.

Se cunosc: vin= 2.067 m/s; pn = 1500 kg/m3; npn = 27.5 cP; ron = 5.75 N/m2;

Dje- 114.62 mm;

Se calculează:

Vin * Die * pn 2.067 – 0.11462 * 1500

i?e. = : n. — -= 12942

Tlpn 0,0275

Dje * Ton 0,11462*5.75
Biin = — = _ = 11.6

vin • nPn 2.067 • 0.0275

Din graficul corespunzător curgerii prin conducte rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Âj = 0,025

Ca urmare rezultă:

pn ■ v?n 1500 • 2.0672

a‘=*‘-in£ = 0025- 2-0.11462 – 698'9

67

Dinu Alexandru

Curgerea fluidului de foraj in spațiul inelar la debitul Qn= 21,3 l/s.

Se cunosc: ven= 1.54 m/s; pn = 1500 kg/m3; r|pn = 27.5 cP; xon = 5.75 N/m2;

DS(j – De= 183.85 – 127=56.85 mm;

Se calculează:

ven * (Dsd ~ De) • pn 1.54 * 0.05685 • 1500

Re = = — ■ = 4775

rjpn 0,0275

(Dsd – De) • xor! 0.05685 * 5.75 _ ^ ^ Blcn ~ ven ■ r,pn – 1.54-0.0275 " 7'72

Din graficul corespunzător curgerii prin spații inelare rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Ae – 0,035 pn – Vgn 1500 * 1.542

^' 2(5^53 = °'035 ■ TTăosisT = 1095

Curgerea pastei de ciment în interiorul coloanei la debitul 0G= 5.92 l/s.

Se cunosc: v]p= 0.574 m/s; pp = 1800 kg/ 3; ripp = 35.75 cP; xop = 6.9 N/ 2;

Die= 114.62 mm; Se calculează:

ViD-Die-pD 0.574-0.11462-1800

= ;p .. J_P = = 3312

F ripp 0,03575

Dle • tod 0.11462-6.9
Bii„ = ——SE = . . … = 38.54

’ip

vip -îipp 0.574*0.03575

Din graficul corespunzător curgerii prin conducte rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Aj = 0,13

Ca urmare rezultă:

Pp • V? 1800 • 0.5742

= A|‘ 2^Dif = (U3' 2 – 0.11462~ = ^36,3

68

Dinu Alexandru

Curgerea pastei de ciment Yn interiorul coloanei la debitul On=21.3 l/s.

Se cunosc: vin=2.067 m/s; pp = 1800 kg/ 3; nPP = 35,75 cP; xop = 6.9 N/ 2;

Die= 114.62 mm; Se calculează:

vin • Die * Pp 2.067 • 0.11462 • 1800

ue. – —i£ = =11929

K6ip r}pp 0,03575

Die • tO0 0.11462 • 6.9

TJj __ ^ = 1Q y

ip vin-Tipp 2.067-0.03575

Din graficul corespunzător curgerii prin conducte rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Ai = 0,026

Ca urmare rezultă:

pp – v? 1800 * 2.0672

04 = Xi' = 0,13' T^cuiiel- = 872,2

Curgerea pastei de ciment în spațiul inelar la debitul QP=5.92 l/s.

Se cunosc: vep= 0.429 m/s; pp = 1800 kg/m3; nPP = 35.75 cP; top = 6.9 N/m2;

DSd – De= 183.85 – 127=56.85 mm;

Se calculează:

veD • (Dsd – De) ■ p„ 0.429 • 0.05685 • 1800

Re = _EP_^ L-Tt = = 1228

ep T|pp 0,03575

(Dsd – De) • T0n 0.05685 ■ 6.9

Dj _ _ y _ oc cn

ep vep-i]pp 0.429-0.03575 Din graficul corespunzător curgerii prin spații inelare rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Ae = 0,31

pp • v2 1800 « 0.4292

Pe = Xe-2(D~^t) = 0’31- 2-0.05685 = 9°3'2

69

Dinu Alexandru

Curgerea pastei de ciment în spațiul inelar la debitul Qn= 21.3 l/s.

Se cunosc: Ven= 1.54 rn/s; Pp = 1800 kg/ 3; r|pp = 35.75 cP; Top = 6.9 N/ 2;

D^- De= 183.85 – 127=56.85 mm; Se calculează:

ven • (Dsd – De) ■ p„ 1.54 • 0.05685 • 1800

ReeD = ^— 4408

ep T]pp 0,03575

(Dsd – De) • top 0.05685 * 6.9

o; _ _ * = __ _ n 12

ep ven • rjpp 1.54*0.03575

Din graficul corespunzător curgerii prin spații inelare rezultă valoarea coeficientului de rezistență hidraulică:

Ae – 0,042

Pp * v|n 1800 • 1.542

p = Xe ■ 7—““——- = 0,042 • ""-y – 1576.9

2(Dsd-De) 2*0.05685

Toate aceste valori sunt sintetizate în tabelul următor.

70

Dinu Alexandru

Urmează să se calculeze valorile și variația presiunii de pompare în sondă în timpul operației, trasându-se graficul de variație a presiunii la agregatele de cimentare funcție de volumul de fluid pompat.

71

Dinu Alexandru

în cazul de față volumul pastei de ciment este mai mic decât volumul interior al coloanei și, ca urmare, se folosește fig. următoare pentru care s-au precizat cinci momente de calcul. Pentru fiecare din aceste momente se va calcula presiunea de lucru șt se va preciza și volumul de fluide pompate până în momentul respectiv.

Momentul a

începutul pompării pastei de ciment.

debitul de pompare: Qa=QP- 5.92 l/s— 0.00592 m3/s;

volum pompat: Va= 0;

căderea de presiune în manifold:

Prna = 0.7 + lOpp • Q2 = 0.7 + 10 . 1800 • 0.005922 – 1.33 bar

presiunea coloanelor de fluide:

72

Dinu Alexandru

Ppa O (ppe “ Ppi)

presiunea de circulație în sondă (în sondă există doar fluid de foraj):

Pca = ctnp ■ He + (3np ■ He = 336,3 ■ 2500 +903,2-2500=30.987 bar

presiunea la agregate:

Paa = Pma + Ppa + Pca =1,33+0+30.987=32.317 bar Deci punctul corespunzător acestui moment al operației de cimentare va avea coordonatele:

a (0; 32.317)

Momentul b Terminarea pompării pastei de ciment.

debitul de pompare: Qb= Qp= 0.00592 m3/s;

volumul de fluid pompat: Vb= Vp= 10.659 m3;

căderea de presiune în manîfoîd:

Pmb = 0.7 + 10 • Pp ■ Ql = 0.7 + 10 ■ 1800 • 0.005922 = 1.33 bar

presiunea coloanelor de fluide:

în exteriorul coloanei:

Ppbe = Pn * g * He =' 1500 * 9,81 * 2500 * IO™5 = 367.875 bar « la interiorul coloanei:

vp / vp \

Ppbi = Pp * g * t- + Pn * g • ( He – )

Aje V

10.659 / 10.659\

= 1800 •9'81 • oHos + 1500 •9-81 • l2500 – ooIob) = 39a33 bar

Deci: Ppb – 367.875 – 398.33 = -30.48 bar

presiunea de circulație în sondă:

Pcb=«pp” + «np-(He-^) + P„p-He =

/Vje \

/ 10.659\

336'3 ' 00103 + 301'82 • (250° – OOÎOs) + 655'5 ' 2500

= 24,28 har

presiunea la agregate:

Pab — Pmb + Ppb + Pcb = 1-33 — 30.48 + 24,28 = -4.87 bar

10

73

Dinu Alexandru

Deci punctul corespunzător acestui moment al operației de cimentare va avea coordonatele;

b ( 10.659; -4.87)

Momentul c

Pasta de ciment a ajuns la partea de jos a coloanei:
debitul de pompare: Qc= Qp= 0.00592 m3/s;
volumul de fluid pompat: Vc=Vic= 25.75 m3;
căderea de presiune în manifold:

Pmc = 0.7 + 10 * pn • = 0.7 + 10 * 1500 • 0.005922 = 1.22 bar
presiunea de circulație în sondă este aceeași ca în momentul b:

Vr, /

+ «np-(He-T£-) + Pnp-He =

ie ^

/ 10.659\

3363 ' OÎ03 + 30L82 ' (250° " OOÎOs) + 655'5 ' 2500

= 24.28 bar

presiunea coloanelor de fluide este aceași ca în momentul b:

ppc = 367.875 – 398.33 = -30.48 bar

presiunea la agregate:

Pac — Pmc + Ppc + Pcc ~ 1-22 — 30.48 + 24.28 = —4.98 bar
Deci punctul corespunzător acestui moment al operației de cimentare va avea
coordonatele:

c ( 25.75; -4.98)

10-

Momentul d

Pasta de ciment a început să treacă în spațiul inelar; începe regimul de curgere turbulent pentru pastă.

debitul de pompare: Qd=Qn= 0.0213 m3/s;

volumul de fluid pompat este același ca în momentul c:

Vd=Vc=Vic= 25,75 m3

căderea de presiune în manifold

Pmd = 0.7 + 10 * pn • Qj = 0.7 + 10 • 1500 ■ 0.02132 = 7.505 bar

presiunea coloanelor de fluide este aceeași ca în momentele b și c:

Ppd = Ppb = Ppc = -30.48 bar

presiunea de circulație în sondă:

74

Dinu Alexandru

4" apn * A 4* Pnn • H

AiP

= 698.9 •

+ 872.2 • TTrrrr + 1095 • 2500 = 46.64 bar

0.0103

10.659

presiunea la agregate:

Pad = Pmd + Ppd + Pcd = 7.505 — 30.48 4- 46.64 = 23.66 bar

Deci punctul corespunzător acestui moment al operației de cimentare va avea coordonatele;

căderea de presiune la manifold: pme^pmd- 7.505 bar;

presiunea coloanelor de fluide:

la exteriorul coloanei:

Ppext Pn ’ § * CHe ~ ^ce) 4" Pp ‘ § * ^ce

= [1800 ■ 9*81 * 750 + 1500 • 9.81 * (2500 – 750)] ■ 10“5 = 389.94 bar

la interiorul coloanei:

Ppint = Pn * g' (He h) + Pp • g • h = 1500 – 9.81 ■ (2500 – 30) 4- 1800 • 9.81 • 30

presiunea de circulație în sondă:

Pce ~ ®nn ‘ (^e “ h) 4- Ctpn * h 4- (3pn • Hce 4* (3nn * (He Hce)

– [698.9 • (2500 – 30) + 872.2 • 30 4- 1576.9 * 750 4- 1095 • • (2500 – 750)] ■ IO"5 = 48.51 bar

presiunea la agregate:

Pae = Pme + Ppe + Pce — 7.505 4- 21.19 4* 48.51 = 77.205 bar

d ( 25.75; 23.66)

Momentul e

Finalul operației de cimentare în regim turbulent debitul de pompare: Qe=Qn= 0.0213 m3/s; volumul de fluid pompat în sondă:

Ve = Vp 4- Vn = 10.659 4- 26.204 = 36.863 m

Deci:

= 368.75 bar
ppe = 389.94 – 368.75 = 21.19 bar

75

Dinu Alexandru

Deci punctul corespunzător acestui moment al operației de cimentare va avea coordonatele:

e ( 36.863; 77.205)

în continuare se trasează graficul de variație al presiunii la agregate funcție de volumul de fluide pompate în sondă.

M

90

80 ■
70

60
50
40
30
20
10

-10

10

15

20 V, [m3]

25

30

35

40

76

Dinu Alexandru

hl Durata operației de cimentare

Durata cimentării este dată de suma timpilor necesari pompării de fluide în sondă și de efectuarea operației de lansare a celui de-al doilea dop de cimentare:

tc — tP + td

Timpul de pompare este compus din timpul necesar ajungerii pastei la baza coloanei, în care debitul de pompare este Qp și de ridicare a pastei în regim turbulent în spațiul inelar, în care debitul de pompare este Qn. Pomparea cu debitul Qp se face până în momentul c. Deci volumul pompat este volumul interior al coloanei, ViC~25J5 m3. Pomparea cu debitul Qn se face din momentul d până în momentul e. Deci volumul pompat va fi:

v = V – – * D? * h = 10-659 – ~ * 0.1272 * 30 = 10,279 m3 p 4 4

Ca urmare:

25.75 10.279 tdm = ———— + ■ ■■■"■ – + 10 * 60 = 5432.24s = 90.3 min cim 0,00592 0.0213

Deoarece limita de pompabîlitate a unei paste de ciment normale, fără adaosuri este de 100… 120 minute rezultă că operația de cimentare poate fi efectuată fără dificultăți legate de pasta de ciment; timpul de cimentare nu depășește timpul admisibil de priză în condiții normale tad=90..120 min.

Se admite un timp admisibil tad=100 min.

Relația se verifică: tdm<tad.

Metoda de cimentare

Pentru cimentarea coloanelor studiate se va efectua o cimentare normală: pasta de ciment se pompează prin interiorul coloanei, între două dopuri separatoare din cauciuc, iar după pastă se pompează fluid de foraj, un volum egal cu interiorul coloanei de la suprafață până la niplul cu valvă de reținere montat deasupra șiului, în acest mod, pasta trece pe la șiul coloanei și urcă la înălțimea dorită.

Schema cimentării normale este prezentată în figura următoare:

77

Dînu Alexandru

Primul dop are o membrană care se sparge în momentul în care ajunge pe niplul cu valvă, la o diferență de presiune de 15 – 20 bar, permițând să treacă pasta de ciment mai departe. Cel de~al doilea dop este masiv: când el se suprapune peste primul, cimentarea este terminată.

Pentru a separa pasta de ciment de noroi în spațiul inelar și a mări gradul de dezlocuire, de obicei, înaintea pastei se pompează și un dop separator de fluid.

Deoarece pasta de ciment are, practic întotdeauna, densitatea mai mare decât a noroiului de refulare, ea tinde să revină în coloană. Fenomenul este împiedicat de valva șiului și de cea a niplului montat cu 3 burlane mai sus. Uneori, la înălțimie mici de cimentare, niplul cu valvă este înlocuit cu un simplu inel de reținere a dopurilor separatoare, numit și placă opritoare, în ambele variante, în coloană rămâne o oarecare cantitate de pastă, de la șiu până la niplu sau inel.

78

Dinu Alexandru

Dacă, eventual, primul dop lasă pe suprafața burlanelor un film de noroi, care este șters de dopul masiv, atunci un anumit volum de pastă va fi contaminat, dar el va rămâne deasupra și ului în loc să treacă în spatele coloanei și să compromită cimentarea din zona respectivă,

Când forajul continuă, dopurile, valva niplului de reținere, cimentul aflat dedesubtul ei, in interiorul coloanei, și sabotul coloanei cu valva lui sunt frezate cu o sapă cu role.

Pomparea pastei în interiorul coloanei și nu direct în spațiul inelar are următoarele rațiuni. Deoarece gaura de sondă este mai mult sau mai puțin neuniformă, volumul spațiului inelar nu poate fi stabilit decât cu aproximație, în timp ce volumul coloanei se determină destul de precis; pompând pasta prin interiorul coloanei se cunoaște exact momentul când ea a ajuns în zona ce interesează, de la șiu în sus. Totodată, în vecinătatea șiului, unde cerințele de etanșare și rezistență sunt mai severe, pasta pompată prin interior va fi mai puțin contaminată decât atunci când s-ar pompa direct prin spațiul inelar, unde nu există posibilitatea de izolare cu dopuri separatoare.

Principalele dezanvateje ale acestei metode sunt urmăoarele; durata operației este mai mare, iar presiunea de pompare la sfârșitul cimentării este mai ridicată, din cauza diferenței de densitate pastă – noroi de refulare,

Echipamentul de cimentare

Operațiile de cimentare necesită unele echipamente specifice pentru transportul și depozitarea cimentului ca și a amestecurilor pulverulente, pentru prepararea pastei, a soluțiilor și a fluidelor de separare, pentru pompararea lor în sondă și controlul operației, precum și numeroase dispozitive care fac posibilă, facilitează sau ameliorează calitatea cimentării.

Autocontainere. Cimentul praf și amestecurile de ciment cu diverse adaosuri se transportă în containere montate pe autoșasiuri. Ele se încarcă și se descarcă pneumatic, în România se utilizează autocontainerele pentru ciment APC-4, APC-10 și APC-12, Ele au unui sau două recipiente cu capacitatea aproximativă de 4,10 respectiv 12 t ciment, montate pe autoșasiuri Tatra sau Roman. Aerul necesar pentru vehicularea cimentului este furnizat de unul sau două compresoare cu pistoane, antrenate de motorul autoșasiului.

79

Schema autocontainerului pentru ciment este următoarea:

Dinu Alexandru

Agregate de cimentare. Ele servesc la prepararea și pompararea pastei de ciment, la pomparea fluidelor de separare și a noroiului de refulare. Agregatele autotransportabile construite în România sunt alcătuite din:

una sau două pompe de presiune cu pistoane sau plunjere, care servesc la pomparea fluidelor în sondă;

o pompă cu roți dințate pentru alimentarea cu apă a pâlniei de amestec;

o habă de măsurare împărțită in 2 compartimente de câte 2 m3, cu gradații de 1001; prin intermediul ei, umplând și golind alternativ cele două compartimente, se măsoară volumul de noroi pompat în sondă pentru a plasa pasta în spațiul dorit;

manifoldul pompelor, de aspirație și de refulare;

unele anexe;

Schema unui agregat de cimentare este următoarea:

80

Dinu Alexandru

Pâlnia de amestec. Este une mixer hidraulic cu jet, folosit de altminteri și la prepararea și îngreunarea fluidelor de foraj. Apa ori soluția de preparare este injectată în camera de amestec printr-o duză de 10 – 18 mm. La traversarea camerei, jetul antrenează praful de ciment turnat în pâlnie cu care se amestecă de-a lungul conductei de ieșire, de unde ajunge in haba de preparare. Schema este următoarea:

Ciment

Cap de cimentare. Acesta constă dintr-o bucata scurtă de burlan, cu diametrul și filetul corepunzătoare coloanei care se cimentează, cu brațe laterale prevăzute cu robinete de presiune și un capac pentru introducerea dopurilor de cimentare. El se înfiletează la partea superioară a coloanei, după terminarea tubării, și servește la racordarea conductelor de pompare și închiderea coloanei în timpul prizării pastei de ciment. Schema este următoarea:

Dinu Alexandru

Desfășurarea operației de cimentare

Faza de pregătire a operației

în acest capitol se va descrie operația de cimentare a coloanei de exploatare de 5 in. Coloana de exploatare trebuie echipată cu toate accesoriile necesare: șiu cu valvă, niplu cu valvă, centrori, curățitori de turtă, etc.

Rețeta de pastă se testează în condiții cât mai apropiate de cele din sondă, cu probe reprezentative pentru materialele ce vor fi utilizate, în zilele premergătoare operației. Se reglează densitatea, proprietățile reologice și viteza de filtrare, potrivit condițiilor concrete din sondă, și timpul de pompabilitate în raport cu posibilitățile de pompare.

Se pregătește, în habe sau în rezervoare, apa, un volum dublu față de cel necesar. în alte habe, se prepară fluidele de separare.

Amplasarea agregatelor de cimentare și a autocontainerelor cu ciment este condiționată de numărul de mixere ce prepară pasta, de numărul de agregate care vor pompa pasta și noroiul de refulare, de tipul pastei și de spațiul disponibil. La un moment dat, un agregat care prepară pasta la un mixer lucrează cu un singur autocontainer.

După amplasare, se montează liniile de alimentare cu apă (soluție), fluid de separare și noroi de refulare, și cele de pompare în sondă. Acestea din urmă sunt racordate la unul sau două colectoare care ajung la capul de cimentare și se probează la o presiune cu 50% mai mare decât cea maximă estimată. Se pompează în sondă dopul de fluid separator.

Se introduce prin capul de cimentare, sub brațele de intrare, dopul de cauciuc cu membrană; când capul este etajat se introduce și al doilea dop, cel masiv, între cele două rânduri de brațe.

Faza de execuție a operației de cimentare

Această fază constă din următoarele lucrări și măsuri:

la sondă se vor aduce un număr de agregate de cimentare stabilit în prealabil în așa fel ca să asigure lucrările în totalitate, debitul și presiunea de circulație. în cazul de față la sondă se va aduce un agregat de cimentare;

82

Dinu Alexandru

înainte de introducerea pastei de ciment se va circula puțul cu o cantitate de 1 – 2 volumul acestuia, observând nivelul noroiului 1a habă și controlând continuu greutatea specifică a acestuia; în cazul de față se va circula o cantitate de aproximativ 242 m3 de noroi;

după oprirea circulației se va monta capul de cimentare și legăturile respective vor fi probate la 1.5 presiunea de lucru estimată;

pentru pomparea pastei de ciment în coloană se vor deschide ventilele capului de cimentare iar odată cu începerea pompării acesteia se va observa pornirea circulației la derivație;

în timpul operației de pompare a pastei de ciment în coloană se va supraveghea continuu variația greutății specifice a acesteia, valoarea presiunii de pompare, buna funcționare a agregatelor, etc;

realizarea unui regim de curgere laminar sau turbulent se va urmări de către conducătorul operației conform programului stabilit;

în timpul pompării pastei de ciment în coloană, aceasta se va manevra pe o lungime de 5-6 metri;

în faza finală a preparării pastei de ciment, deoarece manevrare sacilor de ciment este mai greoaie, se va avea grijă să se prepare o pastă de ciment omogenă la greutatea specifică de 1800 kg/m3 pentru a plasa în jurul șiului un inel de ciment corespunzător;

după pomparea întregului volum de pastă de ciment, la oprirea tuturor agregatelor, se vor demonta liniile de refulare pentru spălarea acestora cât și a filtrelor montate pe linii;

Este foarte important ca înainte de demontarea liniilor, să se închidă ventilele capului de cimentare pentru ca depresiunea formată să nu împăneze dopul II în bolțurile capului de cimentare. Acest fenomen se întâmplă în condițiile cănd greutatea specifică a pastei de ciment este mai mare decât a noroiului de foraj utilizându-se un cap de ciment etajat.

după spălarea liniilor, demontarea filtrelor, umplerea habelor agregatelor cu noroi și cuplarea liniilor de împingere, se începe pomparea noroiului cu urmărirea presiunii și circulației la derivație. Volumul de noroi pompat va fi măsurat cu atenție de fiecare operator de pe agregat și înregistrat de conducătorul operației.

83

Dinu Alexandru

în timpul pompării noroiului se va urmări dacă în general cantitatea de noroi pompată la puț, corespunde cu cantitatea ieșită de la puț;

se va semnaliza de asemeni dacă apare la jgheab pastă de ciment, cauzată de o eventuală canalizare. Acest ciment va fi dirijat în batale speciale pentru a nu degrada noroiul;

către sfârșitul pompării noroiului când mai există aproximativ 2 -3 m3 de noroi de pompat se micșorează debitul, efectuându-se pomparea cu 1 – 2 agregate. Această fază a lucrării va continua până la suprapunerea dopului II pe placă;

în același timp se va urmări oprirea circulației la derivație. Presiunea finală realizată va fi cu 20 – 40 at mai mare ca presiunea de circulație.

după realizarea presiunii "stop" se va aștepta cca. 10 minute după care se trece la scurgerea presiunii la 0 at. cu pauze de 2 minute, urmărindu-se cantitatea de noroi ce vine de la puț;

după scurgerea completă a presiunii, se vor închide ventilele de ia capul de cimentare trecându~se 1a demontarea instalațiilor;

84

Dinu Alexandru

Faza de verificare a reușitei operației

încheierea operației de cimentare fără dificultăți și accidente, precum și absența lor în perioada imediat următoare nu înseamnă întotdeauna că cimentarea este reușită. Complicațiile pot interveni mult mai târziu. Pentru a le preveni este necesar să fie detectate cauzele lor posibile, iar cimentarea trebuie eventual remediată.

Termometria.

Este una dintre cele mai vechi și maî simple metode pentru stabilirea înălțimii de ridicare a pastei în spațiul inelar. Ea are ca principiu înregistrarea anomaliei de temperatură din sondă în dreptul masei de ciment din spatele coloanei de burlane în perioada hidratării lui. în figura următoare sunt prezentate 3 cazuri de termograme idealizate:

înainte de tubare;

după cimentare;

efectul zonelor lărgite;

85

Dinu Alexandru

iemp€TGtura

Temperatura

Temperatura

a)

b)

Creșterea de temperatură în zona cimentată ajunge la 10 – 30 C. Mărimea acestei creșteri este determinată de grosimea inelului de ciment, natura pastei, conductivitatea termică a rocilor și a noroiului, temperatura geostatică, momentul măsurării.

86

Dinu Alexandru

Este recomandabil ca temperatura măsurată după cimentare să fie corelată cu termograma și cavernograma înregistrate înainte de tubarea coloanei. Variațiile de litologie, mai precis de conductivitate termică, schimbările de secțiune pot conduce la interpretări eronate.

Carotajul acustic.

Este cea mai completă metodă de evaluare a unei cimentări. însoțit, eventual, de un carotaj al radioactivității naturale și un locator de mufe, coroborat și cu o cavernometrie, carotajul acustic permite să se detecteze prezența inelului de ciment, să se evalueze grosimea lui, măsura în care el acoperă întreaga circumferință a burlanelor, aderența burlane-ciment și ciment-rocă, rezistența la compresiune a rocii, să se localizeze mufele burlanelor și chiar unele defecte din piatra de ciment. Prin măsurători periodice se poate aprecia evoluția procesului de întărire a cimentului. Este posibil să se detecteze și circulația fluidelor prin spatele coloanelor( carotajul de zgomot).

Echipamentul, lansat cu cablu, este format dintr-un emițător și unul sau două receptoare aflate la o distanță standard. Primul emite unde acustice în frecvența de 20 – 30 kHz sub forma unor trenuri de unde la intervale scurte de timp (15-60 trenuri pe secundă).

Următoarea figură reprezintă schema carotajului acustic și conține:

principiul metodei;

forma semnalelor;

diagrama înregistrată;

87

Dinu Alexandru

Formațiuni

Emitâtor

i^Fluid

J de

t> loraj

Forma semnalului

Timpul, >JS )000

^-Piatrc

< de > ciment

I

J

I

| Tj»*¥vf%t *1 *

i

i

parcurs prin coloana

Indice 100% de aderenta 0

ț_

0 Amplitudinea 100*7»

Coloana
libero

.Ciment

pe J

coloana,

h. Inel de ciment neaderenț la formațiuni

A, Aderenta porțiald

Ljpsâ aderenta

Aderența^

la coloana

si formațiuni t >

a)

b)

c)

Carotajul radioactiv. El se folosește în 2 variante:

Activizarea pastei cu izotopi radioactivi, Trasorii radioactivi adăugați in pastă permit să se determine , prin carotaj radioactiv ulterior, înălțimea de ridicare a pastei in spațiul inelar, locul unde aceasta a pătruns, prezența unor caverne. Se folosesc izotopi cu o perioadă de înjumătățire mică și toxicitate scăzută: Na24 – 15 h, I131 – 8 zile, Cr51 – 27 zile, Zr65 – 65 zile.

Carotajul gama-gama. Radiațiile gama emise de o sursă deplasată de-a lungul sondei sunt recepționate de un contor după ce au străbătut fluidul de foraj, burlanele, piatra de ciment și rocile din jur. în prezența pietrei de ciment din spatele coloanei, gradul de atenuare este mai mare decât în absența ei: intensitatea iradiațiilor captate scade cu densitatea mediului de propagare.

Dinu Alexandru

Probe de etanșeitate a cimentării

Reușita cimentării se poate aprecia, după forarea unu scurt interval sub șiul coloanei sau după perforarea ei, prin intermediul probelor de presiune, de golire și chiar de producție.

Dacă se continuă forajul și coloana este fixată într-o formațiune impermeabilă, după ce se forează 1 -3 m în teren, se execută o probă de aflux sau de presiune. Prin denivelare sau prin crearea unei depresiuni cu ajutorul unui probator de strate se controlează în ce măsură zona șiului este bine cimentată.

Presiunea aplicată trebuie să țină seama de rezistența coloanei și a echipamentului de suprafață, dar și de rezistența inelului de ciment. Dacă gradientul de fisurare ffjS este cunoscut, presiunea de suprafață:

Pc< rfis-H – Pp-g-H

La coloanele de exploatare, probele de producție constituie cea mai sigură modalitate de evaluare a cimentării lor. Apariția gazelor sau a apei în dreptul unui strat de petrol, de exemplu, presiuni mai mari sau mai scăzute decât cele așteptate, afluxul de noroi după perforare sunt dovezi că cimentarea a fost defectuoasă și sunt necesare operații de remediere.

89

Dinu Alexandru

Capitolul 7 Alegerea echipamentului de suprafață

După pauza de întărire a pietrei de ciment, coloana de burlane se fixează la suprafață, se solidarizează cu cele anterior tubate, iar spațiul inelar dintre exteriorul ei se etanșează, ceea ce permite un control al presiunii dintre coloane și împiedică evantualele emanații de gaze sau alte fluide în atmosferă.

Suspendarea unei coloane se realizează cu un ansamblu de pene (bacuri) montate într-o flanșă solidară cu coloana anterioară, iar etanșarea cu un sistem de inele și garnituri de cauciuc. Pentru a controla presiunea dintre cele două coloane, flanșa respectivă are 2 ieșiri laterale prevăzute cu ventile și manometre,

întregul ansamblu de flanșe montat la gura sondei, inclusiv cea în care se suspendă tubingul, cu toate accesoriile respective, constituie capul de sondă. Pe el se montează capul de erupție, de injecție sau de pompare, pentru exploatarea si sondei, instalația de prevenire în cazul unor reparații,

în figura următoarea este prezentat capul de sondă utilizat în acest proiect. El este alcătuit din:

o flanșă cu mufă înșurubată la coloana de suprafață; în această flanșă se suspendă, după tubarea și cimentarea ei, coloana intermediară;

o flanșă dublă în care se suspendă coloana de exploatare;

“ ansamblurile de pene pentru suspendarea celor două coloane;

sistemele de etanșare, cu inele de cauciuc, pentru izolarea spațiilor dintre cele 3 coloane;

~ o flanșă dublă în care se suspendă tubingul cu ajutorul unui agățător;

boneta, o flanșă simplă care permite – prin reducerea diametrului nominal – să se monteze capul de erupție;

ștuțuri laterale, înșurubate ori prinse cu prezoane de corpul flanșelor, cu ventile de control, adesea dublate, și manometre.

90

Dinu Alexandru

Ifwt $9 țignșore

Piulfțâ

âgaptor { pîalro )'

8 onetâ

fîoJișa dubla

(tubmgheod)

Ftansă cm mufâ

Coloarw d# suprafața

10 3J4 fft

Coloană iftierfftedîarâ

7

Coloana d# «•xplMtâr©

Dinu Alexandru

Capul de sonda va fi alcatuit din:

Flanșa cu mufă care se inșurubeaza la colana de suprafața

Dimensiune:13 5/8 x 5M ( după API, 350 bar);

înălțimea flanșei: Li=450 mm;

Burlanul pe care se fixează flanșa:Da = 10^ in;

Burlanul ce se suspenda:D{ = 7~in;

Flanșa dublă în care se suspendă coloana de exploatare:

Flanșa inferioară: 13 5/8 x 5M ( după API, 350 bar);

Flanșa superioară: 11 x 5M ( după API, 350 bar);

Prezintă etanșare secundară pentru burlanele cu diametruhDj = 7- in;

Suspenda burlanele cu diametrul:De~5 in;

Inelul de etanșare dintre flanșa cu mufă și flanșa inferioară a celei duble este de tipul BX 160:

Diametrul exterior: 402.59 mm;

înălțime inel: 23.83 mm;

Diametrul orificiului: 3.2 mm;

Inelul de etanșare dintre flanșa superioară șî bonetă este de tipul RX54:

Diametrul exterior: 337.34 mm;

înălțime inel: 31.75 mm;

Dimensiunile ansamblului de pene pentru suspendarea coloanei intermediare:

Pană tip SB, pentru burlanele de 7 5/8 in, cu diametrul exeterior: 13 3/16 in; ©.Dispozitiv pentru suspendarea țevilor de extracție de 5 in.

Prezintă etanșare secundară pentru burlane cu diametrul:De=5 in

Tipul si dimensiunile prevenitorului care se poate monta:

După fixarea coloanei de ancoraj, pentru continuarea forajului se va monta pe flanșa cu mufă un prevenitor tip DF 13 5/8 x 5M ( 5000 psi, după API).

Pentru forajul intervalului corespunzător coloanei de exploatare se va monta pe flanșa dublă un prevenitor tip DF 11 x 5M ( 5000 psi, după API).

92

Dinu Alexandru

Montarea instalației de prevenire a erupțiilor

După tubarea coloanei de ancoraj, pe flanșa cu mufă montată pe capul ei se ancorează o instalație de prevenire a erupțiilor corespunzătoare presiunii maxime anticipate în faza următoare de foraj.

După ce s-a tubat și cimenta coloana intermediară, instalația de prevenire se demontează, Se suspendă și se etanșează coloana respectivă, se montează prima flanșă dublă a capului de sondă, cu etanșarea secundară, și pe ea o nouă instalație de prevenire, corespunzătoare presiunii maxime anticipate în faza de foraj a coloanei de exploatare.

De multe ori, coloanele se suspendă prin interiorul prevenitoarelor și apoi se demontează acestea. Se evită, în acest mod, lăsarea coloanelor de burlane în compresiune.

Dacă diametrul interior permite trecerea sapelor și a burlanelor, pe flanșa cu mufă se montează imediat și următoarea flanșă a capului de sondă, pe care se fixează instalația de prevenire corespunzătoare presiunii acesteia. Acest lucru va permite păstrarea aceleași instalații de prevenire pentru două faze de foraj. Când se suspendă și se etanșează coloana intermediară, în flanșa cu mufă, flanșa dublă de deasupra și instalația de prevenire sunt suspendate pe podul sondei. După montare, toate elementele instalației se probează la o presiune mai mare decât cea nominală, de lucru.

93

Bibliografie selectivă

Macovei, N. : Echipament de foraj\ Editura Universității din Ploiești, 1996,

Macovei, N: Tubarea și cimentarea sondelor, Editura Universității din Ploiești, 1998.

Macovei, N; Fluide de foraj și cimenturi de sondă, Editura Universității din Ploiești.

Carnet tehnic ~ Forajul Sondelor, Petrostar Ploiești.

Avram, L, : Elemente de tehnologia forării sondelor, Ed. Universității din Ploiești,

2011.

Drilling Data Handbook, Ed. Technip, seventh edition.

Drilling Engineering, Heriot – Watt Universîty, 2009.

94

Bibliografie selectivă

Macovei, N. : Echipament de foraj\ Editura Universității din Ploiești, 1996,

Macovei, N: Tubarea și cimentarea sondelor, Editura Universității din Ploiești, 1998.

Macovei, N; Fluide de foraj și cimenturi de sondă, Editura Universității din Ploiești.

Carnet tehnic ~ Forajul Sondelor, Petrostar Ploiești.

Avram, L, : Elemente de tehnologia forării sondelor, Ed. Universității din Ploiești,

2011.

Drilling Data Handbook, Ed. Technip, seventh edition.

Drilling Engineering, Heriot – Watt Universîty, 2009.

94