Fluide de Foraj Si Fluide de Izolare_Maria Georgeta Popescu_curs UPG

7/21/2019 Fluide de Foraj Si Fluide de Izolare_Maria Georgeta Popescu_curs UPG

1/208

UNIVERSITATEA DE PETROL I GAZE PLOIETI

Maria Georgeta POPESCU

2002


2/208

Fluide de foraj

5

I. FLUIDE DE FORAJ1 Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Natura i compoziia fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1 Clasificarea fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Compoziia fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Proprietile fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 Densitatea fluidelor de foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Viscozitatea aparenti gelaia fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Proprietile reologice ale fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4 Propieti tixotropice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.5 Coninutul de lichide i solide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.6 Coninutul echivalent de bentonit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.7 Coninutul de nisip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.8 Coninutul de gaze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.9 Capacitatea de filtrare i colmatare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.10 Indicele pH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.11 Determinarea alcalinitii. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.12 Coninutul de sruri solubile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.13 Stabilitatea fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.14 Activitatea fazei apoase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.15 Adezivitatea i proprietile lubrifiante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.16 Capacitatea abrazivi eroziv. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 Funciile fluidului de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1 Curirea tlpii sondei de detritus i evacuarea acestuia la suprafa. . . . . 35 4.2 Evacuarea detritusului la suprafa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3 Stabilitatea pereilor sondei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Rcirea i lubrifierea sapei i a garniturii de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.5 Capacitatea de meninere a detritusului n suspensie . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.6 Furnizarea de informaii asupra sondei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 Aditivi i materiale folosite pentru prepararea i reglarea proprietilor

fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.1 Materiale pentru reglarea densitii (de ngreuiere) . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2 Reactivi pentru reglarea viscozitii (reactivi fluidizani) . . . . . . . . . . . . 51

5.3 Aditivi pentru reducerea filtratului (antifiltrani) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.4 Floculani. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.5 Lubrifiani. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.6 Antispumani. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.7 Inhibitori de coroziune. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.8 Substane tensioactive (STA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.9 Materiale de blocare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.10 Reactivi anorganici. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64


3/208

Fluide de foraj

6

6 Sistemul ap-argil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.1 Mineralele argiloase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.2 Proprietile mineralelor argiloase n ap. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.3 Fluide de foraj dispersate (clasice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.4 Noroaie tratate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

7 Fluide de foraj inhibitive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7.1 Fluide inhibitive pe bazde ioni de K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7.2 Fluide pe bazde sare (NaCl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.3 Fluidele inhibitive pe bazde calciu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

8 Fluide pe bazde polimeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

8.1 Fluidul tip PARAN (cu polimeri si electrolii) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.2 Fluide cu anhidridmaleic-acetat de vinil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.3 Fluidul tip polimer-calcar granular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.4 Fluidul tip TENSROM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.5 Fluidul uor tip AAS 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

8.6 Fluide pe bazde Poly-Plus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

8.7 Sisteme de fluide Flo-Pro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

8.8 Sisteme Glydril. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

9 Fluide pe bazde produse petroliere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

9.1 Definire, utilizare, avantaje, dezavantaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

9.2 Compoziia generala fluidelor pe bazde produse petroliere. . . . . . . . . 103

9.3 Proprieti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

9.4 Prepararea i ntreinerea fluidelor pe bazde produse petroliere. . . . . . . 107

9.5 Fluidele negre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

9.6 Emulsiile inverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10810 Aspecte privind deschiderea stratelor productive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

10.1 Aprecierea gradului de blocare a zonei din jurul sondei . . . . . . . . . . . . . . 110

10.2 Fenomene i mecanisme de blocare a stratelor productive . . . . . . . . . . . . 111

10.3 Fluide de foraj pentru traversarea formaiunilor productive . . . . . . . . . . . 113

11 Prepararea, tratarea i ntreinerea fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . 117 11.1 Sistemul de curire de la suprafa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

11.2 Diluia necesar meninerii coninutului limit de solide n fluidul de

foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

125

11.3 Costul preparrii i ntreinerii fluidului de foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

11.4 Degazeificarea fluidelor de foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

12 Calculul cderilor de presiune n sistemul de circulaie al sondei . . . . . . . . 130

12.1 Fluide newtoniene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

12.2 Fluide binghamiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

12.3 Fluide pseudoplastice (modelul Ostwald-de Waele). . . . . . . . . . . . . . . . . 139

12.4 Cderi de presiune locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

12.5 Coeficienii cderilor de presiune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Bibliografie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144


4/208

Fluide de foraj

1.Introducere

Sonda este o construcie n scoara terestr, de form cilindric, culungimea (adncimea) foarte mare n raport cu diametrul, realizat i eventualexploatatcu mijloace de la suprafa.

Servete multor scopuri, dar cercetarea geologic i exploatareahidrocarburilor, n ultimii de ani, au determinat tehnicile i tehnologiilefolosite n prezent pentru realizare i exploatare.

150

n scopul amintit, sondele sunt realizate (forate, spate) pe uscat i pe

mare, de pe platforme fixe sau plutitoare, obinuit pornesc vertical, dar potcontinua cu traiecte nclinate i chiar multiple n zona de interes geologic, celemai multe au diametre n domeniul 100....800mm, curent se foreazn domeniul

m, adesea la m, iar cu programe speciale s-au depitm.

500500...21 0006

00010

Realizarea sondei necesitla suprafao instalaie acoperitoare ca puterei cu o structur funcional complex, o gam extrem de larg ca rol icomplexitate de scule i echipamente ce se introduc, se folosesc i se extrag dinsond, o mare diversitate de instalaii, scule, echipamente i servicii ce intervin

periodic n proces cu rol specific, asistena tehnica unor laboratoare i colective

de proiectare, echipe instruite conduse de maitri i ingineri ce asiguractivitateacontinu, echipe aflate n permanent legtur cu nivelele decizionale alecompaniei.

Pentru realizarea unei sonde se disting dou categorii de lucrri ce serepetpn la atingerea obiectivelor constructive finale: etapa dislocrii rocii iadncirii sondei pe un interval de adncime programat i cu obiective geologice

proprii, urmatde etapa consolidrii i izolrii formaiunilor geologice traversatecu o coloan de burlane din oel i cimentarea spaiului inelar dintre aceasta i

peretele sondei; cu reducerea diametrelor de lucru, etapele se repetpncnd seatinge adncimea final propus. Conform proiectului, sau ori de cte ori estenecesar, la sond se execut i alte lucrri: msurtori geofizice, recoltarea de

probe de roc (carotaj mecanic), probarea stratelor privind prezenahidrocarburilor (tester), combaterea dificultilor ce ngreuiaz forajul(instabilitatea pereilor sondei, manifestrile eruptive, pierderea circulaiei etc.),rezolvarea eventualelor accidente tehnice (distrugerea sapei, ruperea sau

prinderea garniturii etc).Cea mai folosit tehnologie de realizare a sondelor, forajul rotativ-

hidraulic, presupune croca este dislocati sonda este adncitde sapa de forajce se rotete pe talp (suprafaa de roc vie), apsat cu o anumit for, n

prezena circulaiei fluidului (noroiului) de foraj. Circulaia fuidului de foraj,

7


5/208

Fluide de foraj

apsarea pe sap, recuperarea i schimbarea ei n mo-mentul uzurii dar i rotireaacesteia (foraj rotativ-hidraulic cu masa) sau transmiterea puterii necesaremotorului hidra-ulic ce o rotete, plasat deasupra ei (foraj hidra-ulic rotativ cumotor submersat), se realizeaz prin intermediul garnitu-rii (succesiune) de

prjini (tuburi din oel). Instala-ia de la suprafa este conceput s realizezeaceste principale trei funciuni: extragerea i introducerea (manevra) garniturii de

prjini pentru schimbarea sapei (sau altor echipamente), rotirea garniturii i decia sapei pentru dislo-care/corectare, saucu alte scule i

pentru alte operaii,circulaia fluiduluide foraj.

8

Sistemul decirculaie a fluiduluide foraj (fig.1.1) areca principalcompo-nent pompa (pom-

pele) de noroi. Suntpompe cu pistoane,duplex (dou pistoa-ne) sau triplex (trei

pistoane), cu puteri

hidraulice de 7001 600CP funcie deperformanele ma-xime ateptate de lainstalaie, cel maides cte dou deacelai fel, mai raruna sau mai mult dedou n aceeaiinstalaie.

Pompa (pompe-le) trage fluidul deforaj din habele (re-zervoare paralelipipe-dice de 50 70m3)de depozi-tare i-l

pompeaz prinmanifold (sistem de

ventile pentru control), colector (conduct ori-zontal pn la baza turlei),ncrctor (con-duct vertical de 15 20m pe o latur a turlei instalaiei),

furtun de foraj (element flexibil rezistent la presiune), cap hidraulic (echipament

Fig. 1.1. Sistemul de circulaie a fluiduluide foraj n sond.

1-Sap; 2-Derivaie; 3-Cap hidraulic; 4-Furtun; 5-Prjini de foraj;6-Echipamente pentru preparare; 7-Echipamente pentru curire;

8-Tija de antrenare; 9-Instalaie de prevenire a erupilor; 10-Pompe denoroi; 11-Colector i ncrctor; 12-Habe; 13-Pr ini rele.


6/208

Fluide de foraj

agat n macara, ce susine garnitura i i permite rotirea, dar i circulaiafluidului din furtun n interiorul acesteia). De aici, circuitul fluidului de forajurmeaz interiorul prjinii de antrenare (prima prjin din garnitur), interiorulgarniturii de prjini de foraj i de prjini grele (situate deasupra sapei i maigroase la perete pentru a realiza apsarea), va trece prin duzele sapei, va splatalpa de detritus (fragmentele de roc dislocat) i-l va transporta la suprafa

prin spaiul inelar format ntre garnitura de foraj i peretele sondei. De la gurasondei, prin derivaie i jgheaburi, ajunge n habele de depozitare, i circuitul senchide, dar nu nainte de a trece printr-un sistem de echipamente ce asigurcurirea fluidului de foraj de detritusul transportat, de gazele eventual ptrunse(site, denisipatoare, demluitoare, centrifuge, degazoare etc). Pe habe i lnghabe exist echipamentele i toate cele necesare (pompe auxiliare, plnii,agitatoare, habe de tratament, magazie cu chimicale, macara pentru manevrareacontainerelor, aparaturde laborator etc.) preparrii i condiionrii proprietilor

fluidului de foraj.

La atingerea obiectivului geologic stabilit, pentru intervalul curent, setrece la faza de consolidare. Se extrage garnitura i se tubeaz(se introduce), nsonda permanent plincu fluid de foraj, prin nfiletare burlan cu burlan pnlaadncimea realizat, o coloan de oel care va preveni drmarea pereilor(coloan de tubare). Desvrirea consolidrii sondei, dar i mpiedicareacirculaiei fluidelor n spatele coloanei, se realizeaz plasnd n aceast zon o

pastde ciment ce se va ntri i va forma o piatrde ciment, de dorit ct mairezistent, ct mai impermeabil i care s umple ct mai bine i mai uniform

spaiul inelar programat.Volumul necesar de pastde ciment se preparde la suprafadin apiciment, ambele componente aditivate conform condiiilor concrete ale sondei ianalizelor de laborator efectuate n prealabil, se pompeaz n coloandirect sauntre pachete fluide de separare, preparate dupanumite reete, i este condusnzona de plasare pompnd dup ea cantitatea necesar de fluid de refulare (deregulchiar fluidul de foraj folosit la sond). Dupprizare, de regul ore -uneori chiar mai puin, activitatea la sondse reia.

4...48

CursulFluide de circulaie i izolare are doupri. Prima parte,Fluidede forajse ocupde fluidele folosite la realizarea sondelor rotativ-hidraulic, cu

circulaie de lichide, ce asigur o presiune n sond mai mare dect cea afluidelor din strat. Definiii, rol i funciuni, clasificri, proprieti i tehnici demsurare a acestora, chimicale, reete, preparare i condiionare sunt principaleleaspecte ce vor fi tratate.

Partea a doua, Fluide de izolare, trateaz, ntr-o structur asemntoare,pastele de ciment folosite la cimentarea coloanelor pentru consolidare i izolare.

9


7/208

Fluide de foraj

10

2. Natura i compoziia fluidelor de foraj

n ultimele doudecenii s-au nregistrat progrese remarcabile n ceea ceprivete tehnologia de spare a sondelor i traversare a stratelor productive.Forarea nclinata sondelor, pnla 900i chiar peste, astfel nct sdeschidpeo lungime ct mai mare stratul productiv, a devenit o tehnic destul de largaplicat n prezent. Mai nou, se perfecioneaz i se extinde tehnologia derealizare de astfel de sonde de drenare a stratului, multiple, dintr-o gaurcentrali chiar la dou niveluri. Toate acestea au fost posibile datorit progreselor

realizate n prepararea a noi tipuri de fluide de foraj i mai ales apariiei de noiaditivi, mai eficieni, care confer acestor sisteme proprieti funcie deobiectivele propuse i respect cele mai noi cerine privind protecia mediuluinconjurtor.

2.1. Clasificarea fluidelor de foraj

Pentru forarea sondelor, n funcie de condiiile i posibilitile existente,se utilizeaz: gaze (aer sau gaze naturale);

lichide (apindustrial, petrol brut); sisteme eterogene gaz-lichid, lichid-lichid, lichid-solid (cea, spum,

emulsii, soluii coloidale, soluii de electrolii, suspensii, lichide aerate).Apariia dinamic i continua noilor tipuri de fluide reclamun mod de

clasificare coerent, dar suficient de elastic, pentru a permite i ncadrareaacestora. n literatura de specialitate, clasificrile existente au la baz diferitecriterii: natura fazei continue (de dispersie): pe baz de ap, pe baz de produse

petroliere, gazoase;

natura fazei dispersate: cu argil, fr argil, cu argilorganofil, cu asfalt,cu polimeri; gradul de mineralizare: nemineralizate (noroaie dulci), mineralizate

(respectiv sczut, medie sau ridicat); natura mineralizrii: srate (cu NaCl), cu var, cu gips, cu clorurde calciu,

cu clorurde potasiu, cu silicat de sodiu etc; mrimea pH-ului: acide (sub 7), neutre (aproximativ 7), slab alcaline

(78,5), alcalinitate medie (811,5), alcalinitate ridicat(peste 11,5); densitate: nengreuiate (uoare) i ngreuiate; gradul de dispersie: dispersate i nedispersate (inhibitive);


8/208

Fluide de foraj

11

destinaie: pentru forajul propriu-zis, deschiderea stratelor productive, fluidede packer, fluide pentru degajare, fluide de perforare, fluide de omorre.

Clasificarea cea mai satisfctoare i folosit n acelai timp de cei maimuli specialiti este cea dupnatura fazei continue [1, 4, 8, 10].

Fluidele gazoase sunt cele care au faza de dispersie formatdin:a. aersau, mai rar,gazele naturale;

b. cea: cantiti reduse de ap (petrol, n cazul gazelor naturale),provenit din rocile traversate sau injectat mpreun cu un spumant de lasuprafa, se afldispersate sub formde bule mici.

Fluidele pe bazde apsunt cele care au faza continuformatdin ap,n care sunt introdui toi ceilali componeni:

a. apa industrial;b. soluiile electrolitice (de NaCl, CaCl2, KCl, CaBr2, ZnBr2, ZnCl2

etc.); c. fluidele (noroaiele) pe bazde argil, care pot fi: netratate (noroaie naturale); tratate: cu fluidizani, reductori de filtrare (antifiltrani),

reductori de adezivitate etc.; inhibitive: cu var, gips, clorur de potasiu, sare, diveri

polimeri;d. cu coninut redus de argil(sub 4 % vol/ vol) i polimeri floculani

(imprimnoroiului caracter nedispersat);e. frargili polimeri biodegradabili;

f. noroaie aerate;g. spume.Oricare dintre aceste fluide pot fi, eventual, emulsionate cu un anumit

procent de petrol (maxim 20 %), apa rmnnd nsfaza de dispersie.Fluidele pe baz de produse petoliere au faza continu motorina sau

petrolul brut, n care apa i ceilali constitueni coloidali reprezint fazadispersat. Pot fi:

a. fluide pe bazde petrol i asfalt (fluide negre);b. emulsii inverse.

2.2. Compoziia fluidelor de foraj

Clasificarea fluidelor de foraj permite precizarea, la modul cel maigeneral, acompoziiei pe care o pot avea fluidele de circulaie.

a. Fluidul de baz (ap, petrol sau gaz) constituie faza motrice antregului sistem, iar dacsunt doufluide, unul dintre ele se gsete dispersat ncellalt sub formde emulsie, spumsau cea.

b. Particule solide, care pot fi: reactive, dispersabile la nivel coloidal i care creeaz structur

sistemului;


9/208

Fluide de foraj

12

inerte, dezirabile (cum ar fi materialele de ngreuiere sau deblocare) i indezirabile, cele care provoacdiverse neajunsuri ncirculaia fluidului (nisip, calcar, gresie, argile nedispersabileetc.);

c. Electrolii, disociai sau nedisociai, ptruni din rocile traversatesau adugai pentru reglarea diverselor proprieti ale sistemului.

d. Aditivi, care poartdenumirea proprietii pe care o regleaz, cumar fi: fluidizani, antifiltrani, emulsionani, antispumani, stabilizatori termici,lubrifiani, antifermeni, inhibitori de coroziune etc.

Prezentarea sumara acestor componeni ai fluidelor de foraj are ca scopsublinierea compexitii unei reete de preparare a fluidului de foraji a faptuluic, sutele de substane naturale sau sintetizate, care se folosesc la preparareafluidelor, au o aciune multipl, aplicabilitatea lor fiind determinat de tipul

fluidului.


10/208

Fluide de foraj

3. Proprietile fluidelor de foraj

3.1. Densitatea fluidelor de foraj

Densitatea fluidelor de foraj reprezintun parametru esenial n procesulde foraj. n timpul realizrii sondei, valoarea densitii se regleaz astfel nct,

prin mrimea presiunii hidrostatice, fluidul de foraj ales sprevinptrundereafluidelor din formaiunile traversate, surparea i strngerea pereilor, evitareafisurrii stratelor, pierderea parialsau totala circulaiei, manifestri eruptive,

sigurana lucrului n sondetc.Presiunea hidrostatic,ph, ntr-un punct aflat la adncimeaHntr-un fluid,

cu densitatea n,se scrie sub forma:gHp nh = (3.1)

n masivul de roci ntr-un punct aflat la adncimea H, apa coninut npori, dacnu este izolatde condiiile de la suprafa, se va gsi la o presiune cepoate fi determinatcu aceeai relaie.

Pentru densitatea apei din porii rocilor, a, se admit valorile:a= 1027 kg/m

3, care este densitatea apei de mare cu salinitatea

totalde 3,7g/l;a=10701073 kg/m3, care este densitatea unei ape de zcmnt

tipice, cu salinitatea n NaCl de 80 g/l;a=1150 kg/m

3, care este densitatea apei srate saturate, ntre50 i 100oC.

Presiunea de stat (din pori) egal cu presiunea hidrostatic, calculat nlimitele acestor valori, este considerat presiune de strat normal. n acestesituaii fluidele de foraj utilizate au densiti n domeniul, n = 11001200kg/m3i pot fi preparate numai din api argil.

Dacpresiunea de strat are valori mai mari,ppph, se considerpresiune

anormal de mare, stratul este suprapresurizat i n aceste cazuri se utilizeazfluide de foraj ngreuiate cu densitatea n=2000 2300 kg/m

3.Dacse nregistreazvalori mai mici,pp


11/208

Fluide de foraj

14

Presiunile reale din sonddiferde cele calculate cu densitatea noroiuluideterminat la suprafa, cu pn la 3-7%, n plus sau n minus, din diferitemotive, cum ar fi: dependena densitii de temperatur, de presiune, de stareade lsare n repaus, de compresibilitatea lui etc.

Densitatea fluidelor de foraj influeneaz, de asemenea, cumulativul defiltrat ptruns n formaiunile permeabile traversate, viteza de avansare a sapei(viteza mecanic de foraj), valoarea cderilor de presiune n sistemul decirculaie, flotabilitatea echipamentului din sondetc.

Densitatea fluidelor de foraj se msoarn laborator prin cntrire directcu ajutorul cilindrilor gradai sau a picnometrelor, iar n antier cu ajutoruldensimetrelor de construcie special.

3.2. Viscozitatea aparenti gelaia fluidelor de foraj

Viscozitatea aparent a unui fluid reprezint proprietatea lui de a opunerezistenla curgere. Cantitativ, viscozitatea (notatcu ) este o msura acesteirezistene i se definete ca raport ntre tensiunea de forfecare i viteza deforfecare dv/dx i este constantpentru fluidele newtoniene.

Fluidele de foraj sunt sisteme eterogene care nu se supun legii de curgerenewtoniene: curgerea lor nu poate fi descris prin intermediul unui singurcoeficient de viscozitate. Ele posed proprieti structural-mecanice maicomplexe, iar comportare la curgere este descrisde doi sau mai muli parametriisau constante reologice.

n practica de antier se folosete nc pe scar larg o viscozitateconvenional (aparent) pentru fluidele de foraj, care se msoar cuviscozimetrul plnie tip Marsh (VM); aceastviscozitate Marsh este calitativ,este influenatde densitatea fluidului i proprietile lui tixotropice i nu poate fiutilizatn calculele hidraulice.

Plnia Marsh are dimensiuni standard, capacitate 1,5 dm3 (prevzut lapartea inferioarcu un tub calibrat, iar la partea superioarcu o sitmetalic) icu ajutorul unei cni cu volumul de 1 dm3se msoartimpul n care se scurge 1 lde noroi din 1,5 l; timpul de scurgere a apei este de 28 s, iar noroaiele uzuale auviscozitatea 3070 s.

3.3. Proprietile reologice ale fluidelor de foraj

Comportarea la curgere a fluidelor i a sistemelor disperse cu fazacontinu fluid este descris printr-o serie de modele matematice, denumite iecuaii constitutive, legi de curgere sau modele reologice. Ele exprim relaiadintre tensiunile tangeniale , care iau natere ntr-un fluid n micare i vitezelede deformare (forfecare) dv/dx, n regim laminar de curgere.


12/208

Fluide de foraj

a. b. c.Fig.3.1 Reograme caracteristice

Mrimile i dv/dxreprezintvariabilele reologice, iar parametrii scalarisunt constantele reologice ale respectivelor ecuaii. Valorile acestora se obin

prin prelucrarea mrimilor msurabile, specifice fiecrui tip de viscozimetru cumsunt, de exemplu, debitul i cderea de presiune (pentru cele tubulare) sau turaiei momentul de torsiune (pentru viscozimetru cu cilindri coaxiali). Diagramele=f(dv/dx) se numesc reograme.

Pentru fluide simple, omogene (n categoria crora intr apa, gazele,produsele petroliere, soluiile de electrolii i alte lichide monofazice cu masmolecular redus), viteza de forfecare este proporional cu tensiunea deforfecare:

Pentru fluide simple, omogene (n categoria crora intr apa, gazele,produsele petroliere, soluiile de electrolii i alte lichide monofazice cu masmolecular redus), viteza de forfecare este proporional cu tensiunea deforfecare:

dx

dvd= (3.3)(3.3)

Reogramele acestor fluide sunt drepte ce trec prin origine (fig.3.1.a),panta acestora reprezentnd chiar constanta reologic d, adic viscozitateadinamic sau absolut. Pentru o anumit temperatur i presiune d esteconstant, independentde viteza de deformare, iar fluidele ce se comportdupacest model sunt numite newtoniene. Din punct de vedere fizic, viscozitatea lorreprezinto msura frecrii interioare, intermoleculare.

Reogramele acestor fluide sunt drepte ce trec prin origine (fig.3.1.a),panta acestora reprezentnd chiar constanta reologic d, adic viscozitateadinamic sau absolut. Pentru o anumit temperatur i presiune d esteconstant, independentde viteza de deformare, iar fluidele ce se comportdupacest model sunt numite newtoniene. Din punct de vedere fizic, viscozitatea lorreprezinto msura frecrii interioare, intermoleculare.

Fluidele de foraj, avnd o structureterogen, nu se supun legii de curgerenewtoniene, iar viscozitatea nu mai este o constant. Ea depinde de viteza deforfecare la care a fost efectuatdeterminarea, se numete viscozitate aparent,iar fluidele-nenewtoniene.

Fluidele de foraj, avnd o structureterogen, nu se supun legii de curgerenewtoniene, iar viscozitatea nu mai este o constant. Ea depinde de viteza deforfecare la care a fost efectuatdeterminarea, se numete viscozitate aparent,iar fluidele-nenewtoniene.

Ecuaia constitutiv a fluidelor de foraj i a pastelor de ciment puintratate este, dupBingham:

Ecuaia constitutiv a fluidelor de foraj i a pastelor de ciment puintratate este, dupBingham:

dx

dvpl += 0 (3.4)

Reogramele acestor fluide (fig.3.1.b.) sunt drepte cu ordonata la origineo. Dup cum rezult din ecuaia de mai sus, fluidele binghamiene au douconstante reologice:

pl-viscozitatea plasticsaustructural;

15


13/208

Fluide de foraj

o- tensiunea dinamicde forfecare.

dx

dvtgpl

0

== (3.5)

De remarcat cpl reprezintchiar panta dreptei i, din punct de vederefizic, este tot o msura frecrilor interne din sistem, respectiv dintre moleculelemediului de dispersie, dintre moleculele acestuia i particulele fazelor dispersate,

precum i dintre particulele disperse ntre ele. Viscozitatea plastic d indicaiiasupra coninutului total de particule solide din sistem.

Tensiunea dinamic de forfecare o este o rezisten suplimentar cetrebuie nvins n timpul curgerii, pentru a preveni tendina anumitor particule

dispersate din sistem de a forma structur; n cazul noroaielor de foraj o dindicaii asupra coninutului de argil bentonitic (distana dintre particule),proprietile ei de suprafa(gradul de ionizare, grosimea stratului dublu electric,natura ionilor), concentraia i natura ionilor din faza continu, prezena unorsubstane cu aciune ecranant.

Fluidele de tip Ostwald de Waele (n categoria crora intr fluidele deforaj cu coninut redus de solide argiloase i polimeri floculani, fluidele pe bazde produse petroliere i pastele de ciment puternic tratate) au urmtoarea ecuaieconstitutiv:

n

dx

dv

k

= (3.6)Reograma lor este o curbde putere (fig.3.1.c), modulii reologici fiind:

k-indicele de consisten;n-indice de comportare.n general, k, indicele de consisten crete cu coninutul de particule

dispersate i atunci cnd noroiul este floculat. Indicele de comportare reologicneste de regul subunitar, pentru majoritatea fluidelor de foraj i a pastelor deciment avnd valori cuprinse ntre .0,6...1 Toate fluidele care nu respectlegea lui Newton se considern categoria celornenewtoniene. Caracteristic acestor fluide este faptul c viscozitatea lor aparent(definitca o viscozitate total) nu mai este o constant, ci se modificfuncie de vitezade deformare. Astfel, comparnd relaiile, rezult urmtoarele expresii pentruviscozitile aparente ale fluidelor binghamiene sau ostwaldiene:

dx

dv

dx

dv0

plap

+==

(3.7)1n

apdx

dvk

dx

dv

==

16


14/208

Fluide de foraj

care confirmdependena viscozitii aparente att de viteza de deformare, ct ide parametri reologici.

Viscozitatea aparent, dei nu se folosete n calculele hidraulice, semsoarde obicei, pentru cdindicaii asupra rezistenei totale pe care fluidul oopune curgerii i permite compararea ntre ele a diferitelor fluide. Pentru a se

putea face aceastcomparare este necesar ca msurtoarea sse facla o vitezstandard de deformare; pentru viscozimetrele folosite n practic (modeleleFANN, Baroid, Stormer), viscozitatea aparent-ap se determin la o vitez dedeformare corespunztoare turaiei de 600 rot/min.

Dac reograma indic un model newtonian de curgere (sau dac se tiedinainte cfluidul cercetat este newtonian), valoarea viscozitii dinamice este:

, (3.8)300d

=

n care 300 este unghiul de torsiune nregistrat la aparatul FANN-35A, la 300rot/min.

Pentru fluide binghamiene (care posed dou constante reologice) estenecesarmsurarea unghiurilor de torsiune la douturaii diferite ale cilindruluiexterior (la 600 i 300 rot/min.), relaiile de calcul fiind urmtoarele:

i300600pl =

. (3.9)( )60030024790 = ,o n cazul fluidelor de tip Ostwald, relaiile de calcul ale parametrilor

reologici sunt:

300

600lg32,3n

= (3.10)

300n511

5077,0k =

Pentru ambele fluide nenewtoniene viscozitatea aparenteste

2

600ap

= . (3.11)

La viscozimetrul FANN-35A se pot msura i proprietile de structurareale fluidului de foraj, respectiv valorile tensiunilor statice de forfecare, dupdiferite perioade de rmnere n repaus ale acestuia (de regul, dup1min. i 10min. se citete valoarea maxima unghiului de rupere a gelului, ). Rezistenade gel, numittensiune staticde forfecarei notat , va fi:

. (3.12) 479,0=

17


15/208

Fluide de foraj

3.4. Propieti tixotropice

n general, prin tixotropie se nelege gelificarea unei soluii cnd estelsatn repaus i revenirea gelului n soluie prin agitare (peptizare).

Capacitatea tixotropic a unui fluid de foraj se apreciaz prin valoareatensiunii statice de forfecare(rezistende gel sau limitadevratde curgere),dup o anumit perioad de rmnere n repaus i prin viteza cu care aceastrezisten crete n timp. Valoarea rezistenei de gel depinde de natura iconcentraia argilei din sistem, de gradul de dispersare, prezena electroliilor i asubstanelor protectoare, ecranante, temperaturi presiune.

Iniial, gelificarea se desfoar rapid, apoi ritmul se ncetinete, darprocesul poate continua cteva ore, zile sau chiar luni.

Spre exemplificare, n figura 3.2 sunt prezentate curbe caracteristice, carepermit s se arecieze, prin comparaie, nsuirile de formare a structurii de gelpentru cteva noroaie tipice.

Limita inferioara tensiunii statice de forfecare, corespunztoare gelurilorfoarte slabe, este de N/m2, n timp ce limita superioar, specificgelurilor

puternice, se situeazntre N/m2.1,5...2

2015...

Fluidele de foraj cu proprieti tixotropice sunt capabile s menin nsuspensie materialele inerte de ngreuiere i detritusul, nsuire necesarmai alesla oprirea circulaiei n sond. Totui, valori ridicate ale tixotropiei (gelaii marii viteze rapide de gelificare), provoac greuti la curirea fluidului de foraj,

presiuni sau depresiuni periculoase la pornirea circulaiei sau manevrarea

materialului tubular aflat n sond.

Fig. 3.2. Curbe caracteristice de gelificare.

18


16/208

Fluide de foraj

3.5. Coninutul de lichide i solide

Pentru fluidele de foraj pe baz de ap i argil, faza continu estealctuitdin argil(pentru crearea suportului coloidal) i materiale de ngreuiere,iar faza lichid din ap i, eventual, motorin, n cazul n care noroiul a fostemulsionat. La fluidele de foraj frmotorinsau alt produs petrolier, coninutulde particule solide se poate determina prin uscarea complet ntr-o etuv, la1050C, a unui anumit volum msurat de noroi i cntrirea solidelor rmase.

Se acceptcdetritusul a fost separat n sistemul de curire al instalaieide foraj, fraciunile fine de argilnglobate n noroi, intrnd n categoria argil.

Fluidele care conin ap i petrol sunt analizate cu ajutorul a diferiteretorte, prin distilarea unui volum cunoscut (10-100 cm3) de noroi i msurarealichidelor condensate.

La fluidele pe baz de produse petroliere faza lichid este alctuit dinmotorini ap, iar faza soliddin materiale de ngreuiere i cele folosite pentrucontrolul proprietilor colmatante i structurale (asfalt oxidat, argilorganofil).

Analiza coninutului de solide i lichide prin metoda retortei se facepentru a stabili compoziia oricrui fluid, dar mai ales la cele cu coninut redusde solide argiloase, unde intereseazn mod deosebit procentul de argil(Vagn% volum/volum) i cele pe baz de produse petroliere, la care raportulmotorin/ap i coninutul de solide au influen direct asupra proprietilorreologico-coloidale i stabilitii noroiului.

a. Calculul cantitilor de lichide i solide pentru fluide nesaline

Cunoscnd c:vneste volumul probei de noroi analizat (10 cm

3, n cazul retorteitip Cmpina);

va- volumul de apcolectat n cilindrul gradat;vm - volumul de motorin, se calculeaz coninutul procentual

pentru acestea:100

v

vv

n

aa = %(volum/volum)

(3.13)100

v

vv

n

mm = %(volum/volum)

Volumul i masa solidelor coninute de noroi i rmase n retort(vsi ms)se calculeazcu ajutorul relaiilor:

( )mans vvvv += (3.14)

( )mmaanns vvvm += 19


17/208

Fluide de foraj

n care:n, a i m sunt densitile noroiului, apei i motorinei (a=1g/cm

3, iarm=0,85g/cm

3).

Valorile gsite (vsi ms) sunt necesare pentru calcularea coninutului deargili baritdin proba de noroi.nainte de a efectua aceste calcule se verific densitatea solidelor (s)

rmase n retort, pentru a controla corectitudinea msurtorii:

s

ss

v

m= (3.15)

Msurtoarea poate fi consideratcorectdacag


18/208


19/208

Fluide de foraj

i de mineralele argiloase nebentonitice, ceea ce se determin prin calcul senumete, convenional, coninut echivalent de bentonit (coninutul real de

bentonitva fi ceva mai mic).Stabilirea coninutului echivalent de bentonitservete la calcularea unui

indicator important, mai ales la aa-zisele fluide cu coninut redus de solideargiloase. Metoda este ns aplicabil i pentru determinarea capacitii deschimb cationic a unei roci argiloase oarecare (din detritus sau dintr-o carotise exprim n meq albastru de metilen/100 g prob, fiind egal cu numrul decm3soluie/g argil).

3.7. Coninutul de nisip

Coninutul de nisip dintr-un fluid de foraj se exprim prin concentraiavolumic, procentual, de particule solide cu diametrul propriu al particulei,dp>74m (200mesh) i se msoar, de regul, dup ce fluidul a trecut prinsistemul de curire de la suprafa(site vibratoare, hidrocicloane etc.). Prin nisipse nelege totalitatea particulelor solide din fluidul de foraj, provenite din rociletraversate (intercalaii nisipoase, gresii slab consolidate etc.), cu diametrulcuprins ntre 75i 150m, care, de regul, nu influeneazsensibil proprietileutile ale fluidului de foraj (densitate, viscozitate), n schimb, aceste particulegrosiere provoacuzura echipamentului prin care circulfluidul de foraj.

Nisipul imprim fluidului de foraj proprieti abrazive i erozive,reducnd durata de funcionare a pompelor, lagrelor, duzelor sapei etc., iar

atunci cnd este n concentraii excesive creazpericolul de prindere a garnituriide foraj la oprirea circulaiei.Se determinprin diluarea i cernerea unui volum msurat de noroi pe o

sit de 200 mesh, prin elutriere (antrenarea ntr-un curent ascensional aparticulelor mai mici de m74 ) sau prin sedimentare ntr-un decantor. Seexprimprocentual, fade volumul de fluid analizat.

3.8. Coninutul de gaze

n timpul forajului, la traversarea unor formaiuni gazeifere, acestea pot

ptrunde n noroi, scznd densitatea lui i provocnd o cretere a viscozitii.Acelai fenomen se poate produce i n timpul ngreuierii sau al altor tratamentechimice.

n laborator, coninutul de gaze se poate determina prin diluarea noroiului:viscozitatea lui scade i gazele se eliminla o simplagitare.

n mod practic se procedeaz astfel: se toarn 100 cm3 noroi ntr-uncilindru gradat cu dop rodat de 250cm3. Se completeazcu api se agitintenstimp de un minut. Se lasapoi un timp suficient n repaus, dupcare se citetevolumul de amestec. Diferena fade 250cm3constituie tocmai concentraia degaze, n procente.

22


20/208

Fluide de foraj

Un alt procedeu este urmtorul: se msoardensitatea noroiului gazeificatng, se dilueaz cu ap n proporie determinat, x=Va/ Vn, se agit amesteculpnla evacuarea gazelor i se msoardensitatea noroiului diluat nd. Dacse

neglijeazmasa gazelor, rezult:

xa

x

VVV

VV ang

agn

aanng

nd +

+=

+

+=

1

. (3.22)

De aici, coninutul de gaze este:

.

nd

ang

n

g xx1

V

Va

++== (3.23)

Dacse iax=1,

nd

angnd2a

= , (3.24)

Densitatea noroiului negazeificat este:

a1VV

V ng

gn

nng

n =

=

. (3.25)

Coninutul de gaze se poate determina cu mai mult precizie prin

distilarea n vacuum. Vaporii de apsunt condensai, iar gazele trec printr-un tubgradat, unde li se poate msura volumul pe care l ocup.

3.9. Capacitatea de filtrare i colmatare

La deschiderea prin foraj a formaiunilor, rocile ce le compun (dinperetele sondei) vin n contact cu fluidul de foraj. Datorit diferenei pozitivedintre presiunea fluidului din sondi cea a fluidelor din porii rocilor, o parte dinfaza libera noroiului va ptrunde n pori (fenomenul de filtrare) i, simultan, pe

peretele sondei se depune o parte din particulele solide din noroi, sub forma unei

turte (fenomenul de colmatare).n faza iniial, viteza de filtrare este determinatde permeabilitatea rocii,iar duppodirea porilor superficiali cu particule solide (aa-zisul colmataj intern)i iniierea turtei de colmatare propriu-zis, viteza de filtrare scade simitor, fiinddependentn mare parte doar de permeabilitatea turtei, care este mult mai mic(de ordinul 10-6 ), dect cea a rocilor (care poate fi 10-210-1 , unde

1 ).

2m 2m

Darcym 12 = Un bun fluid de foraj trebuie s posede un filtrat redus i o turt decolmatare subire, pentru a nu afecta stabilitatea rocilor slab consolidate i, maiales, permeabilitatea stratelor purttoare de hidrocarburi.

23


21/208

Fluide de foraj

Capacitatea de filtrare a unui fluid de foraj caracterizeaz starea fizico-chimica sistemului, respectiv : gradul de dispersie i hidrofilitatea particulelorsolide, prezena i concentraia coloizilor de protecie, prezena contaminanilor,care provoac fenomenul de coagulare a particulelor argiloase i cretereasemnificativ a cantitii de ap liber, a vitezei de filtrare i chiar pierdereastabilitii fluidului.

Evaluarea cantitativ a cumulativului de filtrat (Vf, n cm3) i a grosimii

turtei de colmatare (t, n mm) se face n condiii statice, n celulstandard API(pres-filtru), la o presiune de 7 bar, temperaturambianti ntr-un interval detimp de 30 minute.

Din cauza dificultilor de determinare a capacitii de filtrare i colmatarea fluidelor de foraj n condiii dinamice, de temperaturi presiune apropiate decondiiile reale, exprimarea cantitativ a cumulativului de filtrat se face n

condiii statistice. Conform legii lui Darcy, viteza de filtrare este

pk

dt

dV

A

1v == , (3.26)

n care: A reprezintaria suprafeei seciunii de filtrare;V -volumul cumulativ de filtrat, duptimpul t;k -permeabilitatea turtei; -viscozitatea fazei lichide;p -diferena de presiune sond-strat; -grosimea turtei.

Dacse considervolumul solidelor depuse (volumul turtei) proporional

cu volumul de filtrat (de acceptat n condiii statice i n condiiile ipotezelorsimplificatoare: perioada iniial este neglijabil, turta este incompresibil,grosimea turtei este relativ micn raport cu raza sondei), se poate scrie

bVA = , (3.27)

unde b este o constant ce exprim concentraia de particule solide; dupintegrare se obine relaia

=

b

tpk2AV . (3.28)

Cu ct permeabilitatea turtei este mai mic, cu att grosimea turtei depusei volumul de filtrat sunt mai reduse, la concentraii de particule comparabile.Fluidele bogate n substane coloidale depun turte subiri i au viteze de filtraresczute, iar cele cu un coninut ridicat de particule inerte vor avea viteze mari defiltrare i vor depune turte groase.

Deoarece turta de colmatare este mai mult sau mai puin compresibil,permeabilitatea ei scade cu creterea presiunii. n aceste condiii, volumul defiltrat crete dar cu un ritm mai sczut dect cel modelat de ultima relaie.

24


22/208

Fluide de foraj

25

Viteza de filtrare crete cu temperatura, deoarece scade viscozitatea fazeilichide, iar la temperaturi ridicate datorit coagulrii fazei argiloase, ceea cedetermincreterea ponderii fazei libere din sistem.

Rezultatele obinute prin aceste determinri sunt de cele mai multe orideparte de cele obinute n condiiile de circulaie a noroiului de foraj i latemperaturi i presiuni apropiate de cele din sond. n timpul circulaiei (filtrareadinamic), grosimea turtei se stabilizeazcnd forele de depunere a particulelorde solide sunt echilibrate de cele de eroziune, dei compactizarea turtei maicontinuo perioad, iar viteza de filtrare i volumul cumulativ de filtrat ptrunsn formaie depind de viteza de circulaie a fluidului, de viscozitatea noroiului,rezistena la eroziune a turtei etc.

Faza apoasptruns n formaiunile traversate, n urma fenomenului defiltrare i colmatare, conduce la producerea a diferite efecte nefavorabile:

hidrateaz i umfl rocile sensibile la ap (se strng pereii sondei, apardificulti la manevrarea garniturii de foraj, crete pericolul de prindere agarniturii i a coloanei de burlane);

reduce coeziunea i stabilitatea rocilor friabile; n stratele productive se micoreaz permeabilitatea, ceea ce conduce la

scderea productivitii sondei.Efectele negative ale ptrunderii filtratului sunt legate de natura rocilor

traversate i sunt cu att mai accentuate cu ct presiunea din porii acestora estemai mic. n rocile argiloase, cu excepia celor fisurate, nu are loc invaziafiltratului, deoarece acestea sunt impermeabile, dar exist o corelaie indirect

filtrare-umflare. n rocile permeabile, cantitatea de ap ptruns sub form defiltrat provoac ns hidratarea i umflarea marnelor i argilelor, intensitateaproducerii acestora fiind determinatn mare msurde alte fenomene cum sunt:osmoza, difuzia, schimbul de baz, protecia coloizilor etc.

Modul n care filtratul din fluidul de foraj reduce permeabilitatea stratelorproductive este complex, iar procesele care au loc depind de o serie de factori,cum sunt: structura reelei de canale capilare, gradul de interconexiune dintreacestea i gradul de accesibilitate, modificarea umidibilitii iniiale a rocilor,

prezena particulelor argiloase (care produc clay blocking), a solidelor antrenatede fluid sau desprinse din roc, formarea unor emulsii vscoase de iei-filtrat,

formarea unor precipitate insolubile etc.

3.10. IndicelepH

Prin indicele pH (sau exponent de hidrogen) se exprim logaritmulnegativ zecimal al concentraiei momentane de ioni deH+dintr-o soluie.

Cu ajutorul lui se determin aciditatea sau alcalinitatea unei soluii saufluid de foraj, n care se afldisociai diveri electrolii, cunoscut fiind c: ntre0-7 soluiile sunt acide; lapH=7 sunt neutre; ntre 7-14 soluiile sunt bazice.


23/208

Fluide de foraj

26

Cunoaterea concentraiei ionilor de hidrogen (H+) este necesar pentrucontrolul i reglarea unor proprieti ale fluidelor de foraj, dar poate sindice i

prezena unei contaminri cu sare, anhidrit, ciment etc.n general se impune ca fluidul de foraj s

nu prezinte reac

ie acid

(pH


24/208

Fluide de foraj

Dac alcalinitatea este produs numai de ionii de hidroxil sau cantitireduse de carbonai i bicarbonai, atunci fluidul de foraj este stabil i uor decontrolat. Dacnsalcalinitatea se datorete ionului HCO3

-sau unei combinaiide CO3

-2 i HCO3- atunci fluidul devine instabil i greu de controlat, ceea ce

subliniazimportana determinrii alcalinitii, mai ales la fluidele de foraj cupHridicat.

Prin convenie, alcalinitatea unui noroi de foraj i cea a filtratuluireprezint cantitatea de soluie acid 0,02 n (acid sulfuric sau azotic) necesar

pentru neutralizarea bazicitii unui cm3de noroi sau filtrat.

a. Alcalinitatea filtratului fade fenolftalein

Alcalinitatea filtratului se notezcu Pfi se calculeazcu ajutorul relaiei:

f

SOHf

V

VP 42= (3.29)

42SOHVunde : este volumul de acid sulfuric 0,02 n consumat (n

cm3);

Vfvolumul probei de filtrat.

b. Determinarea alcalinitii totale

Alcalinitatea totalreprezintnumrul total de cm3de acid sulfuric 0,02 n

consumai pentru a reduce indicelepHal filtratului la valoarea 4,3.Se adaugprobei anterioare cteva picturi de bromcrezol (indicator) i ea

se va colora n verde. Se titrezapoi cu acid sulfuric, picturcu picturpnceculoarea se schimbla galben (virajul are loc la indicele pH=4,3). Alcalinitateatotalva fi:

fV

VP

SOH

t42= (3.30)

42SOHVunde: reprezint volumul total de acid sulfuric 0,02 n

consumat (n cm3).

Punerea n eviden i determinarea cantitativ a ionilor de carbonat ibicarbonat are loc pe baza cunoaterii valorilor Pfi Pt.Dacalcalinitatea totaleste de cinci ori mai mare dect alcalinitatea fa

de fenolftalein, atunci este posibil sexiste contaminare cu CO3-2sau HCO3

-ipentru a preveni aceast contaminare se recomand utilizarea varului sau agipsului i a hidroxidului de sodiu.

Obs.Alcalinitatea fade fenolftaleina noroiului Pni cea a filtratului Pfpermit sse estimeze coninutul de var liber, nedizolvat, dintr-un noroi:

kg Ca(OH)2/ m3=0,74 (Pn - vaPf) (3.31)

27


25/208

Fluide de foraj

Constanta 0,74 a fost obinut nmulind 0,02 (normalitatea acidului) cu37(masa echivalenta varului).

Pn exprim concentaia total de var, dizolvat sau nedizolvat, i de sodcaustic din noroi, iar Pf-concentraia de var dizolvat i de sod caustic dinfiltrat. Fracia de ap(va) dintr-un noroi se stabilete printr-o probde distilare.

3.12. Coninutul de sruri solubile

Analiza chimic a noroaielor de foraj i a filtratului acestora urmretestabilirea cantitativa diverselor sruri dizolvate, care modificproprietile de

bazale noroaielor, iar n cazul fluidelor de foraj tratate cu electrolii (sare, var,gips etc.) se poate menine concentraia acestora n limitele optime.

Msurnd periodic coninutul de sruri dintr-un fluid se pot detectastratele cu sare, gips, anhidrit, afluxurile de apsrat, formaiunile presurizate.

a. Determinarea coninutului de cloruriAceastdeterminare constn tratarea ionilor de clor cu azotat de argint,

n prezena cromatului de potasiu ca indicator.Au loc urmtoarele reacii chimice:

NaCl +AgNO3=AgCl +NaNO3 (3.32)K2CrO4+2AgNO3=Ag2CrO4+2KNO3

Cnd ionul de clor este complet precipitat sub formde clorurde argint,un mic exces de azotat de argint face s se schimbe culoarea soluiei de lagalben, datoritcromatului de potasiu, la rou-portocaliu (crmiziu), ca urmarea formrii cromatului de argint.

Se noteaz volumul de azotat de argint consumat (n cm3) la titrare, iarcantitatea de NaCl (sau poate fi KCl) din filtrat se calculeazdin relaia:

nfiltratcm

AgNOcmmNaClkg = 5,583

33

3

nfiltratcm

AgNOcmmKClkg = 55,743

33

3 (3.33)

unde n este normalitatea soluiei de azotat de argint folosit (0,1 sau 1).

b. Determinarea coninutului de ioni de calciu

Ionul de Ca2+ntr-un fluid de foraj poate aciona ca un contaminant, dacse traverseaz formaiuni ce conin gips sau anhidrit (caz n care sunt afectatesimitor proprietile de filtrare, viscozitate, gelaie), sau ca un cation polivalent,cu funciuni multiple n reglarea proprietilor de baz ale noroiului i caretrebuie meninut ntre anumite limite n apa libera lui (de exemplu noroiul cuvar, gips, CaCl2).

28


26/208


27/208

Fluide de foraj

30

Msurarea stabilitii emulsiei dmai mult informaii calitative. Nu existo relaie ntre stabilitatea emulsiei i tensiunea de dezemulsionare. Pentrumsurare se folosesc diferite aparate numite stabilimetre (testere).

3.14. Activitatea fazei apoase

Principala cauza instabilitii rocilor argiloase o constituie adsorbia apeii a cationilor din fluidul de foraj, urmatde hidratarea, umflarea i dispersareaacestora. Intensitatea producerii acestor fenomene este determinat deconcentraia i mineralizaia apei din fluidul de foraj i din roc, de naturamineralelor argiloase, de gradul de compactare a rocilor, posibilitatea sauimposibilitatea eliminrii fluidelor din pori n timpul sedimentrii etc.

Activitatea fazei apoase a unui fluid de foraj exprim msura n caremoleculele de apau posibilitatea sinteracioneze cu rocile hidrofile traversate,direct sau prin osmoz.

Pentru fluidele de foraj pe bazde ap, problema migrrii apei este relativcomplex deoarece la limita dintre roca argiloas i fluid nu se formeaz, ngeneral, o membransemipermeabilcare selimine difuzia cationilor.

Fluidele pe bazde petrol i cele cu polimeri formeazpe suprafaa rociio membran semipermeabil din moleculele emulsionantului i ale petrolului,respectiv din lanurile de polimeri. Apa cu potenial chimic mai sczut migreaz

prin membrann zona cu potenial mai ridicat, tinznd spre un echilibru.Cnd faza apoasdin fluidul de foraj este mai puin mineralizatdect cea

din roca argiloas, ea este mai activ i ptrunde n roc, producnd diferitefenomene de instabilitate. Invers, cnd apa din formaiune are un potenialchimic mai sczut, rocile se deshidrateazi se consolideaz. Pentru a mpiedicaaceste fenomene de migrare a apei ar trebui s nu existe nici o diferen de

potenial. Fluidele a cror activitate este egalcu cea a apei din rocile traversatese numescfluide cu activitate echilibrat.

Tabela 3.1. Activitatea apei cu diverse sruri, la salturaie.S a r e a Activitatea

KH2PO4 0,960Na2C4H4O6. 2 H2O 0,920K2Cr2O7 0,908(NH4)2SO4 0,800

NaCl 0,755Ca (NO3)2 0,505K2CO3 0,430MgCl2. 6 H2O 0,330CaCl2 0,295ZnCl2 0,100

Activitatea apei mineralizate dintr-un fluid sau roc poate fi definit caraport ntre presiunea ei de vapori i cea a apei curate (activitatea apei curate se


28/208

Fluide de foraj

31

admite egalcu unitatea). Presiunea de vapori a unei soluii scade cu gradul demineralizare.

Pentru evaluarea activitii apei dintr-un noroi existmai multe metode,una dintre acestea fiind msurarea cantitii de ap adsorbit de eantioane deroc n prezena fluidului de foraj, fr contact direct, ntr-un spaiu nchis(exicator). Anterior, se ridico curbde adsorbie a eantioanelor respective n

prezena unor soluii standard, cu activitate cunoscut. n acelai mod sedetermini activitatea apei dintr-o probde roc.

O metod mai rapid de msurare presupune folosirea unui higrometruelectric. Avnd un set de soluii cu activitate cunoscutse traseazo dreaptcareexprim umiditatea vaporilor soluiilor respective, n atmosfer nchis, nfuncie de activitate. Se msoar apoi umiditatea vaporilor fluidului de foraj i,cu ajutorul curbei de calibrare, se stabilete activitatea lui.

Prin reglarea corespunztoare a activitii fazei apoase a unui fluid (maiales a emulsiilor inverse) se limiteaz invazia apei n rocile argiloase i apariia

problemelor de instabilitate a rocilor.

3.15. Adezivitatea i proprietile lubrifiante

Garnitura de foraj (mai ales prjinile grele), colana de burlane n timpultubrii sau diferitele instrumente geofizice pot fi prinse ntr-o sond, mai alesatunci cnd ea se sapnclinat sau orizontal. Prinderea prin lipire a garniturii saucoloanei de tubare se produce mai ales la rmnerea n repaus, datoritpresiunii

difereniale sond-strat, iar desprinderea este cu att mai dificil, cu ct grosimeaturtei de colmatare pe pereii sondei, lungimea intervalului de prindere inclinarea sondei sunt mai mari. De asemenea, datoritforelor de adeziune i defrecare dintre metal i turta de colmatare, desprinderea i micarea lor poatedeveni adeseori dificil.

Adezivitatea este un fenomen de suprafa, provocat de afinitateamoleculelor de lichid fade metal. Mrimea adezivitii depinde de natura fazeilichide (ap sau petrol), tipul i concentraia materialelor aditive din fluid,

prezena i natura substanelor tensioactive, timpul de contact.n mod practic, nu existo scara adezivitii, iar valorile msurate sunt

relative. Adezivitatea turtei de colmatare se poate aprecia cu diverse dispozitive,introduse ntr-o celulde filtrare, msurnd: fora de desprindere transversal a unui disc metalic lipit de o turt de

colmatare; fora de dsprindere laterala unei plci sau tije metalice lipite pe suprafaa

unei turte; momentul de torsiune necesar desprinderii unui disc metalic lipit de turta

de colmatare.n acest fel sunt simulate de fapt fenomenele din sond, dar ceea ce se

msoarinclude att forele de adeziune, ct i pe cele de frecare.


29/208

Fluide de foraj

32

Proprietile lubrifiante ale fluidelor de foraj se evalueazprin mrimeacoeficientului de frecare metal-roc, metal-metal, metal-turt de colmatare,metal-cauciuc, dar i prin durata de lucru a elementelor metalice respective.Cunoscnd coeficienii de frecare se pot determina valorile forelor de frecare ceintervin la manevrarea garniturii de foraj, la tubarea coloanelor, momentulnecesar rotirii garniturii, momentul forelor de frecare din lagrele motoarelor defund i a sapelor cu role etc.

Proprietile de lubrifiere sunt influenate de natura fazei continue i aparticulelor solide aflate n fluid, de prezena i concentraia diverilor aditivilubrifiani, dar depind i de alte condiii de lucru, cum sunt: presiunea de contact,viteza de deplasare relativ, tipul contactului (permanent sau intermitent, delunecare sau de rostogolire), de gradul de circulaie a fluidului i chiar timpul decontact.

Pentru msurarea coeficienilor de frecare se folosesc diverse aparate,unele preluate din alte domenii, altele care s simuleze condiiile din sond(prezena unui fluid de foraj, a turtei de colmatare, a unei probe de roc etc).Pentru reducerea acestor coeficieni de frecare se adug n fluidele de forajaditivi lubrifiani (se adsorb pe suprafeele metalice, formnd un film protector),cum sunt grafitul, uleiurile vegetale, diverse substane tensioactive etc., iar nlipsa lor, chiar argila i particulele de baritpot contribui la reducerea frecrilor.

3.16. Capacitatea abrazivi eroziv

Prezena particulelor solide din fluidele de foraj i circulaia intensi subpresiune a acestor fluide, provoacadeseori uzura echipamentului cu care vin ncontact. Uzura care se produce poate fi abrazivsau prin eroziune.

Uzura abraziv este provocat de particulele dure din fluidul de foraj(cuarul i materialele de ngreuiere cu duritate mare), printr-un proces demicroachiere a suprafeelor de frecare sau o uzur de oboseal. Se produce nlagrele deschise ale sapelor cu role i ale motoarelor de fund, la dinii sapelor ncontact cu roca, la frecarea racordurilor prjinilor cu pereii sondei, la micarea

pistoanelor n cmile pompelor etc.Uzura prin abraziune sau oboseal este determinat de concentraia,

mrimea, duritatea i forma (coluroassau rotunjit) particulelor solide. Pentrucnu existo scara abrazivitii, msurtorile care se fac (de obicei cu aceleaiaparate cu care se msoarcoeficientul de frecare) au doar o valoare relativ.

Uzura eroziv apare la elementele prin care circul fluidul de foraj(prjini, duzele sapei, pompe, manifold, motoare de fund) sau care se mic nraport cu acesta (supapele pompelor, dinii sapelor, exteriorul prjinilor).Capacitatea de eroziune a unui fluid de foraj este determinat de viteza decurgere, de unghiul de impact cu suprafaa erodat, de masa i concentraia

particulelor solide.La fel ca i uzura abraziv, uzura erozivse aprecieazn valori relative,

ca pierderea de masa unor epruvete testate n condiii care ssimuleze pe cele


30/208

Fluide de foraj

33

din sond(aparate similare cu nite agitatoare), iar pentru duzele sapei se poateaprecia creterea diametrului datoritcirculaiei unui fluid.

Uzura prin eroziune se poate diminua printr-o mcinare adecvat amaterialelor de ngreuiere i o curire ct mai eficienta fluidului n sistemul desuprafa.

Att uzura abraziv, ct i cea eroziv intensific efectul coroziv alfluidelor de foraj.


31/208

Fluide de foraj

34

4. Funciile fluidului de foraj

Chiar dacla nceputurile forajului rotativ, fluidul de foraj utilizat era apa,iar treptat s-au dezvoltat i diversificat noi tipuri de fluide pentru sparea uneisonde, ele ndeplinesc aceleai funcii n procesul de foraj [1, 4, 6, 8, 11, 12]: curtalpa sondei de detritus i l transportla suprafa; realizeazcontrapresiune asupra pereilor sondei i mpiedicsurparea rocilor

slab consolidate, precum i ptrunderea nedorit n sond a fluidelor dinformaiunile traversate;

colmateazpereii sondei n dreptul rocilor poros-permeabile, prin depunereaunei turte din particule solide (turt de colmatare), datorit diferenei de

presiune sond-strate, colmatajul reducnd n acelai timp frecrile dintregarnitura de foraj sau coloana de burlane i rocile din pereii sondei;

contribuie la rcirea i lubrifierea elementelor active ale sapei, lagrelor sapeisau motoarelor de fund, reducnd frecrile i uzura garniturii de foraj;

au capacitatea de a menine detritusul n suspensie atunci cnd se opretecirculaia, iar datorit proprietilor tixotropice, noroiul revine lacaracteristicile de fluid atunci cnd se reia circulaia;

reprezintmediul prin care se transmite puterea hidraulic disponibilde lasuprafa la instrumentul de dislocare, fluidul fiind un parametru activ alregimului de foraj;

preia o parte din greutatea garniturii de foraj i a coloanei de burlane, ceea cedetermin o scdere a greutii care trebuie suportat de echipamentul desuprafa;

furnizeaz informaii asupra rocilor interceptate i a fluidelor din poriiacestora.

Pentru a ndeplini funciile enumerate, dar i alte performane consideratenecesare din punct de vedere al forajului, compoziia i natura fluidelor de foraj

s-a diversificat continuu, astfel nct, multe dintre ele nu mai conin deloc argil,iar gradul de specializare al diferitelor fluide a cptat o mare amploare (n modspecial, sisteme de fluide cu un numr minim de componeni i care le deosebescde fluidele convenionale). Totui, fluidele de foraj trebuie s ndeplineascnumeroase alte condiii pentru ca sonda sse realizeze ntr-un timp ct mai scurt(fr accidente i complicaii), iar la punerea ei n exploatare s se realizeze o

productivitate ct mai mare. Cteva dintre condiiile suplimentare impusefluidelor de foraj sunt [1, 4, 6, 8, 11, 12]: snu afecteze, fizic sau chimic, rocile traversate, adicsnu umfle i snu

disperseze marnele i argilele, s nu dizolve rocile solubile, s nu erodeze


32/208

Fluide de foraj

35

rocile slab consolidate, snu modifice permeabilitatea stratelor productive ipe ct posibil, detritusul snu fie dispersat sau hidratat;

snu fie la rndul lui afectat de mineralele solubile (sare, gips, anhidrit), deapele mineralizate, de gaze (dioxid de carbon, hidrogen sulfurat), temperaturisau presiuni i chiar detritusul argilos, deci fluidul s-i pstreze proprietilen limite acceptabile;

s permit investigarea geofizic a rocilor i fluidelor coninute de acestea,precum i recoltarea probelor de roc, n condiii ct mai apropiate de cele insitu;

sprevineroziunea i coroziunea echipamentului din sond; snu fie toxice, inflamabile sau sproducpoluarea mediului nconjurtor i

apelor freatice; sfie uor de preparat, manipulat, ntreinut i curat de detritus sau gaze;

snu reclame cantiti mari sau greu de procurat de aditivi pentru meninereaproprietilor, deci s fie pe ct posibil ieftine, iar pomparea s aib loc cucheltuieli minime de energie.

Din aceste cerine i roluri pe care trebuie s le ndeplineascfluidele deforaj se poate vedea c nu se poate prepara un fluid care s rspund la toateaceste condiii. Se impune tot mai mult un proces de analizi diagnozpentrufiecare zcmnt sau chiar sond, cu soluii individuale, i acest mod de lucrudevine tot mai rspndit. Proiectarea i utilizarea unor sisteme de fluide specialconcepute pentru a rspunde ct mai bine unei situaii concrete, n mod deosebitla deschiderea i traversarea formaiunilor productive, dei n aparen mresc

costul sondei, ele i dovedesc eficiena prin creterile de producie ulterioare.

4.1. Curirea tlpii sondei de detritus i evacuarea acestuia la suprafa

Cea mai rspndit tehnologie de foraj este cea a forajului rotativ-hidraulic, cu circulaie directa fluidului de foraj. n urma lucrului sapei pe talpasondei se formeaz fragmente de roc, care trebuie ndeprtate nainte deaciunea urmtorului dinte al sapei n acelai loc, astfel nct toate elementeleactive ale instrumentului de dislocare slucreze permanent n rocvie(deci sserealizeze o splare perfect prin degajarea imediat i complet a detritusului

rezultat n urma interaciunii sap-roc). ntr-o astfel de situaie, viteza deavansare va fi maximpentru o apsare pe sapi turaie date. Dacnsachiilede rocnu sunt ndeprtate de pe talpa sondei, are loc o acumulare de detritus, iaradncimea de ptrundere a dinilor sapei n roc vie se reduce, avnd loc unconsum inutil de energie i o scdere a vitezei de avansare a sapei. Fenomenuleste cunoscut sub numele de manonarea tlpii sondei.

La forajul n roci permeabile, mai ales n cazul unor presiuni hidrostaticemari, are loc formarea aproape instantaneu pe talpa sondei a unei turte decolmatare, alctuitdin particule solide din fluid sau roc, ceea ce va determinascderea vitezei mecanice.


33/208

Fluide de foraj

n formaiunile cu roci plastice, datorit lipirii detritusului de elementeleactive ale sapei, are loc o ncrcare sau manonare a sapei, efectul de reducere avitezei de avansare fiind cu att mai accentuat cu ct apsarea i turaia sunt maimari (deci volumul de rocdislocati nendeprtatdin talpeste mai mare).

La forajul n roci dure, eventual impermeabile, prin aciunea elementeloractive ale sapei se pot forma, la nivelul fragmentelor de roc din talpa sondei,fisuri insuficient dezvoltate pentru ca roca s fie uor expulzat de la locul ei,lucru care, de asemenea, va determina o reducere a vitezei de avansare a sapei.

Se poate spune c o splare perfect a tlpii i a sapei, precum indeprtarea imediati n totalitate a detritusului din talpa sondei pot fi realizate

printr-o circulaie corespunztoare i eficienta fluidului de foraj. Factorii caredetermineficiena acestei circulaii sunt:

debitul fluidului;

viteza jeturilor; geometria sistemului de splare al sapei (numrul i forma orificiilor deieire a noroiului, poziia i distana lor fade talp);

natura i proprietile fluidului de foraj (densitatea, viscozitatea,capacitatea de filtrare, coninutul de solide, capacitatea de umectare etc.);

diametrul i forma sapei; natura formaiunilor traversate (rezistena, gradul de consolidare,

permeabilitatea, presiunea i natura fluidelor din pori).Pentru a pune totui n eviden modul n care are loc ndeprtarea

particulelor de roc de la talpa sondei, trebuie analizate separat influena

proprietilor fluidului i a factorilor tehnologici (debitul i viteza jeturilor).

4.1.1 Influena factorilor tehnologici

a. Influena debitului de circulaie

Debitul de fluid care ajunge la talpa sondei are rolul principal n splareadetritusului format ca urmare a lucrului sapei (dar i n rcirea i lubrefiereaelementelor active). Din fig.4.1 se poate vedea codatcu mrirea debitului decirculaie are loc i creterea vitezei de avansare a sapei. Experiena practic a

pus totui n eviden c, la valori suficient de mari ale debitului, ritmul de

cretere a vitezei devine nesemnificativ sau chiar zero, n condiiile n care,pentru o apsare i turaie date, splarea tlpii este realizat.

36


34/208

Fluide de foraj

Debitul

Vitezadeavansare

Fig.4.1. Influena debitului asupra vitezei de avansareAceastdependenpoate fi exprimatsub forma (relaia lui Fedorov):

Qba

Qv

+= , (4.1)

unde ai bsunt dou constante ale cror valori depind de proprietile rocilor,tipul i dimensiunile sapei, apsare, turaie, proprietile fluidului etc.

Orientativ, debitul de splare, raportat la aria suprafeei tlpii (debitspecific), are valorile:

23

sp cmsdm065,0...045,0Q = , (4.2)dar ele depind de viteza jeturilor, proprietile fluidului i ndeosebi de diferenade presiune sond-strat. Cu ct aceste condiii sunt mai favorabile, cu att debitul

pn la care viteza continu s creasc este mai mare. Uneori, ca urmare acreterii debitului peste valorile optime care asigursplarea tlpii, viteza poatechiar sscad, urmare a creterii cderii de presiune din spaiul inelar.

b. Influena vitezei jeturilor de fluidImpactul fluidului de foraj pe talpa sondei are ca urmare ndeprtarea

fragmentelor de roc. Un studiu al jeturilor unei sape n timpul forajului este ns

destul de dificil i nici nu constituie un obiectiv al acestui curs. De aceea, efectulvitezei jeturilor asupra vitezei de avansare a sapei va fi strict prezentat referitor lacurirea tlpii sondei de detritus.

37


35/208

Fluide de foraj

100

110

120

130

140

150

0 20 40 60 80 100

Viteza jeturilor, m/s

Cretereavitezei,%

granit

calcar

ist

Fig. 4.2. Influena vitezei jeturilor asupra vitezei de avansare

Pentru diferite tipuri de roci, la valori constante ale debitului de circulaie,n fig.4.2 se pun n evidencreterile importante ale vitezei de avansare a sapeiodatcu creterea vitezei jeturilor de fluid.

Fig. 4.3. Distribuia presiunii dinamice pe talpa sondei i curgereaparalelcu talpa.

Impactul perpendicular al jeturilor cu talpa are loc la o vitez axialrelativ mare, 70150 m/s, n raport cu cea circumferenialprovocatde rotirea

sapei, 0,53,0 m/s. Deoarece suprafaa de impact este relativ mic (o coroan38


36/208

Fluide de foraj

circular cu limea de aproximativ trei ori diametrul duzelor), restul tlpiisondei este splat de aceast micare paralel cu talpa, numit i curgerencruciat, fluidul rspndit prin impactul unuia din jeturi, ncrucindu-se cucel mprtiat de celelalte jeturi (fig.4.3). Prin aceastmprtiere radialare locndeprtarea fragmentelor de rocdin talp, care, nglobate ca detritus n fluidulde foraj, se ridic fie prin gurile de ntoarcere din flcile sapei, fie pe lng

pereii sondei, prin spaiul inelar, ctre suprafa.Dac se considero particuloarecare de detritus n planul tlpii sondei

(fig.4.4), asupra ei vor aciona att fore de reinere a particulei pe talp, ct ifore care tind so ndeprteze.

Fig. 4.4. Forele care acioneazasupra unei particule soliden planul tlpii sondei

Forele care rein particula pe talpsunt: greutatea proprie i fora de inerie a particulei, ;pG

fora de presiune pnp ppAF = 1 , creatde diferena dintre presiuneanoroiului i cea a fluidelor de sub particul (din porii rocilor),

unde este aria proieciei particulei pe un plan paralel cu talpasondei;

np pp

1A

fora de frecare i adeziune fade talp, ppad FGF += .

Forele care tind sndeprteze particula de detritus din talpa sondei sunt: fora de impact lateral (de antrenare lateral i numai dac particula

depete planul tlpii), care, n regim turbulent, este:

np

i

vAcF = 2

2

2 , (4.3)

unde: ceste un coeficient de rezistenhidraulic, care depinde deforma particulei i regimul de curgere;

A2-aria proieciei particulei pe un plan perpendicular pedirecia de curgere;

vp-viteza curentului de fluid paralel cu talpa sondei;

n -densitatea fluidului;

fora ascensional, provocatde diferena de vitezde deasupra i desub particul

39


37/208

Fluide de foraj

n

p

as

vAF =

2

2

1 ; (4.4)

fora de frecare vscoas, creatde micarea fluidului

1AF pf = , (4.5)unde p este tensiunea de forfecare a fluidului la suprafaa particulei.

n ipoteza cjetul de fluid ce iese din duzele sapei este perpendicular petalp, pentru curgerea paralelcu talpa s-au stabilit urmtoarele relaii:

( )s

j

D

vQ p Kv

21

1

/

= (4.6)

( )

2

87

2s

j

pD

vQK

/= ,

n care reprezint diametrul sapei, iar sunt constante de

laiilor anterioare, rezultcla o valoare maxima produsului

cur

od practic ns, viteza de avansare a sapei pentru anumite valori ale

.1.2 Influena compoziiei i proprietilor fluidelor de foraj.

Proprietile unui fluid de foraj sunt funcie de compoziia i natura lui, de

sD 21 KK ,proporionalitate.

Conform re

jvQ se obin viteze maxime de curgere n planul tlpii sondei, iar splarea i

irea de detritus sunt cu att mai eficiente cu ct diametrul sondei este maimic.n m

produsului jvQ , nceteazsmai creasc, deoarece, pentru o apsare pe sapi

o turaie date, se asigurcondiiile de splare perfecta tlpii sondei. n plus, ncondiii reale, orice cretere a debitului peste valoarea optim conduce lacreterea cderilor de presiune n spaiul inelar i la scderea vitezei mecanice deavansare a sapei.

4

aceea orice modificare a unui parametru este nsoitde schimbri ale valoriloraltor parametrii. Acest lucru pune n eviden ct este de dificil o analiz ainfluenei separate a unei proprieti asupra vitezei de avansare a sapei i

complexitatea fenomenelor ce se produc la nivelul tlpii sondei, funcie decaracteristicile i natura fluidului. Din literatura de specialitate rezult prericontradictorii referitor la variaia vitezei mecanice cu modificarea uneia dintre

proprietile fluidului de foraj, singura influen cert fiind considerat cea adensitii [5, 6, 8, 11]. Totui, pentru a pune n eviden gradul de influen a

proprietilor fluidelor de foraj asupra vitezei de avansare a sapei, se impune oanaliza acestora, cel puin calitativ.

40


38/208

Fluide de foraj

41

ensitatea

a pune n eviden efectul densitii fluidului de foraj asupra

pca rocilor nconjurtoare, creatde

cnd exist, presiunea fluidelor din pori pp;

ana hidrostatic

a. D

Pentruvitezei de avansare, se impune mai nti precizarea presiunilor ce acioneaz latalpa sondei asupra unui fragment de roc:

presiunea lateral(de confinare)

presiunea litostaticpl ;presiunea de strat, sau,aceast presiune se considernormal dac corespunde unei coloanede apde zcmnt cu densitatea 10301070 kg/m3;

presiunea fluidului de foraj pn, care este datde colode lichid, gHn , la care se adaug cderea de presiune din spaiul

inelar, amb onstante pe ntreaga talp a sondei i peste care sesuprapun i presiunile dinamice.

ele c

Fig. 4.5. Influenta diferenei de presiune la talpa

Din numeroasele cercetri de laborator, dar mai ales din rezultatele

sondei asupra vitezei de avansare

practice s-a constatat c viteza de avansare a sapei scade, pe msur ce cretepresiunea pe talp, sau mai exact, viteza mecanic este influenatde diferenadintre presiunea fluidului de foraj i cea a fluidelor din porii rocii, la nivelul

suprafeelor fisurate (pn-pp,

) (fig.4.5). Aceast diferen de presiune are un rolprincipal n procesul de ndeprtare a fragmentelor de rocdin talpa sondei i cuct aceasta este mai mic la nivelul de ptrundere a dinilor sapei, cu att va fimai mare viteza de avansare a sapei. Ca urmare, se pot obine viteze ridicate deforaj chiar cu fluide cu densitate ridicat, dacdiferena de presiune de deasuprai de sub particula de roceste redus(ndeprtarea fragmentelor este cu att maiuoarcu ct presiunile pe feele lor sunt mai apropiate). Efectul acestei presiunidifereniale pn-pp

, se manifestmai pronunat la valori mici i n roci slabe saupermeabile, dar nu lipsete nici n rocile impermeabile sau n rocile tari. n plus,s-a constatat c viteza mecanic crete substanial atunci cnd densitatea

fluidului scade sub cea a fluidelor din pori. Aceste constatri practice au fcut ca


39/208

Fluide de foraj

42

rea vitezei de avansare cu creterea diferenei de presiunepn-pp seplic

n practic, chiar dacse lucreazcu un diferenial de presiune de pnla

. Capacitatea de filtrare i colmatarela nivelul fragmentelor de rocdin talpa

iltrrii i a reduce efectul negativ

. Viscozitatea fluidului de foraj

n ultimii ani sse practice tot mai mult forajul la echilibru i chiar forajul lasubechilibru, mai ales c i din punct de vedere tehnic s-au realizat progresensemnate.

Reduce ,

ex prin creterea rezistenei rocii i printr-o splare necorespunztoare atlpii (fragmentele de rocsunt reinute pe talpi sapa nu mai lucreazn rocvie).

25 30 bar, la nivelul tlpii sondei, micorarea acestei diferene are loc prinptrunderea fluidului de foraj sau a filtratului pe suprafeele de fisurare, filtrareafluidului prin porii fragmentelor sau prin roca nconjurtoare, curgerea fluiduluictre suprafeele de forfecare unde iniial s-a creat o depresiune. De asemenea,experiena de antier a demonstrat c cele mai bune viteze de avansare au fostobinute la utilizarea apei sau a fluidelor gazoase, dar orice performandepindede natura rocilor n care se lucreaz.

b Procesul de reducere a presiuniisondei este o consecina ptrunderii fluidului de foraj sau a filtratului. Filtrareafluidului prin talpa sondei favorizeaz avansarea sapei datorit egalizrii

presiunilor de deasupra i de sub particul, dar procesul de ndeprtare afragmentelor de roceste destul de complex. Efectul acestei proprieti nu poatefi separat de coninutul de particule solide din fluid i mai ales de permeabilitatea

rocii. Viteza de avansare crete pentru fluidele cu viteziniialde filtrare mare,dar, cu un cumulativ total de filtrat ct mai mic. Formarea turtei de colmatare areloc n acelai timp cu ptrunderea filtratului prin talpa sondei. De grosimea eidepinde ca dintele sapei s loveasc n roc vie sau fragmentele de rocdesprinse din talpsrmnprinse sub turta de colmatare ca ntr-o capcan. nastfel de situaii se produce o acumulare de detritus pe talpa sondei, porii rocilorse nfundi viteza de avansare a sapei scade.

Practic, pentru a folosi efectul pozitiv al fal acumulrii de detritus pe talpa sondei, au fost realizate fluide cu viteziniialde filtrare mare, cum sunt cele cu polimeri i coninut redus de particule solide

(sub 1%), soluiile de electrolii etc.c

Viscozitate () i tensiunea dinamic de forfecare ( o ) reprezint

proprietile reologice ale fluidului de foraj.


40/208

Fluide de foraj

Fig. 4.6. Profilul vitezei de curgere n planul tlpii sondei

Din experiena de antier s-a constatat c reducerea viscozitii fluiduluide foraj poate conduce la viteze de avansare mai mari, dei uneori efectul se

pune pe seama modificrii altor proprieti. Explicaia care se deste legatdereducerea grosimii stratului limit i apropierea vitezei maxime de suprafaatlpii.

Conform teoriei turbulenei i a stratului limit, ntr-un un fluid vscoscare curge cu o vitez foarte mare n raport cu o suprafa, regimul de curgereeste turbulent, cu excepia unui strat foarte subire n care curgerea este n regimlaminar. n acest strat, numitstrat limit, se presupune cviteza variazliniar, de

la zero la viteza maxim( ) (fig.4.6), iar grosimea lui estemaxv

maxv

D

n

sef

=

, (4.7)

unde ef reprezint viscozitatea efectiv a fluidului de foraj, iar este o

dimensiune caracteristica suprafeei (se ia diametrul sondei). ntr-un punct dininteriorul stratului limit, la o distan

sD

de planul tlpii, viteza de micare este

sef

n

D

vvxv

xv

==

max

maxmax . (4.8)

Se pune astfel n eviden c o viscozitate redus a fluidului de foraj vadetermina valori mai mari pentru viteza curentului n apropierea tlpii sondei( ), iar ndeprtarea fragmentelor de rocse face mai eficient (curirea tlpii

sondei va fi mai buni viteza de avansare a sapei, mai mare).pv

d. Coninutul de particule solide i natura fluidului

n fluidele de foraj pe bazde apse gsesc, sub formdispersatla nivelcoloidal, particule de argil, iar n diferite forme i dimensiuni alte materialesolide (barit, nisip, fragmente din roca dislocat). S-a constatat n practicreducerea vitezei de avansare a sapei datoritconcentraiei ridicate de particule

solide.43


41/208

Fluide de foraj

Fig. 4.7. Influena coninutului de particule solide argiloase

asupra vitezei de avansare

Explicaia care se d acestui comportament este atribuit modificriidensitii fluidului de foraj, dar mai ales blocrii porilor rocii i reducerii vitezeide filtrare prin talpa sondei. De fapt, performanele sapelor sunt influenatenegativ, nu att de creterea coninutului de particule solide, ct mai ales demrimea acestora. Efectul negativ, de reducere a vitezei mecanice chiar laconcentraii reduse de particule solide este accentuat de particulele coloidale, cudimensiuni apropiate de cele ale porilor rocii (fig.4.7). A aprut astfel ideeautilizrii unor aditivi (floculani) care s mpiedice dispersarea detritusului

argilos i marnos, sau chiar a fluidelor de foraj frsolide argiloase (cu electroliisau polimeri).

Natura n sine a fluidului de foraj influeneazde asemenea performaneleunei sape, att prin valoarea presiunii create pe talp, a viscozitii i capacitiide filtrare, dar i prin alte fenomene fizico-chimice. Astfel, adaosul de petrolntr-un fluid pe bazde apsau trecerea la un fluid pe bazde produse petroliereare o influendiferit, dupnatura rocilor.

Cu fluidele pe baz de ap, n care se introduce un anumit procent demotorin, se obin performane mult mai bune dect cu ap(tabela 4.1). Fluidulcaptproprieti lubrifiante, se mpiedicdispersarea detritusului i manonarea

dinilor sapei.

Tabela 4.1. Indicatori de foraj realizai n roci tari, pe intervalul 1500...3000m [4]Fluidul de foraj Durata forajului Numrul de sape

h bucGaze (sau aer) 250 12Emulsie 5% motorinn ap 520 39Ap 650 58

Noroi de foraj 940 82

44


42/208

Fluide de foraj

De asemenea, n roci hidratabile i dispersabile (roci plastice), cu fluidepe baz de produse petroliere se obin viteze mecanice mai bune i este cretedurata de funcionare a sapei.

n roci tari, performanele nu se mbuntesc semnificativ, iar uneorichiar se micoreaz. Explicaia care se deste n primul rnd legatde absenamanonrii sapei, iar n rocile permeabile de scderea vitezei de filtrare n faadinilor sapei, prin nfundarea porilor rocii.

Prezena n fluidele de foraj a motorinei sau a unor substane tensioactivemodific umectabilitatea rocii. Faza apoas poate ptrunde mai uor pesuprafeele de fisurare, duritatea rocii poate s scad, iar viteza de avansare asapei poate crete n mod semnificativ.

De fapt, toate aceste modificri ale proprietilor fluidului de foraj(interdependente i greu de individualizat), dar i mecanismele i fenomenelefizico-chimice la nivelul rocii, pun n evidencomplexitatea n sine a procesuluide foraj i faptul c sunt greu de modelat n condiii de laborator (de aceea imulte preri contradictorii ale specialitilor).

4.2. Evacuarea detritusului la suprafa

n metoda forajului rotativ-hidraulic cu circulaie direct a fluidului deforaj, evacuarea detritusului de la talp se realizeaz n curent ascendent, prinspaiul inelar format de garnitura de foraj i pereii sondei. Particulele fine deargil, marn sau chiar nisip (roc dislocat cu dimensiuni ale particulelor sub

0,5 mm), se nglobeazn fluidul de foraj i evacuarea lor la suprafanu ridicprobleme. Restul de particule solide, cu dimensiuni mai mari, sunt evacuate prinantrenarea lor de ctre curentul ascendent de fluid. Capacitatea de transport afluidului de foraj este ns determinat de: viteza ascensional, densitatea i

proprietile reologice ale fluidului de foraj, regimul de curgere, forma,dimensiunile i densitatea particulelor evacuate, diferena dintre densitateafluidului i cea a particulelor de detritus. n plus, dimensiunile transversale alespaiului inelar, nclinarea sondei, rotirea garniturii de foraj, concentraianeuniform a particulelor de detritus sunt elemente care influeneazevacuareadetritusului la suprafa.

Viteza de ridicare a particulei de detritus (vr) prin spaiul inelar al sondeieste efectul vitezei ascensionale a fluidului (vsi) i lunecrii particulei subgreutate proprie (u):

uvv sir = (4.9)

n general, debitele de circulaie necesare splrii tlpii asigur o vitezascensional suficient evacurii detritusului. Pentru fluidele de foraj obinuitese realizeaz viteze medii ale curentului ascensional de 0,31,3 m/s, iar laforajul cu aer de 1020 m/s. Evacuarea detritusului la suprafapoate constituio problem doar n zona superioar a sondelor, la traversarea rocilor cuforabilitate ridicat (cantitate mare de roc dislocat), n prezena unor strate

neconsolidate (predispuse la surpare) i atunci cnd fluidele de foraj au45


43/208

Fluide de foraj

densitatea i viscozitatea reduse. n general ns, debitele necesare pentrusplarea perfect a tlpii sunt superioare celor de evacuare a detritusului, iarvitezele ascensionale uzuale sunt acoperitoare. Pentru a evita pericolul depuneriidetritusului, concentraia de particule solide trebuie limitatla 5 %, n fluidele deforaj obinuite, iar n cazul apei sau a fluidelor cu capacitate redus desuspendare sub 2 %.

n ceea ce privete micarea particulelor solide ntr-un fluid (viteza delunecare), se tie c aceasta depinde de forma i dimensiunile particulei,densitatea rocii i a fluidului, viscozitatea fluidului i regimul de curgere.Aceast vitez de cdere este exprimat prin diverse formule (relaia luiRittinger, a lui Stokes), dar ntr-un fluid de foraj nu depete n mod obinuit2030 cm/s, valori mai mari realizndu-se pentru particule cu dimensiuniapreciabile, n fluide cu densitatea i viscozitatea sczute.

Pentru a evita cderea particulelor de detritus la talp

Fluide de Foraj Si Fluide de Izolare_Maria Georgeta Popescu_curs UPG

Documents

Transcript of Fluide de Foraj Si Fluide de Izolare_Maria Georgeta Popescu_curs UPG