Rock drilling w Anglii, Geologia, Wiertnictwo

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Rock drilling w Anglii
Instalacja rurociągów wysokiego ciśnienia DN900
metodą wiercenia kierunkowego HDD
Fot. 1. Czyszczenie narzędzi przed zapuszczeniem do otworu
Projekt
King’s Lynn to stare miasto położone na wschodnim angiel-
skim wybrzeżu u ujścia Great Ouse River. W pobliżu tego miasta
firma LMR Drilling UK na zlecenie rurociągowej kompanii La-
ing O’Rourke wykonała dwa wiercenia pod wspomnianą rzeką
w celu wymiany dotychczas eksploatowanych nadpowierzch-
niowych linii. Długość projektowanych otworów wyniosła
360 m, średnica stalowego rurociągu 915 mm – patrz tab. 1.
LMR UK jest firmą wiertniczą działającą w obszarze wierceń
kierunkowych. Zrealizowała w ostatnich latach wiele interesu-
jacych projektów, w tym m.in. przekroczenie rzeki Tamar na
dystansie 1400 m dla instalacji rurociągu HDPE 560 mm, in-
stalację rurociągu stalowego 1220 mm na dystansie 904 m po-
między Nalsea a St. Georges w południowo-wschodniej Anglii,
czy wreszcie wiele wierceń typu ląd – morze w trakcie których
wykorzystano wiele nietypowych rozwiązań technologicznych.
Laing O’Rourke to z kolei międzynarodowa grupa konstrukcyj-
na specjalizująca się w budowie rurociągów paliwowych.
Fot. 2. Instrukcja bezpieczeństwa dotycząca terenu budowy rurociągu
Lokalizacja King’s Lynn, Wielka Brytania
Generalny wykonawca Laing O’Rourke
Rurociąg Gazociąg stalowy 915 mm/1 6mm
Operator wiertniczy LMR UK Ltd.
Długość 2 x 360 m
Średnica otworu 1170 mm
Urządzenie wiertnicze Land And Marine 1200 kN/60 kNm
Agregat pompowy Halliburton 2500 lpm @ 300 bar
Serwis kierunkowy Prime Horizontal
Inżynieria płuczkowa HEADS
Osprzęt wiertniczy Slimdrill
System oczyszczania Pigott Shaft Drilling
Okres budowy Lipiec-sierpień 2005
Tab. 1. Parametry projektu
Warunki geologiczne
Aby rozpoznać warunki wiercenia, wykonano 6 sondowań
geologicznych i stwierdzono, że na głębokości ok. 11 m znajdu-
je się strop iłowca (
kimmeridge clay
) o zmiennej twardości i wy-
trzymałości mechanicznej. Najtwardsze wkładki można określić
na około 50-100 MPa. Powyżej skalnego podłoża napotkano na
szary ił z piaszczystymi przewarstwieniami. Oznacza to dwa ro-
dzaje formacji wymagające odmiennego typu narzędzi i techno-
logii wiercenia. Rzeka Great Ouse na obserwowanym odcinku
charakteryzuje się zmiennym poziomem wody podążającym za
regularnie powtarzającym się cyklem podnoszenia i opadania
Robert Osikowicz –
Horizontal Engineering and Drilling Service
76
Inżynieria Bezwykopowa
lipiec - wrzesień 2005
wiercenia kierunkowe
wiercenia kierunkowe
poziomu wody w Morzu Północnym. Zjawisko pływowe wywo-
łane jest przez oddziaływanie grawitacyjne Księżyca. Przeciętny
czas między przypływami wynosi ok. 12 godz.
Wiercenie pilotowe
Ponieważ po analizie danych geologicznych okazało się, że
ponad 60% długości otworu miało przebiegać w zwięzłej for-
macji, wykorzystano do wiercenia pilotowego wolnoobrotowy
silnik wgłębny o średnicy 6 ¾” z nastawnym krzywym łączni-
kiem oraz świdrem trójgryzowym firmy Reed o średnicy 9
7
/
8
”.
Silnik zamienia energię hydrauliczną przepływajacej przez niego
płuczki wiertniczej w energię mechaniczną (moment obrotowy
i prędkość obrotowa), która jest przekazywana do narzędzia
wiertniczego i wykorzystana do drążenia otworu. Prędkość ob-
rotową świdra reguluje się zmianą strumienia płuczki, a efek-
tywny nacisk i moment obrotowy są kalkulowane na podstawie
przyrostu ciśnienia w trakcie pracy narzędzia w stosunku do
ciśnienia zarejestrowanego wtedy, gdy świder był w odległości
kilkudziesięciu centymetrów od czoła otworu. W niemagnetycz-
nym obciążniku umieszczono kablową sondę Tensor. Podstawo-
wy system nawigacyjny był wspomagany na obu brzegach rze-
ki pomiarami w sztucznym polu pętli Tru-Trackera. Głębokość
sekcji horyzontalnej wynosiła 15 m. Projekt otworu przewidywał
wiercenie po krzywej o minimalnym promieniu 750 m. Uży-
cie silnika wgłębnego skutkuje oddaleniem sondy pomiarowej
od narzędzia o dodatkowe 7 m w stosunku do standardowe-
go dolnego zestawu przewodu (BHA) wykorzystującego tylko
świder i krzywy łącznik. Dane o prawdziwej pozycji narzędzia
oraz intensywności zmian kierunku wiercenia uzyskiwane są
z pewnym opóźnieniem. Wiercenie kierunkowe z użyciem ta-
kiego osprzętu wymaga dużego doświadczenia, aby nie wyko-
nać otworu, który z racji zbyt dużego lokalnego przyrostu kąta
będzie nie do zaakceptowania. Budowa silnika o tej średnicy
i ilorazie kinematycznym 7:8 pozwala na wiercenie w zakresie
przepływów 600- 1400 l/min i prędkości obrotowej świdra 80-
150 rpm. Dostępny moment obrotowy sięga 8000 Nm. Postęp
wiercenia przy optymalnym przepływie w twardym iłowcu wy-
niósł 0,2- 0,3 m/min. Cel wiercenia został osiągnięty z bardzo
dobrą dokładnością w stosunku do projektowanych punktów
referencyjnych.
Fot. 3. Urządzenie Land And Marine 120T
Fot. 4. Silnik wgłębny ze świdrem trójgryzowym
Poszerzanie otworu
Poszerzanie otworu odbyło się trójstopniowo z wykorzy-
staniem wyłącznie narzędzi typu low-torque hole opener do-
starczonych przez firmę Slimdrill. Parametry pracy narzędzi
rolkowych (nacisk, obroty, strumień płuczki) w iłowcu były
optymalizowane dla uzyskania dobrego postępu wiercenia przy
założonym momencie obrotowym. Tempo wiercenia w mięk-
kiej sekcji było natomiast dostosowane do wydajności systemu
mechanicznej separacji faz. Analiza objętości odseparowanego
urobku oraz gęstości płynu w otworze wskazała, że stopień
oczyszczenia otworu można określić na ok. 85% – tab. 2.
Fot. 5. Korpusy poszerzaczy rolkowych typu low-torque hole opener
Parametr Projekt I Projekt II Razem
Objętość otworu 400 m
3
400 m
3
800 m
3
Całkowita ilość wtłoczonej
płuczki
5800 m
3
6450 m
3
12250 m
3
Ilość zużytej wody 1200 m
3
700 m
3
1900 m
3
Współczynnik płuczka :
objętość otworu
3.2 1.7 2.4
Współczynnik oczyszcze-
nia otworu
0.85 0.90 0.87
Tab. 2. Parametry technologiczne
Fot. 6. Skręcanie 40-calowego baryłkowego centralizatora i 46-calowego
hole openera
Inżynieria Bezwykopowa
lipiec - wrzesień 2005
77
wiercenia kierunkowe
Rodzaj operacji Projekt I Projekt II
Wiercenie pilotowe 9 7/8” 25 26
Poszerzanie HO 26” 19 16
Poszerzanie HO 42” 26 30
Poszerzanie HO 46” + BR 40” 28 24
Instalacja BR 40” 8 6
Tab. 3. Czas trwania operacji wiertniczych w godzinach
Aby oczyścić efektywnie otwór przy stosunkowo niewielkich
prędkościach przepływu w przestrzeni pierścieniowej własności
reologiczne były modyfikowane i zmieniane dla każdego marszu.
Nie zaobserwowano zaników płynu ani ekshalacji płynu na po-
wierzchnię w otworze o średnicy powyżej 40”. Przepływ tłokowy
w otworze jest bezpieczną formą cyrkulacji, zapewniającą opty-
malne warunki transportu zwiercin skalnych o dużej granulacji.
Szczególną uwagę zwrócono na ilość i rozmiar zastosowanych
dysz. Wymagany spadek ciśnienia dla spodziewanego maksy-
malnego przepływu był skorelowany z powierzchnią przekroju
poszerzanej formacji. Energia hydrauliczna w prosty sposób prze-
kłada się na postęp i jakość oczyszczenia czoła otworu. Kolej-
nym problemem była stabilizacja w otworze narzędzi rolkowych.
Wykazywać one mogą pewną tendencję do odchodzenia od osi
otworu i pogłębiania doglegów, jeśli nie są prawidłowo prowa-
dzone przez stabilizatory. Dla przykładu 46” hole opener był po-
przedzony 40” poszerzaczem typu baryłkowego. Dzięki długiemu
i sztywnemu zestawowi wygładzono dostatecznie profil wierce-
nia. Mając na uwadze bardzo dobrą cyrkulację i ilość odseparo-
wanych zwiercin, nie wykonano dodatkowego marszu czyszczą-
cego. Tab. 3 podaje czas trwania poszczególnych etapów prac
i uwzględnia tylko czas wiercenia i cyrkulowania w otworze.
Fot. 7. Demontaż narzędzi wiertniczych
Płyn wiertniczy
Ze względu na dominującą w profilu frakcję ilastą zapro-
jektowano ekonomiczny, inhibitowany system płuczkowy
o wysokiej zawartości jonów wapnia. Dodatkowe korzystne
własności uzyskano dzięki zastosowaniu surfaktanta, niejo-
nowego środka powierzchniowo czynnego. System ten sku-
tecznie ograniczył dyspersję zwiercin ilastych, a tym samym
zwiększył zakres zawartości fazy stałej w cyrkulującym płynie
do ok. 35-40% objętościowo. Woda zarobowa pozyskiwana
była z odwodnienia gruntu i zawierała około 2 g/l Cl-. Nie
stanowiło to jednak przeszkody przy wierceniu w formacjach
ilastych. Kilka słów należy wspomnieć o interesującej konfi-
guracji systemu separacji faz. Tradycyjnie wykorzystywane w
technologii HDD sita wibracyjne i hydrocyklony wzbogaco-
no w trakcie drugiego przekroczenia o wirówkę dekantacyjną
ze stacją dozowania flokulantów. Zabieg ten miał na celu se-
parację drobnych zwiercin ilastych o średnicy poniżej 30µm.
To właśnie drobna faza stała powoduje nadmierny przyrost
lepkości płynu w trakcie wiercenia otworu o dużej średnicy.
Ponieważ koszt utylizacji odpadów wiertniczych jest wysoki,
rachunek ekonomiczny wskazał, że użycie wirówki będzie
opłacalne nie tylko ze względu na lepszą kontrolę parame-
trów płynu, ale – co równie ważne – pozwoli na przekształ-
cenie pozostawionego po procesie wiercenia płynu w czystą
wodę i urobek o znacznym stopniu zagęszczenia. Parametry
technologiczne związane z jakością cyrkulacji w otworze po-
dano w tab. 3. Znaczna różnica w zużyciu wody zarobowej
pomiędzy projektami wynika z faktu, iż całą objetość płynu
wypartego w trakcie pierwszej instalacji przetransportowano
na odległy kilka kilometrów plac budowy i wykorzystano po
mechanicznym oczyszczeniu podczas drugiego wiercenia pi-
lotowego. Oszczędności wynikłe z ograniczenia kosztów ma-
teriałów płuczkowych i kosztów utylizacji łatwo obliczyć.
Fot. 8. Agregat pompowy Halliburton o wydajności 2500 lpm
Fot. 9. System płuczkowy
Fot. 10. Wirówka dekantacyjna
78
Inżynieria Bezwykopowa
lipiec - wrzesień 2005
wiercenia kierunkowe
Instalacja
W trakcie prowadzonych prac wiertniczych przygotowano
gazową rurę produktową o wymaganej długości oraz poddano
ją wodnej próbie ciśnieniowej. Rurociąg o średnicy bliskiej 1 m
wymaga nie tylko dobrej jakości otworu, ale również prawidło-
wego ułożenia na powierzchni terenu. Rozmieszczenie i wyso-
kość podpór rolkowych są szczegółowo projektowane. Over-
bend – łuk prowadzający rurociąg do otworu zrealizowano
za pomocą dźwigów bocznych. Tempo instalacji było typowe
dla rurociągów o podobnej średnicy i wynosiło 1.3-3.0 m/min.
Balastowanie rurociągu na poziomie optymalnym przyniosło
oczekiwaną, niską siłę ciągnięcia. W trakcie pierwszej instalacji
konieczne były trzy przerwy związane z naprawą uszkodzonej
izolacji. Godzinne przestoje nie wpłynęły na parametry wiert-
nicze. Średnia wartość siły zaobserwowanej w trakcie instala-
cji wyniosła 16T i była zarejestrowana przez precyzyjny system
TOTCO. Druga instalacja przebiegała bez większych zakłóceń.
Wyższa obserwowana średnia siła – 21T była skutkiem niższej
gęstości płynu w otworze – jest to skutek efektywniej działające-
go systemu separacji faz. Ciężar rurociągu uwzględniający ciecz
balastującą w ostatniej fazie instalacji wyniósł 380T. Z powyżej
przytoczonych danych wynika, że ilość cieczy balastującej była
na poziomie optymalnym. Siły oporu na poziomie 4-5% całko-
witego ciężaru to jeden z najlepszych wyników odnotowanych
przy tego typu pracach.
Fot. 11. Rurociąg w trakcie próby ciśnieniowej
Fot. 12. Niskie obciążenia w trakcie instalacji
Podsumowanie
Realizowany pięć tygodni projekt można zaliczyć do bardzo
interesujących. Udało się w nim pogodzić wiercenie w miękkim
i pęczniejącym ile z wierceniem w skale. Osprzęt wiertniczy mu-
siał uwzględniać przede wszystkim zwiercalność twardej formacji.
Dodatkowej uwagi wymagało przejście w otworze granicy pomię-
dzy dwoma warstwami i dostosowanie postępu, a także parame-
trów technologicznych, do specyfiki gruntu. Wpływ na wrażliwe
środowisko został ograniczony do niezbędnego minimum.

Inżynieria Bezwykopowa
lipiec - wrzesień 2005
79
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Rock drilling w Anglii, Geologia, Wiertnictwo

Tematy