TUBAREA SONDEI

TUBAREA SONDEI

Sonda se proiecteaza astfel ca, la un cost minim, sa prezinte siguranta atat in timpul forajului, pana la atingerea obiectivului, cat si in perioada preconizata de exploatare.

Aceasta siguranta este determinata de rezistenta coloanelor de tubare si de adancimea la care ele sunt tubate. Dimensionarea lor corecta ca grosime, otel, tip de imbinare presupune anticiparea tuturor situatiilor ce pot interveni si stabilirea celor mai severe solicitari posibile.

1. Solicitarile coloanelor de burlane

Natura si intensitatea solicitarilor, la care este supusa o coloana de burlane in gaura de sonda, depind de: adancimea si profilul sondei, stabilitatea formatiunilor traversate, natura si presiunea fluidelor din porii lor, gradientul de fisurare si temperatura, modul de fixare al coloanelor in flanse, operatia executata si tehnologia aplicata.

Solicitarile sunt variabile de-a lungul coloanei, iar unele dintre ele se modifica in timp. In general ele sunt statice si doar accidentul capata caracter dinamic.

Principalele solicitari la care sunt supuse coloanele de burlane sunt descrise mai jos:

1. Tractiune si compresiune.

Principala solicitare este tractiunea data de greutatea proprie a coloanelor. Valoarea maxima este la suprafata la sfarsitul introducerii coloanei. La aceasta se adauga: greutatea lichidului din interiorul coloanei; forta de compresiune creata de efectul de plutire in noroiul din sonda in momentul tubarii.

In momentul introducerii coloanelor apar si unele forte suplimentare cum ar fi:

Ø   de frecare intre coloana si peretii sondei;

Ø   hidrodinamice, create de miscarea fluidului deslocuit de coloana la introducere sau la circulatii intermediare;

Ø   de tractiune in cazul incercarii de degajare a coloanei prinse sau de desfundare a siului infundat prin ridicarea presiunii interioare;

Ø   de compresiune la sprijinirea coloanei pe pereti in zone deviate sau ingustate;

Ø    de tractiune in cazul coloanelor prinse, cand se incearca operatii de
degajare.

Forta maxima la suprafata nu depaseste greutatea coloanei scufundata in noroi.

Presiune exterioara.

In timpul introducerii coloanei, asupra ei se exercita presiunea exterioara creata in primul rand de prezenta fluidului din spatele ei. La aceasta se adaugi efectele hidrodinamice provocate de circulatia fluidului deslocuit de coloana sau pompat prin interior si presiunea de contact, neuniforma, cu peretii in sondele curbate.

Presiunea exercitata de rocile traversate prin foraj asupra coloanelor de burlane poate creste in timp, functie de proprietatile elastovascoplastice ale rocilor, umiditatea lor si presiunea fluidelor din pori, de el 838d31i asticitatea inelului de ciment si a burlanelor.

Presiune interioara.

Presiunea interioara este provocata de prezenta fluidelor in interiorul coloanei la care se adauga eventuala presiune creata de la suprafata. In timpul circulatiei se suprapun si presiunile necesare invingerii frecarilor. Valori mari ale presiunii interioare se intalnesc in cazul unei manifestari de gaze dintr-un strat deschis in timpul forajului.

Pot aparea cateva situatii, si anume:

Ø     sonda este inchisa cu un aflux de gaze la talpa;

Ø     gazele evacuate prin circulatie ajung la suprafata;

Ø     sonda este inchisa si plina cu gaze.

Incovoiere.

Coloanele de burlane sunt supuse la incovoiere in sondele curbate, dar si atunci cand isi pierd pozitia rectilinie datorita compresiunii sau presiunii interioare si flambeaza.

Solicitarea nu este periculoasa, in general se ia in considerare marind coeficientul de siguranta la tractiune.

Pentru proiectarea profilului coloanelor de burlane nu este si nici util sa se considere toate solicitarile ce pot interveni in timpul forarii sau exploatarii unei sonde. Este suficient sa se tina seama doar de solicitarile maxime la tractiune, presiune interioara sau presiune exterioara.

Presiunile de spargere si de turtire ale burlanelor trebuie afectate de prezenta fortelor axiale. Tractiunea reduce presiunea de turtire iar compresiunea reduce presiunea de spargere.

Tubarea si exploatarea unei coloane de burlane in deplina siguranta necesita aplicarea, la dimensionarea ei, a unor coeficienti de siguranta.

Acesti coeficienti de siguranta tin seama de:

Ø    abaterile de la caracteristicile standard ale otelurilor;

Ø    schema si ipotezele de alcatuire a profilului coloanei;

Ø    uzura si coroziunea burlanelor in timp;

Ø    slabirea rezistentei burlanelor prin perforare sau frezare interioara.

Cei mai mari coeficienti de siguranta se iau la tractiune. De obicei se aplica rezistentei imbinarii, deoarece, imbinarea constituie elementul slab al unui burlan.

La spargere si la turtire, coeficientii de siguranta sunt mai mici, deoarece evaluarea solicitarilor este mult acoperitoare.

A dimensiona o coloana de burlane inseamna a ii alcatui profilul (grosimea de perete, calitatea oteluiui si tipul de imbinare) astfel incat sa reziste pe toata lungimea, intreaga perioada de exploatare, tuturor solicitarilor la care este supusa.

Deoarece solicitarile sunt variabile de-a lungul coloanei si profilul ei va fi variabil. Cand exista mai multe posibilitati de alcatuire se alege varianta cea mai economica sau profilul cel mai usor.

2. Dimensionarea coloanelor de burlane

Calculul de proiectare a profilului coloanelor de burlane se va efectua tinand seama de solicitarile principale: tractiune, presiune interioara si presiune exterioara.

De asemenea se vor considera ipotezele de calcul la care se va face dimensionarea coloanei de burlane: golire totala sau partiala.

Dimensionarea coloanei de ancoraj

Ø     densitatea fluidului de foraj pe intervalul 0 - 500 m:

Ø     densitatea fluidului de foraj pe intervalul 500 - 2225 m:

Ø     diametrul interior al coloanei de ancoraj:

Ø     densitatea echivalenta la siul coloanei de ancoraj:

Ø     adancimea de tubare a coloanei de 12 3/4 in:

Ø     adancimea de tubare a coloanei intermediare :

Presiunea fluidelor din pori la adancimea maxima deschisa sub siul

coloanei de 12 3/4 in, la 2225 m, se considera egala cu presiunea coloanei de noroi:

Presiunea de fisurare a formatiunilor de la siul coloanei de 12 3/4 in, cu o siguranta echivalenta de 100 Kg/m³ :

Unde: p_p - presiunea fluidelor din pori;

Hi - inaltimea coloanei intermediare;

- densitatea noroiului;

- densitatea gazului;

H_a - inaltimea coloanei de ancoraj;

Daca se considera presiunea coloanei plina cu gaze, patrunse in sonda de la 2250 m, densitatea lor medie este de ρ_g = 200 Kg/m³ iar in spatele coloanei apa mineralizata cu densitatea ρ_a = 1050 kg/m³, atunci:

Aceasta valoare este mai mare decat presiunea de fisurare, 78.45 bar, presiune maxima posibila la siul coloanei de 12 3/4 in.

In spatele coloanei se considera apa mineralizata cu densitatea de 1050 kg/m³.

Diferenta de presiune interioara la siul coloanei va fi :

La suprafata, presiunea interioara va fi:

Se pot alege burlane, cu grosimea de 9 mm, otel J-55 ce au presiunea interioara admisibila de 147.2 bar mai mare decat presiunea de la capul coloanei de 68.647 bar.

P_sp - presiunea de spargere; c_sp - coeficient de spargere c_sp = l,25; P_t - presiunea de turtire; ct - coeficient de turtire ct = 1,05; F_S - forta de smulgere; c_s - coeficient de smulgere c_s = 1,75.

Tabela 1.

Fig. 1 .Epura diferenjei de presiune interioara pentru coloana de ancoraj

Unde:

 Presiunea din interiorul coloanei P_c = 68,647bar;

 Diferenta de presiune interioara la siu = 26,968 bar;

Presiunea interioara admisibila a burlanelor de 9 mm J-55, P_ia = 147.2 bar

Pentru dimensionare la presiune exterioara, se admite coloana complet goala, iar in exteriorul ei se considera noroiul din momentul tubari cu densitatea de 1250 kg/m³.

Diferenta de presiune exterioara maxima este la siu:

Se pot alege burlane de grosimea 9 mm din ojelul J -55 cu o presiune P_ea = 69,52bar.

Fig.2. Epura diferentei de presiune exterioara pentru coloana de ancoraj

Unde:

       Presiunea din interiorul coloanei P_c = 357,845bar;

       Presiunea exterioara admisibila a burlarelor de 9 mm J-55, P_ea=69,52 bar
Greutatea coloanei in aer avand masa unitara mi = 72,3 kg/m

Valoarea este mai mica decat cea admisibila de 1190.85 kN
Daca se considera coloana scufundata in noroi, forta de tractiune maxima este la suprafata:

In prezenta acesteia, presiunea exterioara admisibila este:

Aceasta valoare nu depaseste presiunea exterioara de 61,29 bar asa ca toata coloana va fi de 12 3/4 in cu o grosime intreaga de 9 mm de otel tip J-55, cu filet scurt.

Profilul coloanei de ancoraj :

500m

9mm J-55

Dimensionarea coloanei intermediare

Date necesare determinarii profilului coloanei intermediare:

Ø     diametrul interior al coloanei intermediare:

Ø     densitatea fluidului de foraj pe intervalul 500 - 2225 m:

Ø     densitatea noroiului pentru coloana de exploatare:

Ø     densitatea echivalenta la siul coloanei intermediare:

Ø     adancimea de tubare a coloanei de 8 5/8 in:

H_i= 2225m

Ø     adancimea de tubare a coloanei de exploatare:

H= 2711m

Presiunea maxima a fluidelor din porii formatiunilor deschise inainte de tubarea coloanei urmatoare, de exploatare, se considera egala cu presiunea coloanei de noroi la adancimea respectiva va fi:

Presiunea de fisurare a formatiunilor de sub siul coloanei

intermediare, cu o siguranta echivalenta de 100 kg/m³,

Daca se considera coloana intermediara plina cu gaze, patrunse in sonda de la 4000 m, densitatea lor medie ρ_m =300 Kg/m³.

Presiunea acestor gaze la siul coloanei intermediare va fi:

Aceasta valoare este mai mare decat presiunea de fisurare a rocilor de sub siul coloanei, 423,304 bar, presiune maxima posibila.

In exteriorul coloanei se considera apa mineralizata cu densitatea 1050 kg/m³.

Diferenta de presiune interioara la siul coloanei va fi:

La suprafata, presiunea din interiorul coloanei va fi:

Fig. 1. Epura diferentelor de presiune interioara pentru coloana intermediara

Unde:

Presiunea din interiorul coloanei P_c = 357,845bar;

Diferenta de presiune interioara la siu A_pis= 194 bar;

Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 10.16 mm J-5 5 ,P_ia =246 bar

Presiunea interioara admisibila a burlarelor de l0,16 mmN-80,Pi_a= 357.6bar;

Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 11,43 mm N-80,P_ia= 402bar;

Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 12,7 mm N-80,P_ia= 448bar

Tabela 2

Consideram sonda plina cu gaze.

Daca se limiteaza presiunea maxima la gaura sondei la 350 bar, inaltimea coloanei de noroi in timpui evacuarii unui aflux de gaze se determina din conditia ca la siu presiunea sa nu depaseasca rezistenta de fisurare a rocilor:

La baza coloanei de noroi, diferenta de presiune interioara va fi:

La siul coloanei, diferenta de presiune ramane aceeasi: 194 bar. Epura diferentei de presiune in acest caz este prezentata in figura 2. Pe aceeasi figura sunt trasate, cu linii intrerupte, presiunile interioare admisibile pentru burlanele de 10.16 mm J-55 246 bar, 10,16 mm N-80 357.6 bar si de 11,43 mm N-80 402 bar. Este nevoie doar de ultimele doua grosimi: profilul necesar este desenat pe aceeasi figura.

Lungimea tronsoanelor poate fi determinata grafic, dar si analitic. Astfel:

-lungimea tronsonului inferior, de 10,16 mm J-80 va fi egala cu :

-lungimea tronsonului superior, de 10,16 mm N-80 va fi egala cu :

Fig.2 . Epura diferentelor de presiune interioara pentru coloana intermediara

Unde:

 Presiunea maxima limitata la gaura sondei la 350 bar;

 Diferenta de presiune interioara la baza coloanei de noroi

 Diferenta de presiune interioara la siu ;

 Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 10.16 mm J-55,P_ia =246 bar;

 Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 10,16 mm N-80,P_ia=357.6bar;

 Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 11,43 mm N-80,P_ia= 402bar

 Inaltimea coloanei de noroi in timpul evacuarii unui aflux de gaze

H_n = 76,184 m

Pentru dimensionarea la turtire, in spatele coloanei se considera noroiul din momentul tubarii, cu densitatea de 1300 kg/m³, in interiorul coloanei se admite ca nivelul poate scadea, in cazul unei pierderi totale de circulatie in apropierea talpii sondei, pana ce presiunea noroiului egaleaza pe cea a unei coloane de apa mineralizata care umple sonda.

Nivelul de golire va fi:

Diferenta de presiune exterioara la adancimea de golire H_g, cu noroi de 1300 Kg/m³, in spatiul inelar si de 1350 Kg/m³ in interiorul coloanei, va fi:

La siul coloanei intermediare diferenta de presiune exterioara va fi:

Conform tabelei 2, atat presiunea exterioara admisibila a burlanelor de 10,16 mm J-55 246,4 bar, cat si a celor de 10,16 mm N-80 357,6 bar sunt mai mari decat diferenta de presiune exterioara maxima, 76,804 bar asadar, se verifica la presiune interioara, dimensionarea se face la presiune exterioara.

Fig.3. Epura diferentei de presiune exterioara

pentru calculul coloanei intermediare

Unde:

Diferenta de presiune exterioara la adancimea de golire, =76,804 bar;

Diferenta de presiune exterioara la siu ⁼68,848 bar;

Presiunea exterioara admisibila a burlarelor de 10,16 mm J-55,P_ea=246,4bar;

 Presiunea exterioara admisibila a burlarelor de 10,16 mm N-80, P_ea=357,6bar

 Adancimea de golire H_g = 602,444 bar.

Greutatea tronsonului inferior, de 10,16 mm J - 55 =53,57 kg/m³;

Valoarea este mai mica decat forta admisibila la tractiunea pentru aceste burlane (1235,4kN).

Trecerea de la compresiune la tractiune, provocata de flotabilitate, are loc la adancimea:

La capatul de sus al tronsonului inferior, de 10,16 J 55 forta de tractiune se calculeaza astfel:

In prezenta acestei forte de tractiune, presiunea exterioara admisibila a burlanelor de 10,16 mm J -55 se calculeaza astfel:

P_cor21>P_eH rezulta ca nu este nevoie sa se corecteze lungimea tronsonului de 10,16 mm J-55.

Greutatea totala a coloanei:

Aceasta valoare este mai mica decat forta admisibila de tractiune pentru burlanele de 10,16mm N-80, 1235,4 kN,

Tractiunea reduce presiunea exterioara admisibila a burlanelor de 10,16 mm N-80, dar cum ele sunt mai rezistente decat cele de 10,16 mm J-55, verificarea nu este necesara.

In concluzie, coloana de 8 5/8 in va fi alcatuita din 712 m burlane de 10,16 mm J-55, la partea inferioara si 1513 m burlane de 10,16 mm N-80, la partea superioara. Dimensionarea a fost determinata de solicitarea la presiune interioara.

Profilul coloanei intermediare:

Dimensionarea coloanei de exploatare

Date necesare calculului profilului coloanei de exploatare:

Ø     diametrul coloanei de exploatare:

Ø    densitatea fluidului de foraj pe intervalul 0 – 2711 m:

Ø     densitatea echivalenta la siul coloanei de exploatare:

Ø     adancimea de tubare a coloanei de exploatare de 5 1/2 in: H= 2711m

1. Presiunea maxima a fluidelor din porii formatiunilor exploatate prin coloana de 5 1/2 in se considera egala cu presiunea coloanei de noroi la adancimea de 2711 m:

Daca se considera coloana plina cu gaze, cu densitatea medie de circa ρ_g= 300 kg/m³.

ρ_am

ρ_g

- presiunea interioara la suprafata, la capul coloanei va fi:

Considerand in exteriorul coloanei de burlane apa mineralizata cu densitatea de ρa =1050 kg/m³, diferenta de presiune interioara la siu este:

Cu tubingul fixat la capatul inferior intr-un packer si cu un fluid intre tubing si coloana cu densitatea = 1200 kg/m³, de exemplu, la capatul de sus, presiunea interioara va fi zero, daca tubingul este etans, iar la capatul inferior, considerat la siul coloanei diferenta de presiune va fi:

Este posibil ca tubingul sa nu fie etans la partea superioara; intre el si coloana se vor acumula gaze cu presiunea maxima, cand sonda este inchisa, de 279.247bar.

Deasupra packerului, diferenta de presiune interioara va fi:

Valoarea calculata este foarte mare. Daca se monteaza la coloana o supapa care sa se deschida la 200 bar, de exemplu, atunci deasupra packerului diferenta de presiune scade la 200 + 39,89 = 239,89 bar,

In cele ce urmeaza, se considera situatia coloanei pline cu gaze. Epura diferentei de presiune interioara este prezentata in fig. 1 . Sunt desenate, cu linii punctate si presiunile interioare admisibile ale burlanelor de 7,72 mm N-80, 427,0 bar, 7,72 mm J-55 293,5 bar si 6,98 mm J-55 - 265,3 bar.

Fig.l Epura diferentei de presiune interioara pentru calculul coloanei de exploatare

Unde:

Presiunea interioara la suprafata, la capul coloanei, P_c = 279,247bar;

Diferenta de presiune interioara la siu =79,785 bar;

Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 6,98 mm J-55, P_ia=265,3bar

Presiunea interioara admisibila a burlarelor de 7,72 mm J-55, P_ia=293,5bar

3. Pentru dimensionarea la presiune exterioara, coloana se considera complet goala, cu noroi de 1350 kg/m³ in spatele ei. Presiunea exterioara la siu va fi:

Primul tronson de la siul coloanei trebuie sa reziste la presiunea
exterioara din aceasta zona, 359,031 bar. Dintre burlanele disponibile, se vor
alege cele de 7,72 mm J-55, cu presiunea exterioara admisibila de 412,4 bar .

Din figura 2 se observa ca de la o anumita inaltime este posibila tubarea unor burlane mai subtiri si mai ieftine, de 7,72 mm J-55, cu p_ea=322,4bar, p_ia= 293,5 bar si Fad = 628kN.

Adancimea de trecere constituie adancimea maxima de tubare a burlanelor 7,77 mm J-55, din tronsonul al doilea:

6. Trecerea de la compresiune, provocata de flotabilitate, la tractiune are loc la adancimea:

Fig.2 Epura presiunii exterioare pentru calculul coloanei de exploatare

Unde:

     Presiunea exterioara admisibila a burlarelor de 6,98 mm J-55, P_ea=265,2bar

      Presiunea exterioara admisibila a burlarelor de 7,72 mm J-55, P_ea=322,4bar

      Presiunea exterioara admisibila a burlarelor de 7,72 mm N-80, P_ea=412,4bar

      Presiunea exterioara la siu P_es=359,031 bar

7. Forta de tractiune la adancimea de 2434.402 m se calculeaza cu formula:

8. Presiunea admisibila corectata a burlanelor de 7,72 mm J-55, la adancimea de 2434,77 m,

9. Se recalculeaza adancimea de tubare a burlanelor de 7,72 mm N-80

10. Forta de tractiune recalculata la 2480.606 m

Cu acestea se calculeaza: p_cor=329.804bar, H₂=2491.162m.

La urmatoarea iterate: F_ax=-60406.997N, P_cor=330.127bar si H₂=2493.596 m Dupa inca o iteratie: F_ax=-61010.109N, P_cor=330.201bar si H₂=2494.156m, Dupa inca o iteratie: F_ax=-61148.847N, P_cor=330.218 bar si H₂=2494.285 m, Dupa inca o iteratie: F_ax=-61180.746N, P_cor=330.222 bar si H₂=2494.314 m, Dupa inca o iteratie: F_ax=-61188.080N, P_cor=330.223 bar si H₂=2494.321 m, Dupa inca o iteratie: F_ax=-61189.766N, P_cor=330.223 bar si H₂=2494.323 m. Se admite H₂ = 2490 m .

11. La adancimea de 2490 m, diferenta de presiune interioara va fi:

Valoarea este mai mica de 293,5 bar, care este presiunea interioara admisibila a burlanelor de 7,72mm N-80.

Greutatea tronsonului de 9,17 mm N-80, cu masa unitara qi=25,3
kg/m³ in aer se calculeaza astfel:

G₁= q₁ g(H- H₂)                             G₁=54.832kN

Valoarea este mai mica decat 628 kN care este forta admisibila a burlanelor de 7,72 mm J-55

Tronsonul I de 10.54 mm N-80 se tubeaza pe intervalul 2711 - 2490 m si are lungimea de L₁ = 221 m deasupra adancimii de 2490 m se pot tuba burlane 7,72 mm J-55.

Ne intereseaza, acum, posibilitatea de a trece la burlanele de 6,98 mm
J-55 mai ieftine decat cele de 7,72 mm J-55.

Adancimea de trecere, posibila in ceea ce priveste solicitarea la presiune exterioara a burlanelor de 6,98 mm J-55,

Lungimea celui de-al doilea tronson de burlane, cel de 6,98 mm J-55 este:

14. Forta de tractiune la adancimea de 2347 m, cu formula:

15. Presiunea exterioara admisibila corectata pentru burlanele de 6,98 mm

J-55, la adancimea de 2004,757 m,

16. Se recalculeaza adancimea de tubare a burlanelor de 6,98 mm J-55:

17. Forta de tractiune la aceasta adancime:

Cu aceasta forta se recalculeaza p_cor =256.478 bar si H₃ =1937.295 m .

Dupa inca trei iteratii se gaseste: F_ax=74298.177 N , p_cor=256.106bar, H₃= 1933.670 m ; F_ax=74932.929 N, p_cor = 256.022 bar , H₃ = 1933.849 m; Fax=75076.506 N, Pcor=256.003bar, H₃=1933.705m.

Se accepta o valoare rotunjita: H₃ =1930 m.

La adancimea de 1930 m, diferenta de presiune interioara :
P_c = 279.247 bar

Aceasta valoare este mai mica decat presiunea interioara admisibila a burlanelor de 6,69 mm J-55, 265,5 bar. Prin urmare acestea pot fi folosite la adancimea de 1930 m.

Tronsonul II de 7.72 mm J-55 se tubeaza pe intervalul 2490 - 1930 m si are lungimea de L₂= 560 m. Deasupra adancimii de 1930 m pot fi tubate burlane de 6.98 mm J-55.

Acum problema este pana unde se pot tuba burlanele de 6,98 mm J-55
si devine necesar sa se tubeze burlane mai rezistente la presiune interioara,
eventual si la tractiune, turtirea nu mai constituie o problema.

Aceasta adancime:

Greutatea, in aer, a celor trei tronsoane, primul de 7,72 mm N-80 cu
lungimea de 221 m, al doilea de 6,98 mm J-55 cu lungimea de 560 m si al
treilea de 6,98 mm J-55:

Aceasta valoare depaseste forta admisibila a burlanelor de 6,98 mm J-55, 551 kN. Prin urmare, lungimea tronsonului de 6,98 mm J-55 trebuie recalculata cu formula:

Se ia o valoare rotunjita L₃ = 1580 m

Tronsonul III de 6,98 mm J-55 se tubeaza pe intervalul 1930 - 350 m si are lungimea de 1580m.

21.Mai sus se vor tuba burlane de 7,72 mm J-55:
>350 m

Tronsonul IV de 7.72 mm J-55 se tubeaza pe intervalul 350-0 m si are

lungimea L₄ = 350m

Masa totala a coloanei:

Greutatea coloanei in aer:
G= m-g=638.069kN

Greutatea coloanei in noroi: