Curs de foraj

1

LUCRĂRI DE FORAJ 1. Introducere în forarea sondelor  Dezvoltarea societăţii umane a fost şi este dependentă de resursele naturale (apa-potabilă şi industrială, combustibili fosili-hidrocarburi, cărbuni, minereuri). Plasarea acestora în scoarţa terestră, la adâncimi nu întotdeauna accesibile, a impus găsirea unor soluţii pentru identificarea şi exploatarea lor. S-au dezvoltat în consecinţă de-a lungul istoriei tehnicile şi tehnologiile de foraj.  Astăzi lucrările de foraj sunt folosite în mai multe domenii: cercetare geol geolog ogic ică, ă, extr extrac acţie ţie de petro petroll şi gaze gaze,, explo exploat atar area ea apel apelor or subt subter eran ane, e, executarea de lucrări miniere (puţuri, găuri de ventilaţie), cercetări geotehnice. Sonda este este o cons constr truc ucţie ţie minie minieră ră spec specia ială, lă, de form formăă cilin cilindr dric ică, ă, vertic verticală ală sau înclina înclinată, tă, carac caracter teriza izată tă printrprintr-un un raport raport mare mare între între lungim lungimee (adân (adâncime cime)) şi diamet diametru, ru, execut executată ată cu instal instalaţi aţiii specia speciale. le. De Desch schide iderea rea de formă cilindrică, fără consolidare cu burlane, se numeşte gaura de sondă. Partea superioară a unei sonde se numeşte gura sondei , iar parte inferioară – talpa sondei . Gaura de sondă este delimitată lateral de  peretele găurii de sondă. Forarea (for (foraj ajul ul)) cupr cuprin inde de un comp comple lexx de lucr lucrăr ării de traversare, consolidare şi izolare a rocilor traversate, necesar executării unei sonde. Este o operaţie de dislocare a rocilor şi de evacuare la suprafaţă a fragmentelor  rezultate (detritus). Forarea sau săparea sondelor se execută cu ajutorul instalaţiilor de forare (foraj). Funcţie de scopul urmărit instalaţiile de foraj sunt de capacitate mare (sonde sau sau inst instal alaţ aţiiii grel grelee de fora foraj) j) şi inst instal alaţ aţiiii de fora forajj de mică mică adâncime (sondeze, sau instalaţii uşoare de foraj). Sondele au pute putere re inst instal alat atăă mare mare (mii (mii de CP CP), ), exec execut utăă găur găurii la adâncimi mari (mii de metri), cu diametre mari (sute de mm la 7000mmforajele de mare diametru). Garnitura de foraj utilizată este de diametru mare (se măsoară în inci=tol; 1inci=25,4mm). Sondezele au puteri instalate mici (sute de CP), execută găuri frecvent de până la 1000m, dar pot ajunge şi la 2000m, găuri cu diametre mici. Dislocarea rocii în talpa sondei se execută cu instrumente speciale. Scopul executării forajului impune modul în care se face dislocarea rocii în talpa sondei. Pentru forajele de cercetare, care urmăresc obţinerea unor  eşantio eşantioane ane,, disloc dislocare areaa în talpa talpa sonde sondeii se face face circula circular, r, cu ajutor ajutorul ul unui unui instrument numit cap de carotieră (freză (freză). ). În acest caz vorbim de forajul prin carotaj mecanic . Eşantioanele obţinute se numesc carote. Dacă dislocarea în talpa sondei este circulară completă, instrumentul de dislocare se numeşte sapă. Instrumentul de dislocare este antrenat cu ajutorul garniturii de foraj  (prăjini de foraj), iar detritusul este scos la suprafaţă de fluidul de foraj  (de circulaţie).

1.1.Clasificarea forajelor  Clasificarea se face după mai multe criterii. 1. după scop 1

2

1.1. Foraje de cercetare geologică foraje de referinţă – sunt destinate cercetărilor regionale, se execută la adâncimi relativ mari, în carotaj mecanic continuu; urmăresc sc studiu studiull comple complexx al foraje de pros prospecţi pecţiuni  uni  – urmăre depozitelor dintr-o anumită regiune, cu precizarea tuturor  aspectelor privind litologia, tectonica, resursele minerale, etc. Se execută în carotaj mecanic continuu; foraje de explorare – au drept obiectiv conturarea unor  zăcămi zăcăminte nte,, cu determ determina inarea rea parame parametril trilor or canti cantitat tativi ivi şi calit calitat ativ ivi,i, nece necesa sari ri în calc calcul ulul ul reze rezerv rvelo elor, r, prec precum um şi stabilirea condiţiilor geologice de zăcământ. 1.2. Foraje de exploatare – a hidrocarburilor (petrol, gaze), precum şi a apelor subterane. În această categorie sunt cuprinse şi sondele de injecţie (pentru refacerea presiunii în zăcămintele de ţiţei) şi sondele de observaţie care urmăresc procesul de exploatare. Sarea poate fi exploatată cu ajutorul sondelor. 1.3. Foraje cu destinaţie specială de interes minier  – se execută la zi, în cariere (derocări prin găuri de explozie), sau în subteran, pentru cercetare geologică, găuri de puşcare, drenaj, aeraj, consolidare rocilor, etc.; foraje hidrogeolo hidrogeologice gice  – executate pentru identificarea, stabilirea condiţiilor  de zăcământ (parametrii calitativi şi cantita cantitativ tivi)i) şi exploa exploatar tarea ea apelor apelor subter subterane ane (potab (potabile ile,, termale, minerale); fora foraje je geot geoteh ehni nice ce – util utiliz izaate pent pentru ru cuno cunoaaşter şterea ea prop proprie rietă tăţil ţilor or fizi fizico co-me -meca cani nice ce ale ale roci rocilo lorr de fund fundaţ aţie ie pentru construcţii civile, industriale, baraje, tuneluri, etc.; foraje de interes seismic  – utilizate pentru provocarea unor explozii artificiale. lucrări de foraj cu diametre mari  – utilizate în amenajări hidrotehnice, ca şi lucrări miniere (suitori, puţuri de aeraj, etc.), sau rezervoare subterane. 2. după energia utilizată la acţionarea instalaţiei 2. 1. Foraj manual 2.2. Foraj mecanic – acţionarea se face cu motoare cu abur, cu combustie internă, electrice, hidraulice, sau pneumatice. 3. după energia utilizată la dislocarea rocii foraj cu dislocare mecanică foraj cu dislocare hidromecanică foraj cu dislocare termică 4. după modul de acţionare asupra rocii forajul mecanic este: 4.1. Foraj percutant – dislocarea rocii în talpa sondei se face prin lovire repetată cu o sapă specială, de forma unei dălţi (trepan). Are două variante:  percutant-uscat  (cu tije sau cablu) şi  percutant-hidraulic . În primul caz sapa este antrenată cu ajutorul unui cablu sau a unei tije (metal, lemn). Detri De tritu tusu sull este este evac evacua uatt prin prin intro introdu duce cere reaa unei unei cant cantită ităţiţi mici mici de apă apă şi extrag extragere ereaa period periodică ică a noroi noroiulu uluii format format,, cu o lingur lingurăă cilind cilindric rică. ă. În foraju forajull •

•

•

•

•

•

•

•

• • •

2

2

1.1. Foraje de cercetare geologică foraje de referinţă – sunt destinate cercetărilor regionale, se execută la adâncimi relativ mari, în carotaj mecanic continuu; urmăresc sc studiu studiull comple complexx al foraje de pros prospecţi pecţiuni  uni  – urmăre depozitelor dintr-o anumită regiune, cu precizarea tuturor  aspectelor privind litologia, tectonica, resursele minerale, etc. Se execută în carotaj mecanic continuu; foraje de explorare – au drept obiectiv conturarea unor  zăcămi zăcăminte nte,, cu determ determina inarea rea parame parametril trilor or canti cantitat tativi ivi şi calit calitat ativ ivi,i, nece necesa sari ri în calc calcul ulul ul reze rezerv rvelo elor, r, prec precum um şi stabilirea condiţiilor geologice de zăcământ. 1.2. Foraje de exploatare – a hidrocarburilor (petrol, gaze), precum şi a apelor subterane. În această categorie sunt cuprinse şi sondele de injecţie (pentru refacerea presiunii în zăcămintele de ţiţei) şi sondele de observaţie care urmăresc procesul de exploatare. Sarea poate fi exploatată cu ajutorul sondelor. 1.3. Foraje cu destinaţie specială de interes minier  – se execută la zi, în cariere (derocări prin găuri de explozie), sau în subteran, pentru cercetare geologică, găuri de puşcare, drenaj, aeraj, consolidare rocilor, etc.; foraje hidrogeolo hidrogeologice gice  – executate pentru identificarea, stabilirea condiţiilor  de zăcământ (parametrii calitativi şi cantita cantitativ tivi)i) şi exploa exploatar tarea ea apelor apelor subter subterane ane (potab (potabile ile,, termale, minerale); fora foraje je geot geoteh ehni nice ce – util utiliz izaate pent pentru ru cuno cunoaaşter şterea ea prop proprie rietă tăţil ţilor or fizi fizico co-me -meca cani nice ce ale ale roci rocilo lorr de fund fundaţ aţie ie pentru construcţii civile, industriale, baraje, tuneluri, etc.; foraje de interes seismic  – utilizate pentru provocarea unor explozii artificiale. lucrări de foraj cu diametre mari  – utilizate în amenajări hidrotehnice, ca şi lucrări miniere (suitori, puţuri de aeraj, etc.), sau rezervoare subterane. 2. după energia utilizată la acţionarea instalaţiei 2. 1. Foraj manual 2.2. Foraj mecanic – acţionarea se face cu motoare cu abur, cu combustie internă, electrice, hidraulice, sau pneumatice. 3. după energia utilizată la dislocarea rocii foraj cu dislocare mecanică foraj cu dislocare hidromecanică foraj cu dislocare termică 4. după modul de acţionare asupra rocii forajul mecanic este: 4.1. Foraj percutant – dislocarea rocii în talpa sondei se face prin lovire repetată cu o sapă specială, de forma unei dălţi (trepan). Are două variante:  percutant-uscat  (cu tije sau cablu) şi  percutant-hidraulic . În primul caz sapa este antrenată cu ajutorul unui cablu sau a unei tije (metal, lemn). Detri De tritu tusu sull este este evac evacua uatt prin prin intro introdu duce cere reaa unei unei cant cantită ităţiţi mici mici de apă apă şi extrag extragere ereaa period periodică ică a noroi noroiulu uluii format format,, cu o lingur lingurăă cilind cilindric rică. ă. În foraju forajull •

•

•

•

•

•

•

•

• • •

2

3

percutant-hidraulic sapa este antrenată cu ajutorul prăjinilor (ţevi de oţel), prin care se pompează continuu fluid pentru spălarea tălpii de detritus. 4.2. Foraj rotativ – cel mai utilizat este forajul rotativ-hidraulic , cu evacuarea materialului dislocat prin circulaţie de fluid. Are două variante: cu rotaţie de la suprafaţă (cu masă rotativă, sau cap rotativ la sondeze) şi cu motoa motoare re subme submersi rsibile bile.. Proce Procesul sul de forare forare este este continu continuu, u, cu evacu evacuare areaa permanentă a detritusului cu ajutorul fluidului de foraj. Dislocarea rocii se realizează cu diferite tipuri de sape, care execută o mişcare de rotaţie şi pătrundere în teren. Metoda rotativ-hidraulică se numeşte şi rotary. Sapa este rotită de motoarele instalaţiei prin intermediul masei rotative şi a prăjinilor de foraj. Pentru pătrunderea sapei în roci apăsarea este asigurată de garnitura de foraj. Fluidul de foraj este pompat în talpă prin interiorul prăjinilor. 4.3. Foraj rotativ –percutant

1.2. Dezvoltarea forării sondelor  Primele deschideri prin foraj sunt cunoscute din antichitate. În Egipt în timpul construirii piramidelor s-au executat sondaje cu ajutorul unor tuburi din bronz, armate cu grăunţi de diamant. În China (cu 1700 ani î.e.n.) se săpau sonde cu adâncimi de 500m în sistemul percutant, cu prăjini de bambus şi cu acţionare manuală. Exploatare şi prelucrarea petrolului a determinat dezvoltare forajului. Până la utilizarea forajului în exploatarea petrolului, aceasta se realiza prin puţuri săpate manual. Prima sondă pentru petrol a fost forată în Rusia, lângă Baku (1848), în sistem percutant uscat . Abia în 1859, se forează prima sondă pentru petrol în SUA (Pensylvania).  În România, prima sondă de petrol (mijloace mecanice) a fost forată în 1861 la Mosoare (Târgu Ocna). A fost folosit sistemul percutant uscat cu prăjini de lemn. Primele sonde se sapă în sistemul percutant uscat, dar se trece la forajul percutant hidraulic, la care evacuarea detritusului se realiza continuu, prin circulaţia apei. Acest sistem permitea adâncimi mai mari de forare şi creşterea siguranţei de lucru. În România sistemul a fost aplicat în 1896 în Prahova (Băicoi). Când apare sistemul sistemul rotativ (sistemul rotary )? )? La începutul secolului 20 apare în SUA. În România, primele sonde în acest sistem, au fost forate în 1906 (Moreni-Prahova, Tescani –Bacău). Dezvoltare sistemului rotativ hidraulic duce la creşterea vitezelor de forare şi a adâncimilor sondelor.  În fosta URSS, după 1922 se introduce forajul cu turbină, care este un sistem de foraj rotativ, cu un motor amplasat deasupra sapei. La noi s-a aplicat după 1952. Este preferat în cazul rocilor dure şi la forajul dirijat. Dintre variantele sistemului de foraj cu motor submersibil un interes deosebit îl prezintă flexo-forajul . Garnitura de foraj este formată dintr-un tub flexibil, cu o structură specială. Cu toată diversitatea sistemelor şi variantelor, sistemul rotativ cu masă este cel mai folosit. 3

4

Recordul de adancime atins pe plan mondial este de 12.390m (MurmanskRusia). În România adâncimea maximă atinsă este de 7025m (Tufeni-Băicoi).

1.3. Componentele instalatiilor de forare Instal Instalaţi aţiile ile de forare forare,, sonde sonde sau sondez sondeze, e, au compon component entele ele de bază bază comu comune ne.. Aces Aceste te compo compone nent ntee se împar împartt în comp compon onen ente te de supr supraf afaţ aţăă şi componente de interior. Componentele de suprafaţă, funcţie de rolul lor sunt: Grup de forţă-pentru acţionare, format din motoare, motoare electrice de fund; Turla cu substructură; Sistemul de manevră-pentru intoducerea şi extragerea garniturii de foraj foraj cu instru instrumen mentel telee de disloc dislocare are (sapă, (sapă, freză) freză).. Este Este alcătu alcătuitit din macara, troliu, geamblac, cârlig, cablu de foraj, şi scule de manevră (elevatoare, pene, cleşti); Siste Sistemu mull de rota rotaţi ţie e-antre -antrenea nează ză garnit garnitura ura într-o într-o mişca mişcare re rotati rotativă. vă. Cuprinde masa rotativă şi capul hidraulic; Sistemul de circulaţie-asigură circulaţia fluidului de foraj în sondă. Cuprind Cuprindee pompa pompa de noroi noroi şi condu conducte ctele le de aspira aspiraţie ţie şi împing împingere ere (manifold, din engl. manifold=conductă de aducţie), furtun, Componentele de interior  cuprind: coloana de tubaj, garnitura de foraj şi instrumentele de dislocare. Ciclul de foraj cuprinde succesiunea operaţiilor executate de la montarea unei instalaţii pe o locaţie şi până la demontarea şi transportul spre o altă locaţie. El poate cuprinde: Lucrări de suprafaţă – amenajarea terenului, montajul instalaţiei de foraj şi anexelor; Lucrări pregătitoare – verificarea stării de funcţionare a utilajelor, săparea şi consolidarea găurii prăjinii pătrate; Săparea găurii de sondă – sau forajul propriu-zis, cuprinde un ciclu de operaţii repetat la fiecare introducere a unei sape noi în locul celei uzate şi a garniturii de prăjini până în talpa sondei. Pe măsura adâncirii sondei, la garnitura de foraj se adaugă o nouă prăjină de foraj ("bucata de avansare"). O viteză mică de avansare poate indica uzarea sapei. Extragerea garniturii se face în "paşi" (câte 2-3 prăjini), care se sprijină în turlă, la pod. Toate manevrele se execută cu ajutorul sistemului de manevră şi a mesei rotative (cap rotativ). Lucrări de consolidare şi izolare a găurii de sondă - forarea începe cu o sapă cu diametru mare, se sapă o porţiune, se tubează prima coloană (coloana de ancoraj ) şi se cimentează în spatele coloanei. Se continuă forajul cu o sapă cu diametru mai mic. Funcţie de scopul sondei şi funcţie de condiţiile geologice (natura rocilor, tectonica regiunii) după coloana de ancoraj se tubează direct coloana de exploatare, sau 1-2 coloane intermediare şi apoi coloan coloanaa de explo exploata atare. re. Tubare Tubareaa este este operaţ operaţiun iunea ea de introd introduce ucere re a unor  unor  burlane de oţel  în gaura de sondă. Burlanele se cimentează în spate în totalitate, sau parţial, pe o anumită înălţime de la talpă. Operaţii de investigare - la forarea unei sonde, înainte de operaţiunea de tubare se pot executa diferite investigaţii geofizice de tipul carotaj electric, carotaj radioactiv, cavernometrie, măsurători de deviaţie, etc. •

• •

•

•

4

5

Lucrări de punere în producţie – au loc la forajele executate în scopul exploatării unor resurse (hidrocarburi). Sunt specifice la forajele hidrogeologice, sau lipsesc la forajele de cercetare şi la unele dintre cele speciale. Lucrări de demontare şi transport  – reprezintă etapa de finalizare a forajului. Lucrări de instrumentaţie – sunt lucrări speciale executate pentru rezolvarea unor accidente în gaura de sondă (prinderi la puţ, ruperi de prăjini, etc.). Acestea se execută cu ajutorul unor scule de instrumentaţie. Unele etape pot să fie suprimate (consolidare şi izolare, investigare) funcţie de scopul forajului.

2. Procese şi instrumente de dislocare prin foraj a rocilor  2.1. Proprietăţile fizice şi mecanice ale rocilor  Eficienţa dislocării rocilor în talpa sondei, precum şi stabilitatea pereţilor sondei sunt influenţate de proprietăţile fizice şi mecanice ale rocilor  traversate.

2.1.1. Proprietăţile fizice ale rocilor  a. Porozitatea – se referă la volumul spaţiilor dintr-o rocă, neocupat de substanţa solidă şi se exprimă prin raportul dintre volumul golurilor şi volumul total al rocii. Prezenţa porilor reduce duritatea rocii şi rezistenţa ei la pătrunderea unui corp solid. Într-o primă etapă, până la o anumită valoare a forţei de apăsare, roca se deformează, fără a obţine dislocare. b. Permeabilitatea – capacitatea unui corp poros de a permite deplasarea prin golurile sale comunicante a unui fluid, la crearea unei diferenţe de presiune. În talpa sondei are loc pătrunderea de fluid de foraj pe o anumită adâncime, ceea ce duce la echilibrarea diferenţei de presiune dintre zona de deasupra şi cea de sub talpă, realizându-se condiţii favorabile dislocării rocii cu instrumentele de lucru. c. Neomogenitatea – este specifică rocilor, ele fiind neomogene din punct de vedere al compoziţiei mineralogice, porozităţii, permeabilităţii, gradului de fisurare, tasare, etc. Această proprietate condiţionează comportamentul rocilor la solicitările mecanice din timpul dislocării. d. Abrazivitatea – este capacitatea rocilor de a uza prin frecare instrumentele de dislocare. Capacitatea abrazivă a rocilor se manifestă asupra instrumentelor de dislocare, dar şi asupra altor componente ale echipamentului de foraj.  Abrazivitatea rocilor este o proprietate relativă. Un oţel poate fi uzat abraziv de o rocă, dar aceeaşi rocă poate să aibă o capacitate abrazivă nesemnificativă asupra unui aliaj dur, de tipul unor carburi metalice. Uzura abrazivă a instrumentelor de dislocare depinde de abrazivitatea rocii, dar mai depinde şi de rugozitatea suprafeţelor de contact, presiunea de contact, temperatura, viteza relativă de deplasare, natura şi compoziţia noroiului de foraj, etc.  Abrazivitatea rocilor depinde de microduritatea mineralelor  componente, de forma şi dimensiunile lor, de forma şi proprietăţile suprafeţelor de contact, etc. În general rocile polimenerale, chiar foarte 5

6

compacte cum sunt cele magmatice, sunt mai abrazive decât cele monominerale. Rocile sedimentare cele mai abrazive sunt gresiile cuarţoase. La compoziţii mineralogice similare rocile detritice rezultate din claste cimentate ulterior, sunt mai abrazive decât rocile cristalizate.

2.1.2. Proprietăţile mecanice ale rocilor  a. Elasticitatea Unele roci precum şi minerale componente ale rocilor se comportă asemeni unor corpuri elastice. La aplicarea unor presiuni exterioare în interiorul lor se produc deformaţii liniare. Rocile poliminerale nu sunt corpuri elastice. b. Plasticitatea  În procesul dislocării unele roci se deformează plastic, deformare care  începe atunci când starea de tensiune depăşeşte limita elasticităţii. Plasticitatea rocilor depinde de compoziţia mineralogică. Creşterea conţinutului de cuarţ, feldspaţi, sau alte minerale cu duritate mare, reduce plasticitatea rocilor. Cea mai mare plasticitate o au argilele hidratate. Plasticitatea rocilor influenţează mult procesul dislocării. În cazul acestor roci (plastice) efortul pentru separarea de fragmente în talpa sondei este mai mare. Deci contează foarte mult viteza şi tipul de sapă cu care se acţionează. c. Rezistenţa (tăria) rocilor  Rezistenţa unei roci este capacitatea sa de a se opune la deformare, în momentul în care este solicitată de către o forţă. Este o proprietate care influenţează în mare măsură procesul de dislocare prin foraj, respectiv viteza de avansare a sapei, uzura sapelor, tendinţa de deviere, etc. Rezistenţa rocilor este dependentă de tipul solicitării, care poate fi: compresiune, întindere, sau forfecare. Rezistenţa mecanică a rocilor este influenţată de factori naturali şi de factori tehnici. Dintre factorii naturali putem aminti: Compoziţia mineralogică a rocilor – natura mineralelor şi cantitatea; - tipul şi cantitatea cimentului; Gradul de fisurare, stratificaţia, clivajul (ex. în roci cu şistuozitate, rezistenţa la compresiune uniaxială este de două ori mai mare, în planul perpendicular pe cel de şistuozitate); Structura şi textura rocilor- rocile cu structură cristalină fină au o rezistenţă mai mare; Gradul de porozitate;  Adâncimea rocilor – cu cât sunt situate mai adânc în scoarţa terestră, au o rezistenţă mai mare (vezi presiunea); Gradul de alterare. Factorii tehnici care pot influenţa rezistenţa rocilor: Tipul solicitării (compresiune, întindere, forfecare); Durata de acţionare a sarcinii- rezistenţa scade cu creşterea duratei de acţionare; Viteza de aplicare a forţei de dislocare- experimental s-a constatat că tăria rocilor creşte cu viteza de aplicare a solicitărilor. •

•

•

• •

•

• •

•

6

7

d. Duritatea sau rezistenţa la pătrundere Prin rezistenţa la pătrundere se înţelege valoare presiunii din centrul suprafeţei de acţiune a sapei, la care se atinge starea limită şi roca cedează. Această proprietate este dependentă de chimismul şi structura cristalină a mineralelor componente. Deosebim o duritate a mineralelor (duritate absolută) şi o duritate a rocilor (duritate agregativă). Duritatea mineralelor influenţează durata de uzură a elementelor de dislocare (capul carotierei cu role, vidia sau diamante), iar duritatea agregativă influenţează viteza de avansare a sculei de dislocare. Pentru rocile monominerale duritatea se stabileşte cu ajutorul scarii Mohs. Duritatea rocilor poliminerale se determină cu ajutorul mai multor  metode. Una dintre acestea este metoda lui Schreiner. Metoda permite determinarea durităţii, precum şi a elasticităţii şi plasticităţii rocilor şi se bazează pe pătrunderea prin apăsare, a unui poanson într-o rocă cu suprafaţa plană, bine şlefuită. Elementul activ al poansonului este un cilindru cu suprafaţa frontală plană. Sarcina pe poanson creşte treptat (se  încarcă), cu posibilitatea ca la fiecare sarcină, deformaţia să se producă până la capăt. Dependenţa dintre deformaţie şi sarcina pe poanson este ilustrată cu ajutorul unor curbe caracteristice, diferitelor tipuri de roci. După această metodă rocile se împart în trei grupe (slabe, medii şi tari), fiecare grupă cu patru categorii. Pentru majoritatea rocilor, valoarea rezistenţei la pătrundere este mai mare decât rezistenţa la compresiune. 2.1.3. Forabilitatea rocilor   În practica săpării sondelor, dificultatea dislocării rocilor se apreciază printr-un indicator global, numit forabilitate. Forabilitatea depinde de proprităţile fizico-chimice ale rocilor, de duritatea, structura şi textura rocilor, etc. Depinde în egală măsură de instrumentul de dislocare şi metoda de foraj aplicată. Forabilitatea este o proprietate caracteristică a rocilor, în lucrările de planificare şi normare, de ea depinzând cheltuielile şi durata forajului. 2.1.4. Clasificarea rocilor după rezistenţa lor la forare şi perforare Rocile se clasifică după proprietăţile lor fizico-mecanice, dar nu există o proprietate care să caracterizeze complet comportamentul unei roci. Complexitatea interacţiunilor din talpa sondei în procesul de dislocare al rocii, face imposibilă găsirea unui criteriu unic de clasificare al rocilor. Interacţiunile complexe sunt generate de comportamentul variabil al rocilor la solicitare, de tipurile de instrumente care acţionează diferit. Clasificarea rocilor din punctul de vedere al forabilităţii, serveşte la planificarea lucrărilor de foraj, la elaborarea devizelor şi a normativelor de consum de materiale, precum şi la stabilirea normelor de lucru pentru echipa de foraj.  Această clasificare împarte rocile în şase grupe (foarte moale, moale, semitare, tare, foarte tare, extra tare), cu 12 categorii. (fig.)

7

8

2.3. Mecanismul dislocării rocilor  Dislocarea rocilor are loc prin pătrunderea sub apăsare, a elementelor  active ale instrumentelor de lucru, acestea având forme şi dimensiuni diferite. Printre procesele simple de dislocare se numără: Despicarea – este un proces de dislocare realizat de un corp cu o anumită formă, la simpla pătrundere în rocă sub acţiunea unei forţe. Se  întâlneşte la unele sape cu role şi apare la forarea rocilor elastice şi plastice foarte tari. Aşchierea – deformare apărută la pătrunderea unui corp în rocă, de o parte şi alta a suprafeţelor de contact corp-rocă. Se întâlneşte la argilele moi. În acest caz, pentru a obţine dislocarea rocii, este necesar  ca odată cu pătrunderea, corpul să execute o mişcare de deplasare paralelă cu suprafaţa rocii, sub acţiunea unei forţe. Erodarea  – proces superficial de dislocare, care apare atunci când instrumentul de lucru are o suprafaţă mare de contact cu roca şi execută deplasarea paralelă cu suprafaţa ei, fiind sub apăsarea unei sarcini. Acest tip de dislocare apare la forajul cu sape cu lame, la sapele cu diamante, în roci tari şi extratari. •

•

•

2.4. Condiţiile din sondă în procesul de dislocare Factorii din sondă care influenţează proprietăţile fizico-mecanice ale rocilor din talpă, deci şi eficienţa dislocării sunt: temperatura, presiunea şi fluidul din sondă. Temperatura  În scoarţa terestră temperatura creşte cu adâncimea (gradientul geotermic 23 grade/100m). Gradientul geotermic este variabil de la o zonă la alta, funcţie de o serie de factori din crusta terestră. La creşterea temperaturii domeniul deformărilor plastice se măreşte, iar limita de curgere şi rezistenţa se micşorează. Fluidul de foraj prezent în talpa sondei reduce temperatura. Rezistenţa rocilor argiloase, calcarelor şi dolomitelor scade cu creşterea temperaturii. Presiunea La o anumită adâncime în roci se manifestă presiunea litostatică (pg geostatică), presiunea laterală (pl - confinare) şi presiunea de strat (ps presiunea fluidului din porii rocii). În procesul de forare, asupra rocii din talpă acţionează un sistem de presiuni care duc la compresiune triaxială. În planul vertical acţionează presiunea fluidului de foraj (pn), iar în plan orizontal presiunea laterală. Un foraj se execută în condiţii de siguranţă, dacă presiunea fluidului de foraj este mai mare decât presiunea fluidului din porii rocii. Compresiunea triaxială este uniformă dacă pn=pl şi neuniformă dacă pn diferit pl. Fluidul din sondă Rezistenţa rocilor este influenţată în condiţiile compresiunii triaxiale (uniforme sau neuniforme) de fluidul pătruns în porii rocilor. Acesta provine de cele mai multe ori din fluidul de foraj. Rocile sunt corpuri hidrofile şi se umectează uşor. Apa din fluidul de foraj influenţează stabilitatea rocilor. Pot apărea deformaţii plastice, diverse reacţii chimice, funcţie de substanţele 8

9

existente în fluidul pătruns în rocă, influenţând rezistenţa rocii, în sensul creşterii sau scăderii ei.

2.5. Instrumente de dislocare a rocilor  1. 2. 3.

Instrumentele de dislocare a rocilor se impart în trei grupe: Sape de foraj – pentru dislocarea pe întreaga suprafaţă a tălpii sondei; Carotiere – folosite pentru extragerea de probe (carote). Dislocarea în acest caz se face pe o suprafaţă inelară; Instrumente de dislocare cu destinaţie specială – pentru operaţii deosebite în gaura de sondă.

1. Sape de foraj Funcţie de tipul dislocării, sapele de foraj se clasifică: Sape de tip despicător-aşchietor - prin apăsare se realizează despicarea, iar prin rotaţie, aşchierea. În această categorie se  încadrează sapele cu lame. Sape de tip sfărâmător-rozător – sapele cu inserţii  şi sapele cu diamante. Sape de tip sfărâmător – aşchietor – sapele cu role. -

1.1. Sape cu lame  Aceste sape pot fi cu două sau trei lame (la 120º). Sapele cu două lame se numesc şi sape coadă de peşte (cu lame subţiri şi cu lame groase). Părţile de contact cu roca sunt armate cu material dur prin sudură. 1.2.1. Sape cu inserţii  Aceste sape se numesc şi sape monolit. Sapa are un corp masiv, în care sunt fixate inserţii de diferite forme (plăcuţe şi ştifturi) din carbură de wolfram, cu liant de cobalt. Inserţiile se fixează prin lipire cu un aliaj cu alamă, sau prin presare la rece. 1.2.2. Sape cu diamante Sapele cu diamante sunt utilizate în roci cu durităţi variabile, de la roci puţin tari până la roci extratari. Sunt foarte eficiente la rocile abrasive, în special la adâncimi mari, având o mare rezistenţă la uzură. Durata lor de utilizare este mare, comparativ cu a altor tipuri de sape. Diamantele, sunt elementele active (diamante industriale) şi sunt prinse într-o matrice (suport), realizată din aliaje dure sinterizate, de tipul carburii de wolfram în amestec cu lianţi (cobalt, fier, cupru, nichel, etc.). Există sape cu diamante insertate, la care granulele de diamant sunt fixate (împlântate) în matrice, sau sape cu diamante impregnate (granule de dimensiuni mici sunt distribuite în masa matricei). Sistemul de spălare al sapei permite circulatia fluidului de foraj în vederea evacuării detritusului, precum şi pentru curăţirea şi răcirea suprafeţelor active. 1.3. Sape cu role Sapele cu role au elementele active sub forma unor proeminenţe numite dinţi , care sunt plasaţi pe suprafaţa unor corpuri de rostogolire, numite rolele. Rotirea sapei în jurul axei sale determină rostogolirea rolelor. Contactul dinţilor cu roca este periodic şi limitat ca timp. Pătrunderea dinţilor în rocă produce sfărâmarea ei. Când, pe lângă pătrundere, dinţii mai execută o 9

10

mişcare de translaţie faţă de talpă, dislocarea rocii se face prin sfărâmare şi aşchiere. În acest caz rolele execută o mişcare combinată, de rostogolire şi translaţie. Cu cât roca este mai dură şi abrazivă, mişcarea de alunecare trebuie să fie mai scăzută, ea lipsind la rocile foarte dure şi abrasive. Cele mai utilizate sape (săparea sondelor pentru petrol, gaze) sunt sapele cu trei role. Mai există sape cu o rolă, cu două role şi cu mai mult de trei role. Sapa cu trei role (conuri) este alcătuită din: - corpul sapei format din trei fălci; - conurile sapei care sunt purtătoarele dinţilor. Pot fi conuri perfecte sau conuri conjugate (cu două, sau trei conuri); - dinţii sapei sunt plasaţi pe suprafaţa activă (de lucru), sub formă de coroane circulare paralele. Există sape cu dinţi frezaţi  şi sape cu dinţi insertaţi  (sape cu ştifturi). Ştifturile sunt confecţionate din carburi sinterizate şi sunt fixate prin presare în locaşuri practicate în corpul rolelor.  În rocile plastice detritusul colmatează spaţiul dintre dinţi, reducând  înălţimea dinţilor şi producând manşonarea sapei, cu blocarea rolelor. Pentru evitarea manşonării, s-au construit sape cu autocurăţire, la care dinţii coroanelor unui con calcă în canalele dintre coroanele celorlalte conuri. - lagărele sapei reprezintă sistemul de rulmenţi pentru fixarea în sapă a rolelor şi asigură posibilitatea de mişcare a acestora. - dispozitivele de spălare au rolul de a îndepărta detritusul din talpă şi de a curăţa sapa (dinţii). La sapele moderne spălarea este exterioară, orificiile de circulaţie sunt plasate în exteriorul sapei, între conuri, aproape de talpă. Orificiile sunt echipate cu duze speciale, iar fluidul de foraj iese sub formă de  jet. (sape maxijet sau cu spălare exterioară joasa). Sapele au simboluri din combinaţii de litere care dau indicaţii privind tipul de rocă pentru care este construită, tipul de dantură, tipul de lagăre şi tipul de spălare. Ex: SM – 9 5/8 KLM = sapă pentru rocă slabă-medie (SM), cu diametrul 9 5/8 in (244,5 mm), dantură din stifturi insertate (K), cu lagăre etanşe (L) şi spălare exterioară joasă (maxijet) (M).

2. Carotiere Carotierele se utilizează în forajul de prospecţiune şi explorare, pentru obţinerea carotelor (eşantioane) în procesul de carotaj mecanic. Funcţie de locul recoltării se numesc: carotiere pentru carotaj în talpa sondei şi carotiere laterale (ciupitoare). 2.1. Carotiere pentru carotaj în talpa sondei au în partea inferioară instrumentul de dislocare (capul de carotieră). Carotierele simple sunt formate din tubul carotier, reducţie (piesă care face legătura cu prăjina), capul de carotieră şi reţinătorul de probă. Fluidul de foraj circulă prin spaţiul dintre carotă şi tub. Carotiere duble utilizate la forajul sondelor pentru petrol şi gaze, sunt formate din două tuburi concentrice (tub carotier şi tub portcarotă, cu supapă de evacuare a fluidului), reducţie, cap de carotieră şi reţinătorul de probă. Tubul portcarotă poate fi fix, sau mobil, atunci când legătura cu tubul carotier  se face cu ajutorul unor rulmenţi. Acest din urmă tip se foloseşte la obţinerea unor probe netulburate în roci slab consolidate. 10

11

Carotiere amovibile sunt cele la care tubul portcarotă se lansează de la suprafaţă prin interiorul garniturii de foraj. Extragerea se face cu ajutorul unui dispozitiv special (coruncă) lansat prin garnitură cu un cablu. Se utilizează în cazul carotajului pe intervale mari, sau în carotajul intermittent, la intervale mici. Avantajul constă în extragerea de carotă, fără scoaterea garniturii. Carotiere pentru extragerea probelor orientate sunt instrumente speciale, din două sau trei tuburi concentrice, prevăzute cu dispozitive de măsurare a orientării carotei. 2.2. Carotiere pentru recoltarea probelor din pereţii găurii de sondă (carotiere laterale, ciupitoare laterale) sunt alcătuite dintr-un corp central, pe care sunt legate ciupitoarele (păhărele). Acestea sunt împinse în peretele sondei cu diferite metode (frecvent prin explozie) şi sunt apoi extrase la suprafaţă. Capetele de carotieră sunt de tipul: cu lame, cu inserţii (ştifturi), cu role şi cu diamante. Capetele de carotieră cu lame se folosesc pentru forajul în roci slab consolidate. Coroanele cu inserţii  din material dur (sinterizat), de tip widia (wie-diamant = ca diamantul) (carbură de wolfram), se folosesc în roci cu duritate variabilă (slabe până la tari). Funcţie de duritate se alege tipul de aliaj din care sunt alcătuite inserţiile. Acestea sunt plăcuţe cu forme diferite (paralelipipedică, rombică, hexagonală, pentagonală) şi lungimi de 7-24mm. Capetele de carotieră cu role se utilizează în roci cu durităţi medii şi mari. Pot să fie echipate cu 4, 6, sau 8 role. Capetele de carotieră cu diamante sunt asemeni sapelor, cu diamante insertate, sau cu diamante impregnate. 3. Instrumente de dislocare cu destinaţie specială Sapa şpiţ (sapa cu vârf) se obţine dintr-o sapă coadă de peşte, subţire, căreia i se taie colţurile lamelor. Acest tip de sapă se foloseşte la corectarea găurilor de sondă cu neregularităţi, sau curăţirea sondelor în care au avut loc surpări. Se foloseşte şi la frezatea şiului după cimentare, pentru continuarea forajului. Sapa cu lame elicoidale se utilizează la devierea voluntară a găurilor de sondă. Lărgitoarele sunt folosite pentru mărirea diametrului găurii de sondă. Pot fi cu lame (pentru roci slabe) şi cu role, pentru rocile tari. 3. Garnitura de foraj  În procesul de foraj, instrumentele de dislocare sunt antrenate în mişcare, cu ajutorul garniturii de foraj. La forajul executat cu circulaţie de fluid, garnitura este formată din prăjini tubulare, asamblate prin filete. Funcţiile garniturii de foraj sunt: Transmite mişcarea de rotaţie de la suprafaţă la sapă;  Asigură prin propria greutate, apăsarea pe sapă, pentru dislocarea rocii; • •

11

12

•

•

•

 Asigură canalele de circulaţie pentru fluidul de foraj. Fluidul curat, circulă spre talpa sondei, prin interiorul prăjinilor, iar al doilea canal, exterior (între prăjină şi peretele sondei), permite reîntoarcerea fluidului, încărcat cu detritus; Constituie ansamblul de introducere şi extragere din talpa sondei a instrumentelor de dislocare şi a sculelor speciale;  Asigură efectuarea operaţiilor auxiliare: carotaj mecanic, probare de strate, instrumentaţii.

3.1. Construcţia garniturii de foraj Garnitura de foraj este formată din: prăjini grele, prăjini de foraj, prăjina de antrenare, racorduri  şi reducţii . Prăjinile grele se află la parte inferioară a garniturii, prăjina de antrenare, la partea superioară, iar între ele sunt prăjinile de foraj, ele având lungimea cea mai mare în garnitură. 3.1. 1. Prăjini grele Prăjinile grele realizează prin greutatea proprie apăsarea pe sapă şi menţin prin rigiditatea lor verticalitatea găurii, evitând devierea. Ele se montează deasupra sapei sau carotierei şi pot asigura 70-80% din apăsarea pe sapă. Prăjinile grele sunt de două tipuri: obişnuite şi speciale. Prăjinile grele obişnuite, sunt tuburi cilindrice cu peretele gros, construite în variantele:mufă-cep, mufă-mufă şi cep-cep. Diametrele nominale sunt cuprinse între 3 1/8 " şi 11". În aceste cazuri pentru îmbinare se folosesc racorduri cep sau mufă. Sunt confecţionate din oţel aliat, crom-molibden, sau crom-nichel. După confecţionare sunt tratate termic. Cele de diametru mare pot fi confecţionate din oţel carbon. Prăjinile grele speciale sunt utilizate pentru prevenirea devierii găurii de sondă. Acestea au o rigiditate mai mare şi reduc flambajul prăjinilor. 3.1.2. Prăjini de foraj Prăjinile de foraj sunt tuburi din oţel, aluminiu, sau aliaje uşoare (cu titan). Pentru mărirea capacităţii de rezistenţă la îmbinări, capetele lor sunt  îngroşate (ramforsate). Tăierea filetului în acest caz nu slăbeşte rezistenţa prăjinii. Diametrul nominal al prăjinilor de foraj corespunde diametrului exterior  al corpului prăjinii şi este cuprins între 60,3mm (2 3/8 in) şi 168,3mm (6 5/8 in).Pentru fiecare diametru pot exista de la una la patru grosimi de perete.  Îmbinarea prăjinilor se face cu ajutorul racordurilor speciale. Racordul este format din dintr-un cep special montat la un capăt al prăjinii şi o mufă specială, montată la celălalt capăt al acesteia. Mufa şi cepul special au filet cu pasul mare, pentru înşurubare-deşurubare în timp relativ scurt. Racordurile speciale pot fi: înfiletate şi sudate, funcţie de modul cum sunt fixate la capătul prăjinilor. Prăjinile de foraj cu racorduri înfiletate au la capete cepuri cu filet normal, cu conicitatea şi pasul, mai mici decât la filetele speciale.

12

13

Prăjinile cu racorduri sudate sunt cele mai utilizate. Se renunţă astfel la filetul normal, mărunt, al cepului prăjinii, care produce mai multe inconveniente. Se sudează racordul de corpul prăjinii.

3.1.3. Prăjini de antrenare  Acest tip de prăjini fac legătura între garnitura de foraj şi capul hidraulic. Prăjina primeşte mişcarea de rotaţie de la masa rotativă, prin intermediul unor piese adaptoare. Pentru a putea primi mişcarea, prăjinile de antrenare au corpul profilat la exterior. În secţiune transversală au formă de pătrat, hexagon, octogon, etc. Cele mai folosite sunt cele pătrate şi hexagonale (pentru sonde de mare adâncime). Racordurile fac corp comun cu corpul prăjinii. Filetele de la parte superioară a prăjiniilor de antrenare au sensul invers filetelor din garnitură, pentru a evita deşurubarea. 3.1.4. Reducţii Reducţiile permit legătura dintre prăjinile de foraj de dimensiuni diferite, sau dintre prăjini şi diferite scule de foraj, sau cu prăjina de antrenare şi prăjina grea. Sunt tuburi scurte (400-700mm), cu filet cep-cep, mufă-cep, sau mufă-mufă.

3.2. Solicitările garniturii de foraj  În procesul de foraj, garnitura este supusă unor solicitări variate funcţie de metoda de foraj aplicată, condiţiile din sondă, sau tipul de operaţie efectuat. Solicitările pot acţiona simultan sau separat. La forajul rotativ asupra garniturii acţionează următoarele solicitări: Întindere axială, produsă de: propria greutate, presiunea în interior ca urmare a circulaţiei fluidului, frecarea de peretele sondei, forţele de inerţie, etc.; Compresiune axială, consecinţă a forţei de apăsare pe sapă, a frecării de peretele sondei la introducerea garniturii şi a forţelor de inerţie; Răsucire, sub acţiunea momentului ce trebuie transmis sapei; Încovoiere, generată de schimbarea direcţiei găurii de sondă, acţiunea forţelor centrifuge la rotirea garniturii; Presiune interioară, de la circulaţia fluidului; Presiune exterioară, dacă garnitura este goală (fără fluid); Oscilaţii longitudinale, de răsucire şi transversale, create de acţiunea sapei în talpă şi de imperfecţiunile garniturii.  În perioada de exploatare prăjinile de foraj sunt supuse unor controale care constau în verificarea stării racordurilor speciale, a filetelor, a diametrului exterior şi interior, a rectilinităţii şi a rezistenţei. •

•

• •

• • •

4. Tubarea şi cimentarea sondelor   În procesul de foraj, în gaura de sondă pot apărea deranjamente, ca urmare a traversării unor strate ce ridică dificultăţi (roci friabile, roci porospermeabile cu fluide). Deranjamentele atrag după sine dificultăţi în procesul de forare, sau de exploatare al sondei. 13

14

La sondele de exploatare (petrol), este foarte importantă izolarea unui spaţiu necesar exploatării, care să nu fie contaminat cu alte fluide. În acest scop sonda este consolidată, iar stratele care conţin fluide sunt izolate între ele. Cu interiorul sondei sunt puse în comunicaţie numai stratele care sunt exploatate. Consolidarea sondelor se realizează prin tubare, iar izolarea prin cimentare. Tubarea este operaţia de introducere în gaura de sondă a unei coloane din tuburi de oţel. Cimentarea se execută prin introducerea în spaţiul inelar din spatele coloanei de tubare a pastei de ciment (lapte de ciment)(praf de ciment şi apă). Prin întărire se formează  piatra de ciment  care împiedică comunicarea în spatele coloanei, între stratele izolate. Inelul de ciment asigură fixarea coloanei şi nu permite contactul fluidului de foraj cu rocile din spatele coloanei (contactul poate dăuna stabilităţii rocilor).

4.1 Construcţia sondelor  Construcţia sondelor se face după un  program de construcţie. Acesta cuprinde echipamentele care rămân în sondă în procesul normal de forare: - coloanele de tubare care se introduc în sondă, cu următoarele precizări: număr, adâncimi de introducere, tipuri şi diametre (programul de tubare); - sape de foraj (tipuri şi diametre); - garnitura de foraj (tipuri, diametre ale elementelor componente); - cimentare (intervale şi metode aplicate). Schema generală de tubare a sondelor  1. coloana de ghidare La gura sondei, se sapă o deschidere cu secţiune pătrată sau circulară cu diametru de 0,8 -1m şi adâncimea de 3-6m. În această deschidere se introduce un burlan de oţel, cu diametrul de 500-700mm. Parte superioară a burlanului se ridică deasupra solului (1,5-2m). În spatele burlanului se betonează. În partea superioară a burlanului se află o derivaţie pentru fluidul de foraj. 2. coloana de ancorare sau de suprafaţă  Această coloană este obligatorie la sondele de hidrocarburi. Rolul coloanei: - consolidează gaura de sondă în zona de mică adâncime, unde pot exista roci mai puţin consolidate, sau cu conţinut de fluide; - protejează acviferele de mică adâncime de eventuale contaminări cu fluid de foraj; - evită pătrunderea altor fluide în fluidul de foraj; - este suportul pe care se montează instalaţia de prevenire a erupţiilor, dar şi suportul pentru următoarele coloane.  Adâncimea la care se introduce această coloană depinde de condiţiile din sondă şi de stratele străbătute. Obişnuit adâncimea de introducere este între 50-300m, dar poate ajunge şi la 1000m (pentru sonde de mare adâncime). Diametrul acestor coloane variază între 10 ¾-16 ¾ in (273,05-425,45mm). 3. coloana de exploatare sau de producţie Este o coloană obligatorie la sondele de hidrocarburi. Rolul coloanei: 14

15

- constituie canalul de deplasare al fluidelor exploatate de la stratul productiv la suprafaţă. - permite exploatarea selectivă a stratelor, comunicaţia existând doar cu stratele care interesează extracţia.  Această coloană se introduce până în talpa sondei. Diametrul coloanei este cuprins de obicei între 4 ½- 6 5/8 in (114,3-268,27mm). 4. coloana intermediară sau de protecţie  Acest tip de coloană nu se întâlneşte la toate sondele. Se introduce între coloana de ancorare şi cea de exploatare. Există situaţii când se introduc două până la patru coloane intermediare. Coloana intermediară se impune atunci când: - există strate cu roci fisurate şi se produc pierderi de fluid; - există roci cu stabilitate redusă (se surpă), sau roci cu plasticitate ridicată producând inchiderea găurii de sondă; - sunt prezente strate cu fluide cu presiuni anormale (mari, mici).  Adâncimea la care se introduc este impusă de problema care trebuie rezolvată. Diametrul acestor coloane este cuprins între 7- 13 3/8 in (177,80339,72mm). La toate sondele, coloanele de ancorare şi prima coloană intermediară sunt coloane întregi . Partea lor superioară iese la suprafaţă. La unele sonde coloanele intermediare -mai puţin prima- şi coloana de exploatare pot să nu fie până la suprafaţă. Partea lor superioară se poate opri la 50-150m deasupra bazei coloanei precedente. Acest tip de coloană se numeşte coloană pierdută (liner).

4.2. Compunerea coloanelor de tubare Coloana de tubare este alcătuită din burlane şi accesorii de coloană.

4.2.1. Burlane de tubare Sunt tuburi de oţel care se asamblează cap la cap pentru a forma coloana de tubare. Burlanul are un diametru nominal , sau exterior, fiecăruia corespunzându-i între una şi opt grosimi ale peretelui. Burlanele sunt confecţionate din oţel, sau oţel aliat. Îmbinarea burlanelor se face prin înfiletare, sau mai rar prin sudare. 4.2.2. Accesorii de coloană Introducerea în condiţii optime a coloanei şi realizarea unei bune cimentări se efectuează cu ajutorul unor accesorii. Şiul  este plasat la capătul inferior al coloanei şi permite trecerea acesteia spre talpă, fără dificultăţi şi fără a deranja peretele găurii. Sunt de două tipuri de şiuri: simple şi cu ventil de reţinere. Ambele tipuri sunt rotunjite, dar şiurile cu ventil au în interior o supapă cu închidere de jos în sus,  împiedicând pătrunderea fluidului de foraj în coloană. În această situaţie coloana de tuburi rămâne goală în interior, ceea ce reprezintă un avantaj, reducând sarcina la cârligul macaralei. Dacă se execută o operaţie de cimentare, ventilul împiedică revenirea pastei de ciment în interiorul coloanei. Şiul cu ventil prezintă şi inconveniente, cum ar fi diferenţa de presiune între exteriorul şi interiorul coloanei de burlane. Presiunea mare din exterior poate duce la turtirea burlanelor. 15

16

Inelul de reţinere are rolul de a opri dopurile de cimentare deasupra

şiului evitând astfel contaminarea cimentului cu noroi de foraj. Se confecţionează dintr-un material care se frezează uşor (fontă) şi se plasează la 10-30m deasupra şiului, în interiorul unei mufe de legătură a burlanelor. Mufa plutitoare se foloseşte la coloanele de lungime mare, grele, unde există mari diferenţe de presiune (între exterior şi interior). Mufa are pereţii groşi, iar în interior are un ventil de reţinere asemeni şiului. Centrorii  sunt dispozitive montate în exteriorul coloanei de tubare, pentru menţinerea poziţiei concentrice a coloanei în gaura de sondă. Se obţine astfel un inel continuu şi uniform de ciment în jurul coloanei. Există mai multe variante de construcţie, dar cea mai comună este cea a centrorilor cu lame drepte. Scarificatorii (curăţitorii de colmataj) au rolul de a curăţa colmatajul de pe peretele sondei, prin răzuire. Se montează în parte inferioară a coloanei. Scarificatorii pot fi: longitudinali şi transversali. La primii curăţirea colmatajului se face printr-o mişcare de rotire a coloanei, iar la al doilea tip, prin deplasarea sus-jos a coloanei. Susţinătorul de coloană sunt utilizate la suspendarea coloanelor  pierdute. Susţinătorul (agăţătorul de coloană) este plasat la partea superioară a coloanei pierdute şi este prevăzut cu un dispozitiv care se deblochează în momentul stabilirii poziţiei corecte, fixând şi blocând coloana pierdută în coloana precedentă.

4.3. Solicitările coloanelor de burlane Coloana de tubare este supusă diferitelor solicitări din momentul introducerii în sondă şi până la abandonarea sondei. Solicitarea la întindere este prezentă aproape permanent şi este generată de greutatea coloanei, de forţa de frecare cu peretele sondei, de forţa aplicată pentru încercarea de desprindere, pentru eventuala prindere în gaura de sondă. Forţa de întindere poate provoca smulgerea din filet a burlanelor, sau turtirea lor. Solicitarea la presiune exterioară apare atunci când presiunea din exteriorul coloanei depăşeşte presiunea din interior. Apar în acest caz deformări ale burlanelor (turtire, ovalizare). Solicitarea la presiune interioară apare atunci când presiunea din interiorul coloanei o depăşeşte pe cea din exterior ei. Se manifestă prin fisuri în corpul burlanelor, sau chiar desprinderea unor bucăţi din burlane. 4.4. Operaţia de tubare Pentru realizarea unei tubări corespunzătoare este necesară executarea unor operaţii pregătitoare: pregătirea burlanelor pe tipuri de grosime (în perete) şi în ordinea introducerii în sondă; probarea burlanelor la presiune interioară cu apă, mai ales la coloanele de exploatare şi la cele pentru sonde de mare adâncime; controlarea stării filetelor; controlarea accesoriilor de coloană (şiu, inel de reţinere, scarificatori, centrori) şi montarea lor; executarea lucrărilor pregătitoare în gaura de sondă (corectarea găurii, circularea îndelungată a fluidului de foraj. •

•

• •

•

16

17

Operaţia de tubare constă în:  înşurubarea şiului la primul burlan şi sudarea în câteva puncte; montarea inelului de reţinere la două-trei burlane de şiu şi montarea centrorilor dacă este necesar; ridicarea de pe rampă în turlă, a fiecărui burlan, suspendarea în elevator şi înşurubarea la coloana suspendată în pene. Coborârea atentă a coloanei în sondă, pentru evitarea prinderilor; Efectuarea periodic a unei circulaţii pentru evacuarea dn sondă a turtei de colmatare şi a altor fragmente desprinse din perete; Circularea sondei la finalul tubării şi manevrarea coloanei (sa nu fie prinsă, scarificatorii înlătură colmatajul). • •

•

• •

•

4.5. Cimentarea sondelor  Cimentarea este operaţia de introducere în spatele coloanei de tubare a unei cantităţi de lapte de ciment (pastă de ciment), urmată de introducerea unui volum de noroi, care dislocuieşte cimentul din coloană, împingând cimentul în spatele coloanei. După un anumit timp (24-48 ore) cimentul face priză şi se transformă într-o masă compactă (piatra de ciment), care împiedică circulaţia fluidului în spatele coloanei şi în acelaşi timp fixează coloana şi creşte rezistenţa acesteia la acţiunea de turtire, care poate fi exercitată de roci. Cimentarea incorectă facilitează pătrunderea apelor în stratele productive şi compromite exploatarea lor. Cimentarea se face în următoarele scopuri: •

Izolarea stratelor productive între ele, precum şi a acviferelor din vecinătate;

•

Consolidarea rocilor instabile sau plastice;

•

Prevenirea manifestărilor de gaze;

•

Izolarea stratelor productive de grosime mică, pentru conservarea lor  temporară;

•

Protejarea coloanei împotriva deformării;

•

Fixarea coloanei;

•

Cimentarea succesivă a intermediară, exploatare);

diferitelor

coloane

(ghidaj, ancoraj,

17

18

4.5.1. Cimenturi de sondă La prepararea laptelui de ciment se utilizează cimentul de sondă. Este un ciment special de tip Portland, care poate fi amestecat cu cantităţi relativ mari de apă, fără să se sedimenteze, şi fără ca timpul de întărire şi rezistenţa mecanică să aibă de suferit.  Amestecurile adecvate cuprind ciment de sondă, apă şi o serie de aditivi, funcţie de scopul cimentării. 1. lapte de ciment cu filtrat redus – se obţine prin adaos de argilă bentonitică, substanţe macromoleculare şi polimeri organici. Este utilizat pentru reducerea filtrării apei din pasta de ciment, în roci foarte permeabile. 2. lapte de ciment uşor  – are densitate redusă şi se obţine prin adaos de substanţe care reduc filtraţia, sau substanţe uşoare (diatomit, perlit expandat). Se folosesc în sonde la catre se produc pierderi de circulaţie. 3. lapte de ciment greu – are densitate mare, se foloseşte la sonde adânci, unde sunt necesare noroaie cu densitate mare (2-2,3kgf/dm 3), iar cimentul trebuie să aibă aceeaşi densitate cel puţin, sau mai mult. Pentru realizarea unei densităţi mari, pentru a depăşi densitatea fluidului de foraj, se folosesc adaosuri de materiale grele (barit, magnetit, galena, cu densităţi între 4,2-6,73kgf/dm3). 4. lapte de ciment pentru obturare – este folosit pentru închiderea zonelor  cu pierdere de circulaţie. La cimentul de sondă se adaugă silicat de sodiu, argilă coloidală (gel), sau materiale de blocare (fibroase-azbest, granulare- fulgi de mică, lamelare-fâşii de celofan). Funcţie de condiţiile concrete, care se impun în procesul de cimentare, în cimenturi se adaugă întârzietori (când se lucrează cu cantităţi mari de ciment) şi acceleratori (coloană ancoraj la mică adâncime, dopuri în coloană) de priză. Pomparea laptelui de ciment şi a fluidului de foraj, pentru refularea laptelui  în spatele coloanei, se execută cu ajutorul agregatelor de cimentare (autopurtate). Se folosesc de asemenea dispozitive speciale : pâlnie de amestec, capete de cimentare, dopuri de cimentare. 18

19

Capetele de cimentare se montează la capătul superior al coloanei şi face legătura cu agregatul de cimentare, prin intermediul unor conducte de  împingere. Permite lansarea dopurilor şi asigură închiderea coloanei la sfârşitul operţiei de cimentare. Cele mai utilizate sunt: capul de cimentare simplu cu filet  şi capul de cimentare etajat  (cap de lansare). La cel etajat dopul doi se află în interiorul lui. Pomparea laptelui de ciment se face prin braţele laterale inferioare, iar a fluidului de refulare prin cele superioare la  început, apoi după lansarea dopului, prin toate patru. Dopurile de cimentare sunt folosite la separarea laptelui de ciment de fluidul de foraj. Sunt confecţionate din cauciuc, material plastic şi au armături metalice. După întărirea cimentului dopurile sunt frezate (distruse). La cimentările obişnuite, cu două dopuri, acestea sunt din cauciuc. Primul este găurit şi prevăzut cu o membrană de separare. Când dopul atinge inelul de reţinere, membrana se sparge şi laptele de ciment trece sub dop.

4.5.2. Metode de cimentare Metodele de cimentare la sondele în foraj se impart în: primare, secundare şi speciale. Cimentările primare Funcţie de situaţia coloanei şi funcţie de modul cum se realizează operaţia propriu-zisă se deosebesc mai multe metode: •

cimentarea cu dopuri este utilizată la coloane întregi, cimentate pe toată înălţimea, sau pe o porţiune din partea inferioară a găurii. Se folosesc două dopuri. Se lansează primul dop, după care se pompează laptele de ciment integral. Se lansează al doilea dop şi se începe pomparea fluidului de foraj. Când primul dop a atins inelul de reţinere, membrana dopului se sparge şi cimentul trece prin şiu în spatele coloanei. Pomparea continuă până când al doilea dop ajunge la inelul de reţinere, aşezându-se peste primul dop. Acesta este momentul  încheierii cimentării. Pentru a împiedica contaminarea laptelui de ciment cu fluid de foraj, după lansarea primului dop se pompează în coloană un fluid de separare. Volumul dopului de fluid corespunde unei  înălţimi în spaţiul inelar de 150-200m. 19

20

Şiul împiedică revenirea laptelui de ciment în coloană. După perioada de prizare dopurile, cimentul rămas în coloană şi şiul pot fi frezate, funcţie de operaţiile ce urmează a fi executate •

cimentarea etajată presupune pomparea laptelui de ciment în tranşe, fiecare fiind plasată într-o anumită zonă a spaţiului inelar. Cea mai utilizată este metoda în două trepte (etaje). Se utilizează la sondele cu coloane de lungime mare, la sonde cu două zone productive situate la distanţă mare, la cimentări care ar necesita un număr mare de agregate de cimentare, dar spaţiul la sondă nu permite amplasarea lor. Se folosesc patru dopuri de cimentare şi o mufă specială (niplu cu orificii, montat între două burlane ale coloanei, la o înălţime dinainte stabilită). Se lansează primul dop, care este găurit şi se pompează cantitatea de lapte de ciment pentru etajul inferior. Se lansează al doilea dop şi se pompează o cantitate de fluid de foraj egală cu volumul interior al coloanei, între inelul de reţinere şi mufa specială. Se lansează al treilea dop şi se pompează laptele de ciment pentru etajul superior. Se lansează dopul 4 şi se pompează fluid de foraj egal cu volumul interior al coloanei dintre mufa specială şi parte asuperioară a coloanei de tubare. Când dopul 3 (dop de deschidere) ajunge la mufa specială, presiunea creşte, se deschid orificiile mufei şi laptele de ciment trece în spatele coloanei. Când dopul 4 (dop de închidere) ajunge la dopul 3 operaţia de cimentare este finalizată.

Cimentarea de coloană pierdută – lansarea coloanei pierdute se face cu ajutorul garniturii de foraj. Între coloană şi garnitură se intercalează agăţătorul şi lansatorul de coloană. Prin agăţător  coloana pierdută se fixează în coloana precedentă. Prin lansator  se realizează desprinderea garniturii de la coloană. După suspendarea coloanei se introduce lapte de ciment necesar cimentării. Cimentări secundare Cea mai frecventă este cimentarea prin perforaturi. Se utilizează la repararea unor cimentări primare necorespunzătoare. Se perforează coloana  în partea superioară şi inferioară a zonei ce urmează a fi cimentată. Se introduce garnitura, prevăzută cu un packer şi se fixează deasupra •

20

21

perforaturilor inferioare. Se pompează apoi prin prăjini lapte de ciment, care pătrunde în spatele coloanei, împingând fluidul care va intra în coloană prin perforaturile superioare. Cimentări speciale •

cimentarea pentru formarea de dop – este folosită în scopul blocării găurii de sondă şi executării unei găuri noi prin foraj dirijat, sau trecerea în producţie a unui strat superior în sondă tubată. Se introduce garnitura de prăjini până la adâncimea care corespunde părţii inferioare a dopului. Se pompează lapte de ciment, apoi fluid până când laptele de ciment a ajuns la acelaşi nivel în interiorul şi exteriorul garniturii. Se retrage garnitura până deasupra nivelului cu lapte de ciment.şi se face circulaţie pentru spălare, apoi se extrage.

4.5.3. Controlul calităţii cimentării La cimentările primare se verifică calitatea cimentării cu ajutorul carotajului termic, radioactiv şi acustic, cu ajutorul controlului oglinzii şi controlului etanşeităţii coloanei. Carotajul termic (termometria) măsoară înălţimea la care s-a ridicat cimentul  în spatele coloanei. Se măsoară temperatura în gaura de sondă. În timpul prizării întărirea amestecului apă-ciment este însoţită de degajare de căldură, deci în zona cimentată se vor înregistra temperaturi mai mari. Analiza temperaturii indică cu destul de mare precizie nivelul ridicării cimentului în spatele coloanei,dar mai puţin gradul de umplere a spaţiului inelar. Carotajul radioactiv  este folosit pentru a indica înălţimea de ridicare a laptelui de ciment în spatele coloanei, dar şi gradul de umplere în spatele coloanei. Se face un carotaj radioactiv înainte de tubare şi cimentare, se obţine o curbă, care se compară cu cea măsurată după cimentare. Carotajul acustic  se execută după întărirea cimentului. Permite detectarea intervalelor în care cimentarea nu este reuşită, respective acolo semnalul acustic nu este atenuat, el propagându-se prin coloană. Controlul oglinzii  cimentului constă în determinarea adâncimii la care este plasat dopul de ciment. Operaţia se execută cu ajutorul garniturii şi nu trebuie să pătrundă în ciment. Se verifică de fapt rezistenţa cimentului. 21

22

Verificarea etanşeităţii coloanei de tubare se realizează prin crearea unei diferenţe de presiune între exteriorul şi interiorul coloanei, prin golirea coloanei, sau crearea de presiune în coloană. În primul caz nu trebuie să crească nivelul în sondă, iar în al doilea caz, presiunea nu trebuie să scadă.

5. Fluide de foraj Forajul rotativ se caracterizează prin circulaţia continuă a fluidului de foraj (fluid de circulaţie). Sistemul care asigură circulaţia fluidului are o parte exterioară (elementele de suprafaţă) şi una interioară (elementele din sondă). Elementele de suprafaţă sunt: habe sau batale, pompe, manifold,  încărcător, furtun de foraj, cap hidraulic, echipament de curăţire a fluidului de foraj. În sondă sistemul cuprinde garnitura de foraj, sapă, spaţiu inelar  (garnitură-peretele sondei). Circuitul normal al fluidului de foraj (circulaţie directă) este: habepompă-manifold-încărcător-furtun-cap hidraulic-garnitură de foraj-sapă-spaţiu inelar-echipament de curăţire-habă. Circuitul invers, cu intrarea prin spaţiul inelar şi ieşirea prin garnitura de foraj, poartă numele de circulaţie inversă.

5.1. Funcţiile noroiului de foraj Fluidul de foraj îndeplineşte următoarele funcţii : •

Curăţă talpa sondei de detritus şi îl transportă la suprafaţă;

•

Menţine detritusul în suspenşie când sonda este oprită;

•

 Asigură contrapresiunea pe peretele găurii de sondă, împiedicând surparea rocilor friabile, deformarea celor plastice şi împiedică pătrunderea fluidelor din strate în sondă;

•

Colmatează peretele sondei, izolând sonda de rocile traversate;

•

Răceşte şi lubrifiază sapa şi garnitura de foraj;

•

Reduce rezistenţa rocilor prin umectare şi adsorbţie.

Fluidele de foraj trebuie să îndeplinească anumite condiţii :

22

23

•

Să nu influenţeze rocile traversate, respectiv să nu producă umflarea argilelor, să nu contamineze apele freatice şi să nu blocheze formaţiunile productive;

•

Să reziste presiunilor şi temperaturilor din sondă;

•

Să nu fie afectate de mineralele solubile (sare, gips), sau de gaze;

•

Să nu erodeze şi corodeze echipamentul de foraj;

•

Să nu fie toxic şi să nu prezinte pericol de incendiu;

•

Să fie uşor de preparat şi de întreţinut;

•

Să fie ieftine.

 Aceste condiţii sunt îndeplinite în mare măsură de noroaiele de foraj de calitate bună şi de unele fluide de compoziţie specială.

5.2. Clasificarea şi caracterizarea fluidelor de foraj Funcţie de compoziţie şi starea fizică, fluidele de foraj se împart în: 1. fluide lichide – sunt pe bază de apă şi pe bază de produse petroliere; 2. fluide gazoase – aer, gaze naturale, sau gaze de eşapament; 3. amestecuri lichid-gaz - noroi aerat, petrol gazat, spumă şi ceaţă. Fluidele pe bază de apă se împart în: apă (dulce, salină sau cu polimeri) şi noroi de foraj. 5.2.1. Fluide lichide 5.2.1.1. Apa –fluid de foraj  Apa a fost primul fluid de foraj. Folosirea ei este limitată, din cauza depozitelor traversate. Prezenţa argilelor bentonitice, a unor roci friabile (nisip, siltit), sau a unor săruri, fac imposibilă utilizarea ei. Avantajele apei sunt date de debitele mari cu care se poate lucra şi de curăţirea eficientă a tălpii şi a sapei, ceea ce duce la viteze mari de săpare. 5.2.1.2. Noroaie de foraj Noroaiele de foraj sunt cele mai utilizate fluide de foraj. După compoziţie se împart în: noroaie naturale sau netratate, noroaie tratate, noroaie emulsionate. a. noroiul natural  se formează în timpul forajului din apă şi argila dislocată, sau se prepară la suprafaţă din apă şi argile hidratabile şi 23

24

dispersabile (grupa bentonitelor cu mineral principal montmorillonitul, alături de care mai sunt nontranitul, hectoritul, saponitul). În amestec cu apa, se produce umflarea şi dispersarea particulelor argiloase. b. noroaiele tratate se obţin din cele naturale prin adăugare de reactivi de reducere a vâscozităţii şi filtraţiei şi materiale de îngreuiere. Şi aceste noroaie sunt sensibile la săruri, dar mult mai puţin. Reducerea densităţii acestor noroaie se face prin adăugare de apă, dar   în acest caz, noroiului îi creşte capacitatea de filtraţie. Este necesar ca noroiul să se îmbogăţească în material coloidal şi se adaugă argilă bentonitică, activată cu carbonat de calciu (trassgel). Creşterea densităţii noroiului se face prin adăugare de materiale cu densităţi ridicate (barit, hematit, magnetit, galena). Corectarea vâscozităţii se face prin adăugare de argilă coloidală, sau substanţe macromoleculare hidrofile (creşterea vâscozităţii). Adăugarea de fluidizanţi duce la scăderea vâscozităţii. c. noroaiele speciale se folosesc atunci când noroaiele tratate nu mai pot fi folosite, datorită contaminării puternice. Acestea pot fi:noroaie inhibitate (inhibate) şi fluide cu conţinut redus de solide argiloase. Din categoria noroaielor inhibate noroiul salin saturat  se foloseşte la traversarea masivelor  de sare. d. noroaiele emulsionate se obţin din primele trei tipuri prin adăugare de petrol brut sau motorină, obţinându-se o emulsie de tipul ulei în apă. Sunt rezistente la sărurile contaminante, rezistă bine la temperaturi ridicate şi suportă o încărcare mare cu argilă. 5.2.1.3.Fluide pe bază de produse petroliere Din această categorie fac parte fluidele negre, care conţin foarte puţină apă, sau chiar deloc. Fluidul este petrolul brut sau motorina, iar coloidul este asfaltul oxidat natural, sau suflat cu aer. Filtraţia fluidului este aproape nulă, este inert la contaminanţi, rezistent la temperatură şi cu capacitate mare de lubrifiere.  Aceste fluide sunt recomandate la traversarea formaţiunilor argiloase, a celor cu săruri contaminante, la forajul de mare adâncime, la rezolvarea unor accidente tehnice, etc. Dezavantajele constau în: preţul ridicat, pericolul de incendiu şi întreţinerea lor dificilă (măsuri de prevenire a pătrunderii apei). 24

25

5.2.2. Fluide de foraj gazoase Cel mai folosit fluid gazos este aerul, dar siguranţă mai mare, o dau gazele de la eşapamentul motoarelor cu ardere internă (numai la instalaţiile care funcţionează cu astfel de motoare). La forajul cu gaze se obţin viteze mari de foraj. Ele asigură evacuarea eficientă a detritusului, precum şi răcirea sapei. Forajul cu gaze se aplică în roci stabile, fără fluide sub presiune şi fără acvifere. 5.2.3. Fluide de foraj amestec lichid-gaz Pentru forarea în prin acvifere, roci permeabile sau fisurate, se folosesc noroaiele aerate, care se obţin prin injectarea în noroiul de foraj, a aerului comprimat, obţinându-se densităţi diferite ale noroiului. La ieşirea din sondă aerul se separă de noroi. 5.3. Proprietăţile fluidelor de foraj Proprietăţile fluidelor de foraj sunt cele care dau calitatea unui fluid de foraj. 1. densitatea crează contrapresiunea asupra depozitelor traversate. Se determină prin cântărire cu cântare specifice. 2. proprietăţile reologice (vâscozitatea, tensiunea de forfecare, tixotropia) caracterizează comportarea fluidului la curgere. Vâscozitatea şi tensiunea de forfecare contribuie la evacuarea detritusului, la colmatarea peretelui sondei, împiedică depunerea detritusului în sondă şi pătrunderea fluidului în roci cu permeabilitate mare. Tixotropia este proprietatea noroaielor de foraj de a forma o structură cu aspect de gel, atunci când este în repaos. Prin agitare structura se distruge şi noroiul devine fluid (sol). Transformarea sol-gel şi gel-sol se poate repeta de o infinitate de ori. La oprirea circulaţiei, fragmentele de detritus sunt prinse în structura gelului, fără să se sedimenteze. 3. capacitatea de filtrare şi de colmatare este proprietatea fluidelor de foraj de a depune pe peretele sondei ( colmatare) o crustă solidă (turtă de colmatare), ca urmare a pătrunderii fazei lichide din fluidul de foraj,  în rocile traversate (filtrare). Fluidul de calitate are filtrare redusă, iar  25

26

turta de colmatare este subţire, impermeabilă şi cu mare aderenţă la peretele sondei. 4. conţinutul de nisip se referă la conţinutul în particule solide, care nu a putut fi separat cu mijloacele existente în sondă. Un fluid cu mult nisip are proprietăţi abrazive şi produce uzura componentelor cu care vine în contact.

5.4. Prepararea fluidelor de foraj  Amestecul apei şi argilei se face fie în sondă, pe cale naturală, fie la suprafaţă cu ajutorul unui mixer. Prima metodă se utilizează atunci când sunt traversate roci cu conţinut mare de bentonită, şi parte din roca dislocată se dispersează în fluid, care apoi este tratat corespunzător. La metoda a doua argila şi apa se amestecă la suprafaţă în amestecătorul hidraulic (mixer). 5.5. Curăţirea fluidelor de foraj Curăţirea fluidelor de foraj încărcate cu detritus se face cu echipamente speciale: site vibratoare, hidrocicloane, centrifuge, etc. Sitele vibratoare sunt cele mai utilizate dispozitive de curăţire.

7. Devierea şi direcţionarea sondelor  7.1. Poziţia găurii de sondă Sondele sunt proiectate pentru a fi forate vertical. Din diferite cauze în timpul forajului sondele sunt deviate, respectiv se abat de la traiectul vertical. Există şi situaţii când forajele se execută pe alte direcţii, decât cea verticală, realizându-se forajul direcţional sau dirijat . Sondele a căror înclinare nu depăşeşte 2º, sunt considerate verticale. Poziţia în spaţiu a unui tronson al găurii de sondă este dată de două unghiuri: unghiul zenital , sau de înclinare α (între direcţia tronsonului deviat şi verticală) şi unghiul azimutal  sau direcţia înclinării β (între planul vertical al sondei şi planul vertical al direcţiei nordului magnetic). Reprezentarea traiectului unei sonde în plan vertical se numeşte proiecţie verticală. Proiecţia sondei în plan orizontal, cu indicarea nordului 26

27

se numeşte proiecţie orizontală sau înclinogramă. Măsurarea înclinării se face cu înclinometre, în puncte sau staţii , situate de obicei la 25 sau 50m.

7.2. Cauzele şi consecinţele devierii Găurile de sondă pot fi deviate din cauza a trei categorii de factori: geologici, tehnici şi tehnologici. Factorii geologici (naturali) •

anizotropia rocilor  caracterizează un comportament diferit al rocilor la

acţiunea elementelor active ale sapei. •

Stratificaţia rocilor , specifică rocilor sedimentare, influenţează gradul de deviere al sondei. Cu cât stratele sunt înclinate sub un unghi mai mare, cu atât tendinţa de deviere va fi mai mare. Devierea se produce pe direcţia liniei de coborâre a stratelor, producându-se aşa numita alunecare. Devierea depinde şi de diferenţele de duritate la limita stratelor.

Discontinuităţile naturale sunt discontinuităţi geologice: discordanţe stratigrafice, falii, fisuri, caverne, blocuri cu duritate mai mare decât a rocii în care se găsesc. Factorii tehnici •

•

•

•

•

Neconcordanţa între axele verticale ale turlei şi mesei rotative, lipsa de orizontalitate a mesei rotative; Situarea prăjinii de antrenare în poziţie înclinată datorită greutăţii furtunului de foraj, la începutul forajului; Existenţa unor prăjini de foraj strâmbe, sau a unor îmbinări cu filete necoaxiale; Tipul de sapă.

Factorii tehnologici •

•

•

 Apăsările incorecte pe sapă provoacă flambarea părţii inferioare a garniturii. Axa prăjinilor grele nu coincide cu axa sondei. La apăsări mari, prăjinile grele se sprijină pe peretele sondei. Necorespondenţa dintre diametrele găurii de sondă şi prăjinilor grele. Dacă există un joc prea mare se produce devierea. Utilizarea jeturilor de fluid cu viteză mare în roci slab consolidate; 27

28

•

Degajarea incompletă de detritus a sondei.

Consecinţele devierii: •

•

•

Uzura prăjinilor şi a racordurilor; Solicitări suplimentare de încovoiere şi presiune laterală asupra garniturii; Complicarea operaţiilor de manevră, respectiv la extragere apar   întinderi suplimentare, iar la introducerea garniturii, aceasta se sprijină  în perete;

•

Uzura coloanei de tubare prin frecare cu garnitura;

•

Se formează găuri de cheie şi lărgiri ale sondei;

•

Se consumă mai multă energie;

•

•

Se complică operaţia de tubare şi creşte pericolul turtirii coloanei prin sprijinire pe peretele sondei; Se complică cimentarea coloanelor, prin formare de inel neuniform de ciment;

•

Creşte pericolul prinderii garniturii de foraj şi a coloanelor de tubare;

•

Dificultatea operaţiilor de instrumentaţie;

•

Dificultăţi la investigarea găurii de sondă;

•

Procesul de forare este mai lung, cu costuri ridicate.

La sondele de exploatare: •

•

Se introduce greu echipamentul de extracţie şi se produc uzuri ale acestuia prin frecare; Se exploatează incorect zăcământul, talpa sondei fiind deviată faţă de poziţia proiectată.

7.3. Prevenirea devierii sondelor  Forarea unor sonde cu devieri mici se poate realiza înlăturându-se cauzele tehnice şi tehnologice ale devierii, mai puţin cele naturale (geologice).  Astfel pentru prevenirea devierii, sau obţinerea unor găuri de sondă cu deviere în limite admisibile, se pot aplica următoarele metode: Utilizarea de prăjini grele cu diametru mare, sau prăjini grele speciale , reduce jocul radial între peretele sondei şi prăjini. 28

29

Ghidarea prăjinilor grele cu dispozitive de ghidaj sau stabilizatori.  Aceste dispozitive sunt cuprinse în ansamblul prăjinilor grele.

7.4. Aplicarea forajului direcţional Forajul direcţional sau dirijat se foloseşte pentru: •

Explorarea şi exploatarea unor zăcăminte de hidrocarburi aflate sub zone inaccesibile la suprafaţă (relief accidentat, bazine cu apă, construcţii, centre populate,etc.);

•

Mărirea intervalului de deschidere la stratele productive;

•

Realizarea unui număr mare de sonde pe o suprafaţă mică de teren;

•

Evitarea traversării unor zone cu dificultăţi de foraj (masive de sare, falii neetanşe);

•

Readucerea pe traiect a unei sonde deviate;

•

Trecerea pe lângă instrumente rămase în sondă;

Realizarea unei sonde de salvare, pentru oprirea unei sonde scăpate  în erupţie necontrolată, la a cărei gură nu se poate etanşa un dispozitiv de închidere. Sondele deviate pot avea un profil in forma de J , sau un profil in forma de S. Cele in forma de J sunt mai raspandite. Ele au o prima parte verticala, urmata de o portiune in care se realizeaza inclinarea (cu o garnitura de foraj specializata), apoi se revine la forajul rotary, pentru foraj rectiliniu, pana la tinta T. Profilul in S se aplica la foraje adanci, la care se prefera traversarea orizonturilor productive, vertical. Exista situatii cand forajul demareaza inclinat, cu ajutorul unor instalatii de foraj in panta, care au mast inclinat. 7.5. Metode de direcţionare a sondelor  Devierea găurilor de sondă se poate realiza atât la forajul cu masă, cât şi la cel cu motor submersat, ultimul fiind cel mai folosit la la forajele direcţionale. 7.5.1. Forajul direcţional cu masă Schimbarea traiectului sondei se poate face cu: a. dirijarea cu jet excentric  •

29

30

Este o metoda folosita limitat, eficienta in roci slab consolidate, pana la 1200m. Sapele au una din duze cu diametrul marit, calculat pentru o anumita viteza a jetului, tinand cont si de capacitatea pompei. b. dirijarea cu ajutorul penelor 

Penele sunt dispozitivele de deviere cele mai vechi, mai rar aplicate azi, din cauza operatiilor care dureaza. Exista pene de deviere permanente si amovibile. c. dirijarea cu ajutorul stabilizatorilor 

Metoda utilizata frecvent astazi. Dupa initierea devierii cu o metoda prezentata anterior, marirea inclinarii se realizeaza cu un ansamblu de fund format din prajini grele sapa si stabilizatori . Pentru cresterea inclinarii se utilizeaza un ansamblu de fund format din sapa, un stabilizator -cu diametrul exterior egal cu al sapei si plasat imediat deasupra sapei- si prajini grele. La apasarea pe sapa creste unghiul de inclinare al sondei ( principiul parghiei ). Pentru cresterea inclinarii se aplica principiul pivotului (parghiei), iar  pentru mentinerea inclinarii se aplica principiul ghidarii stabilizarii . In acest din urma caz, ansamblul de fund trebuie sa fie rigid si rectiliniu pe cat posibil. El este format din trei stabilizatori, cu diametre egale cu ale sondei, plasati altern cu primele doua prajini grele de deasupra sapei. Acest ansamblu rigid impiedica devierea de la traseul stabilit. Se folosesc astazi in forajul dirijat stabilizatori reglabili , al caror  diametru se poate regla de la suprafata prin telecomanda, reducand astfel timpii utilizati pentru operatiuni de inlocuire a diferitelor componente ale ansamblului de fund. 7.5.2. Forajul direcţional cu motor submersat In acest caz ansamblul de fund este format din sapa, motor de fund, plasat deasupra sapei si dispozitiv pentru deviere. Dispozitivele utilizate pentru devierea sondei sunt: prăjina îndoită, reducţia dezaxată, reducţia dublu dezaxată, turbină cu niplu cu patină, turbină cu patină pe corp, motor cu corp dezaxat sau curb. Există mai multe metode de orientare în sondă a dispozitivelor de deviere. 30

31

Motoarele utilizate pot fi turbine de foraj si motoare elicoidale. Acestea transforma energia hidraulica a fluidului de foraj in energie mecanica. Turbinele de foraj sunt alcatuite dintr-un rotor cu palete profilate, dispuse radial si un stator care are si el palete profilate. Statorul se insurubeaza la garnitura de foraj, iar la partea inferioara a rotorului se insurubeaza sapa de foraj. Fluidul de foraj intra pe paletele statorului si datorita formei lor isi schimba directia si ajunge pe paletele rotorului, dispuse in sens contrar, imprimandu-i acestuia o miscare de rotatie. La motoarele elicoidale componentele de baza sunt statorul si rotorul. Statorul este format dintr-o manta cilindrica metalica, cu o camasa din cauciuc in interior, cu dinti elicoidali special profilati. Rotorul este construit din otel inoxidabil avand si el dinti elicoidali (cu unul mai putin decat statorul). 7.6. Tipuri de sonde forate direcţional Sonde în grup se aplică la forajul pe uscat şi pe mare. Avantajul sondelor în grup constă în reducerea lucrărilor de suprafaţă, a operaţiilor de montaj-demontaj şi transport. Distanţa între gura sondelor poate fi de 8m. Forajul de sonde în grup este foarte important la forajul marin de exploatare. De pe o platformă fixă se forează cu aceeaşi instalaţie până la 36 sonde, cu distanţa la gură între 1,5-2m. Sonde gemene este variantă a forajului în grup. Se forează cu aceeaşi instalaţie fără ca instalaţia să fie deplasată de la locul ei. Sondele gemene se forează fie succesiv, fie în paralel. La forajul de sonde gemene în paralel se utilizează o masă rotativă dublă, de construcţie specială, sau două aşezate în paralel. Turla este prevăzută cu un geamblac mobil, care se deplasează pe direcţia meselor  rotative (printr-un motor electric comandat de la pupitrul sondorului şef). Se lucrează cu o singură garnitură, care nu mai este stivuită, ci se introduce în sonda a doua. Avantajele acestei metode sunt: reducerea lucrărilor de montaj, demontaj şi transport ale instalaţiei, reducerea timpului de manevră, executarea operaţiilor speciale de investigare, fără întreruperea forajului. Sonde ramificate. Dintr-o sondă centrală, la o anumită adâncime pornesc ramificaţii, în acelaşi orizont productiv, sau în orizonturi diferite.  Avantajul metodei constă în suprafaţa mare de exploatare acoperită. 31

32

8. Accidente tehnice şi complicaţii de foraj  Accidentele tehnice şi complicaţiile întrerup procesul de foraj, cresc durata forajului (din cauza timpului neproductiv), cresc cheltuielile şi există posibilitatea abandonării sondei.  Accidentele presupun întreruperea procesului de foraj, ca urmare a blocării găurii de sondă (nu există acces la talpa sondei). Complicaţiile sunt evenimente la care gura şi talpa sondei sunt accesibile, cel puţin în stadiul iniţial. 8.1. Clasificarea accidentelor tehnice şi complicaţiilor   Accidentele sunt extrem de diverse şi complexe, dar criteriul cel mai sugestiv, este cel care are în vedere natura accidentului şi elementul care a produs accidentul. Accidentele se împart în: •

Prinderi

sape garnitura de foraj coloana de tubare

•

Ruperi şi smulgeri din filete

prăjini de foraj burlane

•

Deformări transversale

turtiri şi păpuşiri spargeri

•

Rămâneri la talpă sape

diverse Complicaţiile se împart în: aflux de fluide în sondă (manifestări şi erupţii) Influx de fluid de foraj (pierderi de circulaţie)

8.2. Cauzele accidentelor şi complicaţiilor  Exceptând cauzele obiective, de tipul unor pierderi de circulaţie în roci fisurate, sau foarte poroase, cauzele sunt subiective. •

•

•

Calificarea necorespunzătoare a personalului; Stabilirea unor programe de lucru incorecte, sau nerespectarea unui program corect; Utilizarea unor fluide de foraj neadaptate condiţiilor concrete din sondă;

32

33

•

•

Utilizarea unor scule şi instrumente neadecvate operaţiilor ce trebuiesc executate; Lipsa unei aparaturi de control a procesului, sau lipsa acesteia.

8.3. Prinderi în gaura de sondă Pot fi prinse sape, garnitura de foraj, coloana de tubare, sau dispozitivele de investigare a găurilor de sondă. Cauzele sunt numeroase: a. fluide de foraj necorespunzătoare •

•

•

•

•

 în zone cu roci neconsolidate;  în strate cu înclinare mare, rocile sunt deranjate, instabile şi tind să închidă sonda; reducerea diametrului găurii de sondă (umflarea rocilor şi turtă de colmataj groasă); lucrul cu debite insuficiente duce la încărcarea cu detritus şi manşonarea sapelor; utilizarea unor fluide de foraj cu rezistenţă de forfecare şi tixotropie redusă provoacă depunerea detritusului la oprirea circulaţiei;

garnitura de foraj şi coloana de tubare lăsate în sondă nemişcate – apare fenomenul de prindere ca urmare a lipirii coloanei de perete; b. forma găurii de sondă •

•

găuri de sondă cu diametrul mai mare decât diametrul sapei – se formează găuri ocnite şi găuri telescopice;

•

traversarea unor roci cu abrazivitate ridicată – împănarea sapei;

•

zone deviate – gaură de cheie.

•

8.4. Ruperi şi smulgeri Cauzele acestor accidente sunt: •

Solicitări care depăşesc limitele admisibile;

•

Uzura şi oboseala materialelor;

33

34

Defecte ale materialelor în procesul de fabricaţie a produselor finite, defecte ca urmare a utilizării greşite, sau în procesul de transport, manipulare şi depozitare. Rezolvarea ruperilor şi smulgerilor de prăjini se face cu ajutorul unor  instrumente adecvate. Se ia modelul capătului rămas în sondă cu modelul cu  plumb. Funcţie de acesta se utilizează instrumente cum sunt: tuta, dornul (cu pălărie), corunca, cârlig de îndreptat. Pentru extragerea unor piese din sondă se folosesc: păianjenul şi freza magnetică. •

8.5. Manifestări şi erupţii Complicaţiile grave sunt erupţiile necontrolate, generate de afluxul de fluide în gaura de sondă. Până fluidul în surplus poate fi evacuat cu odată cu fluidul de foraj, avem o manifestare eruptivă. În momentul când din sondă iese doar fluid provenit din stratele traversate se trece la faza unei erupţii  libere. Dacă la gura sondei, ieşirea fluidului nu poate fi ţinută sub control, erupţia se numeşte erupţie liberă necontrolată. Acest tip de manifestare se poate sesiza prin: Scăderea densităţii fluidului de foraj;  Apariţia de gaze la suprafaţă; Creşterea nivelului de foraj în habă sau rezervor; Reducerea presiunii de lucru la pompe, fluidul fiind antrenat de fluidele din strat. 8.6. Pierderi de circulaţie Pierderea de fluid în diferite strate poate fi : mică (până la 10%), mijlocie (10-50%) şi mare (> 50%). Cauzele pot fi geologice, sau tehnologice (utilizarea unor fluide cu densitate mare, lucrul cu debite mari, reluarea bruscă a circulaţiei după o pauză). Combaterea unor astfel de fenomene se face prin recondiţionarea fluidului de foraj şi prin metoda blocării. În ultima metodă se folosesc materiale de blocare, amestecate în fluid. Acestea pot fi: materiale fibroase (coajă de copac, deşeuri de bumbac, azbest), lamelare (fulgi de mică, fâşii de 34

35

celofan sau polietilenă, deşeuri de piele), granulare (granule de perlit, materiale plastice, coji de nucă). La această metodă este dificilă curăţirea fluidului de materiale blocante. O metodă eficientă este cimentarea zonei cu pierderi.

9. Foraje cu destinaţie specială 9.1. Forajul cu sondeze în subteran şi la suprafaţă  În subteran forajul cu sondeze se foloseşte pentru cercetare geologică, precum şi în scopuri miniere. Forajul de cercetare geologică din subteran are avantajul că poate fi orientat în toate direcţiile, oferind informaţii asupra extinderii spaţiale a unui zăcământ. Forarea găurilor de utilitate minieră în subteran şi la suprafaţă, este direct legată de procesul de exploatare a unor  zăcăminte. În subteran se pot săpa găuri pentru: •

pozarea unor conducte, cabluri de forţă;

•

găuri de probare (control) în lucrările miniere;

•

•

•

•

•

•

găuri de injecţie pentru consolidarea rocilor – se introduc sub presiune substanţe de consolidare în fisuri, sau goluri subterane, prin găuri forate cu echipamente adecvate; găuri de explozie în cariere; găuri pentru consolidarea nisipurilor acvifere, în vederea traversării lor  cu lucrări miniere- consolidarea se face cu lianţi care pătrund în rocă; sonde de congelare – în zone cu acvifere. Pentru săparea unui puţ se sapă în jurul lui sonde dispuse circular, prin care se circulă lichid la temperaturi foarte scăzute (-15º - -40º), roca îngheaţă şi susţine lucrarea minieră; puţuri de drenare pentru asecarea unor zăcăminte – se echipează găurile cu filtre pentru evacuarea apelor din acvifere; lichidarea incendiilor subterane- una dintre metode este cea a  înnămolirii. Metoda presupune pomparea prin găuri de sondă săpate special, a unei suspensii de tipul argilă-mortar în zona ce urmează a fi colmatată, pentru închiderea accesului aerului care întreţine arderea;

35

36

găuri de salvare minieră- se execută în cazul unor accidente petrecute  în subteran. Prin intermediul unor găuri săpate sunt depistaţi şi apoi aprovizionaţi supravieţuitorii. Forajul în subteran se execută cu sape sau carotiere, funcţie de scopul urmărit. Găurile de sondeze se execută verticale (prin foraj ascendent sau descendent), orizontale sau înclinate. Dislocarea detritusului se face prin circulaţie de fluide lichide, amestecuri lichid –aer şi aer. Instalaţiile de foraj sunt de gabarit mic, adaptate condiţiilor din subteran şi sunt uşor de transportat, montat şi demontat. •

9.2. Forajul sondelor cu diametre mari Obiectivele forajului de mare diametru sunt: •

fundaţii speciale pe piloni foraţi pentru construcţii industriale;

•

lucrări miniere verticale, puţuri şi suitori (exploatare, aeraj);

•

depozite subterane de gaze, sau substanţe chimice;

fundaţii speciale pentru explorarea şi exploatarea petrolului de pe platformele marine; Metodele de execuţie sunt forajul cu diametru constant pe toată adâncimea, sau foraj în trepte (telescopat). La forajul cu diametru constant sonda se execută la diametrul final, sau prin lărgiri succesive. Lărgirile pot fi descendent sau ascendent, atunci când gaura de sondă forată iniţial debuşează într-o lucrare minieră (galerie), în care se montează sapa şi se colectează detritusul. La forajul telescopat se sapă un tronson până la o anumită adâncime, cu diametrul cel mai mare. Zona se tubează, apoi se sapă cu diametru mai mic şi se tubează. Săparea se poate face de la suprafaţă, cu sape, pe toată talpa, cu carotiere, sau foraj cu turbină, mai precis două sau trei turbine în paralel. Fiecare turbină acţionează o sapă. Sapele sunt de construcţie specială, cu role multiple, mono sau multietajate. Prăjinile de foraj şi prăjinile grele sunt de construcţie specială. Evacuarea detritusului are loc prin circulaţie de fluid. Consolidarea găurii se face prin tubare, cu burlane de oţel. Pentru creşterea rezistenţei lor la presiuni •

36

37

exterioare pe burlane se amplasează inele metalice de rigidizare (cintre) confecţionate din oţel.

9.3. Forajul sondelor pentru exploatarea sării  Aceste sonde impun o serie de condiţii: -verticalitate aproape perfectă (maxim 1º); -fluidul de foraj la intrarea în sare trebuie să fie o saramură saturată. Neîntreţinerea fluidului duce la crearea de excavaţii şi devierea sondei; -se lucrează cu viteze mici şi turaţii corespunzătoare unui foraj, în care este importantă menţinerea verticalităţii sondei. Construcţia şi echiparea sondelor este specială, permiţând intoducerea apei dulci şi extragerea saramurii. Se tubează o coloană de ancoraj şi două coloane mobile concentrice. Spaţiul inelar dintre coloana de ancoraj şi coloana de apă se umple cu un fluid izolant (aer, sau frecvent motorină), care datorită greutăţii specifice mici, formează pe acoperişul excavaţiei un strat protector, permiţând avansarea exploatării. 9.4. Forajul sondelor hidrogeologice 9.4.1. Clasificarea forajelor hidrogeologice Există mai multe criterii de clasificare: a. după scop: foraje de cercetare hidrogeologică (prospecţiune şi explorare); foraje de exploatare; foraje hidrogeologice pentru alimentare cu apă ; foraje hidrogeologice pentru asecare şi drenare ; foraje cu destinaţie specială (foraje de observaţie - urmăresc variaţia nivelului dinamic al apei şi sunt sonde cu diametru mic). b. din punct de vedere constructiv: sonde fără filtru – când acviferele sunt alcătuite din roci în care apa nu antrenează nisip (calcare, gresii); sonde cu filtru pentru traversarea unor nisipuri acvifere. Coloana filtrantă poate fi unică (varianta cu pietriş mărgăritar), pierdută, combinată. 37

38

c. din punct de vedere al nivelului apeiîn sondă: sonde de apă cu nivel liber (în acvifere fără presiune); sonde de apă cu nivel ascendent  (în acvifere cu presiune), cu nivel care urcă deasupra stratului acvifer; sonde de apă cu nivel artezian, cu nivel care depăşeşte suprafaţa solului. d. după modul şi gradul de de deschidere a stratului acvifer: sonde de apă perfecte- sonda hidrodinamică perfectă are lungimea filtrului egală cu grosimea stratului şi în timpul extragerii fluidului nu există pierderi de presiune la intrarea apei din strat în sondă; sonde de apă imperfecte e. după modul de amplasare: sonde de apă singulare , sunt sonde obişnuite, al căror scop este determinarea nivelului hidrostatic, a debitului specific şi a posibilităţilor de exploatare; sonde de hidroobservaţii , au rol în determinarea nivelului hidrostatic, se tubează provizoriu cu diametru mic; sonde centrale cu sateliţi , folosite pentru determinarea caracteristicilor hidrogeologice pentru mai multe orizonturi acvifere. Sonda centrală se execută în carotaj mecanic continuu, urmat de carotaj geofizic. Se tubează pentru orizontul acvifer apropiat de talpa sondei. Sateliţii se execută în sapă pentru orizonturile superioare. grup de sonde hidrogeologice , se execută pentru a urmări raza de influenţă. Dintr-o sondă se extrage apa şi se urmăreşte evoluţia nivelului în celelalte sonde.

9.4.2. Săparea sondelor hidrogeologice Pentru executarea găurilor de sondă la forajul hidrogeologic se pot folosi următoarele metode de foraj: manual, cu şnec, percutant şi rotativ. Forajului rotativ aplicat la sonde hidrogeologice prezintă particularităţi  în privinţa circulaţiei fluidului de foraj. Circulaţia poate fi directă şi inversă. 38

39

Circulaţia directă se aplică la forajele cu diametru normal. Pentru săparea sondelor hidrogeologice cu diametru mare se utilizează circulaţia inversă (prin exhaustare, aerlift). a. Circulaţia inversă prin exhaustare presupune absorbţia fluidului de foraj din interiorul garniturii de foraj cu ajutorul unei pompe centrifuge.  b. Circulaţia inversă prin aerlift constă în introducerea în interiorul prăjinilor de foraj a aerului sub presiune, prin ţevi de aer cu o anumită submergenţă. Aerul antrenează fluidul de foraj spre suprafaţă şi odată cu el şi detritusul. Prin capul hidraulic, special construit, se introduce aerul în ţevile de aer, care sunt în lichid pe o lungime stabilită. Metoda se aplică după ce s-a săpat o anumită adâncime din sondă (10-20m).

9.4.3. Construcţia sondelor hidrogeologice Programul de construcţie al unei sonde hidrogeologice se face funcţie de acviferele ce urmează a fi exploatate.  Alegerea şi introducerea filtrului  la nivelul acviferului şi punerea în producţie, este operaţiunea care stabileşte calitatea executării sondei.  Adâncimea pozării filtrului se face după corelarea carotajului mecanic cu carotajul geofizic. Filtrele sunt confecţionate din burlane de foraj, din beton poros, material plastic, sârmă, sau tablă ştanţată. Coloana filtrantă este coloana de burlane perforată în dreptul acviferului. Ea poate fi: unică, combinată, cu filtru mobil şi pierdută. Coloana filtrantă unică este o coloană egală ca dimensiune cu adâncimea sondei şi diametrul filtrului egal cu al coloanei de prelungire. Coloana filtrantă combinată, are lungimea egală cu adâncimea sondei, iar diametrul filtrului este mai mic decât al coloanei de prelungire. Coloana filtrantă cu filtru mobil  este coloana la care, în în interiorul coloanei filtrante unice sau combinate se introduce un alt filtru. Coloana filtrantă "pierdută"  are lungimea mai mică decât adâncimea sondei şi nu ajunge la suprafaţă, doar în interiorul coloanei de burlane tubate anterior. Izolarea celor două coloane se face cu un dispozitiv de etanşare. Coloanele filtrante se confecţionează din burlane , PVC, rar ciment poros. Coloana filtrantă este alcătuită din: filtru, decantor , coloana de  prelungire. Anexele coloanei filtrante sunt dispozitivele de etanşare (la 39

40

coloane filtrante pierdute), dispozitive de lansare (la coloane filtrante pierdute), dispozitive de protecţie şi centrorii. Filtrele sunt elementul cel mai important al coloanei filtrante deoarece influenţează calitatea şi cantitatea apei, precum şi buna exploatare a sondei. Cele mai utilizate sunt filtrele din burlane metalice: simple, cu ţesătură metalică şi cu pietriş mărgăritar, precum si material plastic slituit. Filtrele simple se confecţionează din burlane metalice, în varianta cu şliţuri, cu fantă, şi se dimensionează funcţie de granulometria orizontului acvifer, sau de diametrul pietrişului mărgăritar introdus în spatele filtrului. Filtre cu ţesătură metalică se confecţionează cu ţesătură metalică aleasă corespunzător analizei granulometrice a nisipului acvifer. Se foloseşte un burlan carcasă, în care se execută perforaţii cu secţiune circulară, sau dreptunghiulară. Se matisează burlanul cu sârmă la 2-3 cm. Se îmbracă apoi burlanul cu ţesătura metalică aleasă şi se înfăşoară peste ea sârmă, pentru a o proteja la transport şi la introducerea în sondă. Spirele se cositoresc să nu existe riscul desfacerii lor în timpul diverselor operaţii. Filtre cu pietriş mărgăritar se realizează în sondă, sau la suprafaţă (se introduce pietriş mărgăritar între două filtre simple, metalice, concentrice). Pentru filtrele executate în gaura de sondă, se introduce pietrişul de la suprafaţă în spatele coloanei filtrante, în circuit ascendent sau descendent. Decantorul este partea inferioară a coloanei filtrante şi este construit în scopul decantării nisipului intrat în sondă. Este format dintr-un burlan neperforat, solidar cu carcasa filtrului. Forma lui depinde de roca pe care se aşează (închis la partea inferioară, dacă se aşează pe nisip, deschis, dacă se aşează pe marnă), metoda de foraj şi adâncimea forajului. Anexele coloanei filtrante: Coloana de prelungire este coloana de burlane care se găseşte deasupra ultimului filtru şi care ajunge la suprafaţă, sau 10m în interiorul altei coloane, în cazul coloanelor filtrante pierdute. Dispozitivul de etanşare se foloseşte la coloanele filtrante pierdute pentru etanşarea spaţiului dintre coloana filtrantă şi coloana definitivă. Dispozitiv pentru protecţia coloanei filtrante se utilizează pentru inchiderea coloanei filtrante la forajele de hidroobservaţii. 40

41

Cap de coloană pentru sonde cu nivel artezian permite dirijarea apei

ieşite la suprafaţă. Niplu de cimentare se utilizează la sondele la care este necesară

cimentarea deasupra filtrului pentru a izola acviferele superioare. Cap de cimentare este folosit pentru executarea operaţiei de cimentare şi asigură legătura cu agregatul de cimentare. Centrori  pentru burlane se folosesc pentru obţinerea unui inel de ciment, sau de pietriş mărgăritar corespunzător.

9.4.4. Valorificarea forajelor hidrogeologice Forajele hidrogeologice sunt utilizate pentru drenarea şi asecarea apelor subterane, precum şi pentru utilizarea apelor subterane în scopuri industriale sau alimentare. Debitul unei sonde poate scădea din motive variate. Exceptându-le pe cele privind posibilităţile acviferului, alte cauze pot fi: conţinutul mare de coloizi în noroiul de foraj, cantităţi mari de nisip, care poate colmata filtrul, depunerile de săruri, care micşorează orificiile. Punerea în producţie a unei sonde se face în trei etape: decolmatarea, denisiparea şi pompările experimentale. Decolmatarea este prima fază de punere în producţie pentru sondele la care acviferul a fost traversat cu noroi de foraj. La sondele pentru apă, dacă acviferul nu a fost traversat cu fluid de foraj, nu este necesară operaţia. La sondele arteziene schimbarea noroiului cu apă este suficientă. La sondele cu nivel liber sau la cele cu nivel ascensional se schimbă noroiul cu apă şi se extrage apa din sondă prin lăcărit . Prin această operaţie se obţine o denivelare sub nivelul hidrostatic, se crează o diferenţă de presiune, condiţie necesară fluxului de apă spre sondă. Dacă aceste operaţii nu dau rezultate se trece la pistonare. Operaţiile componente ale decolmatării sunt : Spălare interioară şi exterioară a filtrului  pentru eliminarea noroiului de foraj din sondă. Se introduce apă curată prin prăjini, care iese prin parte inferioară a decantorului şi prin spatele coloanei filtrante. Circuitul prin spatele coloanei filtrante se execută până la obţinerea apei curate în circuit şi nu mai mult, deoarece apa va pătrunde în acvifer. 41

42

Lăcăritul  este operaţia care constă în extragerea apei din sondă cu ajutorul unei linguri, introdusă în coloana filtrantă cu ajutorul unui cablu. Lingurile de lăcărit sunt confecţionate din burlane cu supapă în formă de disc, sau bilă. Lungimea lor este de 1,5-2m. Se introduce lingura în filtru, chiar şi atunci când nivelul apei este mult mai sus, pentru a desfunda mai uşor filtrele prin aspiraţie provocată în dreptul lor. Pistonarea se excută prin coborârea în sondă a unui piston, care prin mişcări de urcare şi coborâre curăţă filtrul. La ridicarea pistonului se crează o depresiune şi apa pătrunde în sondă, iar la pătrundere are loc o presiune asupra coloanei de apă, care pătrunde în acvifer. Denisiparea este a doua fază de punere în producţie şi presupune pomparea în care particulele mici de nisip sunt extrase şi eliminate din stratul de apă, iar particulele mari rămân în jurul filtrului formând filtru natural. Acest filtru natural va proteja ulterior, la pompările de exploatare şi experimentale, filtrul introdus în sondă. Denisiparea se face cu ajutorul instalaţiei aerlift, la care utilajele principale sunt compresorul şi pompa de aer comprimat (Mamuth). Pomparea experimentală şi testarea au acelaşi scop şi anume determinarea debitului în funcţie de denivelare, urmărindu-se în acelaşi timp nivelul apei în sondele vecine, pentru determinarea razei de influenţă. Pomparea şi testarea şi se fac prin metode diferite (aerlift şi submersibile). Parametrii obţinuţi sunt folosiţi în stabilirea tipului de pompă submersibilă utilizată pentru exploatare. Operaţiile din timpul testării sunt următoarele: •

•

•

deschiderea pompării  – se fac probe cu pompa submersibilă pentru cunoaşterea debitului şi a denivelării circa 24 ore. Testarea de eficacitate – se excută 4 reprize a 6 ore, cu debite diferite, dar constante la o denivelare şi egală ca durată. După fiecare denivelare se fac măsurători pentru restabilirea nivelului hidrostatic. Testarea de performanţă – se pompează 100 de ore cu debit maxim al utilajului pentru stabilirea regimului de curgere. După terminarea testării de performanţă se fac măsurători privind revenirea nivelului hidrostatic. 42

43

Pentru punerea în producţie a unor sonde de alimentare cu apă potabilă, se recoltează probe de apă pentru analize fizico-chimice şi bacteriologice.

10. Forajul marin

Prezenţa unor mari zăcăminte de petrol pe platformele continentale din diferite colţuri ale lumii (Mexic, Marea Nordului, Orientul Mijlociu, Africa) a dus la dezvoltarea forajului marin de cercetare şi apoi de exploatare a ţiţeiului. La forajul marin distingem  platforma şi instalaţia de foraj . Platforma poate fi insulă artificială (în ape puţin adânci), fixă, mobilă (autoelevatoare, submersibilă, semisubmersibilă, vas de foraj). Insula artificială a fost construită de exemplu în Canada, în ape puţin adânci, prin dragarea fundului mării, iar mâlul, nisipul şi pietrişul au fost adunate şi tasate. Compactarea este foarte importantă în acest caz. Condiţia de stabilitate a instalaţiei este impusă de rezistanţa la compresiune a pământului de fundaţie. Construirea insulelor artificiale constituie soluţii costisitoare. Platformele fixe sunt utilizate pentru foraj, dar şi pentru extracţia hidrocarburilor. Sunt folosite în ape puţin adânci. Acest tip de platforme sunt costisitoare şi se folosesc de preferinţă în zone sigur productive. Platforma este fixată pe piloni, fixati la rândul lor, de preferinţă în roci consolidate. Mâlul de pe fundul mării este îndepărtat prin spălare, simultană pentru toţi pilonii, pentru o fixare simultană a pilonilor. Structura metalică este ancorată de o macara plutitoare. În interiorul pilonilor se sapă găuri de sondă,  în ele se introduc piloni din metal, care se cimentează pe toată lungimea şi se prelungesc în interiorul pilonilor exteriori. Pilonii exteriori pot avea diametre de peste 4m. Găurile săpate în interior au 2m şi se sapă până la 60m în roca consolidată. Se introduc piloni-burlane de 1m diametru, care se cimentează.  Această structură metalică asigură stabilitatea pe orice vreme. Pe structură se montează platforma care poate fi adaptată atât la lucrări de foraj, precum şi de producţie. Exemplu: Anglia o platformă cu patru punţi distincte, proiectată 43

44

pentru condiţii grele (apa 122m adâncime, vânt 200 km/h, valuri de 23m-29m,  înălţimea platformei de la fundul mării – 167m, turla de foraj 43m). Platformele mobile sunt soluţia rentabilizării unor operaţii în cercetarea şi exploatarea unor zăcăminte marine. Platformele mobile autoelevatoare sunt construite din:  picioare (cel puţin trei, constitute din grinzi cu zăbrele, sau tuburi cu diametre mari, prevăzute în parte inferioară cu chesoane de sprijin) şi  platforma plutitoare, care susţine în timpul transportului picioarele şi instalaţia de foraj. Ajunsă pe locaţie se fixează picioarele şi se ridică platforma deasupra celui mai înalt val (platforma românească Gloria, construită la Galaţi pentru adâncime a apei de 90m, valuri de 12m, viteza vântului 164 km/h). Platformele submersibile sunt utilizate în ape puţin adânci (25m), forma lor  plană este triunghiulară. Flotarea lor este asigurată de trei corpuri verticale, goale în timpul transportului Vasele pentru foraj  sunt folosite în apele cele mai adânci. Pentru a contracara efectul valurilor vasele se pot cupla în paralel, adică solidarizarea lor şi plasarea instalaţiei de foraj pe structura de legătură dintre ele. Construcţia platformelor se face ţinând cont de acţiunea vânturilor şi valurilor asupra lor. Platformele se duc pe locaţie prin remorcare, sau prin autopropulsie. Amorsarea lucrărilor de foraj Se construiesc capete de sondă la nivelul mâlului. De la acestea, coloanele sunt aduse la suprafaţă. Se lansează de la suprafaţă o placă grea pe fundul mării, prevăzută în centru cu un orificiu cu dublă conicitate şi un sistem pentru lansare. Lateral pe placă sunt fixate patru cabluri, pe care se deplasează cadrul de ghidare, prevăzut cu patru braţe corespunzător fiecărui cablu. Cablurile se derulează de la suprafaţă de pe câte o tobă, pe măsură ce placa se imersează. Se forează pentru început gaura de sondă pentru coloana conductor , care se poate prelungi până la suprafaţă (în acest caz nu mai este nevoie de cadru). Forajul se face cu apă de mare. La reluarea forajului, după cimentare, dacă coloana conductor nu a ajuns la suprafaţă se montează coloana reizer  (coloana montantă), pentru a face legătura cu platforma de lucru. 44

45

Poziţionarea platformelor mobile pune problema menţinerii platformei deasupra găurii de sondă, în condiţiile unor vânturi şi valuri puternice. Se folosesc două metode: statică şi dinamică. Poziţionarea statică se aplică la platforme submersibile. Se aduce platforma pe locaţie şi se ancorează cu lanţuri sau cabluri cu grosimi apreciabile (70-90-120mm). Ancorele au greutăţi de 10-20 tone. Poziţionarea dinamică este specifică vaselor de foraj, care forează în ape adânci (400-600m) şi poate fi aplicată şi platformelor semisubmersibile. Se lansează pe fundul mării o placă bazală, echipată cu o baliză acustică, pentru semnalizarea deplasărilor vasului faţă de placa bazală. Modificarea poziţiei este corectată cu ajutorul unor elice comandate automat. La platformele mobile se recomandă lucrul cu placă bazală. Se lucrează de asemenea cu coloană conductor, ea având rolul de coloană de ghidaj. Ea poate fi introdusă şi prin batere de la suprafaţă (jetisonare). În final poate fi extrasă, sau tăiată la nivelul mâlului. Pentru compensarea mişcării platformei, mişcare care afectează coloana montantă (raizer) şi cablurile de ghidaj, s-au construit dispozitive speciale de compensare. La platformele mobile multe dintre agregatele din sondă (de cimentare, conducte, containere) sunt montate pe vase (vase tender), care pot deservi mai multe platforme.

45