RGF TEHNOLOGIJA IZRADE BUŠOTINA I INŽENJERSTVO NAFTE I GASA
2 Fizičko ko-mehaničke, tehničke i strukturne osobine stena 2
Tehnologija bušenja posebno sa aspekta ekonomike i sigurnosti rada, umnogome zavisi od fizičko-mehaničkih svojstva stena koje se buše. Usled stalnih kretanja unutar zemljine kore stene se deformišu dejstvom sila na pritisak, savijanje, istezanje, sažimanje, ili torziju, a što znači pretežno dejstvom sile pritiska i tangencijalnih sila. Bez obzira na napred navedene deformacije, čestice stena koje se nalaze u neposrednoj blizini profila bušotine u stanju su ravnoteže sve do trenutka dok kanal bušotine ne zahvati i njihovu sredinu. Tim momentom nestaje relativne statičke ravnoteže i može doći do kretanja mineralnih čestica i fluida u pravcu kanala bušotine. Fizičko-mehaničke osobine stena objedinjuju svojstva koja utiču na proces razaranja stena. Fizička svojstva se karakterišu fizičkim parametrima kao što su: stepen vezanosti, zapreminska masa (gustina), poroznost, struktura, tekstura i drugo. Mehanička svojstva stena karakterišu se sposobnošću suprostavljanja stena deformisanju i razaranju usled dejstva spoljnih sila. U mehanička svojstva spadaju: elastičnost, žilavost, tvrdoća, čvrstoća, abrazivnost i drugo. 3
Stena je prirodna zajednica mineralni agregat koji ima određen sastav, kako mineralni tako i hemijski, i određene strukturne karakteristike. Pod stenama podrazumevamo i kompaktne, čvrste tvorevine (prirodni kamen), i nevezane rastresite materijale (pesak, vulkanski pepeo), i plastične, katkad polutečne agregate (glina). Fizičko-mehanička svojstva stena zavise od: - Minerala od kojih je stena sastavljena - Dimenzija, oblika i razmeštaja čestica minerala - Molekularnih privlačnih sila koje deluju na česticu tj. sila adhezije između mineralnih čestica i cementacione supstance - Karakteristika cementacije - Stepena poroznosti 4
1. Fizičko-mehanička svojstva stena bitna za tehnologiju bušenja Za tehnologiju bušenja, a posebno za režim bušenja kao njen deo, neophodno je poznavanje sledećih fizičko-mehaničkih svojstava stena: - Stepen povezanosti - Zapreminska masa (gustina) - Poroznost -Elastične i deformacione osobine - Tvrdoća - Čvrstoća - Žilavost - Abrazivna svojstva 5
Stepen povezanosti stena Sve stene prema stepenu povezanosti mogu se podeliti na: - Nevezane stene - Vezane - Kompaktne Nevezane stene predstavljaju rastresitu masu u kojoj su čestice minerala međusobno nevezane ili slabo povezane. Vezane stene karakterišu se jakim silama adhezije među česticama. Međutim, te sile se menjaju u zavisnosti od stepena vlažnosti, tako da se te stene od kompaktnih stena razlikuju velikom plastičnošću, slabom čvrstoćom i abrazivnošću. Kompaktne stene karakterišu se jakim molekularnim silama adhezije i one pružaju veliki otpor pri bušenju tj. suprostavljaju se svakom mehaničkom i fizičkom delovanju. Većina ovih stena su i abrazivne tj. povećavaju trošenje dleta za vreme bušenja. 6
Gustina i zapreminska masa Masa jedinične zapremine stene sa prirodnim šupljinama u njoj je zapreminska masa. Masa jedinične zapremine stene bez poroznosti je gustina. Obe vrednosti se određuju standardizovanim laboratorijskim metodama i izražavaju istom jedinicom (kg/m 3 ). Na gustinu utiče najviše mineralni sastav stene, a na zapreminsku masu i poroznost. Veća razlika između gustine i zapreminske mase karakteristika je jako poroznih materijala. Kako gustina matriksa sa uobičajenim mineralima mnogo ne varira, i praktično se pretpostavlja da je konstantna na reprezentativnoj prosečnoj vrednosti, što isto važi i za gustinu fluida u porama, promena gustine stena primarna je, kroz promenu poroznosti koja je uslovljena stepenom kompakcije. Generalno sa dubinom bušotine (usled kompakcije) gustina stena se povećava, a samim tim i otpornost stena na bušenje. Vrednosti gustine nekih stena i minerala date su u tabeli br. 1. 7
Tabela 1. Vrednosti gustine pojedinih vrsta stena i minerala 8
Poroznost stena Prostori u steni neispunjeni stenskim materijalom nazivaju se porama. Prisustvo pora u steni naziva se poroznošću. gde je: ρ = z φ 1 ρs ρ z - zapreminska masa stene ρ s - gustina stene Apsolutna poroznost podrazumeva ukupnu zapreminu svih međuprostorapraznina u stenskoj masi (pora, šupljina, pukotina, prslina, kaverni, kanala, stilolita i dr.) bez obzira na njihovu genezu, oblik, veličinu i međusobnu povezanost. Efektivna (otvorena) poroznost obuhvata zapreminu povezanih međuprostora tj. pornih provodnika u steni ispunjenih slobodnim, pokretnim fluidima. U zatvorenom-pasivnom pornom prostoru fluidi se ne kreću. Poroznost stena je izrazitija bliže površini zemlje, a ona verovatno nestaje sa dubinama od oko 12.000 m. i od bitnog je interesa za tehnologiju bušenja, a posebno za režim bušenja jer je otpornost stena na bušenje i napredovanje pri bušenju, direktno proporcionalna sa poroznošću. 9
Sa stanovišta tehnologije bušenja stene se prema poroznosti dele u tri grupe: Superporozne, gde spadaju: šljunkovi, drobine, šupljikavi krečnjaci itd. Pri bušenju kroz ove stene isplaka se uglavnom gubi. Porozne, gde spadaju: peskovi, peščari, konglomerati, trošni krečnjaci itd. Kod ovih stena ima pojava filtracije isplake. Neporozne, gde spadaju: gline, lapori, kompaktni krečnjaci i sve eruptivne i metamorfne stene. Pore između zrna peska različite veličine i oblika 10
Elastične i deformacione osobine stena Mehaničke osobine stena, od bitne važnosti za proces bušenja, koje na efikasnost bušenja imaju veći uticaj od uticaja poroznosti, predstavljaju njene elastične i deformacione osobine. One se karakterišu: modulom elastičnosti (E), modulom smicanja (B), zapreminskim modulom slastičnosti (K e ) i Poasonovim koeficijentom (μ). Na osnovu teorije elastičnosti, veza između navedenih deformacionih karakteristika izražena je jednačinama: E E ( μ) ( ) = 2B 1 + = K 1 μ 2 e što ukazuje na njihovu međusobnu povezanost. 11
Dokazano je da se kod nekih stena zavisnost između pritiska i deformacije potčinjava linearno Hukovom zakonu, a kod nekih se taj odnost izražava eksponencijalnom funkcijom. Koristeći se izrazima za napon (σ=p/f) i dilataciju (ε=δl/l), Hukov zakon se može izraziti preko Jungovog modula (modul elastičnosti, E) u sledećem obliku: E = σ ε Gde su: σ - napon ε - dilatacija (specifično izduženje-skraćenje). Gline, glineni škriljci, kvarcit i meki krečnjaci ponašaju se po Hukovom zakonu. 12
Veličina modula elastičnosti uglavnom zavisi od minerološkog sastava stena kao i od oblika deformacije i veličine opterećenja prilikom ispitivanja i drugih činilaca. Najčešće se ispituju na jednoosni pritisak, znatno ređe na istezanje i savijanje. Utvrđeno je, na osnovu većeg broja ispitivanja, da između vrednosti modula elastičnosti određenog pri istezanju (E z ), savijanju (E f ) i pritisku (E p ) postoje razlike, izražene nejednačinom: E < E < z f Nophodno je pomenuti činjenicu da ukoliko minerali koji ulaze u sastav stene imaju veći modul elastičnosti, to će i modul stene imati višu vrednost, pri čemu će modul elastičnosti stene biti uvek manji od modula elastičnosti minerala usled slabijih molekularnih sila na kontaktima između pojedinih mineralnih zrna u steni. E p 13
Sa povećanom zbijenosti materijala, prouzrokovanog povećanjem dubine ili naprezanja u laboratorijskim uslovima, dolazi do povećanja naponskog stanja, a time i gustine stenske mase pri čemu se povećava i vrednost modula elastičnosti. Povećani sadržaj vlage u steni, odnosno krupnoća mineralnih zrna u masi, imaju uticaja i to u pravcu smanjenja modula elastičnosti ispitivanog uzorka. Trošne stene čije su čestice slabo povezane međusobno, imaju druge elastične karakteristike u poređenju sa čvrstim telima i konsolidovanim stenama. One zadržavaju svoj oblik samo u pogledu težih čestica uticajem unutrašnjeg trenja i adhezije među česticama. U trenutku ravnoteže ugao unutrašnjeg trenja ravan je uglu prirodnog taloženja (α 0 ). Ugao unutrašnjeg trenja zavisi od vlažnosti i strukturnog sastava stena, tako da vlažne stene imaju nižu vrednost ugla unutrašnjeg trenja. 14
Tvrdoća stena Tvrdoća se definiše kao otpor prodiranju nekog tvrđeg tela, npr. alata za bušenje u stenu. Tvrdoća se kreće u veoma širokim granicama za razne materijale. Nema jedinstvenog propisanog postupka za kvantitativno određivanje tvrdoće. Veliku primenu ima postupak Shore-a, a tvrdoća se izražava u Šorovim jedinicama (HS). Ovo je takozvana skleroskopska metoda. Metoda se sastoji u merenju visine odskoka lakog odbojnika instrumenta sa uglačane površine uzorka stene. Tvrdoća po Šoru kreće se u granicama od 5 do 105 HS. Stena je mineralni agregat i njena tvrdoća je definisana tvrdoćom minerala koji je izgrađuju. Minerali se po tvrdoći najčešće klasifikuju korišćenjem Mosove skale relativne tvrdoće. Skala ima 10 stepeni i svaki stepen je predstavljen jednim etalon mineralom. Minerali sa većim stepenom tvrdoće paraju one sa manjim stepenom tvrdoće. Apsolutna tvrdoća minerala se razlikuje od njihove relativne tvrdoće po Mosovoj skali. Iz navedenog razloga samo pojam tvrdoća ne objašnjava kompleksni proces razbijanja stena za vreme bušenja što je uslovilo uvođenje pojma čvrstoća. U tabeli br. 2 dat je uporedni pregled tvrdoće etalon minerala po Mosovoj i Rozivalovoj skali. 15
Rozivalova metoda određivanja tvrdoće prema otpornosti bušenju pokazala je da intervali između određenih stepena tvrdoće nisu jednaki. Tako, npr. dijamant je oko 140 puta tvrđi od korunda, korund je 5,5 puta tvrđi od topaza, a topaz je samo 31% tvrđi od kvarca. Tabela 2. Tvrdoće minerala po Mosu i Rozivalu MINERAL KARAKTERISTIČNO SVOJSTVO STEPEN TVRDOĆE Talk Gips Kalcit Fluorit Apatit Feldspat Kvarc Mohs Paraju se noktom 1 2 3 Paraju se nožem 4 5 Paraju staklo 6 7 Rosiwal 0,03 1,25 4,5 5 6,5 37 120 Topaz Korund Dijamant Seku staklo 8 9 10 175 1000 140000 16
Čvrstoća stena Čvrstoća je svojstvo stenskog masiva da pruža otpor dejstvu spoljnih sila. Ako se stenski masiv optereti, i ako se opterećenje postepeno uvećava u jednom trenutku će dostići graničnu vrednost do koje stena pruža otpor bez uvećanih vidljivih deformacija. Svakim daljim porastom opterećenja dolazi do loma stene. Vrednost napona u trenutku loma naziva se čvrstoćom, na smicanje, zatezanje, pritisak, u zavisnosti od načina opterećenja pri kome nastupa lom. Čvrstoća stenskog masiva ne može da se definiše jednom veličinom i njeno definisanje je obično empirijsko. Veza između komponenti napona u trenutku loma, uspostavlja se uz pomoć parametara čvrstoće koji ne predstavljaju materijalne karakteristike stenskog masiva. Čvrstoća stena određuje se standardizovanim laboratorijskim metodama. Najčešće se u tehničkim proračunima koristi jednoaksijalna čvrstoća na pritisak - σ c, koja se može odrediti i terenskim metodama ili se čak može proceniti primenom odgovarajuće metodike. 17
Tabela 3. Tipične vrednosti jednoaksijalne čvrstoće na pritisak za neizmenjenu, svežu i suvu stenu STENA σ c, MPa STENA σ c, MPa Amfibol 210 Argilit, glinena stena 30 Andezit 240 Sijenit 250 Mermer 140 Porfir 250 Bazalt 230 Piroksenit 150 Kreda 4 Kvarcit 240 Rožnac, silik. škriljac 300 Kamena so 40 Ugalj 40 So 35 Dijabaz 240 Porozni peščar 80 Hematit 270 Kvarcni peščar 200 Gabro 280 Kristalasti škriljac 150 Gnajs 220 Glin. škriljac, glinac 120 Dolomit 100 Alevrolit, očvrsli prah 140 Granit 220 Glinac 210 Gips 20 Tuf 200 Krečnjak 180 * Izrazita anizotropija čvrstoće 18
U praksi se koristi znatno šira klasifikacija stena u zavisnosti od stepena njihove otpornosti na bušenje tj. čvrstoću i to: - Meke stene sa malom kompresivnom (pritisnom) čvrstoćom, kao što su slabo vezani ili nevezani pesak, razne gline i lapori na malim dubinama; - Meke do srednje čvrste stene, sa malom kompresivnom čvrstoćom, kao što su slabo cementirani peščari, manje kompaktni krečnjaci, škriljci i lapori; - Srednje čvrste stene, sa visokom kompresivnom čvrstoćom, kao što su peščari, krečnjaci i kompaktni lapori; - Čvrste stene poluabrazivne i abrazivne, kao što su silifikovani peščari, krečnjaci i kompaktni kvarcit; - Ekstremno čvrste i abrazivne stene, kao što su kompaktne magmatske stene. 19
Žilavost Žilavost je otpor koji materijal pruža udaru. Stene mogu imati veliku čvrstoću na pritisak ali mogu imati veoma malu žilavost pa se onda karakterišu kao krte stene. Žilavost stena se određuje laboratorijski razbijanjem kocke veličine 1 cm 3 po Rosiwalu. Žilavost se kvantitativno izražava kao rad potreban da se razbije navedena kocka, uzorak stenskog masiva. U tabeli br. 4 date su vrednosti žilavosti nekih stena. Tabela 4. Žilavost nekih stena NAZIV STENE ŽILAVOST, Nm/cm 3 Granit 22,4 Dijabaz 41,8 Bazalt porozan 52,8 Bazalt jedar 71,1 Peščar tercijar 13,3 Peščar kredni 40,3 Mermer krupnozrni 17,0 Mermer sitnozrni 27,2 20
Abrazivnost Abrazivnost se definiše kao osobina stene da haba deo pribora za bušenje koji je sa stenom u kontaktu. Abrazivnost u prvom redu zavisi od tvrdoće minerala koji izgrađuju stenu, veličine i oblika mineralnih zrna i od veziva. Najabrazivnije su stene izgrađene od tvrdih minerala (kvarca, korunda, granata) cementovane mekim vezivom. Veoma su abrazivne i čestice tvrdih stena nošene isplakom. Tom prilikom se intenzivno haba telo bušaće krune, jezgrene cevi, bušaće šipke itd. Postoji više postupaka za utvrđivanje abrazivnosti stena koje se buše. Najjednostavniji je postupak koji se sastoji u određivanju razlike u težini bušaće krune u određenom intervalu bušenja. Abrazivnost se u ovom slučaju izražava u gramima po dužnom metru bušenja (gr/m). 21
Prosečne vrednosti za abrazivnost nekih stena određene ovom metodom date su u tabeli br. 5. Poznavanje abrazivnosti stene čije se bušenje planira, veoma je značajno za pravilan izbor dleta (krune). Tabela 5. Prosečne abrazivnosti nekih stena NAZIV STENE ABRAZIVNOST, gr/m Krečnjak 1 Dolomit 2 Gabro 30 Sijenit 38 Kvarcni peščar 62 Granodiorit 143 Granit sitnozrni 263 22
2. Naprezanja i pritisci u vertikalnom kanalu bušotine U tehnici izrade bušotine rotacionom metodom od bitnog je značaja poznavanje zakonitosti promena mehaničkih osobina stena nastalih poremećajem ravnoteže naponskih stanja prilikom izrade kanala bušotine, kao i uticaj ovih promena na brzinu prodiranja dleta. U kanalu bušotine stene raspolažu nekim poljem naprezanja, čije je opšte stanje rezultat jednog od tri uzajamno normalna pravca naprezanja koji su nejednaki. Obično se pretpostavlja, da su pravci glavnih naprezanja u kanalu bušotine vertikalni i horizontalni i da su oba glavna naprezanja u horizontalnoj ravni jednaka. Naprezanje u blizini kanala bušotine, usvajajući da je spoljni radijus dosta veći od unutrašnjeg, definisano je jednačinama: Šematski prikaz komponenti naprezanja u kanalu bušotine 23
σ z = σ v 2 = σ h 1+ a r σ ( θ 2 ) ( 2 σ = σ 1 a 2 r ) r h Gde su: σ z - aksijalno naprezanje σ θ - tangencijalno naprezanje na obodu kanala bušotine σ r - radijalno naprezanje σ v - vertikalno glavno naprezanje σ h - horizontalno glavno naprezanje a - radijus kanala bušotine r - radijus rastojanja do tačke interesovanja Stanje naprezanja oko vertikalnog kanala bušotine tj. u pribušotinskoj zoni gde je odnos a/r =1 definisano je jednačinama: σ z = σ v σ θ = 2 σ h σ r = 0 24
U pribušotinskoj neporemećenoj zoni stene su izložene vertikalnom naprezanju (σ v ), i ujednačenom horizontalnom naprezanju (σ h ). Tangencijalno naprezanje je jednako dvostrukom horizontalnom naprezanju, dok je u isto vreme radijalno naprezanje jednako nuli. U propusnoj neporemećenoj stenskoj masi na nekoj dubini, ukupan pritisak u stenskoj masi se sastoji od hidrostatičkog pritiska porne tečnosti (p sl ), koji je ekvivalentan pritisku stuba slane vode visine jednake posmatranoj dubini i svestranog napona litostatičkog (geostatičkog) pritiska (p s ) sa glavnom vertikalnom komponentom napona (p s1 ), koji odgovara težini potopljenog stuba stenske mase. Pod pretpostavkom da nisu prisutni tektonski ili neki drugi poremećaji, usled elastičnog ponašanja stene, dolazi do izjednačavanja ove vertikalne komponente sa komponentama napona u horizontalnoj ravni (p S2, p S3 ), prikazano na Sl.1.2a. Horizontalne komponente se mogu međusobno razlikovati po intenzitetu, od neznatnog istezanja do nekoliko puta većeg vertikalnog napona (p S1 ). 25
Sl.1.2.: Šematski prikaz pritisaka i naprezanja u kanalu bušotine. Prilikom formiranja kanala bušotine, narušava se ravnoteža sistema napona i pritisaka u stenskoj masi, pri čemu prisutni pritisak isplake (p is ) uravnotežuje porni pritisak tečnosti u steni, stvarajući, pri tome, višak pritiska (p is p sl ) ili Δp is, koji se prenosi na stenu i delimično uravnotežuje litostatički napon svojim triaksijalnim naponskim pritiskom, Sl.1.2c. U takvoj konstelaciji napona, komponente naponskog stanja: p S1 - Δp is, p S2 - Δp is,i p S3 - Δp is imaju uticaj i na većoj udaljenosti od bušotine, dok na granici i u blizini kanala bušotine ovaj sistem dovodi do pojave koncentracije napona Sl.1.2d. 26
Analizom laboratorijskog ispitivanja zaštićenog i otvorenog uzorka stene pod uticajem ukupnog (svestranog) pritiska i za različite pritiske pornog zasićenja, utvrđeno je da je samo prisutno naponsko stanje u steni odlučujuće za njeno očvršćavanje. Takođe, je dokazano da u procesu dislokacije stene raspored napona na dnu, koji rezultuje iz dva pomenuta sistema napona, ima jedino uticaj u pravcu očvršćavanja stene ispod dleta, dok sistem vertikalnih i horizontalnih napona, na većoj udaljenosti nema bitnog uticaja na tehnologiju izrade bušotine. Poznavanje naprezanja, a posebno realnih vrednosti pritisaka fluida u porama stena tj. pornog pritiska i pritiska frakturiranja (loma) naslaga stena usled težine stuba isplake duž kanala bušotine, predstavlja jedan od glavnih faktora koji utiču na uspešnost ukupnih operacija na izradi bušotine. Ako ovi pritisci u fazi planiranja bušotine nisu adekvatno procenjeni, odnosno u toku izrade bušotine dođe do znatnijih odstupanja, to može prouzrokovati probleme kao: gubitak cirkulacije tj. isplake u kanalu bušotine, dotoke slojnih fluida tj. erupcije, prihvat (zaglavu) alata, nestabilnost kanala i drugo, a što sve utiče na znatno povećanje troškova izrade. 27
KRAJ 28