Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Kőolaj és Földgáz Intézet A mélyfúrásban használatos fúrók és hidraulikájuk bemutatása Szakdolgozat Készítette: Németh Benjámin Tanszéki konzulens: Dr. Szabó Tibor, egyetemi docens Ipari konzulens: Gulyás Ferenc, műszaki igazgató Beadás dátuma: 2017. november 27. Miskolc, 2017
MISKOLCI EGYETEM Műszaki Földtudományi Kar KŐOLAJ ÉS FÖLDGÁZ INTÉZET UNIVERSITY OF MISKOLC Faculty of Earth Science & Engineering PETROLEUM AND NATURAL GAS INSTITUTE : H-3515 Miskolc-Egyetemváros, Hungary : (36) (46) 565-078 e-mail: turzoz@kfgi.uni-miskolc.hu Szakdolgozat-feladat Németh Benjámin Műszaki földtudományi alapszakos, olaj- és gázmérnök specializációs BSc hallgató részére A mélyfúrásban használatos fúrók és hidraulikájuk bemutatása 1. Nemzetközi és hazai szakirodalom alapján rendszerezze és mutassa be a mélyfúrásban alkalmazott fúrókat! 2. Ismertesse a görgős fúrók és a fix vágóélű fúrók felépítését és fontosabb részeit! 3. Ismertesse a fúrók osztályozását és a használt fúrók kiértékelését az IADC kódrendszer alapján! 4. Mutassa be a fúrók hidraulikáját, különös tekintettel a fúvóka méretek meghatározására! 5. A nyári szakmai gyakorlat során kapott információk alapján végezze el az ott használt fúrók fúvókáinak méretezését! Ipari konzulens: Gulyás Ferenc, MB 2001 Kft. Tanszéki konzulens: Dr. Szabó Tibor, egyetemi docens A szakdolgozat beadási határideje: 2017. november 27. Dr. Turzó Zoltán intézet igazgató, egyetemi docens Miskolc, 2017. június 22.
Tartalom 1. Bevezetés... 1 2. Fúró típusok... 3 2.1 Görgős fúrók... 4 2.1.1 Kialakulásuk... 4 2.1.2 Kőzetbontási mechanizmus... 5 2.1.3 A görgős fúró kialakítása... 6 2.1.4 Csapágyazás... 7 2.1.5 Görgő kialakítás... 9 2.1.6 Kőzetbontó elemek... 11 2.1.7 Fogazás típusok... 12 2.1.8 Keményfém vértezés... 13 2.1.9 Átmérővédelem... 13 2.2 Szárnyas fúrók... 14 2.3 PDC fúrók... 15 2.3.1 Kialakulásuk... 15 2.3.2 PDC fúró kialakítás... 16 2.3.3 Vágóél anyaga... 16 2.3.4 PDC előállítás... 16 2.3.5 TSP mesterséges gyémántfúrók... 18 2.3.6 Impregnált mesterséges gyémántfúrók... 19 2.3.7 Vágóelemek befoglalása a fúrótestbe... 19 2.3.8 Átmérővédelem... 20 2.3.9 Fúróstabilitás... 20 2.3.10 A szárnyak kialakítása... 20 2.3.11 Fúrók profilkialakítása... 21 2.3.12 A vágóelemek tájolása... 21 2.3.13 Vágóelemek sűrűsége... 22 2.3.14 Vágóelemek kiállása... 22 2.4 A legújabb fejlesztések... 22 2.4.1 Elforduló vágóelemek... 22 2.4.2 Kúpos vágóelemek... 23 2.4.3 Ék alakú vágóelemek... 23 2.4.4 Központi tüskés fúró (Stinger bit)... 24 2.5 Természetes gyémántfúrók... 25 2.5.1 Kialakulásuk... 25 2.5.2 Gyémántfúrók kialakítása... 25 2.5.3 A gyémánt fajtája... 27
2.5.4 Gyémántszemek befoglalása... 28 3. A kőzetek keménysége... 29 3.1 Puha formációk... 29 3.2 Középkemény formációk... 29 3.3 Kemény formációk... 29 4. Fúrók osztályozása... 30 4.1 Görgős fúrók osztályozása... 30 4.1.1 Első karakter... 30 4.1.2 Második karakter... 30 4.1.3 Harmadik karakter... 31 4.1.4 Negyedik karakter... 32 4.2 Fix vágóélű fúrók osztályozása... 32 4.2.1 Első karakter... 33 4.2.2 Második karakter... 33 4.2.3 Harmadik karakter... 34 4.2.4 Negyedik karakter... 34 5. Használt fúrók kiértékelése... 35 5.1 A belső és külső sorok... 35 5.2 Sérülés jellege és helye... 36 5.3 Csapágy és tömítés... 37 5.4 Átmérő... 37 5.5 A kiépítés oka... 38 6. Mélyfúrás hidraulika... 39 6.1 Az öblítés szerepe a mélyfúrásban... 39 6.2 Az öblítéses mélyfúrás kialakulása... 39 6.3 A rotari jetfúrás... 40 6.4 Reológiai modellek... 42 6.5 Az áramlás típusai... 44 6.5.1 Nincs áramlás... 44 6.5.2 Dugós áramlás... 44 6.5.3 Dugós-lamináris átmeneti tartomány... 45 6.5.4 Lamináris áramlás... 45 6.5.5 Lamináris-turbulens átmeneti tartomány... 45 6.5.6 Turbulens áramlás... 45 6.6 Optimális hidraulika... 46 6.6.1 Gyűrűstéri sebesség... 47 6.6.2 Süllyedési sebesség... 47 6.7 A fúrók hidraulikájának az optimalizálása... 47
6.7.1 Fúvókák méretének meghatározása... 47 6.7.2 Fúvóka választás... 48 6.8 Fúvóka méretezés... 49 6.8.1 Nyomásveszteségek... 49 6.8.2 Felszíni rendszer veszteségei... 49 6.8.3 Veszteségek a fúrócsőben és a gyűrűstérben... 50 6.8.4 Áramlás a fúrószárban... 51 6.8.5 Áramlás a gyűrűstérben... 52 6.8.6 Az öblítőkörben érvényes nyomásegyensúly... 53 6.8.7 Áramlási sebesség a fúvókán... 54 6.8.8 A fúvókák területe... 54 6.8.9 A fúvókaméret 1/32 hüvelykben... 54 6.8.10 Hidraulikus lóerő és felütési erő... 55 7. Számítások... 56 7.1 Eredmények... 57 8. Összefoglalás... 58 9. Summary... 59 10. Köszönetnyilvánítás... 60 11. Irodalomjegyzék... 61 11.1 Ábrák és táblázatok forrásai... 61 12. Mellékletek... 62
1. Bevezetés Az emberiség létszükségleteinek kielégítésére már évszázadokkal ezelőtt szükség volt arra, hogy behatoljon a földkéregbe és kinyerje ásványkincseit. Erre az egyik lehetőség a mélyfúrás. A legősibb fúrási módszer az ütve működő vagy más néven kötélfúrási módszer volt, azonban a szénhidrogén bányászatban a 19. században bemutatkozó rotari, azaz forgó fúrási technológia terjedt el leginkább. A meghajtás, tehát a forgó mozgás biztosítása szempontjából megkülönböztetünk felszíni, illetve talpi hajtást. A felszíni hajtás történhet forgatóasztallal, ebben az esetben egy vízszintes síkban forgó hajtómű hosszú csőrudazattal viszi át a forgómozgást a talpon dolgozó fúróra. A felszíni hajtás modern változata a top-drive rendszer, ami az öblítőfej alá elhelyezett hidraulikus berendezés, amelynek a feladata a szerszám bepörgetése, forgatása, illetve megtartása. A talpi hajtású fúrásnál a fúrószár nem végez forgó mozgást, ekkor csupán öblítésre, valamint a fúró mozgatására szolgál. A meghajtást ebben az esetben a rudazat alján elhelyezett hidraulikus fúróturbina, csavarmotor vagy villamosmotor adja. 1. ábra PDC és görgős fúró (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) A rotari fúrás egyik legfontosabb eszköze a fúró, melyek megfelelő kiválasztása az adott szekcióhoz a hatékony és gazdaságos fúrás alapkövetelménye. Kialakításukat tekintve van fix vágóélű és görgős fúró (1. ábra). A lyuktalpra nehezedő fúró forgatásával történik a talpi kőzet bontása, mely fúrótípustól függően lehet vágás, hasítás vagy aprítás. A fúrószáron át leszivattyúzott és a fúró öblítőnyílásain vagy fúvókáin kilépő öblítőfolyadék a felfúrt kőzetszemeket a fúrószár és a lyukfal közötti körgyűrű szelvényű téren, a gyűrűstéren át a felszínre szállítja. A fúrás sebessége függ az adott körülményekhez megfelelően 1
kiválasztott fúrótípustól, a fúróterheléstől, a fordulatszámtól, az öblítési ütemtől, valamint az alig befolyásolható kőzetfúrhatóságtól. A legnagyobb figyelmet a fúróterhelés és az öblítés érdemli, mivel közepes talptisztítás esetén is lineáris kapcsolat van a fúróterhelés és a fúrási sebesség között. Ez az összefüggés akár a négyzetes mértékig fokozható a tökéletes talptisztítás megvalósításával. A fordulatszám növelésével a fúrási sebesség maximálisan a linearitásig fokozható. A legtökéletesebb fúróval sem lehet azonban elérni a maximális fúrási sebességet, ha nincs biztosítva a hatékony furadék eltávolítás, tehát a tiszta lyuktalp. A megfelelő lyuktalptisztítás létrehozásának kulcsa a fúrás hidraulikájának kialakítása, hogy az öblítési nyomásveszteség 2/3 része a fúró öblítőnyílásain, fúvókáin essen, valamint a kilépő folyadéksugár sebessége meghaladja a 100 m/s értéket. A görgős fúrók esetében eleinte az öblítőnyílásokat úgy helyezték el, hogy azok először a fúró kőzetaprító elemeit tisztítsák és csak azután a lyuktalpat. Ezt belső öblítésnek nevezzük. Napjainkban a fejlett külső, vagy jet öblítést alkalmazzák. A szűkített öblítőnyílások, azaz a fúvókák a görgőkön kívül kerültek elhelyezésre. A fúvókákon kiáramló nagysebességű öblítősugár a lyuktalpra van irányítva. A minél tökéletesebb talptisztítás érdekében a visszatérő folyadékáramnak is biztosítva van az útja. A fúró fúvókáinak el kell viselnie a nagymértékű koptatást és a korróziót, ezért volfrám-karbidból készülnek, melyek menetesen vagy biztosító gyűrűvel rögzíthetők a fúrótestbe. Normál fúvókás öblítés esetén a fúvókák nem állnak ki a fúrótestből. Hosszabbított jet fúvókákról beszélünk, ha azok kiállnak a fúrótestből. Segítségükkel lehetőség van a sugár talp közeli kilépésére, mely leginkább képlékeny kőzetek fúrásához előnyös, amikor rövid időn belül vastag iszaplepény alakulhat ki a lyuktalpon. PDC fúrók esetén több fúvóka beépítésére van lehetőség. A gyémántfúróknál az úgynevezett öblítőcsatornákon keresztül történik az öblítés, mely egyrészt a furadék újraaprításának elkerülésére, másrészt a gyémántszemek egyenletes hűtésére szolgál. A furadék eltávolítás szempontjából az öblítőfolyadék tulajdonságai közül a nagyobb sűrűség és nagy viszkozitás az előnyös. Viszont a sugársebesség négyzetével arányos a furadék szemek elsodrása. A nagyobb sugársebességet azonos szivattyúteljesítmény esetén pedig csak kisebb sűrűségű és viszkozitású folyadékkal lehet elérni, ez kedvező a kőzetek mélybeli fúrhatóságához is. Biztonsági szempontból a megengedhető legkisebb sűrűségű öblítőfolyadékot kell alkalmazni. Szakdolgozatomban a mélyfúrásban használatos fúrókkal és hidraulikájukkal foglalkozom. Hazai és nemzetközi szakirodalom alapján részletesen ismertetem az egyes fúrótípusok kialakulását, bemutatom a kőzetbontási mechanizmusukat, illetve a felépítésüket. Ismertetem a fúrók hidraulikáját, valamint annak fontosságát. A nyári szakmai gyakorlaton szerzett kútadatok alapján meghatározom az ott használt fúrókra a nyomásveszteségeket és elvégzem a fúvókák méretezését. 2
2. Fúró típusok A mélyfúrásban alkalmazott fúrók a rendeltetésüknek megfelelően három fő csoportba sorolhatók. Ezek a teljes szelvényű fúrók, a kör szelvényű fúrók, tehát a magfúrók, valamint a különleges fúrók, melyeket a fúrás során egy meghatározott célra használnak. A teljes szelvényű fúrók tovább csoportosíthatók a kőzetbontó elemeik alapján fix vágóélű fúrókra és görgős fúrókra. A fix vágóélű fúrók csoportjába tartoznak a szárnyas fúrók a PDC fúrók és a gyémántfúrók. A 2. ábra a jelenkorban leggyakrabban használt fúrók típusait tartalmazza. [1] 2. ábra Fúrótípusok csoportosítása (Forrás: Saját magam) 3
2.1 Görgős fúrók 2.1.1 Kialakulásuk A görgős fúró fejlődésének kezdete több mint 100 évre nyúlik vissza. Megjelenésük előtt a rotari fúrás egyetlen fúrótípusa a szárnyas fúró volt, mely miatt a fúrások a felszín közelében lévő lágy és konszolidálatlan formációkra korlátozódtak. E problémára keresett megoldást Howard R. Hughes és Walter Sharp. 1906-ban Hughes kísérleteket indított abból a célból, hogy leváltsák a halfarkú fúrókat. 1908-ban elkészítették az első fából készült modellt egy két görgős fúróról. 3. ábra Az első görgős fúró (Forrás: Hughes Two-Cone Drill Bit - The American Society of Mechanical Engineers, 2009) A kísérleti fúróval (3- ábra) a texasi Goose Creek-ben végeztek kísérleteket és a görgős fúrójuk sikeresnek bizonyult, bár a labdásodás gondot okozott a ragadós formációkban, mivel a görgők még nem ölelkező fogazással készültek. A nagy sikerek hatására a páros megalkotta a Sharp-Hughes Tool Company-t 1909-ben. Még ez évben le is védték találmányukat, majd 1912-ben Sharp halála után társa felvásárolta az ő részét és így megalakult a Hughes Tool Company. Találmányuk forradalmasította a mélyfúrást, hiszen már a keményebb kőzetek fúrása sem jelentett akadályt. A halfarkú fúróhoz képest közel hatszoros teljesítménynövekedést jelentett, amihez 75%-os költségcsökkenés társult. Később 1933-ban a Hughes Tool Company másodjára is forradalmasította az olajipart a háromgörgős fúró feltalálásával. A kezdeti szakasz után a görgős fúró jelentős fejlesztéseken esett át. Módosították az öblítőcsatornát, az öblítősugár létrehozására, 4
valamint alkalmazásra kerültek a volfrám-karbid betétek és kifejlesztették a zárt csapággyal, illetve a csúszócsapággyal rendelkező fúrókat. [2] 2.1.2 Kőzetbontási mechanizmus A görgős fúró, vagy más néven szikla fúró a rotari fúrás egyik legelterjedtebb fúrótípusa világszerte. A görgőkiképzés és a fogazás típusától függően lágy, középkemény és kemény kőzetekben egyaránt alkalmazható, tehát a képlékeny agyagos kőzetektől egészen a kvarcitokig hatékony szerszám. A fúrók ezen típusa kizárólag féltengelyen csapágyazott kúpgörgős fúrók, melyek közül a háromgörgős változatok terjedtek el leginkább. Az aprítómechanizmusát a görgők, illetve a rajtuk elhelyezkedő fogak biztosítják, melyek lehetnek acélból vagy volfrám-karbidból. 4. ábra Fog behatolása a kőzetbe (http://www.slb.com, 2017) A kőzetbontás a görgős fúró lyuktalpra nehezedő minden foga alatt úgymond lyukképzési vagy kráterképzési folyamatnak tekinthető, vagyis a fog ráterhelődik a kőzetfelületre és a fog alatti feszültség addig nő, míg el nem éri a kőzet törési szilárdságát és ekkor a kőzet ék alakban összetörik (4. ábra). A további terhelés során a kőzet a kráteren belül még tovább tömörödik, melynek eredményeképp vízszintes feszültségek is keletkeznek a kráter környezetében és az összetört kőzetanyag elmozdul a törési felület mentén. Lényegében egy ismétlődő, ütemes kölcsönhatás a görgős fúró és a kőzet között. A felütő fogak kráterképzéséből, valamint az ezzel egyidejű csúszással érvényesülő hasításból vagy képlékeny kőzetek esetén, a fogak bemélyülését követő csúszással kiegészített vágásból áll. A görgők, illetve görgőfogak munka közben a fúrószár, mint a fúrás tengelye, továbbá a saját tengelyük körül forognak, ezért a fúrófog terhelés alatti kőzetbe behatolását a legördülés dinamikus hatása szintén fokozza. A görgőkiképzésnél figyelembe kell venni, hogy minden egyes fog a lyuk körfelületén belül minél hatékonyabban fúrja a kőzetet és a megfelelő külső fogsorral mérettartóan képezze ki a fúrólyuk falát. Számos fog- és csapágyváltozatokkal állnak rendelkezésre, ezért kijelenthető, hogy a rotari fúrás univerzális fúrótípusa. [1] [2] 5
2.1.3 A görgős fúró kialakítása A görgős fúró 3 fő részből épül fel, általában 3 görgőből, a hozzájuk tartozó csapágyakból és a fúrótestből. Az 5. ábrán láthatóak a főbb részei. 5. ábra A görgős fúró részei (Forrás: Halliburton - Roller Cone Bits Fundamentals, 2017) A görgős fúró tervezése során a méretből adódó korlátozásokkal kell számolni. A legnagyobb hatékonyság elérése a cél, úgy, hogy csak korlátozott hely áll rendelkezésre a fúrólyukban. A fúró minden kritikus alkotórészének a mérete megnövelhető, annak érdekében, hogy erősebb legyen, de ez csak egy másik kritikus rész méretének a rovására történhet meg. Ez különösen kisebb átmérőjű fúróknál igaz. A tervezés során fontos, hogy megtalálják azt az arányt, ahol a fúró részei a legtartósabbak és a legnagyobb hatásfokot tudják biztosítani. Az adott teret maximálisan ki kell használni a legnagyobb görgők, legnagyobb csapágyak és a legoptimálisabb öblítőfúvóka elhelyezésére. Habár a legtöbb eszköz hosszú évekre van tervezve, addig a fúrók élettartama igen rövidnek számít, melyek lehetnek napok vagy hetek. Élettartamuk növelésére számos módszert dolgoztak ki, melyek a továbbiakban részletesen bemutatásra kerülnek. [3] 6
2.1.4 Csapágyazás A görgős fúró féltengelyen csapágyazott, fogazott kúpgörgős kialakítású, ahol a középső golyósor tartja a kúpot. Három típusát különböztethetjük meg a csapágyazásnak. Alkalmaznak görgőscsapágyat, golyóscsapágyat, valamint csúszócsapágyat. Többféle csapágykialakítás érhető el a megfúrandó formációtól függően. 6. ábra Gördülőcsapágyas kialakítás (Forrás: Halliburton - Roller Cone Bits Fundamentals, 2017) A legáltalánosabb, leggazdaságosabb és leggyakrabban alkalmazott csapágyösszeállítás egy külső görgőscsapágysorból, egy közbülső golyóscsapágysorból és egy csúszócsapágyból, úgynevezett végcsapágyból (nose bearing) áll (6. ábra). A külső görgőscsapágyakat éri a legnagyobb terhelés, ebből következően a leggyorsabban kopó rész, mely sok esetben a fúró meghibásodásához vezet. Fő feladatuk, hogy segítsék a radiális terhelés elviselését. A köztes golyóscsapágysorra elsősorban tengelyirányú terhelés hat, s így a legfőbb feladata a görgő tengelyhez történő rögzítése. A végcsapágy, mely tulajdonképpen egy csúszócsapágy, feladata a golyóscsapágysor terhelésének felvétele miután az elkezd kopni, illetve segít ellenállni a radiális terheléseknek. Ebben az esetben az összes csapágyat a fúrási folyadék keni, tehát nyitott csapágyazásról beszélünk. Leginkább a nagy átmérőjű fúrókra jellemző ez a csapágyelrendezés, mivel egyrészt a nagy csapágyméretek miatt jobban ellenállnak a terheléseknek, másrészt viszonylag rövid ideig vannak használatban. Az 1950-es évek végén jelent meg a görgős fúróknál a zárt csapágyazás. Ezen típusoknál a csapágyakat az öblítőfolyadéktól tömítéssel elkülönítve olyan környezetben tartják, ahol biztosítva van a folyamatos kenés. A tömítés megakadályozza az öblítőfolyadékból az abrazív anyag belépését, mely megnöveli a súrlódást a csapágyakban. A csapágyak kenését zsírral biztosítják. Néhány gyártó állítása szerint, 25%-kal növelhető meg ezzel a görgős fúró élettartama. Hosszabb fúrómeneteknél ideális, mivel növeli a szerkezet tartós és stabil működését. A fúrótestben elhelyezett kenőanyag tartállyal van ellátva. Mivel a megfelelő kenés biztosítása némi helyet foglal el a fúrótestben, ezért 7
csökken a terhelhetősége, de az abrazív anyag kiküszöbölése a csapágyakból általában kompenzálja ezt a hátrányt. A legfejlettebb görgős fúróknál tengelycsapágyas megoldást használnak (7. ábra). Ebben az esetben nem alkalmaznak görgőscsapágyakat, így hely szabadul fel a fúrótestben, ezáltal erősebbre lehet tervezni a görgőket. A fúró görgői közvetlenül a tengelyre vannak ráerősítve. 7. ábra Csúszócsapágyas kialakítás (Forrás: Halliburton - Roller Cone Bits Fundamentals, 2017) Ez egy sokkal nagyobb kontaktfelületet biztosít, így nagyobb felületen oszlik el a terhelés, mely a görgőről adódik át a tengelyre. A gördülőcsapágy esetén egy adott pillanatban a teljes fúróterhelés egyetlen gördülőtestre nehezedik, így nagyobb a meghibásodás esélye. A kis tűréshatárok miatt lényeges, hogy ezek mindig zártak legyenek, ugyanis a legkisebb szennyeződés is gyors kopást eredményezne. Az érintkezési felület speciálisan kezelt és kopásállóságot növelő ötvözetekkel van bevonva. Nagy mélységű, kis átmérőjű fúrásoknál, keményfémbetétes fúróknál alkalmazott megoldás, mivel ilyenkor a lehető legerősebbre kell tervezni a fúrót. Mivel hosszabb fúrómenetek érhetők el vele és valamivel tartósabbak is, ezért gazdaságossági szempontból jól teljesítenek. A csapágyaknak a legerősebb edzett acélból kell készülni, melyek ellenállnak a nagy terhelések miatti töréseknek, illetve a kopásnak. A legfontosabb szempont a fúró csapágyazásának tervezésénél a rendelkezésre álló hely. Ideális esetben a csapágyaknak elég nagynak kell lenniük ahhoz, hogy tartani tudják az alkalmazott terhelést, viszont ez nem mehet a tengely és a görgő vastagságának a rovására, tehát meg kell találni az egyensúlyt. Így a végső kialakítás tulajdonképpen egy kompromisszum, ami biztosítja, hogy a csapágyazás és az aprítóelemek körülbelül azonos élettartamúak legyenek. A cél, hogy a fúró minden alkotórésze egyenlő mértékben fáradjon ki. [4] [5] 8
2.1.5 Görgő kialakítás A görgős fúrók közül a háromgörgős fúrók terjedtek el leginkább. Mind a három görgő alakja megegyezik, kivéve az első számú görgő, mely lándzsahegyszerű csúcsban (spear point) végződik. A görgők számozása az óramutató járásával megegyező irányban történik, ahol az első számú görgő a leghosszabb. Minden görgőn 2-3 db koncentrikus sorból álló fogazás található. Tervezésüknél meghatározó szempont a görgőcsap szöge (8. ábra), azaz a görgőtengelyre merőleges egyenesnek a fúrótengellyel bezárt szöge, illetve a görgőtengelyek külpontossága, azaz a görgőtengelyen áthaladó függőleges sík távolsága a fúrótengelytől. A csapszög meghatározza, hogy milyen nagy fúróterhelést képes elviselni a fúró. Minél nagyobb ez a szög, annál nagyobb terhelés alkalmazható. 8. ábra A görgőcsap szöge (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) A szög mértékének csökkentésével fokozatosan jobban érvényesül a vágó, hasító hatása a fogaknak. Általában 33 a puha, 36 a kemény kőzeteknél. A csapszög továbbá befolyással van a fogsorok ölelkezésére, ami az egyik görgő fogai és az azzal szomszédos görgő hornyai közötti távolságot jelenti. A fogsorok ölelkezésének mértéke a fúró tervezésének számos aspektusát érinti. Lehetővé teszi a nagyobb fogak alkalmazását, több helyet biztosít a csapágyazásnak és a görgő nagyobb falvastagságának. A görgők tisztítása szempontjából is lényeges, mivel megakadályozza a labdásodást. A labdásodás alatt azt értjük, hogy a ragadós formációban történő fúrás során a rossz hidraulika miatt vagy a nem megfelelően kiválasztott fúró miatt annak felületén felhalmozódik, megtapad a furadék, ezáltal nem tud a fog elég mélyen behatolni a kőzetbe, így csökken az előrehaladás is. Agyagos közegben gyakran előforduló jelenség. Segíti a görgők vágómunkáját, mert 9
lehetővé teszi azok csúszását. Lágyabb formációkban előnyös a görgők olyan módú kialakítása, hogy azok nem egyenlő mértékben forognak, hanem csúsznak is. Ez lehetővé teszi, hogy a fúró hasító munkát is végezzen az aprító, törő munka mellett. Minél nagyobb a görgő csúszása és minél ritkább, de hosszabb a fogazás, annál nagyobb hosszon érvényesül egy-egy fog hasítása, annál hatékonyabb az előrehaladás lágy kőzetekben. A görgők csúszásának megvalósítására két módszer ismeretes. Az egyik módszer során a többféle kúpossággal rendelkező görgők nyújtotta előnyöket használják ki. Megkülönböztetünk egy- és többféle kúpossággal rendelkező görgőket. A többféle kúposságú görgőnek két profilja van, egy belső és egy külső. A tengelyre erősített görgő a fúró középpontja körüli forgásra van kényszerítve. Ez a görgő számára rendellenes forgó mozgás készteti a belső részét az aprításra, a külső részét pedig a hasításra. A hasító munka elősegíti a kőzetek megbontását lágyabb formációkban, de kevésbé hatékony kemény kőzeteknél, ahol a kopás nagymértékű. A másik módszer során a görgő csúszása az úgynevezett külpontossággal valósítható meg (9. ábra). A külpontossággal rendelkező fúró kőzetbontása úgy érvényesül, hogy a görgő forgása nem periodikus, ahogy a fúró forog, hanem inkább egy fix vágóélű fúróhoz hasonlóan bontja meg a talpi kőzetet. 9. ábra A külpontosság (Forrás: Halliburton - Roller Cone Bits Fundamentals, 2017) Célja az előrehaladási sebesség növelésére irányul a lágy formációkban. Habár, ez hozzájárul a fogak gyorsabb kopásához abrazív környezetben. A külpontosságot úgy is ki lehet fejezni, mint az a szög, amennyivel el kellene forgatni a görgő tengelyét, hogy átmenjen a fúrólyuk középvonalán. A görgő külpontossági szöge körülbelül 4 és 0 között változik attól függően, hogy lágy vagy kemény kőzetekben használják a fúrót. A külpontos fúrókat lágy formációkban használják. A kemény kőzeteknél minimális vagy zeró offsetet alkalmaznak, mivel ebben az esetben a fúró aprító munkája szükséges a hatékony kőzetbontáshoz. [4] [5] 10
2.1.6 Kőzetbontó elemek A görgős fúrók kőzetbontó elemei a görgők fogai, illetve élfelületei. Két fő típust különböztethetünk meg. Az egyik a mart fogazású a másik a keményfémbetétes változat (10. ábra). Alkalmazásuk és kialakításuk elsősorban a megfúrandó formáció sajátosságaitól függ. A kis nyomószilárdságú formációkban a nagy fogak hasító hatást is gyakorolnak a kőzetre, amit a fúró forgatása elősegít. 10. ábra Mart fogazású és keményfémbetétes görgős fúró (Forrás: Baker Hughes Drill Bits Catalog, 2017) Kemény formációkban a kőzet aprításával és törésével bontja a lyuktalpat. A kőzetbontó elemek kialakításának fő szempontjai a fogak vagy keményfém betétek magassága, szélessége, illetve azok egymáshoz képesti távolsága. A görgőkön a fogak elhelyezkedésének is fontos szerepe van. A belső sorok fogai (inner-rows) a szomszédos görgőkön eltérően vannak elhelyezve, hogy egymásba metszenek, ezt a fogak ölelkezésének nevezzük. A legtöbb fúró körülbelül 70%-ban fedi le, érinti a lyuktalpat. A külső sorok fogai (outer-rows), az úgynevezett méretadó külső görgősor a szomszédos fogaktól távolabb helyezkednek el, tehát nem ölelkeznek. Ezeknek a külső fogaknak, melyet sarokfogaknak is neveznek, van a legnehezebb munkájuk. A kör alakú geometria miatt több kőzetet kell eltávolítani a lyuk aljának legkülső gyűrűjéből és ezt a kőzetet nehezebb eltávolítani, mert ezek többnyire a fúrólyuk falához rögzülve maradnak. Minél túlméretesebb a görgő, annál távolabb kell vinni a méretadó külső görgősor sarkát a görgő középvonalától, és annál többet kell utánfúrnia a sarokfogaknak. [1] [5] 11
2.1.7 Fogazás típusok A lágy formációk megbontására mart fogazású fúrókat használnak, melyek kialakításánál a fő szempont a fogak kőzetekbe történő minél mélyebb behatolása, ebből kifolyólag hosszú, ritkán elhelyezett fogak jellemzik. A hosszabb fog sok helyet foglal, ezért ez a csapágyak méretének csökkenéséhez vezet. Ez természetesen elfogadható, hiszen a lágy formációkban alkalmazott terhelést még képesek elviselni. A hosszú acél fog könnyen behatol a puha kőzetbe, mely a legördülés során eltávolítja az anyagot. Ennek a fúrónak a működése leginkább egy ásóhoz hasonlítható, melyet belenyomunk a földbe, aztán a nyél hátra húzásával egy földdarabot távolítunk el. A fogak ritkán történő elhelyezésének a fúró tisztításában van szerepe, a cél a labdásodás elkerülése. A fogak tisztítását egyrészt a szomszédos görgők ölelkező fogai, másrészt a jet-fúvókák biztosítják, melyek a görgők között találhatóak. Ahogy keményedik a kőzet, úgy kell csökkenteni a fogak hosszát és a külpontosságot, hogy elkerüljük a fogak törését. Közepesen kemény formációk esetében a fúrónak el kell tudni viselni a nagyobb terheléseket, mely a fogak magasságának csökkentésével, valamint a szélességük növelésével jár. A fogak elhelyezése szempontjából lehetnek sűrűbben, de csak annyira, hogy a tisztítás még hatékony legyen. Kemény formációk esetén a görgős fúró működése másképpen érvényesül, mint az előbb tárgyalt esetekben. Nem a kőzetek hasításával, hanem azok törésével, aprításával, kőzet darabok lepattintásával haladnak előre. Ez más felépítésű fogakat igényel. Legideálisabb a központosan metsző egyféle kúposságú, a talpon csúszás nélkül legördülő sűrű, apró fogazással kialakított fúró. A megfelelő kőzetromboló hatás elérése érdekében a fogakat keményfémből, volfrámkarbidból készítik, melyet a görgőbe sajtolnak és rögzítenek. 11. ábra Keményfémbetétek (Forrás: Halliburton - Roller Cone Bits Fundamentals, 2017) 12
A fogaknak elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy kibírják a kőzetek pattintásával, aprításával járó terheléseket. Az elhelyezésük sűrűsége itt kevésbé lényeges, mivel a furadék igen apró és az előrehaladás lassabb. A keményfémbetétes fúrókra is jellemző, hogy a lágyabb formációkba való típusnál hosszú véső formájú betétek vannak, míg a kemény formációknál rövid, félgömbszerűek (11. ábra). A kisebb fog egyúttal több helyet biztosít az erősebb csapágyak alkalmazásához. [3] [5] 2.1.8 Keményfém vértezés A mart fogazású fúrókat úgy állítják elő, hogy belemarják az acélgörgőkbe a fogakat, míg a keményfémbetétes fúrókat úgy, hogy belepréselik a volfrám-karbid betéteket a pontosan kialakított lyukakba a görgőkön. A mart fogazású fúrók általában volfrámkarbiddal vannak vértezve a legtöbb igénybevételnek kitett oldalon. Ha nagyon abrazív a formáció akkor akár minden oldalát is bevonhatják keményfémmel. A keményfémvértezés lehetővé teszi a fogak önéleződését. Azokat a mart fogazású fúrókat, melyeket keményebb formációk fúrásához terveztek, fogaik általában speciális hőkezelésen és edzésen mentek át az előállításuk során. Ebben az esetben az edzett acél apró törésekkel kopik (chipping) és ez élesen tartja a fogakat. [1] [3] 2.1.9 Átmérővédelem A terhelés legnagyobb része a fúrótest és a görgők külső részére hat, így azok a koptató hatású kőzetekben hamar elkopnának, ha nem látnánk el védelemmel. Lágyabb formációkban nem szükséges, viszont kemény kőzetekben elengedhetetlen. Közepesen kemény és abrazív formációban a méretadó külső fogsor speciális kialakításával (L, T, V, U fogazat), illetve azok keményfémmel történő vértezésével történik az átmérővédelem. Kemény, nagyon abrazív közeghez a fúrógörgőnek a fúró falával érintkező hátoldalába is építenek keményfémbetéteket. A keményfémbetétes fúróknál szinte minden esetben volfram-karbid betéteket helyeznek el a koptatásnak leginkább kitett külső részeken. Ha ezt a külső részt nem védik, akkor kétféle probléma merülhet fel. Egyrészt a fúró külső része erodálódik az abrazív formáció miatt, ezáltal a lyukátmérő csökken. A csökkent lyukátmérőt a következő fúrónak kell helyrehozni, amely időveszteséggel járó folyamat. Másrészt, ha túlságosan elkopik a külső rész, akkor az akár a fúró sérüléséhez, töréséhez is vezethet, mely hulladékot eredményezhet a lyuktalpon és egy mentési művelet rendkívül költséges és időigényes tud lenni. [1] 13
2.2 Szárnyas fúrók A fix vágóélű fúrók csoportjába tartozó szárnyas, azon belül pedig a halfarkú fúrók voltak az első fúrószerszámok, melyet rotari fúrás során alkalmaztak (12. ábra). E korai típusok halfarokra emlékeztető merev kovácsoltvas szárnyakból épültek fel, melyek egy egységként forogtak. Ezt az egyszerű konstrukciót körülbelül az 1900-as évekig alkalmazták, mely homogén, lágy, konszolidálatlan, illetve abrazív rétegektől mentes formációk fúrására korlátozódott. Emiatt csak sekély fúrólyukak mélyítésére volt alkalmas. 12. ábra Halfarkú fúró (Forrás: https://www.thestoryoftexas.com, 2017) Kőzetbontó mechanizmusuk a vágás. A vágóél a fúróterhelés és a forgatónyomaték hatására folyamatosan, csavarfelület mentén halad előre és összefüggő kőzetszeletet fejt le a lyuktalpról. A szárnyas fúró kőzetaprító munkája tehát folyamatos, egybefüggő kőzetleválasztás a lyuktalpról. A kőzet megfelelő vágásához ennél a fúrótípusnál a magas fordulatszám és az alacsony fúróterhelés a legideálisabb. A nagy nyomatékigénye és a ferdülésre való hajlamossága miatt nem alkalmas mély fúrólyukak fúrására. Ha a formáció keményebbé és koptatóbbá válik, akkor a fúró elhasználódásának a mértéke drasztikusan megnövekszik és az előrehaladás nagymértékben lecsökken. Ezen probléma a szárnyak alakjának és számának módosításával, valamint azok lyuktalppal érintkező szögének csökkentésével volt orvosolható. Így létrejöttek a fejlettebb, több szárnnyal rendelkező fúrók. Azokban a lágy formációkban, melyek ragadósak, a furadék a vágóélekre tapadhat és ez csökkenti a hatékonyságát. Ezt jet fúvókák segítségével oldották meg, melyet úgy helyeztek el, hogy a vágóél felső részére lövellje a fúrási folyadékot. Háttérbeszorulásuk fő oka elsősorban a görgős fúró megjelenése, mely a lágy formációkban is hatékonyabban fúr. Mivel a jelenkor olaj és gáziparában már egyáltalán nem alkalmaznak halfarkú fúrókat, ezért a továbbiakban a fúrók ezen típusát nem részletezem. [1] [6] 14
2.3 PDC fúrók 2.3.1 Kialakulásuk Bár a szárnyas fúrók alkalmazása gyakorlatilag megszűnt, miután bemutatták az első görgős fúrókat, de később az ipar fejlődésével és a megjelent új anyagoknak köszönhetően egy olyan speciális szárnyas fúró jelent meg, mely a vágóelemek statikus terhelésével és az azokkal közölt forgatónyomatékkal vágják, hasítják a kőzeteket. 13. ábra PDC fúró kőzetbontó mechanizmusa (http://www.slb.com, 2017) A PDC, azaz mesterséges gyémántfúrók kialakulásához számos új technológiai és kohászati újításra volt szükség. Az 1950-es években a volfrám-karbid és az 1970-es években a polikristályos (mesterséges) gyémánt feltalálása adta meg ennek az új fúrótípusnak az alapját. Miután az 1970-es években a General Electric Company bemutatta az olaj és gázipar számára a mesterséges polikristályos gyémánt vágóelemek nyújtotta előnyöket, fejlődésnek indult ez a technológia. A Hughes Tool Company ennek az új típusú fúrónak a kifejlesztésébe kezdett 1972-ben. Sok évnyi tervezés, kísérletezés és fejlesztés után 1975-ben hivatalosan is bemutatásra és alkalmazásra került a szénhidrogénbányászatban. A fix vágóélű fúrók ezen típusa mesterséges gyémánt lapokat alkalmaz vágóelemként (13. ábra), melyek volfrám-karbid alaphoz vannak rögzítve. A PDC fúrók számos előnnyel rendelkeznek a görgős fúrókkal szemben. Mivel egy tömör darabból készülnek, a kőzetbontó elemek és a fúrószár forgástengelye egybeesik, azaz a vágóelemek a fúró testéhez vannak rögzítve, tehát nincs mozgó alkatrész, ezáltal a fúró élettartama sokkal nagyobb. Kisebb a meghibásodás esélye. Sokkal nagyobb nyomatékot igénylő fúrófajta, viszont a befektetett energia legnagyobb részét fordítja kőzetaprításra. A megbízhatóság és az előrehaladás tekintetében ma már megfelelnek a lágy, puha és középkemény formációkban, azonban a kemény és nagyon kemény abrazív közegben még nem szárnyalták túl a görgős és gyémántfúrókat. Elsősorban homogén kőzetösszletekben ajánlatos a használatuk. Jó eredményeket nyújtott karbonátos és evaporitos kőzetekben, illetve mészkőben, homokkőben, aleurolitban, palában. A mesterséges gyémántfúrók mára rendkívül elterjedtek és számos kivitelben elérhetőek. Magyarországon 1993-ban alkalmaztak először PDC fúrókat. [2] [3] 15
2.3.2 PDC fúró kialakítás A PDC (Polycrystalline Diamond Compact) fúró főbb részeit a 14. ábra tartalmazza. 14. ábra A PDC fúró részei (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) A mesterséges gyémántfúró tervezése során fontos szempontok a fúrótest anyaga, a vágóél anyaga, elhelyezési sűrűsége, szöge és kiállása, valamint a fúró profilja. [3] 2.3.3 Vágóél anyaga A PDC fúrók vágóéle mesterséges, más néven polikristályos gyémántból készül. A PDC fémes kötőanyaggal szinterezett gyémántrészecskékből álló anyag. 2.3.4 PDC előállítás A 1960-as években a technológia már adott volt, hogy polikristályos szuperkemény anyagokat hozzanak létre, más néven mesterséges gyémántot. Az alapötletet a Braziliában bányászott fekete, Carbonado-nak nevezett gyémántfajta adta. Ez a típus összetapadt gyémántkristályok együttese, melyet sem hasítani, sem darabolni nem lehet. A polikristályos gyémántot makroszkopikus keresztmetszetű, 60 mikrométernél kisebb átmérőjű, válogatott, tisztított gyémántszemcsékből bór, szilícium és berillium katalizátor 16
jelenlétében, nagy nyomáson és hőmérsékleten zsugorítással állítják elő. A kristályok rendszertelen elhelyezkedése miatt a repedésterjedés esélye minimális. Ennek eredményeképp az anyag keménysége és kopásállósága minden irányban egyformán nagy. E mesterséges gyémánt előállítása egy 2 lépcsős folyamat során magas hőmérsékleten és nyomáson történik. A folyamat első szakasza a mesterséges gyémántkristályok előállítása. Ez grafitból, kobalt, nikkel és vas vagy mangán katalizátor jelenlétében több mint 600000 psi nyomáson történik. Ezen körülmények között a gyémántkristályok viszonylag gyorsan kialakulnak. A grafit gyémánttá történő alakítása során térfogatcsökkenés következik be, mely a katalizátorok a képződő kristályok közé történő behatolását eredményezi, ezzel megakadályozva, hogy a kristályok egymással összekapcsolódjanak. Tehát egyfajta gyémántport állítanak elő a folyamat során. A folyamat második lépésében folyékony fázisú szinterezéssel alakítják ki és adják meg a vágóél alakját a gyémántporhoz kevert katalizátor segítségével, amit 1400 C körüli hőmérsékleten és 750000 psi nyomással préselnek össze. Az így előállított anyag 90-97%-os gyémántkoncentrációval rendelkezik. Ezt később egy cementált, volfrám-karbidól készült, henger alakú alaphoz rögzítik (15. ábra), majd nagy nyomású és magas hőmérsékletű fémfelszórásos, gáznyomásos diffúziós hegesztéssel a fúrótestbe építik. 15. ábra PDC vágóelemek (Forrás: Baker Hughes Drill Bits Catalog, 2017) A mesterséges gyémántlapok és a keményfém alap többnyire egy speciális mintázattal rendelkezik a megfelelő illesztés és rögzítés érdekében. A PDC lapok szélei nem derékszögben végződnek, hanem rézsútosan vannak kialakítva, hogy ellenállóbbak legyenek az ütődésekkel, törésekkel szemben. [2] [5] 17
2.3.5 TSP mesterséges gyémántfúrók A súrlódás okozta magas hőmérséklet könnyedén károsítani tudja a polikristályos gyémántot. E probléma kiküszöbölésére hozták létre a TSP (Thermally Stable Polycrystalline Diamond), azaz hőstabil polikristályos gyémántot (16. ábra). A hőmérsékletből adódó károsodás fő oka a gyémánt és a kötőanyag közötti eltérő hőtágulás által okozott belső feszültség. A kobalt a legszélesebb körben használt kötőanyag a PDCben. Mivel a kobalt hőtágulási együtthatója nagyobb, mint a gyémánté és ha a hőmérséklet eléri a 730 C-t, akkor a belső feszültségek az eltérő hőtágulás következtében oly mértékben megnövekednek, hogy ez makroszkopikus repedéseket eredményez a PDCben, ezáltal gyorsabban elhasználódik. Ez a hőmérséklet jóval magasabb, mint ami a lyuktalpon előfordulhat, mely átlagosan kb. 100 C 2500 méter mélyen. Valójában a vágószerkezet és a megfúrt kőzet közötti súrlódás eredményezhet ilyen magas hőmérsékletet. A gyártók a nagy hőmérsékletre való érzékenységet úgy oldották meg, hogy a kobalt kötőanyagot különböző savazási eljárásokkal eltávolították, ezáltal kiküszöbölték az eltérő hőtágulási együttható okozta belső feszültségeket. Ennek eredményeképp 875-1200 C közötti hőmérsékleten is képes fúrni. Természetesen a kötőanyag eltávolítása 20-50%-kal csökkenti a keménységet, valamint nem lehetséges a volfrám-karbid szubsztrátumhoz történő rögzítés sem, emiatt a TSP gyémánt kisebb méretre korlátozódik és a természetes gyémántokhoz hasonlóan csak a mátrixba lehet befoglalni. [3] [5] 16. ábra TSP mesterséges gyémántfúró (Forrás: http://www.vareloilandgas.com) 18
2.3.6 Impregnált mesterséges gyémántfúrók A már korábban említett hőstabil mesterséges gyémántfúrók (TSP) kőzetbontó eleme szintén polikristályos gyémánt, azzal a különbséggel, hogy nem kompaktáltak és nincsenek volfrám-karbid alaphoz erősítve. Az impregnált változatok igen kemény és nagyon abrazív formációk fúrására alkalmasak, melyekben magasabb a súrlódás okozta hő és nagyobb a kopás. Ezekben a fúrókban több ezer kisméretű mesterséges gyémántdarabka van a mátrixkeverékbe impregnálva. Előnye a természetes gyémántfúrókkal szemben, hogy az önélező szintetikus vágószerkezetük nem csak vágja, hasítja és koptatja a kőzetet, hanem nyírja és aprítja is azt. [3] [5] 2.3.7 Vágóelemek befoglalása a fúrótestbe A kőzetbontó elemek befoglalása a fúrótestbe történhet közvetlenül, ez a mátrixbefoglalásos, vagy közdarabon keresztül, ez az acélbefoglalásos, valamint impregnáltan, azaz szinteranyagba kevert módon. A fúrótest anyagát tekintve tehát két féle PDC fúrótípust különböztethetünk meg. Az egyik teljesen acélból készül, míg a másik egy acél mag, mely volfrám-karbid bevonattal van ellátva. (17. ábra) 17. ábra Mátrix- és acélbefoglalásos PDC fúrók (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) Mátrix testű fúrók esetében kőzetbontó elemeket szinterezési eljárással rögzítik. A negatív grafit vagy műanyag formában elhelyezett vágóelemek közé nagy nyomással, hidegen préselik be a szinterport, majd a megfelelő csatlakozótesttel együtt kemencében védőgáz jelenlétében hevítik. A mátrix alapanyagául szolgáló szinterpor különböző ötvözőanyagok és keményfémpor, általában volfrám-karbid keveréke, melynek olvadáspontja 3650 C. E keverék 900-1000 C-on történő hevítése során a beszívódott 19
ötvözőanyagok, mint kötőanyag fogják összefogni a keményfémport, így a szinterporból egy homogén, szilárd, kopásálló mátrix képződik, mely magában foglalja a kőzetbontó elemeket is, amelyek szükség esetén viszonylag egyszerűen cserélhetők. Az acél testű PDC fúrók nagy nyomószilárdságú és kopásálló acélból készülnek forgácsolásos megmunkálással. A kőzetbontó elemek befoglalása a fúrótestbe egy úgynevezett közdarab segítségével történik. A közdarabokat a fúrótesten kiképzett furatokba, rögzítő csapok segítségével préseléssel rögzítik. A mátrix testű fúrók a felhasznált anyagok miatt sokkal drágábbak, mégis ez az ajánlatosabb, mivel a fúrótest ellenállóbb az abrazív hatásokkal szemben és a kőzetbontó elemeket is egyszerűbb cserélni, illetve javítani. [2] [4] 2.3.8 Átmérővédelem A PDC fúrók átmérővédelmét az alkalmazási körülményeik határozzák meg, azaz a megfúrandó formáció keménysége és koptatósága, a meghajtás módja, valamint az alkalmazott öblítőfolyadék sűrűsége és típusa. [2] [4] Ezek alapján az átmérővédelem lehet: természetes gyémánt berakásos keményfém (volfrám-karbid) berakásos PDC-berakásos TSP-berakásos, illetve ezek kombinációja 2.3.9 Fúróstabilitás Ha a fúróra ható erők, tehát a forgatás és fúróterhelés kiegyensúlyozottak, a fúró a lyukban központosan halad, nem bolyong, vagyis a fúróra ható terhelés egy része nem adódik át a fúrólyuk falára, nincs vízszintes rezgés és a fúró átmérőjének megfelelő lyukat mélyít. A PDC fúrók stabilitását a fúrószárnyak (bordák, élek) és a vágóelemek megfelelő elhelyezésével biztosítják. A szárnyak geometriája lehet egyenes vagy ívelt. Az ívelt sokkal nagyobb stabilitást biztosít. A fúrótest hosszúsága az irányíthatóságra van befolyással. Minél rövidebb a fúrótest annál jobban irányítható. Ennek a ferdefúrásokban van nagy szerepe. [4] 2.3.10 A szárnyak kialakítása A PDC fúró szárnyaira (blades) vannak rögzítve a vágóelemek. A szárnyak számának meghatározása adott fúróhoz hasonló elven történik, mint a görgős fúróknál. A lágyabb 20
formációkhoz kevesebb és magasabb szárnyat, míg a keményebb formációkhoz több és alacsonyabb szárnyat alkalmaznak. Ennek következtében a furadékcsatornák is nagyobbak a lágy kőzetekhez való típusoknál. A magas szárnyak az acél testű fúrókon kivitelezhetők az acél erőssége miatt, mivel a mátrixanyag ridegebb, így hajlamos a törésre. A kemény kőzetekhez alkalmazható fúróknál sok, kisebb méretű vágóelemet alkalmaznak. [4] 2.3.11 Fúrók profilkialakítása A fúrók profilja alapján három alapvető típust különböztethetünk meg. Lapos profilú, kettős kúpos és parabolikus. A lapos profil előnye, hogy egyenletesebben oszlik el a fúróterhelés. Hátránya viszont az egyenetlen kopás és a korlátozott stabilitás, mely leginkább magas fordulatszámnál jelentkezik, amikor erőteljes a fúró sétálása. A kúpos vagy kettős kúpos profil lehetővé teszi a vágóélek a fúró külső széléhez történő elhelyezését, ennek következtében jobb stabilitás, illetve jó iránytartás és egyenletes kopás érhető el. A parabolikus fúró nagy felületen képes eloszlatni a fúróterhelést, ezáltal még egyenletesebb a kopás és jobb a stabilitás. [4] 2.3.12 A vágóelemek tájolása A PDC fúró vágóelemeit különböző szögekben lehet elhelyezni, mely befolyással van a furadék méretére, az előrehaladási sebességre és a megfelelő lyuktalptisztításra. A formáció keménységének megfelelően kell megválasztani. 18. ábra Vágóelemek vertikális és horizontális tájolása (http://www.slb.com, 2017) A vágóelem lapjának a vertikálishoz képest történő eltérése (back rake) az a szög, mely csökkentésével mélyebb a vágóelem behatolása a kőzetbe, nagyobb nyomatékot eredményez, nagyobbak a furadék szemek és gyorsabb, agresszívebb az előrehaladás egy adott fúróterhelés mellett. Ahogy ez a szög nő, úgy csökken az előrehaladás, viszont növekszik a kopással szembeni ellenállás, mivel sokkal nagyobb felületen oszlik meg a 21
terhelés. Ez a szög 15 és 45 között mozog általában (18. ábra). A vágóelemek horizontális tájolásának (side rake) a furadék elvezetésében van szerepe a fúró közepétől a gyűrűstér felé. [4] 2.3.13 Vágóelemek sűrűsége A vágóelemek sűrűségén a fúrótest egységnyi felületén elhelyezett vágóelemek számát értjük. Számuk növelhető vagy csökkenthető attól függően, hogy milyen terhelést szeretnénk vágóelemenként elérni. A vágóelemek sűrűségének arányosnak kell lennie a méretükkel. Ha sok vágóelemet szeretnénk elhelyezni, akkor azoknak megfelelően kicsinek kell lenniük ahhoz, hogy hatékony legyen a fúró tisztítása, ezzel elkerülve a labdásodást. [4] 2.3.14 Vágóelemek kiállása A vágóelemek a fúrótestből való kiállásának mértékének meghatározása esetén az a. fontos, hogy a kiállás elegendően nagy legyen a vágóelemek megfelelő tisztításához, viszont még meg kell, hogy maradjon azok mechanikai szilárdsága. A nagy kiállású vágóelemek sok helyet biztosítanak a fúrótest és a formáció között, míg az alacsony kiállás erősebb vágóelemeket eredményez. [4] 2.4 A legújabb fejlesztések A tudomány és technika előrehaladásával a gyártók újabb és újabb módszereket dolgoznak ki fúróik tökéletesítésére, növelve ezzel azok élettartamát, valamint a hatékonyabb kőzetbontást. Ezek közül a fejlesztések közül mutatok be néhány kiemelkedő eredményt. 2.4.1 Elforduló vágóelemek A PDC fúrók esetében számos új vágóelem áll rendelkezésre napjainkban. Az egyik ilyen újítás a 360 -ban forgó vágóélekkel rendelkező PDC fúró. 19. ábra 360 -ban forgó vágóelemek (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) 22
Ezeket a speciális vágóéleket a fúró kopásnak leginkább kitett részeire helyezik el, ahol a forgás következtében (19. ábra) hosszabb ideig maradnak épek a PDC lapok. A hagyományos PDC fúrókkal szemben, egyes statisztikák szerint, akár 57%-kal hosszabb fúrómenetek érhetők el vele, mely gazdaságossági szempontból igen lényeges. [8] 2.4.2 Kúpos vágóelemek Egy másik ilyen innováció a kúpos vágóelemekkel rendelkező (Stingblade bit) PDC fúró. Előnye, hogy sokkal ellenállóbb az ütődésekkel és a kopással szemben, valamint a formájából adódóan nagyobb erőt fejt ki a kőzetre. Sokkal kisebb nyomatékot igényel a konvencionális PDC fúrókhoz képest, ennek köszönhetően sokkal iránytartóbb, ezért előnyös irányított ferdefúrásoknál. 20. ábra Kúpos vágóelemek (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) A vágóelemek geometriájából adódóan (20. ábra) sokkal nagyobb furadék szemeket hasít ki a kőzetből, melynek köszönhetően jobb minőségű minták szerezhetők az adott formációról. [8] 2.4.3 Ék alakú vágóelemek Az ék alakú vágóélekkel rendelkező fúró (Axeblade bit) ötvözi a hagyományos PDC fúrók nyíró munkáját és a keményfémbetétes görgős fúrók aprító munkáját. 21. ábra Ék alakú vágóelemek kőzetbontó mechanizmusa (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) 23
Így 29%-kal gyorsabb előrehaladást érhető el vele. Kisebb nyomatékot igényel, mivel könnyebben hatol be a vágóél a formációba (21. ábra). Irányított ferdefúrásokhoz ideális fúrótípus. [8] 2.4.4 Központi tüskés fúró (Stinger bit) Mivel a vágóelemek kerületi sebessége csökken a fúró közepe felé haladva, ezért a lyuktalp középső részén a kőzetbontás kevésbé hatékony. Az olyan PDC fúróknak, melyeknek a lyuktalppal érintkező oldaluk közepén egy kúpos mesterséges gyémántot helyeznek el (cental stinger, 22. ábra) sokkal nagyobb a stabilitása, mint a hagyományos típusoké, mivel csökkennek a laterális vibrációk, így tartósabbak a vágóelemek, valamint gyorsabb az előrehaladás. 22. ábra Központi tüskés fúró (Forrás: Smiths Bits Product Catalog, 2017) Alkalmazása során a kőzetben a vágószerkezet közepén oszlopszerűen formálódik a kőzet, melyet folyamatosan aprít és repeszt ez a középső elem, amivel segíti a fúrólyuk középpontján tartani a fúrót, így hatékonyabb a kőzetbontás. [8] 24
2.5 Természetes gyémántfúrók 2.5.1 Kialakulásuk A gyémánt az emberiség által ismert legkeményebb anyag. Keménységének és kopásállóságának köszönhetően tökéletesen alkalmas a kőzetek fúrására. Gyémántfúrást már a régmúltban is alkalmaztak. A 19. században magfúrással másfél kilométer mély fúrólyukat mélyítettek. 1864-ben a Franciaországot Olaszországgal összekötő Mount Cenis alagút építésekor a robbantólyukakat is gyémántfúróval készítették. Az olajiparban először az 1930-as években alkalmaztak gyémánt magfúrást, majd az előnyeit felismerve a következő évtizedekben kísérleteket végeztek a teljes szelvényű gyémántfúrók létrehozására is, melyek végül az 1950-es években elterjedt fúrótípusokká váltak. A természetes gyémántfúrókat kemény, abrazív formációkban alkalmazzák, mint például kvarcit. Különösen hatékony talpi motorral párosítva. Az előrehaladás lassú, azon formációk jellege miatt, amelyekhez tervezték őket. Nincs mozgó alkatrész, ezért sokkal szívósabbak, mint a hasonló körülményekhez kifejlesztett keményfémbetétes görgős fúrók. [6] 2.5.2 Gyémántfúrók kialakítása A gyémántfúrók vágóelemei sok kis méretű gyémántszemből állnak, amiket volfrámkarbid mátrixban helyeznek el. Mivel a gyémántszemek kis behatolási mélységet eredményeznek, ezért a gyémántfúró munkája az abráziós fúráshoz, a köszörülési folyamathoz hasonlítható, tehát koptatja a kőzetet (23. ábra). Kőzetromboló hatása úgy érvényesül, hogy a fúróterhelés miatt behatol a gyémántszem a kőzetbe és ezáltal feszültséggóc keletkezik alatta, mely, ha elegendően nagy, akkor a kőzet törik, miközben a forgatás hatására a gyémántszem elmozdul és sorozatosan újabb helyekről kiinduló törésfelületeket hoz létre. 23. ábra Gyémántszem kőzetbontó mechanizmusa (http://www.slb.com, 2017) 25
Ahogy a gyémántszem tovább halad, úgy ezek a törésfelületek kikerülnek a feszültségi zónából, mely következtében a rugalmasság hatása hirtelen a felszínre viszi a törést és folyamatosan kőzetszilánkok maradnak a gyémántszem mögött, melyeket az öblítőfolyadék, illetve a következő gyémántszem távolít el. A gyémántszemek kőzetbe történő behatolása után, annak törőszilárdságának túllépésével a gyémántszem keresztmetszeténél nagyobb felületű krátert pattintanak ki. Kis terhelés esetén csak a gyémánt érintkezési felületének megfelelő méretű árok keletkezik. Ellenben, ha a terhelés jóval nagyobb, mint a kőzet törőszilárdsága, akkor a gyémántszem behatolási mélységénél 2-4-szer nagyobb árok alakul ki, valamint a kőzetrombolás mélysége a behatolás mélységénél 2-5-ször nagyobb. A formáció tulajdonságaitól függően a gyémántfúró munkája plasztikus állapotú kőzetben a hántolás (szántás), törékeny kőzetben nyírás és szemcsés kőzetben pedig kimozdítás. Fúrásra a legmegfelelőbb a tökéletesen sima felületű, gömb alakú gyémántszem, mivel ezek súrlódási tényezője a legkisebb, ami azért lényeges, mivel a súrlódás csökkenti a gyémántszem benyomódását a kőzetbe, valamint növeli a szükséges nyomatékot és a hőfejlődést. A gömbszerű gyémántok jobban bírják a nyomó igénybevételt is. A gyémántok méretét tekintve elmondható, hogy minél keményebb a megfúrandó formáció annál kisebb gyémántszemeket kell alkalmazni. Működése hasonló a magfúróhoz, azzal a különbséggel, hogy a keletkező kőzetmagot a homorú gyémántszemekkel kirakott belső része letöri. A magletörés elve igen kemény kőzetekben nem alkalmazható. Helyette kissé homorú felületű spirális fúrót célszerű használni. A gyémántokat speciálisan kialakított mintázattal rögzítik és egy acél testen lévő mátrixanyagba vannak kötve (24. ábra). A nagy kopásállóság ellenére a gyémántok rendkívül érzékenyek az ütődésekre és vibrációra, ezért nagy óvatosságot igényel a gyémántfúrók alkalmazása. 24. ábra Természetes gyémántfúró (Forrás: http://www.vareloilandgas.com) 26
A gyémántfúró legfőbb hátránya az ára, akár tízszer is többe kerülhet, mint egy azonos méretű görgős fúró. Arra sincs garancia, hogy egy ilyen fúró jobb előrehaladást (ROP) fog eredményezni, mint görgős társai. Mindazonáltal költséghatékonyak, ahol a fúrócserék ideje jelentős költségtényező és 200-300 órára szeretnénk növelni a fúrócserék közötti intervallumot. Mivel nincs mozgó alkatrész, ezáltal hosszabb élettartamúak, mint a görgős fúrók. A kevesebb kiépítés által a nagyobb költség megtérül. Érdekesség, hogy a gyémántok eltávolíthatók a fúró mátrixából, ezáltal a sérült fúróknak is jelentős értékük van. [1] [2] [7] 2.5.3 A gyémánt fajtája A gyémántfúrók kőzetbontó elemeit ipari gyémántok alkotják. A gyémántipar két fő ága a drágakőnek alkalmas gyémántok értékesítése, és a gyémántok értékesítése ipari alkalmazások számára. Az iparban alkalmazott gyémántok értékét a keménysége és hővezetőképessége határozza meg. Az egy évben kitermelt gyémántmennyiség közel 80%-át az iparban használják fel. Az 1-től 10-ig terjedő Mohs féle keménységi skálán a 10. helyen áll. Olyannyira kemény a többi ismert ásványhoz képest, hogy az előtte, a 9. helyen álló korundnál is közel 5-ször keményebb. Az ásványok között a legmagasabb hővezető képességgel rendelkezik, amely rendkívül gyors hőleadó képességet jelent. Ez ideális tulajdonság egy kőzetbontó elem szempontjából, mivel ellenállóvá teszi a súrlódás okozta hőhatásokkal szemben. A gyémántfúrókhoz legyakrabban alkalmazott gyémántfajták a Bortz, Congo, Ballas és Carbonado nevezetű változatok. Ezek közül a Brazíliában található fekete színű Carbonado gyémánt a legkeményebb és legszívósabb, az ütéseknek legjobban ellenáll, mivel szerkezete nem kristályos és nincsenek hasadási lapjai. [1] 27
2.5.4 Gyémántszemek befoglalása A gyémántszemek fúrótestbe történő befoglalása elsősorban szinterezési eljárással történik. A gyártási folyamat során a negatív szénformába kézi munkával helyezik el a gyémántszemeket, majd hidegen szinterport préselnek a formába. A szinterpor többnyire volfrám-karbid. A megfelelő csatlakozótesttel kiegészített fúrót kemencében, védőgáz jelenlétében hevítik, mely során a porból összefüggő mátrixanyag képződik. Impregnált gyémántok (25. ábra) esetében magába a szinterporba keverik a gyémántkristályokat vagy gyémánttörmeléket. 25. ábra Impregnált gyémántfúró (Forrás: http://www.nov.com, 2017) A gyémántkoncentráció az össz-karátszámot, illetve az optimális gyémántszámot és azok elhelyezésének távolságát adja meg. Ez leginkább a tervezett terhelésektől függ. A gyémántszemek kiállása is lényeges szempont. Úgy kell megtervezni, hogy az adott terhelés mellett védve legyenek a gyémántok a letörés ellen, amelyre a legkisebb kiállás az ideális, ugyanakkor a kiállásnak olyan mértékűnek kell lennie, hogy a leválasztott kőzetszemek ne férjenek el a fúró mátrixfelülete és a talpfelület között. Ez azt is jelenti, hogy a gyémántszemek közötti tér része az egész fúró öblítőrendszerének. [1] [6] 28
3. A kőzetek keménysége A kifejezés mint puha, középkemény és kemény formáció meglehetősen tág fogalomnak számít a geológiai rétegsor jellemzésére, melybe a lyukat le szeretnénk mélyíteni. Általánosságban a kőzettípusok az egyes kategóriákban a következőképpen írhatók le. 3.1 Puha formációk Többnyire konszolidálatlan agyag és homok. Ezeket viszonylag alacsony fúróterheléssel lehet fúrni (3000-5000 lbs/in) és magas fordulatszámmal (125-250 RPM). Magas öblítési ütem alkalmazandó a megfelelő lyuktalptisztítás érdekében, mivel a lágy közegben nagy előrehaladási sebességre számíthatunk. Habár a túl magas öblítési ütem kimosódásokat eredményezhet. Általában 500-800 gpm az ajánlott. Mint minden fúrótípusnál, itt is a helyben szerzett információk és tapasztalatok alapján választják meg a fúrási paramétereket. [5] 3.2 Középkemény formációk Ide tartoznak a palák, a gipsz, homokkő és aleurolit. Általában alacsony fúróterhelés az ajánlatos (3000-6000 lbs/in). Magas fordulatszám alkalmazható a palákban, viszont a kréta alacsonyabb RPM-et igényel (100-150 RPM). Puha homokköveket szintén hasonló paraméterekkel lehet fúrni. Itt szintén magas öblítési ütem az ajánlott a hatékony lyuktisztítás érdekében. [5] 3.3 Kemény formációk Mészkő, anhidrit, kemény homokkő, dolomit, és kvarcitos rétegek tartoznak ebbe a kategóriába. Ezek nagy nyomószilárdságú kőzetek, melyek abrazív anyagokat is tartalmazhatnak. Magas fúróterhelést igényel (6000-10000 lbs/in). Ebben az esetben általában alacsonyabb fordulatszámot alkalmaznak (40-100 RPM) hogy a keményfémbetétes fúró betéteinek legyen ideje behatolni a kőzetbe. A nagyon kemény kvarcitos vagy magmás kőzetek fúrásához a legideálisabb viszont a keményfémbetétes görgős fúró vagy gyémántfúró magas fordulatszám és alacsony fúróterhelés mellett. Az öblítési ütemnek ebben az esetben nincs kritikus szerepe. [5] 29
4. Fúrók osztályozása A fejlesztéseknek köszönhetően a fúrók egyre nagyobb választékban voltak elérhetőek a felhasználók számára, mely nagyban segítette az olajipar munkáját, viszont emiatt egyre inkább átláthatatlanabbá vált a fúrók beazonosíthatósága. Az SPE (Society of Petroleum Engineers) és az IADC (International Association of Drilling Contractors) ezt a problémát úgy oldotta meg, hogy bevezetett egy egységes kódrendszert, mely segítségével egyszerűen elvégezhető a különböző fúrótípusok és fúrókialakítások besorolása. Két féle rendszer született, az egyik 1972-ben a görgős fúrókra, a másik 1987-ben a fix vágóélű fúrókra. [4] 4.1 Görgős fúrók osztályozása Az IADC kódrendszernek köszönhetően a görgős fúrókat három numerikus karakterből és egy további alfanumerikus karakterből álló kód alapján lehet kiválasztani egy adott feladathoz és a megfúrandó formációhoz. A görgős fúrót a megfúrandó formáció tulajdonságai alapján osztályozzák. 4.1.1 Első karakter Ezt az 1-8-ig terjedő számjegyet két fő részre oszthatjuk. 1-től 3-ig a mart fogazású fúrók találhatók, melyek puha, középkemény és kemény formációk fúrására alkalmasak. 4-től 8-ig a keményfémbetétes fúrók kerülnek megkülönböztetésre, melyek a lágy, középkemény, kemény, és nagyon kemény kőzetek fúrására alkalmasak. Az 1-8-ig terjedő skála egyébként a formáció fúrhatóságát jellemzi, ahol az 1 lágy kőzetnek, a 8 pedig nagyon kemény, abrazív kőzetnek minősül. 4.1.2 Második karakter Az első számjegy további bontása 4 alkategóriába a kőzetkeménység szerint. Az 1-es típus az első karakteren belül a leglágyabb kőzet. A 4-es típus az első karakteren belül a legkeményebb kőzet. A fúrók osztályozása az első és második számjegy alapján elsősorban a fogazat méretétől, távolságától, a görgők kialakításától és azok csapágyazásától függ. 30
1. táblázat A görgős fúrók kódrendszerében szereplő első 2 karakterének a jelentése (Forrás: Shell Well Engineers Notebook, 4th Edition, 2003) Mart fogazású fúrók Keményfémbetétes fúrók 1. karakter 2. karakter 1 Nagyon puha agyagpala 1 Puha, kis nyomószilárdságú 2 Puha agyagpala formáció, gyors előrehaladás 3 Közepesen lágy agyag, mészkő 4 Közepesen kemény agyag, mészkő 2 1 Közepesen kemény agyag, mészkő Közepesen kemény, nagy 2 Közepesen kemény agyag, mészkő nyomószilárdságú formáció 3 Közepesen kemény mészkő, pala, homokkő 1 Kemény mészkő 3 Kemény, abrazív formáció 2 Kemény dolomit, mészkő 3 Kemény dolomit 1 Nagyon puha agyagpala 4 Puha, kis nyomószilárdságú 2 Puha agyagpala formáció, gyors előrehaladás 3 Közepesen lágy agyag, mészkő 4 Közepesen kemény agyag, mészkő 5 Kis és közepes keménységű, nagy nyomószilárdságú formáció 1 Nagyon puha agyagpala, homokkő 2 Puha agyagpala, homokkő 3 Közepesen lágy agyag, mészkő Közepesen kemény, kemény, 1 Közepes keménységű mészkő, agyagpala 6 nagy nyomószilárdságú 2 Közepes keménységű mészkő, homokkő formáció 3 Közepesen kemény mészkő, pala, homokkő 1 Kemény mészkő, dolomit 7 Kemény, abrazív formáció 2 Kemény homokkő, dolomit 3 Kemény dolomit 8 1 Kemény kovakő Nagyon kemény, nagyon 2 Nagyon kemény kovakő abrazív formáció 3 Nagyon kemény gránit 4.1.3 Harmadik karakter A harmadik karakter a fúrók tervezési sajátosságait adja meg. A számozás 1-7-ig terjed, mely a görgős fúró csapágyazására és átmérővédelmére utal. 31
2. táblázat A görgős fúró 3. karakterének a jelentése (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Harmadik karakter Kód Kialakítás 1 Nyitott görgőscsapágy 2 Nyitott görgőscsapágy, léghűtéssel 3 Nyitott görgőscsapágy, átmérővédelemmel 4 Zárt görgőscsapágy 5 Zárt görgőscsapágy, átmérővédelemmel 6 Zárt siklócsapágy 7 Zárt siklócsapágy, átmérővédelemmel 4.1.4 Negyedik karakter Ez a karakter a fúró további sajátosságait definiálja, amire 11 betűből álló karakter készletet határoztak meg. 3. táblázat A görgős fúró 4. karakterének a jelentése (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Kód A C D E G J S T X Y Z Negyedik karakter Tulajdonság Siklócsapágy légöblítéshez, légfúvóka Központi fúvóka Ferdülés védelem Hosszabbított fúvóka Átmérő/test védelem Elhajlított öblítősugár Szabványos mart fogazású modell Kétgörgős modell Véső alakú keményfém fog Kúpos keményfém fog Egyéb betét alak 4.2 Fix vágóélű fúrók osztályozása A fix vágóélű fúrók, tehát a PDC, TSP és a természetes gyémántfúrók osztályozása egy 4 karakterből álló kódrendszer alapján történik, mely segítségével a fúró 7 fő tulajdonságáról szerezhetünk információt, úgy, mint a vágóelem típusa, a fúrótest anyaga, a fúróprofil, az öblítés, a öblítés eloszlása, a vágóelemek mérete és a vágóelemek sűrűsége. 32
4.2.1 Első karakter 5 betűt alkalmaznak a vágóelemek típusának és a fúrótest anyagának jellemzésére. 4. táblázat A fix vágóélű fúrók 1. karakterének a jelentése (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Első karakter Kód Fúrótest anyaga Vágóél anyaga D mátrix befoglalásos természetes gyémánt M mátrix befoglalásos PDC S acél befoglalásos PDC T mátrix befoglalásos TSP O egyéb 4.2.2 Második karakter Az 1-től 9-ig terjedő skálán a fúrók profilkialakítására és vágófelületére utal, ahol az 1 a hosszú parabolikus fúróprofil, 2-től 8-ig átmenet a két szélső érték között, 9 a lapos profil. 5. táblázat A fix vágóélű fúrók 2. karakterének a jelentése (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) G - Átmérő magasság Második karakter C - Korona magasság magas közepes alacsony C > 1/4D 1/8D C 1/4D C > 1/8D G > 3/8D 1 2 3 1/8D G 3/8D 4 5 6 G < 1/8D 7 8 9 33
4.2.3 Harmadik karakter A fix vágóélű fúrók hidraulikájának kialakítását jellemzi a harmadik karakter. 6. táblázat A fix vágóélű fúrók 3. karakterének a bemutatása (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Harmadik karakter Változtatható fúvóka Állandó fúvóka Nyitott torok Szárnyas 1 2 3 Bordázott 4 5 6 Nyitott 7 8 9 R- Radiális áramlás X - Keresztirányú áramlás O Egyéb 4.2.4 Negyedik karakter A vágóelemek sűrűségét és azok méretét jellemző karakter. 7. táblázat A fix vágóélű fúrók 4. karakterének a jelentése (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Negyedik karakter Vágóelem sűrűség Vágóelem méret Ritka Közepes Sűrű Nagy 1 2 3 Közepes 4 5 6 Kicsi 7 8 9 O - Impregnált 34
5. Használt fúrók kiértékelése A fúrókiválasztás elsősorban a fúrók kiértékelése során szerzett tapasztalati adatokon alapszik. Nagyon fontos pontosan feljegyezni minden fúrási paramétert és alaposan tanulmányozni az elhasznált fúrók károsodását. 1987-ben az IADC által létrehozott használt fúró kiértékelési rendszert alkalmazzák világszerte. Miután a fúrót kiépítették meg kell vizsgálni az állapotát és ez alapján kell kitölteni a munkalapot, mely nyolc szempontból írja le a fúrót. Az első 4 hely a vágószerkezet állapotát írja le. Az 5. a csapágy tömítéséről ad tájékoztatást. A 6. az átmérőkopás helyét jelöli. A 7. pedig az egyéb károsodást. Ha két feltűnő kopási mód van, akkor a jellemzőbbet kell a 3. karakterhez írni és a kevésbé jellemzőt ide. A 8. a kiépítés okát tünteti fel. [4] 8. táblázat Az IADC használtfúró kiértékelési rendszere (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Vágószerkezet (T) B G Megjegyzés 1 2 3 4 5 6 7 8 Belső sorok (I) Külső sorok (O) Sérülések jele (D) Sérülések helye (L) Csapágy / Tömítés (B) Átmérő 1/16" (G) Egyéb kopás (O) Kiépítés oka (R) 5.1 A belső és külső sorok Az IADC kódrendszer a belső és külső sorok (inner rows, outer rows) jellemzésére egy 1-től 8-ig terjedő skála alapján jellemzi a fogak kopottságának a mértékét. A 0 azt jelenti, hogy a fúró fogazata sértetlen, a 8 pedig azt, hogy használhatatlanná váltak a kőzetbontó elemek. PDC fúrók esetén a lapkák átmérőjének hiányzó részét jelenti, függetlenül a kopás alakjától. A kiértékeléskor a fúró egyes területrészeinek átlagos kopását, illetve egyéb sérüléseit kell feltüntetni. A fix vágóelemes fúróknál a sugár 2/3 részéig tartó középső részt nevezzük a belső soroknak. Az ezen a területen lévő vágóelemek egyenkénti minősítése után a kapott értékek átlagát kell venni. A külső terület, a sugár 1/3 részéhez tartozó gyűrű alakú rész sérüléseit ugyan ezzel a metódussal számoljuk ki. A 2/3 és 1/3 rész helyének pontos meghatározása, úgy történik, hogy megnézzük melyik vágóelem áll a legmagasabban. Így a legmagasabb pontnál van a határ a belső és a külső rész között. A 26. ábrán láthatók a kőzetbontó elemek kopásának a mértékének a becslésére szolgáló ábrák, illetve a külső és belső rész meghatározására szolgáló rajz. 35
26. ábra A fúrók vágóelemeinek a kopása, valamint a belső és külső területek eloszlása (Forrás: ReedHycalog Roller Cone Drill Bits Catalog, 2017) 5.2 Sérülés jellege és helye A harmadik és hetedik oszlopban a sérülés jellegét jelöljük meg, mely a legjobban fejezi ki az eltérést a fúró új állapotától. Ezeket a kódokat az alábbi táblázat tartalmazza. 9. táblázat A fúrók sérüléseinek a jelölése (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Jelölés Meghibásodás neve Jelölés Meghibásodás neve BC Törött görgő LN Elveszett fúvóka BF Fog rögzítési hiba LT Elveszett fogak BT Törött fogak, vágóélek OC Excentrikus kopás BU Labdásodás PB Összenyomott fúró CC Repedt görgő PN Eldugult fúvóka CD Vonszolt görgő RG Lekerekített fúró CI Görgők egymásra hatása RO Kör alakú kopás CR Belső fogak elvesztése SD Fúróláb károsult CT Lepattant / lecsípett fogak SS Önéleződésből eredő fogazat kopás ER Erózió TR Nem megfelelő RPM alkalmazása FC Ellaposodott fogak WO Kinyalódott fúró LM Hiányzó mátrix DL Levált PDC lap WT Elkopott fogak JD Idegen fémanyag okozta sérülés HT Hőhatás NO Nincs sérülés A harmadik oszlopban megjelölt károsodás helyét a negyedik oszlopban tüntetjük fel. A görgős fúrónál a görgők számozása úgy történik, hogy a leghosszabb görgő az 1-es számú, majd az óramutató járásával megegyező irányban folytatódik a számozás. Az egyes területeket megnevezése a 10. táblázatban látható. 36
10. táblázat A fúrók sérüléseinek a helye (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Jelölés Megnevezés A Mindenütt C Görgő (1,2,3) G Átmérő H Átmérő sor N Orr M Középső sor S Váll T Kúp 5.3 Csapágy és tömítés Ez az oszlop a csapágyazástól függően vagy egy számot vagy egy betűt tartalmaz. Nyitott csapágyazású fúrók esetén egy 0-től 8-ig terjedő lineáris skálán jelöljük a csapágy állapotát. A 0 azt jelenti, hogy még nem volt használva, a 8-as pedig azt, hogy használhatatlan. A zárt csapágyazású fúrók esetén a betűkód a tömítések állapotát jelöli. 11. táblázat A fúrók csapágyazásának és tömítésének a jelölései (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Jelölés E F N X Megnevezés Jó a tömítés Meghibásodott a tömítés Nem lehet meghatározni Nincs csapágy (fix fúrók esetén) 5.4 Átmérő A fúró átmérőjének a csökkenését jelöli 1/16 hüvelykben. Ha nincs átmérő kopás, akkor 1-et kell írni. A görgős fúróknál az úgynevezett 2/3-os szabállyal határozzák meg. Egy fém körgyűrű segítségével történik a mérés, aminek a mérete a fúró eredeti átmérőjével azonos. Két görgő széléhez igazítják a gyűrűt és lemérik a harmadik görgő és a körgyűrű közötti távolságot, majd ezt a távolságot megszorozzák 2/3-dal és az inch legközelebb eső 1/16-ához kerekítik. A 27. ábra szemlélteti ezt a módszert. 37
12. táblázat A fúrók átmérőkopásának a jelölései (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Jelölés Megnevezés 1 Nincs átmérő csökkenés 2 1/16" átmérő csökkenés 3 2/16" átmérő csökkenés 4 3/16" átmérő csökkenés 27. ábra Használt fúró átmérőjének a mérése (Forrás: ReedHycalog Roller Cone Drill Bits Catalog, 2017) 5.5 A kiépítés oka A 8. oszlopban kell feltüntetni a kiépítés okát, melyek a következők lehetnek. 13. táblázat A fúrók kiépítésének az okai (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Rövidítés Meghibásodás neve Rövidítés Meghibásodás neve BHA BHA váltás LOG Szelvényezés CP Magfúrás helye PP Szivattyú nyomás CM Iszap kondicionálás PR ROP változás DMF Iszapmotor hiba RIG Berendezés javítás DP Eldugult fúrószár TD Tervezett mélység DSF Fúrószár hiba TQ Nyomaték WO Kinyalódott szerszám TW Fúrószár széttekeredése DTF Talpi szerszám hiba WC Időjárás FM Réteg váltás HP Lyuk problémák 38
6. Mélyfúrás hidraulika 6.1 Az öblítés szerepe a mélyfúrásban A hatékony furadék kiszállítás a folyamatos mélyfúrás alapfeltétele. A lyuktalpról a furadék szemek a gyűrűstéren át való felszínre szállítása, azaz a hidromechanizáció tette folyamatossá, hatékonyabbá és gyorsabbá a fúrólyukak lemélyítését. Hidromechanizáció alatt a szilárdanyagnak áramló folyadékkal együtt való függőleges szállítását értjük. Cél a tökéletesen tiszta, vagyis az újraaprítás mentes lyuktalp biztosítása. Ennek megvalósításához szükség van a megfelelően optimalizált hidraulikára. [9] 6.2 Az öblítéses mélyfúrás kialakulása A mélyfúrás kialakulásának kezdetén sokáig nem alkalmaztak öblítést, így sok időveszteséggel járt a lyuktalp megtisztítása, mivel nem egyidőben történt a fúrás és a furadékeltávolítás a lyuktalpról. Erre a megoldás a francia M. Fauvelle nevéhez fűződik, aki egy 1833-ban végzett artézikút fúrásánál figyelte meg, hogy a már termelésbe indult kút vize a furadékot a felszínre szállítja. E megfigyelése alapján jött az ötlete, hogy öblítéssel megoldható lenne a folyamatos lyuktalptisztítás. Elmélete szerint, ha egy üreges rudazaton vizet nyomnak a fúrólyukba, a felszínre visszatérő víz a fúrószár és a lyuktalp közötti gyűrűstéren át magával hozza a kifúrt kőzetrészeket is. Fauvelle szerszáma menetekkel kapcsolódó, kovácsoltvasból készült csövekből állt, mely alsó és felső végén egy perforált (furatos) fúrócsővel és a csőrudazat felső végén egy hajlékony csővel egy nagy nyomású szivattyúhoz volt csatlakoztatva. 1845-ben egy 186 m mélységű vízkutat mélyített le Perpignanban az új módszerével. Egy évvel később szabadalmaztatta találmányát Franciaországban. 1844-ben Angliában született egy másik szabadalom is Robert Beart jóvoltából, mely a gépi hajtású öblítéses forgófúrásra fókuszál. Elméletének gyakorlati megvalósításáról nincs adat. Lényege az volt, hogy a vízöblítést nem szivattyúval, hanem egy magasabban és egy alacsonyabban elhelyezett tartálypárral valósította volna meg, melyek között szivornyát alkalmazott. Mindez fordított öblítéssel történt, tehát a magasabban fekvő tartály közepén volt a lyukszáj és a körülötte lévő tartályból a gyűrűstérbe áramlott a víz. A furadék a fúrócsövön át jutott volna a felszínre. Az vízöblítéses forgófúrás gyorsan teret hódított magának Európában, habár voltak szkeptikusok, akik a száraz fúrást részesítették előnyben, mivel szerintük az olajtároló rétegeket károsítja (elvizesíti) ez a megoldás. Amerikában az akkoriban elterjedt kötélfúrás volt a népszerűbb módszer, ezért ott nem igazán váltott ki hatást az 1889-ben M. T Chapman által az USA-ban szabadalmazott sűrű öblítés. Sűrű öblítés alatt a 39
természetesen képződő agyagiszap alkalmazása értendő, mely egy plasztikus, szerkezeti viszkozitással rendelkező folyadék. Az iszapos öblítés elterjedését az Európából érkező Anton Francis Luchich segítette elő, amikor a texasi Spindletopban a Hamill testvérekkel sűrű öblítéses módszerrel lemélyített kútja napi 16 000 m 3 olajat termelt. A 30-as évekre fejlődött ki az az öblítőfolyadék, amely egyrészt szilárdanyag tartalmával és az ebből adódó sűrűségével ellensúlyozza a tárolókőzetek pórusnyomását, másrészt a reológiai és kolloid tulajdonságai segítségével rendkívül jól szolgálja a lyukfal és a tárolókőzetek védelmét, tehát az iszaplepényképződést és a kiszűrődést. A jól beállított reológiai jellemzőkkel a furadék szemek süllyedési sebességénél kisebb felfeleáramlási sebességgel is biztosítja a megfelelő kiszállítást, továbbá gondoskodik a szerszámzat hűtéséről és kenéséről. A plasztikus, szerkezeti viszkozitással rendelkező, illetve tixotróp öblítőfolyadék nyírási feszültségviszonyai és gélerőssége a mérvadó az öblítőiszap teherbíróképessége szempontjából. A sebességprofil mentén kialakuló nyírási feszültségekből következő súrlódásnak egyensúlyt kell tartania a furadék szem súlyával, illetve nagyobbnak kell lennie annál. A tixotróp jellegből adódóan az idő függvényében növekedő nyírási feszültségek akadályozzák meg az öblítési szünetekben a furadék szemek kiülepedését. Az ellenőrzött sűrűséggel, reológiai és kolloid jellemzőkkel rendelkező, valamint ezen jellemzőket megfelelő iszapképző és javító anyagoknak, organikus kolloidoknak, polimereknek az adalékolásával és vegyszeres kezelésével mindig a kívánatos szinten tartó, gyorsabb, olcsóbb fúrásokat eredményező, széles választékú öblítőfolyadék típusok váltak elérhetővé. Alapközege az 50-es évektől kezdve sok esetben a víz, de a nagyobb hőtűrés, valamint a lyukfal stabilitásának megőrzése érdekében olaj is lehet, amelyben a reológiai jellemzők szinten tartása és a sűrűség beállítása érdekében alkalmazott szilárdanyagok mellett, többek között gazdasági okok miatt víz is van diszpergálva (invert emulziós öblítőfolyadék). [9] [10] 6.3 A rotari jetfúrás Az 50-es években ismét egy komoly előrelépés következett be a mélyfúrás történetében, mégpedig a rotari jetfúrás, amellyel tökéletesebbé vált a lyuktalp tisztítása, s így alkalmazása segítségével sokkal gyorsabb előrehaladást értek el. Míg a közönséges öblítésű rotari fúrás a lyuktalpon nem hasznosít hidraulikus energiát, addig a jetfúrás a talpra irányított folyadéksugarak segítségével kedvezőbb kőzetbontási körülményeket hoz létre, a nagyobb nyomásesés (sugársebesség) formájában. 40
1948-ban jelent meg Nolley, Cannon és Ragland tanulmánya, mely a furadék felszínre történő kihozatalát megelőzően egy új öblítési funkciót, a lyuktalpról leválasztott kőzetszilánkoknak az onnan történő eltávolítását, a furadékelsodrást állította előtérbe. Ennek megvalósítására ez idáig a fúrók fúróelemeire irányított öblítőnyílások helyett a lyuktalp irányába állított, szűkített, keményfém fúvókák jelentettek megoldást. A lyuktalpra lövellő öblítősugarakkal (sugárcsöves talpöblítés), valamint azok hidraulikus energiájával valósul meg a furadék elsodrása. A rendelkezésre álló öblítőszivattyú teljesítmény minél hatékonyabb kihasználása érdekében csak akkora folyadékáram szükséges, amelyből a feláramlási sebesség a gyűrűstérben elegendő a furadék szemek felszínre juttatásához. A súrlódási ellenállások után a szivattyúteljesítményből fentmaradó teljes nyomásesésintervallum a megfelelően kiválasztott méretű fúvókákban sebességi energiává alakul és a lyuktalpon felütő öblítősugárral furadékelsodrásra fordítja azt. A jet fúvókának köszönhetően tisztább fúrólyuktalp érhető el, valamint lényegesen kedvezőbbé válik az aktív kőzetbontó tényezők érvényesülése, azaz a fúróterhelés és a fordulatszám. A hidraulikus és mechanikus kőzetbontási módszerek együttesen megtöbbszörözik a rotari fúrás sebességét. A kis átmérőjű fúvókákban (28. ábra) érvényesített minél nagyobb nyomásesés alkalmazása fokozatosan elvezethet ahhoz a tökéletesen tiszta lyuktalphoz, melynél a fúró előrehaladását már csak a fúró kőzetbontó képessége, illetve az aktív kőzetbontó tényezők nagysága és megfelelő összhangja korlátozza. [9] [10] 28. ábra Fúvóka jet hatása (Forrás: Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) 41
6.4 Reológiai modellek A hidraulikai számitások legfőbb célja a fúrási folyadék viszkozitásának bizonyos fúrási tényezőkre gyakorolt hatásának a megismerése. Ehhez egy megfelelő reológiai modellt kell kiválasztani, mely a nyírási sebesség és a nyírási feszültség kapcsolatát írja le. A reológiai modellek közül megkülönböztetünk Newtoni és nem-newtoni folyadékokat. A Newtoni folyadékok viszkozitása egy egyenes vonallal jellemezhető, mely áthalad az origón, tehát a nyírófeszültségben fellépő növekedés egyenesen arányos a nyírási sebességgel. Ellenben a nem-newtoni folyadékoknál az a jellemző, hogy szilárd anyagként viselkednek, míg el nem érik a folyáshatárt. Állandó viszkozitást mutat állandó nyírási sebesség mellett (29. ábra). Számos modellt kidolgoztak a különböző folyadékok lamináris áramlásakor történő viselkedésének a leírására. [4] 14. táblázat Reológiai modellek (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Modell Newtoni Bingham plasztikus Hatványkitevős (Power Law) Herschel-Buckley formula (Módosított hatványkitevős) Folyadéktípus, melyre a modell alkalmazható Víz, glicerin, olaj Bentonit szuszpenzió Polimer oldatok, iszap Alapiszap Egy adott modell, a vizet kivéve vagy egy adott paraméterű egyenlet többnyire nem írja le a teljes nyírási sebességtartományban az iszap reológiai tulajdonságait. A nyírási sebesség a mértékét tekintve a fúrócsőben nagy, a gyűrűstérben kicsi. 29. ábra Newtoni, Bingham plasztikus és hatványkitevős modellek (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) A fúrási folyadék viszkozitását Marsh tölcsérrel vagy Fann viszkoziméter segítségével határozzák meg. A készüléken leolvasott értékek elemzésével lehet a legmegfelelőbb egyenletet kiválasztani. A legkisebb négyzetek elve használatos az összefüggés megállapításához. A pontos egyenletmeghatározás legalább olyan fontos, mint maga a 42
hidraulikai számítás. A hidraulikai elemzésre a gyakorlatban leggyakrabban a hatványkitevős modellt és a Bingham plasztikus modellt alkalmazzák. A Bingham féle plasztikus közeg folyása csak meghatározott küszöb nyírófeszültség meghaladása után kezdődik, majd ezután lineárissá válik a feszültség és a deformációsebesség közötti összefüggés. Az alábbi egyenlettel írható le: τ = YP + PV γ (1) Ahol: τ = Nyírófeszültség [lb/100ft 2 ] γ = Nyírási sebesség [1/s] YP = Folyáshatár (Yield Point, az a minimális erő, ami a folyást megindítja) [lb/100ft 2 ] PV = Plasztikus viszkozitás [cp] A plasztikus viszkozitás és a folyáshatár az alábbi módszerrel határozható meg. PV = θ600 θ300 YP = θ300 PV YP = 2 θ300 θ600 (2) (3) (4) A θ600 és θ300 a Fann 35 viszkoziméteren, a két különböző, 600 és 300 fordulat/perc nyírási sebességhez tartozó, leolvasott érték. A hatványkitevős módszer igyekszik megoldani a Bingham plasztikus modell hiányosságait kis nyírási sebességnél. Feltételezi, hogy a folyadék pszeudoplasztikus. A következő egyenlettel írható le. τ = K γ n (5) Ahol: τ = Nyírófeszültség [lb/100ft 2 ] γ = Nyírási sebesség [1/s] K = Konzisztencia index n = Viselkedési index Az n és K értékek írják le a folyadék nem-newtoni viselkedésének mértékét, meghatározásukra tapasztalati képletet alkalmaznak. n = 3. 32log θ600 θ300 (6) 43
K = θ300 511 n (7) Ha az n értéke 1, akkor a folyadék Newtoni, ha kisebb mint 1, akkor nem-newtoni, ha nagyobb mint 1, akkor dilatáns. Tehát ahogy az értéke csökken, úgy válik egyre inkább nem-newtoni folyadékká és az emelkedő nyírási sebesség hatására a viszkozitása csökken. A K konzisztenciaindex az iszap vastagságának a mértéke. A K az nem más, mint a nyírási feszültség egy adott nyírási sebesség egy másodpercre eső értékén. Növekvő értéke növekedést jelent a lyuktisztítás hatékonyságában. Mivel a hatványtörvényes modell matematikailag összetettebb a Bingham-plasztikus modellnél, sokkal pontosabb eredményt produkál az alacsony nyírási sebességekhez tartozó nyírási feszültségek meghatározásában. Az iszapok reológiai viselkedése elsősorban a hőmérséklettől függ. Többnyire a Fann 35 viszkoziméteren a 45 C-on leolvasott értékeket veszik alapul a hidraulikai számításokhoz. 75-120 C-os lyuktalpi hőmérsékletnél a fúrási folyadék viselkedésének a hőmérsékletfüggését vagy számítással, vagy a Fann 35 készüléken 75 C-on történő leolvasásával határozzák meg. A 120 C lyuktalpi hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletű lyukaknál a folyadék viselkedésének hőmérsékletfüggését vagy számítani kell, vagy nagy hőmérsékletű rotációs viszkoziméterrel szükséges mérni (Fann 50 készülék). [3] [4] [7] 6.5 Az áramlás típusai A fúrási folyadékoknál a fúrás folyamán különböző típusú áramlások alakulhatnak ki. A hidraulikai számításokhoz meg kell határozni, hogy az öblítőfolyadék áramlása turbulens vagy lamináris. 6.5.1 Nincs áramlás A fúrási folyadékok nagy része ellenállást fejt ki a folyással szemben, ezért az áramlás megindításához nyomásra van szükség. Az ekkor fellépő erőhatás maximális értéke nem más, mint a folyadék folyáshatára. Egy fúrólyukban a folyáshatárral arányos az az erő, mely az öblítés megindításához szükséges. 6.5.2 Dugós áramlás A valódi folyáshatár meghaladása után egy szilárd dugó mozgásához hasonló az áramlási kép. Ennél a típusú áramlásnál az áramlási sebesség a csőátmérő vagy a gyűrűstér szélesség mentén állandó, kivéve a falmenti határréteget. Az áramlási sebességprofil egyenes. 44
6.5.3 Dugós-lamináris átmeneti tartomány Az áramlási sebesség növekedése során nyíróhatás lép fel a folyadékrétegek között és az áramlás tengelyében a dugós áramlás átmérője csökken. Az áramlási sebesség a fal mentétől a központi dugó széléig nő. A központi dugónak a legnagyobb az áramlási sebessége, a sebességprofilja egyenes. A fal felé közeledve a sebességprofil csökken. A fal mentén a sebesség nulla. 6.5.4 Lamináris áramlás Az áramlási sebesség további növekedése során annak és a falmenti effektusnak a hatása a folyadékra is növekszik. Egy bizonyos állapotnál a központi dugó megszűnik. Ekkor az áramlás tengelyében a legnagyobb a sebesség, mely nullára csökken a fal mentén. A sebességprofil parabola ebben az esetben. A folyadékszál sebessége arányos a faltól (cső vagy gyűrűsér) mért távolsággal. 6.5.5 Lamináris-turbulens átmeneti tartomány Az áramlás sebességének a növekedésével a rendezett áramlás kezd megszakadni. 6.5.6 Turbulens áramlás A sebesség további növekedésének a hatására a rendezett (zavartalan) áramlás megszűnik és a folyadék örvényleni kezd. Az átlagos folyadékáramlási sebesség továbbra is tengelyirányú, de az egyes folyadékrészecskék mozgási iránya ettől nem meghatározhatóan eltérhet. Ezt az áramlást nevezzük turbulensnek. Ezen állapot elérése után az áramlási sebesség további növekedésével csak a turbulencia növekszik. 30. ábra Lamináris (a,) és turbulens (b,) áramlási kép (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) 45
6.6 Optimális hidraulika A fúrási hidraulika optimalizálásának célja a megfelelő lyuktisztítás, illetve a fúrószárban, a fúrón, valamint a gyűrűstérben keletkező nyomásveszteség összhangjának a megteremtése. A hidraulika optimalizációjára hatással van a sűrűség és a reológia. A sűrűséget a lehető legkisebb, de a lyukegyensúly és a lyukfalstabilitás szempontjából biztonságos értéken kell tartani, ezért az egyenértékű öblítési sűrűség (ECD) függ az öblítési ütemtől és az iszap viszkozitásától. Ezt szintén a legkisebb értéken kell tartani. Ahol: ρ = Sűrűség [ppg] ECD = ρ + P a D 0. 052 ΔP a = Gyűrűstéri nyomásveszteség egy adott öblítési ütem mellett [psi] D = mélység [ft] (8) A furadék kiszállítás hatékonyságát ismerni kell a megfelelő lyuktisztítási kapacitás tervezéséhez. Ez az öblítési ütem, illetve az áramlás sebességprofiljának a függvénye. A gélerősség mértéke és típusa lényeges a furadék (és a nehezítőanyag) lebegésben tartásához. Minél kisebb a gélerősség, annál kisebb a ki és beépítési nyomáshullámzás. Mindkét esetre vonatkozik ez a megállapítás, mivel a tárolórétegek pórusnyomása és a repesztési nyomása között gyakran minimális a különbség. A fúrás során a csökkentett, de biztonságos túlegyensúlyozáshoz elengedhetetlen a nyomáshullámzás lehető legkisebb értéken tartása. [7] Az analízishez a következőket kell figyelembe venni a) Litológia (kőzetkeménység, a lyukfal ellenállása az erózióval szemben) b) Furadékméret és sűrűség c) Iszapsűrűség és reológia d) A fúrószár geometriája e) Lyukgeometria és ferdeség f) Fúrótípus, fúrási sebesség g) Repesztési nyomásgradiens h) Lyukszakasz teljes mélysége 46
6.6.1 Gyűrűstéri sebesség A gyűrűstéri sebesség alsó határát a furadék kiszállítás igénye szabja meg. Egy átlagos típusú iszapra a fúrócső gyűrűsterében 0,8 m/s tekinthető az alsó határértéknek. A felszínhez közeli nagy átmérőjű lyukszakaszokban korlátozott szivattyúkapacitás esetén, elegendően nagy viszkozitású iszappal a fenti érték felével is lehet dolgozni, amíg a fúrási sebességet korlátozzuk. Nagyobb fúrási sebesség esetén a gyűrűstér túltelítődne furadékkal, ezért az áramlási sebességet ennek megfelelően jelentős mértékben kell növelni. Többnyire a súlyosbítók gyűrűsterében kialakuló turbulens áramlás kezdetét tekintik az áramlási sebesség felső határának. A hatékony lyuktisztítás kritikus faktorának szokás tekinteni az iszap furadéktartalmát a gyűrűstérben, mely 4-6% között mozoghat. A legnagyobb furadéktartalom többnyire a legnagyobb átmérőjű lyukszakaszban alakul ki. [5] [7] 6.6.2 Süllyedési sebesség Az öblítőfolyadékkal felfelé áramló furadék sebességét a gravitáció hatása csökkenti, valamint elősegíti a furadék leülepedését. Az ülepedés üteme a süllyedési sebességgel jellemezhető. A süllyedési sebességet a gyűrűstéri áramlási sebességgel összehasonlítva a tényleges felfelé áramlási sebesség és a felérkezési idő számolható. 6.7 A fúrók hidraulikájának az optimalizálása A fúrási sebességet számos tényező befolyásolja, többek között a fúró típusa, jellemzői, a fúrt formáció, illetve a fúró hidraulikája. Általában 0,4-1,0 lóerő/cm 2 hidraulikus teljesítmény eljuttatása az ideális a fúróhoz. A hidraulikai optimalizációra kétféle eljárás ismert. Az egyiknél a rendszert lyuktalpi hidraulikai teljesítményre optimalizáljuk, amikor a rendelkezésre álló szivattyúnyomás 65%-a jut a fúró fúvókáira. A másiknál a hidraulikai felütési energiára, azaz a folyadékimpulzusra optimalizáljuk, amikor a rendelkezésre álló szivattyúnyomás 48-50%-a jut a fúró fúvókáira. A felső lyukszakaszok lágy formációiban a jet hatás nem kritikus tényező. Ebben az esetben a felütési energiára célszerű optimalizálni. A mélyebben fekvő, kemény formációk fúrásakor a hidraulikai teljesítményre történik az optimalizáció. 6.7.1 Fúvókák méretének meghatározása A fúvókák méretének gyakorlati tapasztalatok alapján történő meghatározására az alábbi elveket szükséges figyelembe venni. A megfelelően kiválasztott szivattyú 47
hengerbetéttel a maximális teljesítmény 90%-át figyelembe véve ki kell számolni a rendszer nyomásveszteségét. A szokványos fúrásoknál a javasolt legkisebb öblítési ütemek általában a következők szerint alakulnak. 15. táblázat Ajánlott öblítési ütemek (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Lyukátmérő [in] Legkisebb öblítési ütem [l/min] 24 3300 17 ½ 2600 12 ¼ 1600 8 ½ 900 6-5 7/8 600 A lyukfalerózió hatásának csökkenésére a felsőbb lyukszakaszokban fenn kell tartani a lamináris áramlást a gyűrűstérben. Figyelembe kell venni, hogy az ECD nem nagyobb, mint a repesztési nyomásgradiens. Ha a javasolt legkisebb öblítési ütem sem érhető el, akkor nagyobb fúvókák választásával érdemes újraszámolni. Amennyiben kisebb fúvókákra van szükség, akkor ellenőrizni kell, hogy a megnövekedett nyomásveszteség miatt nem csökken-e az öblítési ütem a lyuktisztításhoz kívánt értékek alá. A fúró megfelelően van optimalizálva, ha a felszíni nyomás 50-65%-a jut a fúróhoz. 50% a hidraulikai felütési impulzusra és 65% a lyuktalpi hidraulikai teljesítményre. Ha a sugársebesség meghaladja a 80 m/s értéket, akkor a felsőbb lyukszakaszokban célszerű nagyobb fúvókát választani. [5] 6.7.2 Fúvóka választás A fúrógyártók állítása szerint a központi és hosszabbított fúvókákkal ellátott fúrókkal 25-30%-kal gyorsabban lehet fúrni. A gyakorlatban a lágy felszínközeli rétegek fúrásához egy központi és három hosszabbított fúvókás elrendezés bizonyult a leghasznosabbnak. Szintén javasolt a talpi visszacsapószelep alkalmazása is. Kis fúvókaméret választásánál, a dugulás megelőzése érdekében ügyelni kell arra, hogy a szivattyúk szívóvezetékében a szűrők sértetlenek legyenek. Egy másik feltevés, hogy a fúvóka lezárásával szintén növelhető a fúrási sebesség. Középkemény és kemény kőzetek fúrásánál ideális ez a megoldás, ahol az agyagfelrakódás, labdásodás veszélye nem fenyeget. 12 ¼ hüvelykes vagy ennél nagyobb fúróméret esetén nem célszerű lezárni egyik fúvókát sem, mivel általában lágyabb formációkban alkalmazzák ezeket a méreteket. 48
6.8 Fúvóka méretezés Szakdolgozatomban a hidraulikát a fúrókra vonatkoztatva mutatom be, mint az öblítőkör egyik igen fontos elemét. A fúvókákon kilépő fúrási folyadéknak rendkívül nagy szerepe van a mélyfúrásban, ezért fontos, hogy számításokkal meghatározzuk az optimális fúvókaméretet az adott szekcióban. A nyári szakmai gyakorlatom ideje alatt lehetőségem volt hosszabb időt eltölteni egy fúróberendezésnél Magyarország területén. Az ez idő alatt szerzett tapasztalatok és kútadatok alapján fogom elvégezni a WELL-1 nevű teoretikus kútra a fúvóka méretezést a Bingham-plasztikus modell alapján. 6.8.1 Nyomásveszteségek A fúróberendezésnél különböző nyomásveszteségek fordulhatnak elő az öblítőkör egyes elemeiben, melyek a következők: a) iszapszivattyú b) felszíni csatlakozások (állócső, rotari tömlő, öblítőfej, forgatórúd) c) fúrócső d) súlyosbítók e) fúró f) gyűrűstér a súlyosbítóoszlop és a lyukfal között g) gyűrűstér a fúrócsőoszlop és a lyukfal között h) kifolyó i) tartályrendszer Ahogy a folyadék áramlik ezeken a részeken keresztül, a súrlódás miatt nyomásveszteség következik be. A veszteségek elsősorban az öblítőfolyadék és az áramlás típusától függenek. A nyomásveszteségek számítása 4 fő részre oszlik: a) Felszíni rendszer veszteségei (P 1) b) Fúrószárban keletkező veszteségek (P 2, P 3) c) Gyűrűstéri veszteségek (P 4, P 5) d) Veszteségek a fúrónál (P bit) 6.8.2 Felszíni rendszer veszteségei A felszíni csatlakozásoknál jelentkező veszteségek, melyek a felszíni rendszer geometriájától és méreteitől függenek. Ezek a méretek változhatnak az időben, mivel kopások léphetnek fel az abrazív öblítőfolyadék miatt. A következőképpen számoljuk: 49
P 1 = E ρ 0.8 Q 1.8 PV 0.2 (9) Ahol: P1 = nyomásveszteség [psi] ρ = iszapsűrűség [ppg] Q = öblítési ütem [gpm] PV = plasztikus viszkozitás [cp] E = A felszíni vezetékrendszer típusától függő konstans Általánosságban 4 féle felszíni rendszer típus lehet. Mindegyik típus az állócső, a forgatórúd, a rotari tömlő és az öblítőfej paraméterei alapján van meghatározva. Az E értékét táblázatból határozhatjuk meg, attól függően, hogy milyen típusú a felszíni vezetékrendszer. 16. táblázat Felszíni vezetékrendszer típusai (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Típus Állócső Rotari tömlő Öblítőfej Forgatórúd 1 L=40 ft, ID=3 in L=45 ft, ID=2 in L=20 ft, ID=2 in L=40 ft, ID=2.25 in 2 L=40 ft, ID=3.5 in L=55 ft, ID=2.5 in L=25 ft, ID=2.5 in L=40 ft, ID=3.25 in 3 L=45 ft, ID=4 in L=55 ft, ID=3 in L=25 ft, ID=2.5 in L=40 ft, ID=3.25 in 4 L=45 ft, ID=4 in L=55 ft, ID=3in L=30 ft, ID=3 in L=40 ft, ID=4 in 17. táblázat Az E értékei (Forrás: Hussain Rabia Well engineering and Construction) Felszíni rendszer Angolszász mértékegységben Metrikus mértékegységben 1 2.5x10-4 8.8x10-6 2 9.6x10-5 3.3x10-6 3 5.3x10-5 1.8x10-6 4 4.2x10-5 1.4x10-6 6.8.3 Veszteségek a fúrócsőben és a gyűrűstérben A fúrócsőben és a súlyosbítókban keletkező nyomásveszteségek az azok belsejében történő iszap áramlása során jönnek létre. A gyűrűstéri veszteségek a fúrócső és a súlyosbítók külső alkotója mentén alakulnak ki, tehát a cső külső része és a béléscső vagy a nyitott lyukszakasz belső része között. A veszteségek mértéke függ a csövek tulajdonságaitól, az iszap reológiai tulajdonságaitól (sűrűség, plasztikus viszkozitás, folyáshatár), valamint az áramlás típusától (turbulens vagy lamináris). Mivel az öblítőfolyadék tulajdonságai a fúrólyukan az ott lévő 50
hőmérséklet és nyomás miatt eltérnek a felszíni tulajdonságaitól, ezért szükség van egy modellre, melyet alkalmazni lehet a hidraulikai számításokhoz. Több modell is létezik, de a leggyakrabban használtak a Bingham plasztikus, a hatványkitevős és a Herschel-Bulkley modell. Én a Bingham plasztikus modell alapján végeztem a számításokat. 6.8.4 Áramlás a fúrószárban Elsőként meg kell határozni az átlagos áramlási sebességet a fúrócsőben. V a = 24. 5 Q D 2 ft min (10) Ahol: Q = öblítési ütem [gpm] D = fúrócső / súlyosbító belső átmérője [inch] Ezután a kritikus sebeséget kell meghatározni a fúrócsőben. V c = 97 PV + 97 PV2 + 8. 2 ρ D 2 YP ρ D ft min (11) Ahol: PV = plasztikus viszkozitás [cp] YP = folyáshatár [lb/100 ft 2 ] ρ = iszapsűrűség [ppg] D = fúrócső / súlyosbító belső átmérője [inch] Ha a V a > V c, akkor az áramlás turbulens. Ekkor a következő képlet alkalmazandó a fúrócsövekben keletkező nyomásveszteségek meghatározására. Ahol: PV = plasztikus viszkozitás [cp] ρ = iszapsűrűség [ppg] D = fúrócső / súlyosbító belső átmérője [inch] Q = öblítési ütem [gpm] P = 8. 91 10 5 ρ 0.8 Q 1.8 PV 0.2 L D 4.8 [psi] L = fúrócsőoszlop vagy súlyosbítóoszlop teljes hossza [ft] (12) 51
Ha a V a < V c, akkor az áramlás lamináris. Az ekkor alkalmazandó képlet: P = L PV V a L YP + 90000 D2 225 D [psi] (13) Ahol: PV = plasztikus viszkozitás [cp] ρ = iszapsűrűség [ppg] D = fúrócső / súlyosbító belső átmérője [inch] L = fúrócsőoszlop vagy súlyosbítóoszlop teljes hossza [ft] 6.8.5 Áramlás a gyűrűstérben Először meg kell határozni az átlagos áramlási sebességet a gyűrűstérben. 24. 5 Q V a = D 2 h OD2 p ft min (14) Ahol: Q = öblítési ütem [gpm] OD p = fúrócső / súlyosbító külső átmérője [inch] D h = Nyitott lyukszakasz belső átmérője vagy a béléscső belső átmérője [inch] Következő lépésben meg kell határozni a kritikus sebességet a gyűrűstérben. 97 PV + 97 PV 2 + 6. 2 ρ D h OD p 2 YP V c = ρ D h OD p ft min (15) Ahol: PV = plasztikus viszkozitás [cp] YP = folyáshatár [lb/100 ft 2 ] ρ = iszapsűrűség [ppg] OD p = fúrócső / súlyosbító külső átmérője [inch] D h = Nyitott lyukszakasz belső átmérője vagy a béléscső belső átmérője [inch] 52
Ha a V a > V c, akkor az áramlás turbulens. Ekkor a következő képlet alkalmazandó a gyűrűstérbeni nyomásveszteség meghatározására. P = 8. 91 10 5 ρ 0.8 Q 1.8 PV 0.2 L D h OD p 3 [psi] 1.8 D h OD p (16) Ahol: PV = plasztikus viszkozitás [cp] ρ = iszapsűrűség [ppg] OD p = fúrócső / súlyosbító külső átmérője [inch] D h = Nyitott lyukszakasz belső átmérője vagy a béléscső belső átmérője [inch] Q = öblítési ütem [gpm] L = nyitott lyukszakasz vagy a béléscsövezett lyukszakasz teljes hossza [ft] Ha a V a < V c, akkor az áramlás lamináris. Az ekkor alkalmazandó képlet: L PV V a P = 60000 D h OD p 2 + L YP [psi] 2 200 D h OD p (17) Ahol: PV = plasztikus viszkozitás [cp] ρ = iszapsűrűség [ppg] OD p = fúrócső / súlyosbító külső átmérője [inch] D h = Nyitott lyukszakasz belső átmérője vagy a béléscső belső átmérője [inch] L = nyitott lyukszakasz vagy a béléscsövezett lyukszakasz teljes hossza [ft] 6.8.6 Az öblítőkörben érvényes nyomásegyensúly Egy adott hosszúságú fúrószár és iszaptulajdonságok esetén a nyomásveszteségek (P 1, P 2, P 3, P 4, P 5) konstansnak feltételezhetők. A fúró fúvókáira eső nyomásveszteséget nagyban befolyásolja az alkalmazott fúvókák mérete, mely meghatározza az elérhető hidraulikus lóerőt is a fúrónál. Minél kisebb a fúvóka nyílása, annál nagyobb a nyomásesés és az áramlási sebesség a fúvókán, tehát a jet hatás jobban érvényesül. P bit = P max P 1 + P 2 + P 3 + P 4 + P 5 [psi] (18) 53
Ahol: P bit = Nyomásesés a fúró fúvókáin [psi] P max = Maximális szivattyú nyomás [psi] P 1 = Felszíni nyomásveszteség [psi] P 2 = Nyomásveszteség a fúrócsőben [psi] P 3 = Nyomásveszteség a súlyosbítókban [psi] P 4 = Nyomásveszteség a súlyosbítók és a lyukfal közötti gyűrűstérben [psi] P 5 = Nyomásveszteség a fúrócső és a lyukfal közötti gyűrűstérben [psi] 6.8.7 Áramlási sebesség a fúvókán Kiszámoljuk, hogy az öblítőfolyadék milyen sebességgel áramlik ki a fúró fúvókáin a kiszámolt nyomásveszteség mellett. V n = 33. 36 P bit ρ ft s (19) 6.8.8 A fúvókák területe Az áramlási sebesség ismeretében a fúvókák területét, azaz a fúvókanyílások együttes területét ki lehet számolni az alábbi képlet segítségével. A = 0. 32 Q V n in 2 (20) 6.8.9 A fúvókaméret 1/32 hüvelykben A fúvókák területének ismeretében 1/32 hüvelykben kiszámoljuk a fúvókák méreteit. 4 A d n = 32 [in] 3 π (21) 54
Különböző fúvóka kombinációk és az azokhoz tartozó fúvókaterületek segítenek a megfelelő fúvóka kiválasztásában, melyhez a 18. táblázat nyújt segítséget. 18. táblázat Fúvóka kombinációk (Forrás: Heriot-Watt University Drilling Engineering, 2016) Fúvóka méretek [1/32 in] Fúvóka terület [in 2 ] Fúvóka méretek [1/32 in] Fúvóka terület [in 2 ] 18-18-18 0.75 13-13-13 0.39 18-19-17 0.72 13-13-12 0.37 18-17-17 0.69 13-12-12 0.35 17-17-17 0.67 12-12-12 0.33 17-17-16 0.64 12-12-11 0.31 17-16-16 0.61 12-11-11 0.30 16-16-16 0.59 11-11-11 0.28 16-16-15 0.57 11-11-10 0.26 16-15-15 0.54 11-10-10 0.25 15-15-15 0.52 10-10-10 0.23 15-15-14 0.50 10-10-9 0.22 15-14-14 0.47 10-9-9 0.20 14-14-14 0.45 9-9-9 0.19 14-14-13 0.43 9-9-8 0.17 14-13-13 0.41 9-8-8 0.16 6.8.10 Hidraulikus lóerő és felütési erő A hidraulikus lóerő meghatározza, hogy a furadékot milyen erővel tudjuk eltávolítani a lyuktalpról. A fúrón bekövetkező nyomásesésből és az öblítési ütemből a következő képlettel határozhatjuk meg a lyuktalpra vitt erőt. HHP = P bit Q 1714 (22) A hidraulikus Jet hatás azon az elven alapszik, hogy a furadék eltávolítás akkor a leghatékonyabb, ha a fúrási folyadék nagy erővel lövell ki a lyuktalpra. Ezt nevezzük felütési erőnek (impact force), melyet a következőképpen számíthatunk ki (angolszász mértékegységekben). IF = Q ρ P bit 58 [lbf] (23) 55
7. Számítások A kút 3 szekcióból áll. Az első 24 m levert béléscső oszlop. A második szekció 920 méterig tart, melyet egy 12 ¼-es három görgős fúróval mélyítettek le, melynek IADC kódja 1.3.5, vagyis mart fogazású a fúró, illetve puha, kis nyomószilárdságú a formáció (agyagpala). A harmadik szekció 1730 méterig tart, melyet egy 8 ½-es mart fogazású fúróval mélyítettek le. IADC kódja 2.3.5, tehát közepesen kemény, nagy nyomószilárdságú formáció áthatolására alkalmas. Mindkét fúró 3-3 fúvókával rendelkezik. A fúrók adatai a 19. táblázatban láthatóak. A szivattyúnyomás mindkét szekciónál azonos maradt, tehát nem történt hengerbetét csere. 1730 méterig elegendőnek bizonyult a 2200 psi. A kút egyéb adatait és egyszerűsített vázlatát a 31. ábra mutatja. 31. ábra A WELL-1 kút vázlata (Forrás: Saját magam) 19. táblázat A WELL-1 fúrói (Forrás: Saját magam) Fúró típus Méret IADC Be Ki Varel DT1GJMR3 12 1/4" 1.3.5 24 m 920 m ReedHycalog TC11P 8 1/2" 2.3.5 920 m 1730 m 56
A számításomhoz használt kút adatokat az alábbi táblázat tartalmazza. 20. táblázat Kút adatok (Forrás: Saját magam) Második szekció Harmadik szekció Mélység (TVD) L=920 m=3018 ft Mélység (TVD) L=1730 m=5 676 ft Saru mélység LS=24 m=78.7 ft Saru mélység LS=920 m=3 018 ft Fúrócső belső átmérő DPID=4.26 in Fúrócső belső átmérő DPID= 4.26 in Fúrócső külső átmérő DPOD=5.0 in Fúrócső külső átmérő DPOD=5.0 in Fúrócsőoszlop hossza DPL=853 m=2798.5 ft Fúrócsőoszlop hossza DPL=1663 m=5 456 Súlyosbító belső átmérő DCID=2.94 in Súlyosbító belső DCID=2.94 in Súlyosbító külső átmérő DCOD=6.0 in Súlyosbító külső DCOD=6.0 in Súlyosbítóoszlop hossza DCL=67 m=220 ft Súlyosbítóoszlop DCL=67 m=220 ft Fúró átmérő DB=12.25 in Fúró átmérő DB=8.5 in Béléscső belső átmérő CSGID= 16 in Béléscső belső átmérő CSGID=8.921 in Plasztikus viszkozitás PV= 16 cp Plasztikus viszkozitás PV=18 cp Folyáshatár YP=17 lb/100 ft 2 Folyáshatár YP=17 lb/100 ft 2 Iszapsűrűség ρ=8.4 ppg Iszapsűrűség ρ=9.4 ppg Öblítési ütem Q=475 gpm Öblítési ütem Q=475 gpm Felszíni vezetékrendszer típusa 2. Kategória Felszíni vezetékrendszer típusa 2. Kategória Max. szivattyú nyomás Pmax=2200 psi Max. szivattyú nyomás Pmax=2200 psi 7.1 Eredmények A számításaimat a 6.8. fejezetben található egyenletek alapján végeztem el a megadott adatok felhasználásával. Az eredményeket a 21.-30. táblázatok tartalmazzák melyek a mellékletben találhatóak. Számításaim során arra a megállapításra jutottam, hogy a második szekcióban hasznát fúróhoz az ideális fúvókakombináció a 12-11-11, hiszen a számított szükséges fúvóka terület 0.304 in 2 és a 18. táblázat szerint ez az ideális fúvóka összeállítás. A második szekcióban a számított szükséges fúvóka terület 0.353 in 2. A 18. táblázat alapján erre a szekcióra az optimális fúvókakombináció 13-12-12. 32. ábra 12/32 hüvelykes fúvóka (Forrás: Saját magam) 57