Lucrari de foraj – curs

Desi nu este adus la zi, aveti mai jos un curs despre foraje :

1. Introducere în forarea sondelor

Dezvoltarea societăţii umane a fost şi este dependentă de resursele naturale (apa-potabilă şi industrială, combustibili fosili-hidrocarburi, cărbuni, minereuri). Plasarea acestora în scoarţa terestră, la adâncimi nu întotdeauna accesibile, a impus găsirea unor soluţii pentru identificarea şi exploatarea lor. S-au dezvoltat în consecinţă de-a lungul istoriei tehnicile şi tehnologiile de foraj.
Astăzi lucrările de foraj sunt folosite în mai multe domenii: cercetare geologică, extracţie de petrol şi gaze, exploatarea apelor subterane, executarea de lucrări miniere (puţuri, găuri de ventilaţie), cercetări geotehnice.

Sonda este o construcţie minieră specială, de formă cilindrică, verticală sau înclinată, caracterizată printr-un raport mare între lungime (adâncime) şi diametru, executată cu instalaţii speciale. Deschiderea de formă cilindrică, fără consolidare cu burlane, se numeşte gaura de sondă. Partea superioară a unei sonde se numeşte gura sondei, iar parte inferioară –talpa sondei. Gaura de sondă este delimitată lateral de peretele găurii de sondă.
Forarea (forajul) cuprinde un complex de lucrări de traversare, consolidare şi izolare a rocilor traversate, necesar executării unei sonde. Este o operaţie de dislocare a rocilor şi de evacuare la suprafaţă a fragmentelor rezultate (detritus).
Forarea sau săparea sondelor se execută cu ajutorul instalaţiilor de forare (foraj). Funcţie de scopul urmărit instalaţiile de foraj sunt de capacitate mare (sonde sau instalaţii grele de foraj) şi instalaţii de foraj de mică adâncime (sondeze, sau instalaţii uşoare de foraj).
Sondele au putere instalată mare (mii de CP), execută găuri la adâncimi mari (mii de metri), cu diametre mari (sute de mm la 7000mm- forajele de mare diametru). Garnitura de foraj utilizată este de diametru mare (se măsoară în inci=tol; 1inci=25,4mm).
Sondezele au puteri instalate mici (sute de CP), execută găuri frecvent de până la 1000m, dar pot ajunge şi la 2000m, găuri cu diametre mici.
Dislocarea rocii în talpa sondei se execută cu instrumente speciale. Scopul executării forajului impune modul în care se face dislocarea rocii în talpa sondei. Pentru forajele de cercetare, care urmăresc obţinerea unor eşantioane, dislocarea în talpa sondei se face circular, cu ajutorul unui instrument numit cap de carotieră (freză). În acest caz vorbim de forajul prin carotaj mecanic. Eşantioanele obţinute se numesc carote.
Dacă dislocarea în talpa sondei este circulară completă, instrumentul de dislocare se numeşte sapă.
Instrumentul de dislocare este antrenat cu ajutorul garniturii de foraj (prăjini de foraj), iar detritusul este scos la suprafaţă de fluidul de foraj (de circulaţie).

1.1.Clasificarea forajelor

Clasificarea se face după mai multe criterii.
1. după scop
1.1. Foraje de cercetare geologică
• foraje de referinţă – sunt destinate cercetărilor regionale, se execută la adâncimi relativ mari, în carotaj mecanic continuu;
• foraje de prospecţiuni – urmăresc studiul complex al depozitelor dintr-o anumită regiune, cu precizarea tuturor aspectelor privind litologia, tectonica, resursele minerale, etc. Se execută în carotaj mecanic continuu;
• foraje de explorare – au drept obiectiv conturarea unor zăcăminte, cu determinarea parametrilor cantitativi şi calitativi, necesari în calculul rezervelor, precum şi stabilirea condiţiilor geologice de zăcământ.
1.2. Foraje de exploatare – a hidrocarburilor (petrol, gaze), precum şi a apelor subterane. În această categorie sunt cuprinse şi sondele de injecţie (pentru refacerea presiunii în zăcămintele de ţiţei) şi sondele de observaţie care urmăresc procesul de exploatare. Sarea poate fi exploatată cu ajutorul sondelor.
1.3. Foraje cu destinaţie specială
• de interes minier – se execută la zi, în cariere (derocări prin găuri de explozie), sau în subteran, pentru cercetare geologică, găuri de puşcare, drenaj, aeraj, consolidare rocilor, etc.;
• foraje hidrogeologice – executate pentru identificarea, stabilirea condiţiilor de zăcământ (parametrii calitativi şi cantitativi) şi exploatarea apelor subterane (potabile, termale, minerale);
• foraje geotehnice – utilizate pentru cunoaşterea proprietăţilor fizico-mecanice ale rocilor de fundaţie pentru construcţii civile, industriale, baraje, tuneluri, etc.;
• foraje de interes seismic – utilizate pentru provocarea unor explozii artificiale.
• lucrări de foraj cu diametre mari – utilizate în amenajări hidrotehnice, ca şi lucrări miniere (suitori, puţuri de aeraj, etc.), sau rezervoare subterane.
2. după energia utilizată la acţionarea instalaţiei
2. 1. Foraj manual
2.2. Foraj mecanic – acţionarea se face cu motoare cu abur, cu combustie internă, electrice, hidraulice, sau pneumatice.
3. după energia utilizată la dislocarea rocii
• foraj cu dislocare mecanică
• foraj cu dislocare hidromecanică
• foraj cu dislocare termică
4. după modul de acţionare asupra rocii forajul mecanic este:
4.1. Foraj percutant – dislocarea rocii în talpa sondei se face prin lovire repetată cu o sapă specială, de forma unei dălţi (trepan). Are două variante: percutant-uscat (cu tije sau cablu) şi percutant-hidraulic. În primul caz sapa este antrenată cu ajutorul unui cablu sau a unei tije (metal, lemn). Detritusul este evacuat prin introducerea unei cantităţi mici de apă şi extragerea periodică a noroiului format, cu o lingură cilindrică. În forajul percutant-hidraulic sapa este antrenată cu ajutorul prăjinilor (ţevi de oţel), prin care se pompează continuu fluid pentru spălarea tălpii de detritus.
4.2. Foraj rotativ – cel mai utilizat este forajul rotativ-hidraulic, cu evacuarea materialului dislocat prin circulaţie de fluid. Are două variante: cu rotaţie de la suprafaţă (cu masă rotativă, sau cap rotativ la sondeze) şi cu motoare submersibile. Procesul de forare este continuu, cu evacuarea permanentă a detritusului cu ajutorul fluidului de foraj. Dislocarea rocii se realizează cu diferite tipuri de sape, care execută o mişcare de rotaţie şi pătrundere în teren.
Metoda rotativ-hidraulică se numeşte şi rotary. Sapa este rotită de motoarele instalaţiei prin intermediul masei rotative şi a prăjinilor de foraj. Pentru pătrunderea sapei în roci apăsarea este asigurată de garnitura de foraj. Fluidul de foraj este pompat în talpă prin interiorul prăjinilor.
4.3. Foraj rotativ –percutant

1.2. Dezvoltarea forării sondelor

Primele deschideri prin foraj sunt cunoscute din antichitate. În Egipt în timpul construirii piramidelor s-au executat sondaje cu ajutorul unor tuburi din bronz, armate cu grăunţi de diamant. În China (cu 1700 ani î.e.n.) se săpau sonde cu adâncimi de 500m în sistemul percutant, cu prăjini de bambus şi cu acţionare manuală.

Exploatare şi prelucrarea petrolului a determinat dezvoltare forajului. Până la utilizarea forajului în exploatarea petrolului, aceasta se realiza prin puţuri săpate manual.
Prima sondă pentru petrol a fost forată în Rusia, lângă Baku (1848), în sistem percutant uscat. Abia în 1859, se forează prima sondă pentru petrol în SUA (Pensylvania).
În România, prima sondă de petrol (mijloace mecanice) a fost forată în 1861 la Mosoare (Târgu Ocna). A fost folosit sistemul percutant uscat cu prăjini de lemn.
Primele sonde se sapă în sistemul percutant uscat, dar se trece la forajul percutant hidraulic, la care evacuarea detritusului se realiza continuu, prin circulaţia apei. Acest sistem permitea adâncimi mai mari de forare şi creşterea siguranţei de lucru. În România sistemul a fost aplicat în 1896 în Prahova (Băicoi).
Când apare sistemul sistemul rotativ (sistemul rotary)? La începutul secolului 20 apare în SUA. În România, primele sonde în acest sistem, au fost forate în 1906 (Moreni-Prahova, Tescani –Bacău).
Dezvoltare sistemului rotativ hidraulic duce la creşterea vitezelor de forare şi a adâncimilor sondelor.
În fosta URSS, după 1922 se introduce forajul cu turbină, care este un sistem de foraj rotativ, cu un motor amplasat deasupra sapei. La noi s-a aplicat după 1952. Este preferat în cazul rocilor dure şi la forajul dirijat.
Dintre variantele sistemului de foraj cu motor submersibil un interes deosebit îl prezintă flexo-forajul. Garnitura de foraj este formată dintr-un tub flexibil, cu o structură specială.
Cu toată diversitatea sistemelor şi variantelor, sistemul rotativ cu masă este cel mai folosit.
Recordul de adancime atins pe plan mondial este de 12.390m (Murmansk-Rusia). În România adâncimea maximă atinsă este de 7025m (Tufeni-Băicoi).

1.3. Componentele instalatiilor de forare

Instalaţiile de forare, sonde sau sondeze, au componentele de bază comune. Aceste componente se împart în componente de suprafaţă şi componente de interior. Componentele de suprafaţă, funcţie de rolul lor sunt:
• Grup de forţă-pentru acţionare, format din motoare, motoare electrice de fund;
• Turla cu substructură;
• Sistemul de manevră-pentru intoducerea şi extragerea garniturii de foraj cu instrumentele de dislocare (sapă, freză). Este alcătuit din macara, troliu, geamblac, cârlig, cablu de foraj, şi scule de manevră (elevatoare, pene, cleşti);
• Sistemul de rotaţie-antrenează garnitura într-o mişcare rotativă. Cuprinde masa rotativă şi capul hidraulic;
• Sistemul de circulaţie-asigură circulaţia fluidului de foraj în sondă. Cuprinde pompa de noroi şi conductele de aspiraţie şi împingere (manifold, din engl. manifold=conductă de aducţie), furtun,
Componentele de interior cuprind: coloana de tubaj, garnitura de foraj şi instrumentele de dislocare.
Ciclul de foraj cuprinde succesiunea operaţiilor executate de la montarea unei instalaţii pe o locaţie şi până la demontarea şi transportul spre o altă locaţie. El poate cuprinde:
Lucrări de suprafaţă – amenajarea terenului, montajul instalaţiei de foraj şi anexelor;
Lucrări pregătitoare – verificarea stării de funcţionare a utilajelor, săparea şi consolidarea găurii prăjinii pătrate;
Săparea găurii de sondă – sau forajul propriu-zis, cuprinde un ciclu de operaţii repetat la fiecare introducere a unei sape noi în locul celei uzate şi a garniturii de prăjini până în talpa sondei. Pe măsura adâncirii sondei, la garnitura de foraj se adaugă o nouă prăjină de foraj („bucata de avansare”). O viteză mică de avansare poate indica uzarea sapei. Extragerea garniturii se face în „paşi” (câte 2-3 prăjini), care se sprijină în turlă, la pod. Toate manevrele se execută cu ajutorul sistemului de manevră şi a mesei rotative (cap rotativ).
Lucrări de consolidare şi izolare a găurii de sondă – forarea începe cu o sapă cu diametru mare, se sapă o porţiune, se tubează prima coloană (coloana de ancoraj) şi se cimentează în spatele coloanei. Se continuă forajul cu o sapă cu diametru mai mic. Funcţie de scopul sondei şi funcţie de condiţiile geologice (natura rocilor, tectonica regiunii) după coloana de ancoraj se tubează direct coloana de exploatare, sau 1-2 coloane intermediare şi apoi coloana de exploatare. Tubarea este operaţiunea de introducere a unor burlane de oţel în gaura de sondă. Burlanele se cimentează în spate în totalitate, sau parţial, pe o anumită înălţime de la talpă.
Operaţii de investigare – la forarea unei sonde, înainte de operaţiunea de tubare se pot executa diferite investigaţii geofizice de tipul carotaj electric, carotaj radioactiv, cavernometrie, măsurători de deviaţie, etc.
Lucrări de punere în producţie – au loc la forajele executate în scopul exploatării unor resurse (hidrocarburi). Sunt specifice la forajele hidrogeologice, sau lipsesc la forajele de cercetare şi la unele dintre cele speciale.
Lucrări de demontare şi transport – reprezintă etapa de finalizare a forajului.
Lucrări de instrumentaţie – sunt lucrări speciale executate pentru rezolvarea unor accidente în gaura de sondă (prinderi la puţ, ruperi de prăjini, etc.). Acestea se execută cu ajutorul unor scule de instrumentaţie.
Unele etape pot să fie suprimate (consolidare şi izolare, investigare) funcţie de scopul forajului.