Instrumente de dislocare roci

Instrumente de dislocare a rocilor

INSTRUMENTE DE DISLOCARE A ROCILOR

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.

Dezvoltarea forării sondelor

Primele deschideri prin foraj sunt cunoscute din antichitate. Exploatare şi prelucrarea petrolului a determinat dezvoltare forajului. 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). Primele sonde se sapă în sistemul percutant uscat, dar se trece la forajul percutant hidraulic, la care evacuarea detritusului se realiza prin circulaţia apei.

În România sistemul a fost aplicat în 1896 în Prahova (Băicoi). Sistemul Rotary apare în SUA la inceputul secolului 20 . În România, primele sonde în acest sistem, au fost forate în 1906 (Moreni-Prahova, Tescani –Bacău).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.Cu toată diversitatea sistemelor şi variantelor, sistemul rotativ cu masă este cel mai folosit.

1


Sonda este o construcţie minieră specială, de formă cilindrică, verticală sau înclinată, caracterizată printr-un raport mare între

2


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).

Dizlocarea este procesul complex de desprindere si de inlaturare a rocii din talpa sondei.Dislocarea rocii în talpa sondei se execută cu instrumente special cum ar fi:

- Sape de foraj- Capete de carotieră sau freze- Lărgitoare

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) care face legătura între instrumental de dislocare şi instalaţia de suprafaţă, iar detritusul este scos la suprafaţă de fluidul de foraj (de circulaţie).

3


Clasificarea forajelor

Clasificarea se face după mai multe criterii:

1. După scop

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

sonde de explorare-prospecţiune; sonde de explorare-deschidere; sonde de explorare-evaluare

Foraje de exploatare –În această categorie sunt cuprinse :

sondele de extracţie, sondele de injecţie(de salvare, parametrice)

Foraje cu destinaţie special 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);

4


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

Foraj manual 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:

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) 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.

5


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)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.

Foraj rotativ –percutant

Componentele instalaţiilor 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,

6


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.

7


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.

Mecanismul dislocării rocilor în procesul de foraj

Procesele fundamentale de dislocare a rocilor

Mecanismele de bază de dislocare a rocilor sunt:

- Tensiuni provocate în rocă prin mijloace mecanice;- Tensiuni provocate în rocă prin mijloace termice;- Topirea şi vaporizarea rocilor;- Reacţii chimice de dezagregare a rocilor;

Dintre cele patru procese fundamentale de dislocare a rocilor in stadiul actual al tehnicii forajului sondelor se folosesc cele care au la baza lor producerea de tensiuni în rocă prin mijloace mecanice.

Există o varietate de metode care creează eforturi în rocă prin mijloace mecanice, cum ar fi:

- Foraj rotativ cu sape cu conuri sau cu diamante- Foraj cu discuri abrazive cu diamante- Foraj cu bile de oţel- Foraj cu explozivi- Foraj cu dispositive de implozie- Foraj cu jet abraziv

8


- Foraj prin eroziune cu jet lichid

Sape de foraj

Funcţie de tipul dislocării, sapele de foraj se clasifică în:

- Sape de tip despicător-aşchietor – prin apăsare se realizează despicarea, iar prin rotaţie, aşchierea. În această categorie se încadrează sapele cu lame.

- Sape de tip sfărâmător-rozător – sapele cu inserţii şi sapele cu diamante.

- Sape de tip sfărâmător – aşchietor –sapele cu role.

Sape cu lame

Aceste sape pot fi cu două sau trei lame (la 120º). Sapele cu două lame se numesc şi sape coadă de peşte (cu lame subţiri şi cu lame groase). Părţile de contact cu roca sunt armate cu material dur prin sudură.

9


Sape cu inserţii

Aceste sape se numesc şi sape monolit. Sapa are un corp masiv, în care sunt fixate inserţii de diferite forme (plăcuţe şi ştifturi) din carbură de wolfram, cu liant de cobalt. Inserţiile se fixează prin lipire cu un aliaj cu alamă, sau prin presare la rece.

Sape cu diamante

Sapele cu diamante sunt utilizate în roci cu durităţi variabile, de la roci puţin tari până la roci extratari. Sunt foarte eficiente la rocile abrasive, în special la adâncimi mari, având o mare rezistenţă la uzură. Durata lor de utilizare este mare, comparativ cu a altor tipuri de sape.

Diamantele, sunt elementele active (diamante industriale) şi sunt prinse într-o matrice (suport), realizată din aliaje dure sinterizate, de tipul carburii de wolfram în amestec cu lianţi (cobalt, fier, cupru, nichel, etc.). Există sape cu diamante insertate, la care granulele de diamant sunt fixate (împlântate) în matrice, sau sape cu diamante impregnate (granule de dimensiuni mici sunt distribuite în masa matricei).

Sistemul de spălare al sapei permite circulatia fluidului de foraj în vederea evacuării detritusului, precum şi pentru curăţirea şi răcirea suprafeţelor active.

Sape cu role

10


Sapele cu role au elementele active sub forma unor proeminenţe numite dinţi, care sunt plasaţi pe suprafaţa unor corpuri de rostogolire, numite rolele. Rotirea sapei în jurul axei sale determină rostogolirea rolelor. Contactul dinţilor cu roca este periodic şi limitat ca timp. Pătrunderea dinţilor în rocă produce sfărâmarea ei. Când, pe lângă pătrundere, dinţii mai execută o mişcare de translaţie faţă de talpă, dislocarea rocii se face prin sfărâmare şi aşchiere. În acest caz rolele execută o mişcare combinată, de rostogolire şi translaţie. Cu cât roca este mai dură şi abrazivă, mişcarea de alunecare trebuie să fie mai scăzută, ea lipsind la rocile foarte dure şi abrasive.

Cele mai utilizate sape (săparea sondelor pentru petrol, gaze) sunt sapele cu trei role. Mai există sape cu o rolă, cu două role şi cu mai mult de trei role.

Sapa cu trei role (conuri) este alcătuită din:

- corpul sapei format din trei fălci;

- conurile sapei care sunt purtătoarele dinţilor. Pot fi conuri perfecte sau conuri conjugate (cu două, sau trei conuri);

- dinţii sapei sunt plasaţi pe suprafaţa activă (de lucru), sub formă de coroane circulare paralele. Există sape cu dinţi frezaţi şi sape cu dinţi insertaţi (sape cu ştifturi). Ştifturile sunt confecţionate din carburi sinterizate şi sunt fixate prin presare în locaşuri practicate în corpul rolelor.

11


În rocile plastice detritusul colmatează spaţiul dintre dinţi, reducând înălţimea dinţilor şi producând manşonarea sapei, cu blocarea rolelor. Pentru evitarea manşonării, s-au construit sape cu autocurăţire, la care dinţii coroanelor unui con calcă în canalele dintre coroanele celorlalte conuri.

- lagărele sapei reprezintă sistemul de rulmenţi pentru fixarea în sapă a rolelor şi asigură posibilitatea de mişcare a acestora.

- dispozitivele de spălare au rolul de a îndepărta detritusul din talpă şi de a curăţa sapa (dinţii). La sapele moderne spălarea este exterioară, orificiile de circulaţie sunt plasate în exteriorul sapei, între conuri, aproape de talpă. Orificiile sunt echipate cu duze speciale, iar fluidul de foraj iese sub formă de jet. (sape maxijet sau cu spălare exterioară joasa).

Sapele au simboluri din combinaţii de litere care dau indicaţii privind tipul de rocă pentru care este construită, tipul de dantură, tipul de lagăre şi tipul de spălare.

Ex: SM – 9 5/8 KLM = sapă pentru rocă slabă-medie (SM), cu diametrul 9 5/8 in (244,5 mm), dantură din stifturi insertate (K), cu lagăre etanşe (L) şi spălare exterioară joasă (maxijet) (M).

12


13


Tuburi carotiere si coroane diamantate

Carotierele se utilizează în forajul de prospecţiune şi explorare, pentru obţinerea carotelor (eşantioane) în procesul de carotaj mecanic. Funcţie de locul recoltării se numesc: carotiere pentru carotaj în talpa sondei şi carotiere laterale (ciupitoare).

1. Carotiere pentru carotaj în talpa sondei au în partea inferioară instrumentul de dislocare (capul de carotieră).

Carotiere diamantate

Carotierele simple sunt formate din tubul carotier, reducţie (piesă care face legătura cu prăjina), capul de carotieră şi reţinătorul de probă. Fluidul de foraj circulă prin spaţiul dintre carotă şi tub.

Carotiere duble utilizate la forajul sondelor pentru petrol şi gaze, sunt formate din două tuburi concentrice (tub carotier şi tub portcarotă, cu supapă de evacuare a fluidului), reducţie, cap de carotieră şi reţinătorul de probă. Tubul portcarotă poate fi fix, sau mobil, atunci când legătura cu tubul carotier se face cu ajutorul unor rulmenţi. Acest din urmă tip se foloseşte la obţinerea unor probe netulburate în roci slab consolidate.

Carotiere amovibile sunt cele la care tubul portcarotă se lansează de la suprafaţă prin interiorul garniturii de foraj. Extragerea se face cu ajutorul unui dispozitiv special (coruncă) lansat prin garnitură cu un

14


cablu. Se utilizează în cazul carotajului pe intervale mari, sau în carotajul intermittent, la intervale mici. Avantajul constă în extragerea de carotă, fără scoaterea garniturii.

Carotiere pentru extragerea probelor orientate sunt instrumente speciale, din două sau trei tuburi concentrice, prevăzute cu dispozitive de măsurare a orientării carotei.

2. Carotiere pentru recoltarea probelor din pereţii găurii de sondă (carotiere laterale, ciupitoare laterale) sunt alcătuite dintr-un corp central, pe care sunt legate ciupitoarele (păhărele). Acestea sunt împinse în peretele sondei cu diferite metode (frecvent prin explozie) şi sunt apoi extrase la suprafaţă.

Capetele de carotieră sunt de tipul: cu lame, cu inserţii (ştifturi), cu role şi cu diamante.

Capetele de carotieră cu lame se folosesc pentru forajul în roci slab consolidate.

Coroanele cu inserţii din material dur (sinterizat), de tip widia (wie-diamant = ca diamantul) (carbură de wolfram), se folosesc în roci cu duritate variabilă (slabe până la tari). Funcţie de duritate se alege tipul de aliaj din care sunt alcătuite inserţiile. Acestea sunt plăcuţe cu forme diferite (paralelipipedică, rombică, hexagonală, pentagonală) şi lungimi de 7-24mm.

Capetele de carotieră cu role se utilizează în roci cu durităţi medii şi mari. Pot să fie echipate cu 4, 6, sau 8 role.

Capetele de carotieră cu diamante sunt asemeni sapelor, cu diamante insertate, sau cu diamante impregnate.

15


16

Instrumente de dislocare roci

Documents

Transcript of Instrumente de dislocare roci