Embed Size (px)
Citation preview
PETROM EPS Mentenanta
“ TEACHER ”
PROGRAM DE
PERFECTIONARE PROFESIONALA
Tema 12: Extractia titeiului si gazelor naturale
2010
2
INTRODUCERE IN
EXTRACTIA TITEIULUI SI
GAZELOR NATURALE
Material pentru perfectionare profesionala
Traducere, compilare : Ing.Paul Popescu
Manager Departament Tehnic si Fiabilitate
redactare : MMk.Ec.Tudor OCHESCU Analist Operatiuni
3
CUPRINS
1. FIZICA ZACAMINTELOR DE TITEI SI GAZE…………….4
2. EXPLORAREA PENTRU HIDROCARBURI ………………15
3. FORAJUL SONDELOR ………………………………………18
4. EXPLOATAREA HIDROCARBURILOR ………………….28
5. CICLUL DE PRODUCTIE AL ZACAMINTELOR ………..32
4
1. FIZICA ZACAMINTELOR DE TITEI SI GAZE
1.1 Ipoteze privind originea petrolului si a gazelor naturale
Formarea petrolului si a gazelor naturale in scoarta terestra a preocupat
inca de mult timp pe specialisti. Avandu-se in vedere ca in natura exista atat
bitumene de origine minerala, cat si bitumene de origine organica, au fost emise
o serie de ipoteze asupra originii petrolului si a gazelor naturale.
Titeiul, in conditii de suprafata, este un lichid mai mult sau mai putin
viscos format din hidrocarburi.
Aceste hidrocarburi sint localizate in scoarta terestra la adincimi mai mari
sau mai mici, impregnand porii rocilor sedimentare neconsolidate(nisipuri,
pietrisuri marunte, marne), rocilor sedimentare consolidate (gresii,
conglomerate), fisurile din rocile sedimentare puternic cimentate sau fisurile si
cavernele din rocile metamorfice. Rocile in care se localizeaza titeiul si gazele
se numesc roci colector sau magazin. Ele pot fi de varste geologice diferite.
Problema originii hidrocarburilor, respectiv a titeiului si gazelor, a facut
obiectul multor discutii intre oamenii de stiinta. Chimistii au sustinut originea
minerala a petrolului, iar geologii, originea organica, care este ipoteza admisa in
prezent.
a. Ipoteza originii minerale, sustinuta de chimisti, dupa care formarea
hidrocarburilor este legata de anumite reactii chimice dintre carbon si hidrogen
ce se gasesc in gazele vulcanice, reactii care au loc in scoarta terestra in prezenta
unor catalizatori.
Sustinatorii originii minerale a hidrocarburilor s-au bazat pe rezultatele
experientelor de laborator, prin care au ajuns sa obtina hidrocarburi.
Astfel, in laborator, s-au obtinut hidrocarburi existente in petrol prin
reactia dintre acidul carbonic, metalele alcaline si vaporii de apa, la temperaturi
inalte. De asemenea, carburile metalice incalzite, in contact cu apa, pot produce
hidrocarburi lichide.
Avind in vedere ca in scoarta terestra exista atit apa cit si carburi metalice,
fier si alte metale, sustinatorii ipotezei minerale a petrolului au considerat ca in
scoarta terestra au loc reactii similare celor din laborator, ce duc la formarea
hidrocarburilor.
b. Ipoteza originii organice, sustinuta de geologi si confirmata de multe
cercetari stiintifice, dupa care hidrocarburile din scoarta terestra au luat nastere
din descompunerea si transformarea materiei organice procurate de plante si
vietuitoare. Aceasta materie organica a fost sedimentata impreuna cu materialul
mineral, pe fundul marilor inchise, a lagunelor sau lacurilor putin aerisite si
sarate, apoi a fost acoperita de alte sedimente minerale. Materia organica a
suferit o serie de transformari de natura chimica, posibile datorita prezentei
bacteriilor anaerobe, a temperaturilor si presiunilor care pot fi destul de mari si
care sint functie de grosimea sedimentelor aflate deasupra.
5
Inca din anul 1863 s-au obtinut, prin distilarea acizilor grasi intr-un curent
de vapori de apa supraincalzita, anumite hidrocarburi existente in petrol.
Unii cercetatori, distiland untura de peste la presiuni de 20-25 daN/ cm2 si
la temperaturi cuprinse intre 360-420oC au obtinut atat hidrocarburi gazoase cat
si lichide.
Ulterior, folosindu-se grasimi de peste, untdelemn de masline, rapita,
ceara de albine si alte materii grase de origine animala si vegetala, s-au obtinut
hidrocarburi. Hidrocarburile s-au obtinut si din celuloza, rasina de plante etc,
ceea ce a facut sa se considere ca din materia organica, animala sau vegetala, se
pot obtine hidrocarburi.
1.2 Conditiile formarii petrolului si gazelor in natura
Pentru formarea petrolului si gazelor se impun conditiile: existenta
materiei prime, a unui proces fizico-chimic si a unor conditii topografice sau
geologice.
Materia prima. In mediul continental, viata, atit in regnul animal cit si in
cel vegetal, este mai redusa fata de cel marin, iar conditiile de bituminizare a
materiilor organice nu sunt prielnice. In schimb, in mediul marin, in apele
oceanilor si marilor, vietuitoarele se dezvolta din abundenta, astfel ca ele pot
forma acumulari de mase mari de substante organice de origine animala si
vegetala.
Soarele furnizeaza energia necesara dezvoltarii tuturor fiintelor vii,
inclusiv planctonul sau alte forme de viata marine(Fig.1A) Microorganismele, in
special, dezvoltindu-se foarte repede si formind straturi groase de sute de metri,
constituie sursa cea mai importanta de materie organica. In mari si oceane mai
sunt si animale superioare care pot furniza un bogat material organic. In afara de
pesti trebuie luate in considerare si bancurile enorme de straturi cu fosile care
cindva au populat marile si oceanele si care arata ca, in mediu marin, a fost o
viata abundenta inca din perioadele cele mai indepartate ale scoartei terestre.
Figura 1A.
6
Aceasta cantitate imensa de materie organica a format materia prima din
care s-au format petrolul si gazele.
Procesul fizico-chimic. Principalele substante din materiile organice de
origine animala sau vegetala din care se obtin hidrocarburile sint grasimile din
care, dupa o serie de transformari fizico-chimice, s-au obtinut hidrocarburi.
Conditiile topografice sau geologice. Pentru intregul proces de formare a
petrolului si gazelor, in afara de cele doua conditii sus mentionate, mai este
nevoie de un bazin reprezentat fie printr-o laguna, mare interioara, golf sau
fiord, care sa aiba un prag de separare de restul oceanului. Acest prag va da
posibilitatea ca bazinul respectiv sa comunice cu apele oceanului sau ale unei
mari deschise numai in dreptul partii superioare, care este o bogata sursa de
materii prime, formata in cea mai mare parte din microfauna si microflora, cum
ar fi algele. Tot aici sint transportate de pe uscat materiile organice de origine
continentala.
In aceste conditii, apele din partea superioara a oceanelor si a marilor
deschise imbogatesc continuu bazinul in microorganisme. Legatura dintre ocean
sau marea deschisa si apa superficiala, aerata si cu salinitate normala din bazin
poate fi inchisa in urma miscarilor de ridicare ale scoartei. In urma unei
evaporari intense a apei din bazin, salinitatea creste, devenind mare spre fundul
bazinului si deci nefavorabila vietuitoarelor. Acestea, murind, cad la fund unde
grasimile sunt supuse unui proces fizico-chimic si produsele rezultate
impregneaza sedimentele fine formind un mil unsuros bituminos, care va da
nastere la roca-mama de petrol(Fig. 1-4).
Energie solara
Viata
marina
Depozit
hidrocarburi
Fig. 4
7
Cind au loc miscari de coborire ale scoartei se reia legatura cu oceanul sau
marea deschisa si zona de apa superficiala este din nou improspatata de apele
oceanice cu microorganisme.
Aceste forme de viata mor la randul lor, ramasitele devenind captive
procesului de eroziune si sedimentare. Procesul de maturare
termica(descompunere, temperatura, presiune) transforma materia organica in
petrol. De-a lungul timpului geologic(milioane de ani), sedimentele imbogatite
organic au fost transformate in straturi de roci care au fost deformate, curbate,
rupte sau suprapuse. Petrolul lichid s-a ridicat prin rocile permeabile, ajungand
in zone din care nu au mai putut migra si formand zacamintele de titei si gaze
care sunt exploatate in prezent.
Astfel, se poate considera ca formula de baza pentru aparitia
petrolului(titei si gaze) este:
Petrolul = [(Materie vie + Acumulare + Transformare + Migrare) + Timp Geologic]
1.3 Zacaminte. Roci-mame, roci-magazin si roci-protectoare.
Prin zacamint se intelege o alternanta de straturi impermeabile si roci
colector(nisipuri, gresii etc), in care se gasesc acumulari industriale de
hidrocarburi(Fig. 5) . Zacamintele pot fi cu un singur strat sau cu mai multe
straturi colectoare, izolate intre ele cu strate impermeabile.
Figura 5.
Camp Petrolier
Zacamant
Titei
Apa
Scoarta terestra
8
Pe linga titei si gaze, rocile-colector mai contin si apa, uneori in cantitati
foarte mari; apa este, de obicei, mai mult sau mai putin mineralizata (in apa de
zacamint sint dizolvate saruri de sodiu, potasiu, magneziu si alte substante).
Fluidele din rocile colector, adica gazele, titeiul si apa sint distribuite dupa
greutatea lor specifica: gazele ocupa partea cea mai ridicata a stratului productiv,
formind capul de gaze ; mai jos urmeaza zona de titei, care, de obicei, contine si
gaze dizolvate, iar sub aceasta urmeaza zona de apa(fig 6). Suprafetele de
separatie dintre aceste zone se numesc suprafete de contact sau contactul gaze-
titei, respectiv contactul titei-apa.
Figura 6.
Unele zacaminte nu au un cap de gaze, roca-colector fiind umpluta doar
cu lichid (titei cu gaze dizolvate la partea superioara, apa la partea inferioara).
In realitate, datorita unor fenomene capilare, trecerea de la zona de apa la
zona de titei, respectiv de la zona de titei in zona de gaze se face treptat: pornind
de la zona de apa in sus, stratul contine din ce in ce mai putina apa si din ce in
ce mai mult titei, continutul de titei in strat devenind maxim cind se ajunge in
zona de titei. Deci in zona de apa si zona de titei sau intre zona de titei si zona de
gaze nu sint suprafete de contact, ci zone de trecere de o anumita grosime.
Fluidele de zacamint sint supuse unor presiuni si temperaturi, ale caror
valori depind de adincime.
De obicei, exploatarea zacamintelor de titei si gaze se realizeaza cu
ajutorul sondelor. Dupa ce s-a forat prin roca-colector, se micsoreaza presiunea
exercitata de greutatea coloanei de lichid din gaura sondei asupra rocii-colector
prin golire sau prin reducerea greutatii specifice pina ce devine mai mica decit
presiunea zacamintului. Datorita diferentei de presiune creata in acest fel, intre
roca-colector si gaura de sonda, fluidele incep sa curga spre gaura de sonda, cu
atit mai intens cu cit diferenta de presiune e mai mare. Debitul de fluide nu
Suprafata
Adancime
Argila
Zona de tranzitie titei - gaze
Zona de tranzitie apa - titei
Gaze
Titei
Apa de fund
9
depinde doar de presiunea zacamintelor ci si de permeabilitatea rocii-colector,
precum si de proprietatile fluidelor, care, la rindul lor, sunt influentate de
temperatura din zacamint precum si de alti factori.
Fizica zacamintelor de titei si gaze se ocupa cu studierea proprietatilor
fizice ale rocilor, a conditiilor fizice de existenta a hidrocarburilor si a apei de
zacamint, precum si a proprietatilor fizice si fizico-chimice ale acestora care
au o mare influenta asupra exploatarii si comportarii zacamintelor in timpul
extractiei.
Roci-mame. Prin roca-mama se intelege roca provenita din sedimentele
minerale care s-au depus odata cu substantele organice ale caror produse de
transformare sint retinute de aceste sedimente. Rocile-mame se caracterizeaza
prin aceea ca sint fine, sistoase, de culoare brun-negricioase, datorita faptului ca
o parte din hidrocarburi sint retinute in masa acestora. Ele sint lipsite de schelete
calcaroase.
Dupa natura petrografica a sedimentului mineral, rocile-mame pot fi
argiloase, silicioase, calcaroase, marnoase sau carbunoase.
Cele mai raspindite si mai dezvoltate sint rocile-mame argiloase care se
intilnesc din era primara pina in era tertiara. In tara noastra, in afara de cele mai
raspindite roci-mame de petrol care sint argiloase si dintre care se mentioneaza
sisturile disodilice din oligocen si sisturile cu radiolari din tortonian, mai sint si
roci-mame silicioase(sisturile menilitice din oligocen).
Roci-magazin. Rocile in care se acumuleaza hidrocarburile in cantitati
mari, din care o parte sint cedate prin exploatare, sint cunoscute ca roci-
magazin. Proprietatea acestor roci de a inmagazina hidrocarburi este in strinsa
legatura cu porozitatea rocilor.
In general, aproape toate rocile , chiar si cele eruptive, cum sint andezitul,
bazaltul, au o porozitate oarecare, dar volumul porilor in cazul acestor roci este
de numai 0,35-1,25 din volumul total al rocii; in schimb, in cazul nisipurilor
fine, volumul prilor este de 45-50%.
O roca-magazin trebuie sa aiba si permeabilitate, adica sa dea posibilitatea
fluidelor sa circule prin masa rocii.
In cazul gresiilor cu bobul fin, bine cimentat, petrolul circula greu si este
cedat, de asemenea, greu. O sonda ce exploateaza asemenea gresii, are o
productie de petrol mica pe zi, dar exploatarea dureaza mult timp, asa cum este
cazul gresiilor eocene de pe structura Moinesti.
Nisipurile grosiere si pietrisurile marunte ca si calcarele fisurate si
vacuolare pot fi, de asemenea, roci-magazin.
In cazuri mai rare s-au dovedit a fi roci-magazin si sisturile cristaline
fisurate.
Roci-protectoare. Pentru ca un zacamint de hidrocarburi sa fie ferit de
degradare, el trebuie sa aibe un acoperis protector, format din roci impermeabile,
destul de rezistente. Din studiul zacamintelor s-a constatat ca marnele si argilele
au rolul de roci protectoare. In unele cazuri, zacamintul poate fi protejat si de o
zona de asfaltizare. Astfel, in tara noastra, pe structura Solont-Stanesti din
10
Moldova, zacamintele de petrol din gresia de Kliwa au ca roca protectoare, pe o
anumita extindere, zona de asfaltizare a acestei gresii care apare partial la zi.
1.4 Migratia titeiului si gazelor
Migratia petrolului si gazelor este procesul de deplasare a acestora in
scoarta terestra. Pentru ca sa se formeze un zacamint de hidrocarburi, acestea
trebuie sa paraseasca rocile-mame si sa-si gaseasca un alt culcus.
Migratia hidrocarburilor in scoarta terestra este determinata de o serie de
factori, care se completeaza unii pe altii si anume:
-greutatea sedimentelor depuse deasupra rocilor-mame si care face ca
porozitatea acestora sa scada si, ca urmare, sa aibe loc expulzarea
hidrocarburilor
-caldura interna a Pamintului. Roca-mama, sub greutatea sedimentelor de
deasupra, se scufunda si datorita caldurii interne a Pamintului se mareste
fluiditatea petrolului si presiune agazelor si acestea capata o forta de expansiune
si de ascensiune mai mare. Datorita presiunii gazelor, petrolul poate sa invinga
rezistenta rocilor si sa se deplaseze mai usor in scoarta terestra
-prezenta, in scoarta terestra a unor zone de slaba rezistenta (falii) pe unde
hidrocarburile pot circula acumulindu-se in monoclinale sau cute anticlinale
-circulatia apelor. Apele imping petrolul care se deplaseaza in cuprinsul
rocii-magazin.
1.5 Degradarea zacamintelor
Degradarea unui zacamint de hidrocarburi are loc atunci cind invelisul
protector este distrus. In acest caz, datorita iesirii gazelor, presiunea
zacamintului scade. In lipsa invelisului protector, stratul poate ajunge in zona de
circulatie a apelor superficiale sau acestea patrund in zacamint, fapt ce face ca
petrolul sa fie dus de ape si astfel zacamintul este distrus. La suprafata, se
cunosc o serie de asa-numite semne ale degradarii zacamintului, reprezentate
prin emanatii de gaze, vulcani noroiosi, iviri de petrol, aparitii de asfalt, de
ozocherita, izvoare iodurate, sarate, sulfuroase. Emanatiile de gaze reprezinta
inceputul degradarii unui zacamint, iar aparitiile de asfalt, sfirsitul degradarii
zacamintului.
Degradarea unui zacamint mai poate avea loc si datorita unor factori
industriali. Astfel, datorita unor greseli tehnice, prin inghiderea nereusita a
apelor are loc inundarea zacamintului. O alta cauza care poate duce la
degradarea zacamintului este si aceea a eruptiilor libere care fac ca odata cu
petrolul sa se piarda si gazele, ceea ce duce la pierderea energiei zacamintului.
11
1.6 Caracteristicile fizice ale zacamintelor. Provenienta si importanta
presiunii si a temperaturii de zacamant.
Natura, prin diversele ei forme de manifestare (vinturi, variatii de
temperatura, ploi, ghetari, torenti, riuri etc) macina rocile de la suprafata si in
acelasi timp transporta particulele rezultate pe care apoi le sedimenteaza in
locuri mai linistite. Odata cu particulele minerale sint sedimentate si materii
organice. Aceste fenomene petrecute pe parcursul a milioane de ani, fac ca peste
sedimentele depuse intr-o anumita etapa geologica sa se depuna altele mai noi.
Cu trecerea timpului, grosimea sedimentelor de deasupra unui strat mai vechi
creste, deci creste si greutatea pe care acesta trebuie sa o suporte. Aceasta
greutate provoaca tasarea sedimentelor mai vechi si comprimarea fluidelor
existente in prii acestora. In interiorul rocilor ia nastere o presiune care este cu
atit mai mare cu cit grosimea stratelor de deasupra creste. In acelasi timp creste
si temperatura.
Datorita presiunii, fluidele dispun de o energie potentiala, care provoaca
miscarea lor catre gaura de sonda si uneori ridicarea lor pina la suprafata.
Consumarea acestor energii in timpul exploatarii duce la scaderea presiunii de
zacamint.
De asemenea, unele din proprietatile fluidelor de zacamint cum sint
volumul (in special la gaze), viscozitatea, capacitatea de dizolvare a gazelor in
titei sau apa, care influenteaza asupra proceselor de exploatare, depind atit de
temperatura cit si de presiunea zacamintului.
Spre deosebire de presiunea de zacamint care este presiunea sub care se
afla fluidele din porii rocii-colector, presiunea litostatica este presiunea sub care
se afla insasi roca-colector, datorita greutatii suprapuse. In general, presiunea
litostatica asupra rocii-colector este mai mare decit presiunea de zacamint sub
care se afla fluidele din roca-colector.
1.7 Proprietatile fizico-chimice ale fluidelor din zacamintele de titei si
gaze.
Titeiul
a. Compozitie chimica. Titeiul este un amestec omogen de hidrocarburi
complexe care, in conditii de suprafa(temperatura mediului ambiant si presiunea
atmosferica), sint in stare lichida.
In zacamint, din cauza conditiilor de temperatura si presiune, titeiul
contine si hidrocarburi in stare lichida care in conditii de suprafata sint in stare
gazoasa. De asemenea, poate contine in solutie hidrocarburi care si in conditiile
de temperatura si presiune existente in zacamint sint sub forma gazoasa.
Zacamintele care contin astfel de hidrocarburi se numesc zacaminte de
titei. La analizele elementare s-a constatat ca titeiurile contin 84-86% carbon si
12-14% hidrogen, raportul dintre ele fiind 6,2-6,7.
12
In afara hidrocarburilor, titeiurile mai pot contine si alte elemente sau
compusi chimici de natura organica in componenta carora intra oxigenul, sulful,
azotul, mici cantitati de fosfor.
Din analiza cenusilor rezultate prin arderea titeiurilor, s-a constatat
prezenta in cantitati mici si a altor elemente cum sint: calciu, magneziu, fier,
aluminiu, vanadiu, nichel, mangan.
Oxigenul se gaseste in compusi fenolici sau in acizi naftenici.
Sulful este prezent liber, ca hidrogen sulfurat H2S sau alti compusi.
Titeiurile cu sulf sint puternic corozive si mai greu de prelucrat.
Azotul este prezent sau sub forma de compusi (amoniac, compusi
piridinici).
Titeiul romanesc contine 80-95% hidrocarburi si anume: 50-70%
hidrocarburi parafinice, 20-30% hidrocarburi naftenice si 10-20% hidrocarburi
aromatice; in proportii reduse contine si alti componenti ca:
-rasini, asfaltene (4-16%)
-diversi acizi (acizi grasi, naftenici, aromatici), fenoli, compusi cu sulful,
metale etc , de obicei, <1%’
-sulf –titeiurile romanesti au sub 5% sulf; unele titeiuri din alte tari-Iran,
Irak, URSS, Mexic - contin pina la 7% sulf.
La presiunea si temperatura mediului inconjurator, titeiul nu contine
aproape deloc metan, iar continutul in etan, propan, butan si pentan este mic.
Compozitia chimica a titeiurilor (proportiile diferitelor grupe de
hidrocarburi si ale celorlalte substante) variaza foarte mult de la zacamint la
altul. In functie de compozitia chimica variaza si proprietatile titeiurilor, ca:
greutatea specifica, viscozitatea, culoarea etc, precum si natura si cantitatea de
produse care se pot obtine prin prelucrarea titeiurilor in rafinarie.
b. Proprietatile fizice ale titeiurilor.
Culoarea: brun, roscat, verzui, negru.
Miros - aromatic.
Solubile in: acetona, tetraclorura de carbon si benzen.
Densitatea la 200 C a titeiurilor romanesti variaza intre 760 si 940 kg/m
3.
Majoritatea titeiurilor au densitatea cuprinsa intre 830 si 880 kg/ m3. In general,
titeiurile neparafinoase au densitatea mai mare decit cele parafinoase. Densitatea
condensatului de la zacamintele de gaze cu condensat variaza intre 700 si 750
kg/ m3.
In conditii de zacamint, datorita temperaturii si a gazelor dizolvate,
densitatea titeiurilor este mai mica. Din punctul de vedere al densitatii, titeiurile
se clasifica in:
- foarte usoare, pina la 820 kg/ m3
- usoare, 820-880 kg/ m3
- grele, peste 880 kg/ m
3
Compresibilitatea. Coeficientul de compresibilitate al titeiurilor variaza
intre 7x10-5 bar
-1 si 140x10
-5 bar
-1, adica volumul unui titei se micsoreaza cu
13
0,007 pina la 0,140%, daca presiunea creste cu un bar. Titeiurile usoare au
coeficienti de compresibilitate mai mari decit cele grele.
In conditii de zacamint, compresibilitatea titeiului creste din cauza gazelor
dizolvate.
Dilatarea termica a titeiului, adica cresterea volumului lui cu cresterea
temperaturii, se manifesta prin aceea ca densitatea titeiurilor scade cu 0,8 pina la
1,8 cind temperatura creste cu 10C. Deci, daca un titei cu coeficientul de dilatare
1,2 are la 220C densitatea de 856 kg/ m
3 atunci cind temperatura lui va creste la
280C, densitatea va fi 856-(28-22)x1,2=849 kg/ m
3.
Coeficientul de dilatare termica al titeiurilor usoare este mai mare decit
cel al titeiurilor grele.
In zacamint sint, de obicei, presiuni si temperaturi mult mai mari ca la
suprafata. Cresterea presiunii duce la micsorarea volumului titeiului, iar
cresterea temperaturii, la marirea volumului; in plus, volumul titeiului este marit
mult, datorita gazelor pe care le are in solutie la presiunea si temperatura de
zacamint. Din aceasta cauza, 1m3 de titei din rezervor (in conditii de suprafata),
ocupa in conditii de zacamint un volum mai mare.
Viscozitatea titeiului variaza in limite largi. Titeiurile grele si cele
neparafinoase au in general o viscozitate mai mare decit titeiurile usoare. La
temperatura mediului inconjurator si la presiunea atmosferica, viscozitatea
titeiului variaza intre 2x10 -3 si 15x10
-3 Ns/ m
2 ( 2 si 15 cP), dar atinge uneori
chiar valori de sute de centipoise.Viscozitatea titeiului creste direct cu presiunea
si invers cu temperatura; cind temperatura creste, viscozitatea titeiului scade
rapid. In zacamint, titeiul contine gaze in solutie, care ii micsoreaza viscozitatea
cu atit mai mult, cu cit cantitatea de gaze dizolvate este mai mare; din acest
motiv, titeiurile din zacamintele adinci, care din cauza presiunii ridicate contin
multe gaze in solutie au o viscozitate mai mica decit titeiurile din zacamintele de
mica adincime. Cind presiunea de zacamint scade in cursul exploatarii,
viscozitatea titeiului creste, deoarece cantitatea de gaze in solutie se micsoreaza.
In conditii de zacamint, viscozitatea titeiului variaza, in medie, intre 0,5x10-3 si
5x10-3Ns/ m
2(0,5 si 5 cP), atingind valori mult mai mari in cazul titeiurilor grele,
neparafinoase. Astfel, titeiul de la Suplacul de Barcau are o viscozitate ce
depaseste Ns/ m2 (1000 cP) la 20
0C.
Tensiunea superficiala a titeiului are un rol important in fenomenele
capilare, care influenteaza saturatia rocilor colectoare si curgerea fluidelor prin
acestea. La suprafata, tensiunea superficiala a titeiului variaza intre 24x10-5 si
28x10-5 N/cm(24 si 28 dyn/cm). Gazele in solutie micsoreaza tensiunea
superficiala a titeiurilor pina la citeva dyn/cm. La formarea emulsiilor de titei-
apa, un rol preponderent il are tensiunea interfaciala intre aceste doua fluide si
anume cu cit tensiunea interfaciala este mai mare cu atit emulsia este mai
stabila.
Punctul de fierbere al titeiurilor usoare este 250C, iar al titeiurilor grele
ajunge la 1000C.
14
Punctul de inflamabilitate. In cazul titeiurilor usoare, amestecurile de
vapori de titei si aer de la suprafata se pot aprinde la 200C. Pentru celelalte,
punctul de inflamabilitate variaza in limite foarte largi si anume intre 2000C si
5500C, in functie de compozitia chimica. Puterea calorica este de 37600-54980
kJ (9000-11000 kcal).
c. Clasificarea titeiurilor. Sint mai multe criterii de clasificare a
titeiurilor. In practica santierelor de petrol se aplica clasificarea in functie de
continutul in parafina si de calitatea pacurii si a benzinei care distila 60% la
1000C.
Conform acestui criteriu, titeiurile se clasifica astfel:
Titei neparafinos sau titei calitatea A, continind 0,2-1% parafina. Titeiul
neparafinos congeleaza la temperaturi sub -150C.
Titeiul A se subimparte la rindul sau in subclasele :
-titei A1 octanic uleios-(din care se obtine benzina cu cifra octanica peste
70 si uleiuri)
-titei A2 octanic neuleios-(din care se obtine benzina cu cifra octanica
peste 70 dar nu uleiuri)
-titei A3 neoctanic uleios-(din care se obtine benzina cu cifra octanica sub
70 si uleiuri)
-titei A4 neoctanic neuleios-(din care se obtine benzina sub cifra octanica
70 dar nu uleiuri);
Titei semiparafinos \ titei calitatea B, continind 1-3% parafina. Titeiul nu
congeleaza la temperaturi depasind 00C si depune putina parafina;
Titei parafinos \ titei calitatea C, cu un continut de parafina mai mare de
3% cu temperaturi de congelare care uneori pot depasi 200C.
Intre calitatea titeiului, formatiunile geologice din care este extras si
adincime nu este o dependenta precisa.
Gazele
a. Compozitia chimica. Gazele extrase pot avea doua proveniente, in
functie de care sint clasificate astfel:
- gaze asociate cind provin din zacaminte de titei unde se gasesc dizolvate
in titei ori formeaza capul de gaze al acestora;
- gaze libere, extrase din zacaminte care contin doar hidrocarburi gazoase
numite zacaminte de gaze.
Gazele asociate sunt alcatuite din hidrocarburi parafinice (CnH2n+2).
Preponderent este metanul CH4, celelalte hidrocarburi din aceasta clasa –(etanul
C2H6, propanul C3H8 , butanul C4H10), existind in proportii foarte mici.
Continutul in hidrocarburi mai grele incepind cu pentanul (C5H12) este asa de
mic, incit in analize sint evidentiate impreuna sub denumirea C5+.
In instalatiile de degazolinare, hidrocarburile de la propan in sus sint
extrase sub forma lichida, numindu-se gazolina bruta. In functie de continutul
in hidrocarburi lichefiabile (C3+) gazele sint clasificate in:
-gaze bogate - cu un continut mai mare de 60g/m3 hidrocarburi lichefiabile
15
-gaze sarace - cu un continut inferior celui de mai sus.
Gazele libere sint formate aproape in exclusivitate din metan, continutul lor
in alte hidrocarburi fiind aproape neglijabil. Din aceasta cauza ele sint cunoscute
in mod curent sub denumirea de gaz-metan.
Apele de zacamant
a. Compozitia chimica. Apele de zacamint sint mineralizate; mineralizarea
apelor se indica prin cantitatea (mg/l) de cationi (Na+, K
+,Ca
2+, Mg
2+) si anioni
(Cl-, SO4
2,CO2
3, etc) pe care o contin.
In general, mineralizarea apelor creste cu cit formatiunea geologica in
care se afla este mai veche si mai adinca. Proportia cea mai mare in componenta
apelor din zacamintele de titei o are sarea de bucatarie (NaCl) si anume pina la
90% din totalul substantelor dizolvate. Apele de zacamint din dacian contin intre
20 si 60 kg sare in metrul cub de apa, cele din meotian intre 100 si 260kg/m3, iar
cele din helvetian pina la 320 kg/ m3. cind meotianul si helvetianul se gasesc la
adincimi mici, apa de zacamint contine mai putina sare. Unele ape de zacamint
contin iod(30 mg/l sau mai mult), precum si diferite metale, in cantitati foarte
mici.
Analiza apelor de zacamint ajuta la studiul geologic al zacamintelor de
titei, precum si la diverse cercetari in legatura cu exploatarea acestora;
b. Proprietati fizice. Densitatea apei pure este de 1000kg/ m3 la 4
0C si la
presiunea atmosferica. Daca temperatura apei creste la 800C, densitatea scade la
980 kg/m3. Daca presiunea creste, creste si densitatea; astfel, la 4
0C si 10000N/
cm2, densitatea apei pure este de 1040 kg/m
3, iar la 80
0C si 10000 N/cm
2,
densitatea este de 1010 kg/ m3. Apa mineralizata are densitatea mai mare decit
apa pura; densitatea apei in functie de continutulei in sare este urmatoarea:
Continut sare (kg/m3) 20 60 100 150 200 250 300
Densitatea (kg/m3) 1010 1040 1070 1100 1130 1160 1190
Compresibilitatea. Coeficientul de compresibilitate al apei pure variaza
in functie de temperatura si presiune, avind valoarea intre 3,7x10-5 si 5x10
-5bar
-1,
respectiv daca presiunea creste cu 1 bar, volumul apei se micsoreaza cu
0,0037% pina la 0,0050%. Compresibilitatea apei mineralizate este ceva mai
mica decit a apei pure.
2. EXPLORAREA PENTRU HIDROCARBURI
Localizarea zacamintelor de titei si gaze naturale este cunoscuta, in
general, ca activitatea de explorare pentru hidrocarburi. Aceasta presupune
identificarea posibilelor formatiuni geologice aflate la mari adancimi, unde, in
timp de milioane de ani, s-ar fi putut acumula cantitati mari de gaze naturale si
titei.
16
Geologii folosesc diverse metode pentru descoperirea zacamintelor.
Incepand cu anii 1920, metode geofizice ca seismologia, geomagnetismul,
gravimetria si geoelectricitatea si-au dovedit eficienta printre metodele de
explorare geologica. Reflexia seismica ocupa locul principal in explorarea
petroliera, insumand peste 90% din investitiile in cercetarea geologica.
Seismica
Cea mai utilizata metoda de explorare geofizica este reflexia seismica.
Vibratiile seismice sunt initiate de incarcaturi explozibile sau vehicule speciale.
Undele se propaga prin structurile geologice cu viteze care difera in functie de
natura acestora. Undele seismice sunt reflectate de suprafetele care delimiteaza
straturile de roci, la fel cum sunetul este reflectat de catre un perete de stanca
sub forma de ecou.
Undele seismice reflectate sunt inregistrate de aparate numite geofoane,
amplasate lin pozitii optime la suprafata solului.
Semnalele electrice provenind de la geofoane sunt digitalizate de catre
sistemul de inregistrare. Aceasta presupune conversia semnalului analog in cod
binar. Aceste masuratori seismice sunt inregistrate pe suport magnetic, in forma
digitala, si sunt ulterior procesate de calculatoare speciale.
Urmatorul pas presupune folosirea datelor achizitionate pentru generarea
unei imagini cat mai detaliate posibil a structurii geologice. Aceast lucru este
realizat cu ajutorul metodelor de procesare a datelor seismice. Pentru a creste
calitatea semnalelor reflectate sunt utilizate filtre digitale complexe si o gama
larga de metode de reglare si reducere a interferentelor. Rezultatul ofera
specialistilor posibilitatea intelegerii proprietatilor acustice ale scoartei terestre.
Aceste proprietati sunt strans legate geologie si dau o buna imagine a structurii
geologice pana la adancimi de mii de metri.
Figura 7
17
Exista doua tipuri de masuratori seismice: bidimensionale(2-D) si
tridimensionale(3-D).
Seismica 2-D: Masuratorile sunt realizate de-a lungul unei linii drepte sau
curbe. Rezultatul este o imagine bidimensionala a stratelor superioare ale
scoartei terestre(Fig.7). Obtinerea unei reprezentari precise a unei structuri
geologice este posibila numai prin combinarea datelor achizitionate in urma unei
intregi retele de linii seismice 2-D. Aceasta metoda este folosita, in principal,
pentru cercetarile initiale ale unor suprafete mari.
Seismica 3-D: Metoda utilizeaza geofoane si incarcaturi explozibile sau
puncte generatoare de vibratii distribuite pe supafete de km patrati. Acestea sunt
dispuse intr-o retea, cu distante prestabilite intre geofoane si incarcaturi. Acest
aranjament permite obtinerea unei imagini acustice tridimensionale ale structurii
geologice.
Rezultatele masuratorilor seismice sunt modelele acustice ale scoartei
terestre. Aceste modele sunt rafinate prin combinarea cu alte informatii cum sunt
geologia de suprafata, date gravimetrice si magnetice, radare cu penetrare in
subsol, fotografii aeriene si, nu in ultimul rand, date ale sondelor. Duratele de
propagare sunt transformate in adancimi, folosind cunostintele despre viteza de
propagare a undelor seismice. Astfel, este creata o imagine tridimensionala a
rocilor din scoarta pamantului(Fig.8).
Figura 8
Ultimul pas in utilizarea informatiei seismice este interpretarea. Aceasta
este realizata cu ajutorul calculatoarelor de mare putere si a softurilor
specializate, obiectivul final al metodei de explorare seismica fiind localizarea
zacamintelor de titei sau gaze care pot fi exploatate.
18
3. FORAJUL SONDELOR. GENERALITATI.
a. Definitii
Se numeste sonda acea constructie miniera speciala, care are forma unei
gauri verticale, realizata in scoarta Pamintului, cu un diametru foarte mic(pana la
600mm) in raport cu lungimea(pana la 10000m), care se executa in intregime de
la suprafata, prin mijloace mecanizate; partea superioara a acestei constructii se
numeste gura sondei, iar partea inferioara, talpa sondei.
Forajul reprezinta intregul complex de lucrari, legate de traversarea
formatiunilor geologice ale scoartei terestre, de la suprafata si pina la o anumita
adincime, in scopul realizarii sondei, prin care se realizeaza dislocarea rocilor cu
ajutorul unor scule speciale(sape), aducerea rocii sfaramate la suprafata,
consolidarea sondei cu tuburi din otel care formeaza coloanele de tubaj si
cimentarea spatiului inelar dintre acestea si peretii sondei, in vederea izolarii
stratelor intre ele. In practica insa, destul de frecvent se foloseste notiunea de
“foraj” doar pentru a descrie acest proces mecanic de dislocare a rocilor (de
sapare). Prin intermediul sondei sapate pana in dreptul stratului productiv se
pune in comunicatie zacamantul, care este o acumulare de titei, apa sarata si
gaze, intr-un strat poros si permeabil, delimitat de strate impermeabile, cu
suprafata.
Forajul sondelor s-a dezvoltat in strinsa legatura cu exploatarea
zacamintelor de petrol si gaze; in prezent, insa, forajele au o larga intrebuintare
in cele mai diferite sectoare de activitate.
Dupa scopul urmarit, forajele se impart in: foraje de cercetare geologica,
foraje de exploatare si foraje cu destinatie speciala. Aceeasi clasificare
corespunde si sondelor respective.
Forajele de cercetare geologica includ forajele de prospectiune si
forajele de explorare. Primele au ca scop sa puna in evidenta succesiunea
stratelor care alcatuiesc o anumita structura geologica, tectonica acestei structuri
si eventual prezenta zacamintelor de minerale utile. Sondele de prospectiune au
adincimi variind intre citeva zeci pina la citeva mii de metri si se caracterizeaza
printr-un program complex de cercetare a stratelor strabatute, din care motiv
saparea lor dureaza timp indelungat si costa mai mult.
Forajele de explorare urmaresc sa contureze pe verticala si orizontala,
stratele productive ale zacamintelor de minerale utile si sa furnizeze informatiile
strict necesare stabilirii rezervelor si rentabilitatii exploatarilor.
Forajele de exploatare se executa pe structurile explorate in scopul
extragerii la suprafata a hidrocarburilor fluide(petrol si gaze). Tot in aceasta
categorie intra si sondele destinate exploatarii pe cale umeda a anumitor minerale
solide(sarea gema), sondele de apa pentru agricultura sau pentru alimentareea
centrelor industriale, precum si sondele pentru extractia apelor termale si
mineralizate, in statiunile balneo-climaterice.
Forajele cu destinatie speciala cuprind forajele geotehnice (destinate
cunoasterii proprietatilor fizico-mecanice ale rocilor de suprafata pe care se vor
19
amplasa constructii civile sau industriale), forajele hidrogeologice (pentru
detectarea pinzelor subterane de apa), precum si forajele de interes minier.
b. Clasificarea metodelor de foraj
In decursul timpului s-au folosit diferite metode de foraj, care se
deosebesc intre ele prin modul in care se realizeaza dislocarea rocilor din talpa
sondei, prin modul de evacuare a rocii sfarimate (detritusului), la suprafata si
printr-o serie de particularitati constructive ale instalatiilor de actionare a
sculelor de dislocare. Principalele metode mecanice de foraj care s-au folosit sau
se folosesc la saparea sondelor sint:
-metodele de foraj percutante
-metodele de foraj rotativ-hidraulice.
Metodele de foraj percutante se caracterizeaza prin dislocarea
discontinua a rocii din talpa sondei, realizata prin lovirea (percutia) ritmica a
talpii cu ajutorul unei sape speciale numita trepan.
Intr-o prima varianta , antrenarea trepanului in miscarea sa rectilinie se
facea fie cu cablu(la sistemul pensilvan), fie cu tije de lemn sau metalice(la
sistemul canadian), iar detritusul de la talpa se indeparta periodic, cu ajutorul
unei linguri cilindrice; intrucit in gaura de sonda se gasea doar o cantitate mica
de lichid(in care sa se inglobeze detritusul) aceste metode au capatat denumirea
de percutant-uscate.
O imbunatatire adusa metodelor percutante a constatat din inlocuirea
cablului sau tijelor de antrenare a trepanului cu tevi de otel (prajini); prin
interiorul acestor tevi se pompa continuu fluid pentru spalarea talpii de detritus si
antrenarea acestuia la suprafata, prin spatiul inelar dintre tevi si gaura de sonda.
Aceasta metoda, cunoscuta in literatura tehnica sub denumirea de percutant-
hidraulica, a dus la o oarecare crestere a vitezelor de foraj, a redus substantial
accidentele provocate de darimarea peretilor sau de eruptii (gaura de sonda fiind
in permanenta plina cu fluid de circulatie ) si a permis simplificarea programului
de tubare.
Metodele percutante au aparut prin anul 1848, fiind primele metode
mecanice de foraj; la noi in tara, prima sonda pentru titei, adinca de 150m, s-a
sapat la Mosoarele (linga Tg Ocna) in 1861, folosindu-se forajul percutant uscat
cu tije de lemn. Anterior, in Tarile Romanesti se extragea petrolul prin puturi
sapate manual, care au atins adincimi de pina la 300m.
Dintre metodele de foraj percutante in prezent se mai foloseste doar
metoda percutant –uscata(SUA), la deschiderea stratelor productive cu presiune
scazuta, situate la adancimi nu prea mari(citeva sute de metri).
Metodele de foraj rotativ-hidraulice se caracterizeaza prin procesul
neintrerupt de dislocare mecanica a rocilor din talpa sondei, combinat cu
indepartarea continua a detritusului de catre curentul de fluid; dislocarea
neintrerupta a rocii se realizeaza cu sape de diferite constructii, care executa
concomitent o miscare de rotatie si de patrundere in teren.
In cadrul acestor metode se disting doua variante:
20
-metoda de foraj rotativ-hidraulica cu masa (metoda Rotary),
caracterizata prin aceea ca sapa este antrenata in miscarea sa de rotatie de la
suprafata de catre masa rotativa prin intermediul prajinilor de foraj(Fig.9); in
cadrul acestei metode, garnitura de foraj mai indeplineste si functiunea de a
asigura apasarea pe sapa(pentru patrunderea acesteia in teren), precum si cea de
canal, prin care curentul de fluid este pompat spre talpa. In prezent, aceasta
metoda este cel mai mult folosita in practica, datorita eficientei sale ridicate.
Metoda Rotary a aparut in anul 1901(SUA), in Romania fiind folosita pentru
prima data in anul 1906, la saparea unei sonde de la Moreni. Prin aceasta metoda
s-au forat si cele mai adinci sonde (6502 m in Romania, 9583 m in SUA);
Figura 9.
-metoda de foraj rotativ-hidraulica cu motoare scufundate (submersibile), caracterizata prin plasarea motorului de rotire a sapei direct
deasupra acesteia, in gaura de sonda. In functie de tipul motorului folosit pentru
rotirea sapei se deosebesc si in cadrul acestei metode doua variante: forajul cu
turbina si forajul cu motoare electrice. Prin folosirea motoarelor submersibile
21
s-au imbunatatit simtitor conditiile de lucru ale prajinilor de foraj si s-au putut
concentra puteri mai mari la sapa, ceea ce a permis, in anumite conditii
geologice, sa se obtina rezultate mai bune decit la forajul cu masa.
Forajul cu motoare submersibile a aparut in practica industriala in jurul
anului 1940 (URSS) iar la noi in tara din 1952. Este demn de remarcat, ca in anul
1912 inginerul roman S. Cantili a construit si aplicat la forarea unei sonde
(Cimpina) un motor electric submersibil de conceptie originala.
c. Forajul directional
Restrictiile de mediu, dificultatile datorate reliefului si cele de natura
tehnologica fac necesara gasirea unor metode de exploatare a zacamintelor aflate
la distanta de locatia de foraj de la suprafata(Fig.10).
Figura 10
In acest scop au fost dezvoltate echipamente pentru foraj directional,
capabile sa realizeze sonde deviate atat ca inclinare, cat si ca directie.
Figura 11
22
Acest lucru a fost posibil prin utilizarea motoarelor de fund, in combinatie
cu dispozitive de deviere(Fig. 11).
Daca garnitura de foraj si dispozitivul de deviere nu se rotesc, sapa –
antrenata de motorul de fund – va fora o gaura deviata. Deasupra sapei sunt
amplasate instrumente de masura care, cu ajutorul impulsurilor transmise prin
fluidul de foraj, trimit informatii asupra unghiului si directiei sapei, permitand
astfel operatorului sa ajusteze directia forajului.
Forajul directional este utilizat pe scara larga pentru exploatarea intensiva,
printr-o singura sonda a zacamintelor intinse pe suprafete mari(Fig.12). si in
forajul marin, datorita conditiilor specifice de realizare a gaurilor de sonda
Figura 12.
d. Traversarea stratelor productive
Caracteristicile fizice ale fluidelor de foraj in timpul traversarii stratelor
productive sint determinante pentru productivitatea sondelor. Debitele obtinute
prin doua sonde alaturate sapate la acelasi strat productiv pot fi mult diferite
daca in timpul traversarii acestuia au fost folosite fluide de foraj cu caracteristici
fizice deosebite. Sint cazuri in care, din cauza folosirii unor fluide de foraj
necorespunzatoare, sondele nu pot fi puse in productie\ necesita efectuarea unor
lucarari speciale (acidizari, tratamente etc).
Greutatea specifica a fluidului de foraj nu trebuie sa fie mult mai mare
decit cea corespunzatoare presiunii stratului traversat, pentru a nu provoca
patrunderea lui in strat si deci blocarea cu particule solide din componenta
acestuia. Chiar in cazul folosirii unui fluid de foraj corespunzator, apa din
compozitia acestuia poate filtra si patrunde in strat, modificandu-i
23
permeabilitatea efectiva pentru titei sau gaze. De asemenea, particulele solide
eliberate prin filtrarea apei, care se depun pe pereti formind un strat(colmataj)
mai mult sau mai putin gros, provoaca dificultati la punerea sondei in productie,
dar mai ales la tubajul si cimentarea coloanelor.
Un colmataj gros impiedica aderenta cimentului la teren si creeaza
pericolul circulatiei fluidelor prin spatele coloanei intre diversele formatiuni
strabatute. Deci, in timpul forajelor prin obiectivele productive este obligatorie
urmarirea evolutiei caracteristicilor fizice ale fluidului de foraj si luarea de
masuri pentru mentinerea lor in limitele prescrise(greutate specifica filtrat,
turta).
Pentru inlaturarea inconvenientelor de aceasta natura, la traversarea
stratelor productive, sint folosite uneori fluide de foraj pe baza de produse
petroliere sau fluide pe baza de emulsii inverse, care sint insa mult mai scumpe.
Cind presiunea stratului productiv si constructia sondei permit, fluidul folosit la
traversare poate fi chiar titeiul.
Zacamintele indelung exploatate, care nu mai au presiune, pot fi forate
folosind pentru circulatie si transportul detritusului in loc de fluide pe baza de
apa sau produse petroliere, gaze de sonda sau aer. Acestea sint metode moderne
care necesita instalatii speciale.
e. Investigarea formatiunilor traversate in timpul forajului
La zacamintele constituite din mai multe complexe separate hidrodinamic
pe verticala, investigarea continutului in fluide a acestora in timpul traversarii
este foarte importanta.
Asemenea operatii se executa cu probatoarele de strate in gaura netubata.
Aparatul se coboara cu prajinile de foraj pina in dreptul intervalului ce trebuie
incercat. Deasupra, aparatul este prevazut cu un pacher prin care se realizeaza
izolarea intervalului de incercat de restul gaurii. Pozitia pacherului este aleasa
astfel incit sa se afle in dreptul unor formatiuni mai consolidate din capul
stratului. Dupa manevra de etansare a pacherului, se deschide comunicatia
probatorului cu gaura de sonda, prajinile fiind introduse goale, se lasa sonda sa
debiteze un timp relativ scurt, dupa care se face manevra de inchidere a
aparatului. In interiorul lui se capteaza o cantitate de fluide din strat, care este
adusa la suprafata si analizata. Informatiile obtinute in acest fel si cele care se
fac prin analizarea carotelor si a probelor de detritus luate in timpul forajului,
sint folosite la elaborarea studiilor de zacamint. Dupa terminarea forajului se
executa o serie de diagrafii electrice si radioactive pe baza carora impreuna cu
cele de mai sus, se face o interpretare complexa privitoare la grosimea stratelor,
continutului lor si caracteristicile fizico-chimice ale fluidelor si rocilor.
f. Profilul coloanelor de exploatare
Cu cat diametrul gaurii de sond in dreptul stratului productiv este mai
mare, cu atit suprafata de drenaj este mai mare si sonda va fi mai productiva. De
24
aceea, teoretic, este recomandat ca diametrul coloanelor de exploatare sa fie cit
mai mare. Acest lucru inseamna un cost ridicat al sondelor si este conditionat de
adincimea acestora, de numarul coloanelor tehnice si de presiunea stratului
productiv.
Figura 13
Din punct de vedere al profilului coloanelor de exploatare, sondele pot fi :
-cu coloana unica, la care diametrul interior este uniform de sus pina jos
-cu coloane telescopate(Fig.13), diametrul interior al acestora fiind mai
mic in partea inferioara. In acest caz se tubeaza o colana pina la o anumita
adincime, dupa care se continua forajul prin interiorul ei cu o sapa mai mica
pina la strabaterea obiectivului. Se tubeaza apoi in dreptul obiectivului o colana
de diametru mai mic, al carei cap ramine in interiorul coloanei precedente.
Aceste coloane se numesc coloane pierdute (linere). Coloanele pierdute se
introduc cu prajinile de foraj. Intre ele se monteaza o piesa de constructie
speciala (lansator) care permite, dupa tubare si cimentare, declansarea prajinilor
de la coloana si extragerea lor. Baza coloanelor de exploatare (sabotul) se
fixeaza sub stratul productiv. Diametrul acestora (in mod obisnuit) este de la
139, 7 la 177, 8 mm (5,5 -7 in). In ultimul timp, pentru reducerea costurilor
sondelor se preconizeaza folosirea coloanelor de exploatare de diametru mic, de
73,5-76,2 mm (2,5-3in), echipate de la inceput cu dispozitive pentru fixarea
echipamentului de productie (pompe de fund, duze etc), putind fi folosite astfel
si ca tevi de extractie. Pentru sondele de mare adincime se folosesc coloane din
otel superior (P 110-N80) cu filete speciale, mai rezistente si mai etanse, pentru
a putea face fata solicitarilor mari.
25
g. Deschiderea stratelor productive
In general, atit coloanele tehnice cit si cele de exploatare se cimenteaza la
exterior pentru a asigura etanseitatea dintre ele si teren, precum si separatia
dintre diversele strate strabatute, care pot avea continuturi diferite (apa, gaze,
titei). Pentru punerea in productie a sondelor e necesar a se realiza comunicatia
dintre strat si interiorul coloanei, faza care se numeste deschiderea stratului si
care se poate efectua prin mai multe metode si anume:
-tubarea coloanei de exploatare pina deasupra stratului, in dreptul acestuia
gaura raminind netubata. Se aplica sondelor la care roca ce formeaza stratul
productiv e puternic consolidata (gresii puternic cimentate, calcare sau dolomite
fisurate etc). La aceste sonde, intreaga suprafata de drenaj este libera, ele fiind
sonde perfecte din punct de vedere al deschiderii. Se numesc sonde cu gaura
libera;
-tubarea unei coloane care in dreptul stratului este slituita sau gaurita de la
suprafata, pe o lungime egala cu inaltimea formatiunii productive. Pentru
cimentarea coloanei, care trebuie facuta numai desupra portiunii gaurite sau
slituite, in interiorul acesteia se fixeaza pe o placa de fonta, care se frezeaza
dupa cimentare. Comunicatia cu spatele coloanei se face prin niste orificii
practicate lateral, deasupra placii de fonta. Sub acestea, coloana este prevazuta
cu o palarie (umbrela) care nu permite caderea cimentului prin spate, in dreptul
sliturilor (gaurilor)
-tubarea in dreptul obiectivului a unei coloane pierdute slituite (gaurite).
In acest caz se tubeaza si se cimenteaza prima coloana deasupra stratului. Se
continua apoi forajul prin interiorul acesteia pina cind obiectivul a fost strabatut.
In dreptul acestuia se tubeaza o coloana pierduta (liner) slituit sau gaurit care nu
se mai cimenteaza si care e prevazuta la partea superioara cu un cap de lansare
special prin care se realizeaza etanseitatea in interiorul primei coloane.
Figura 14
26
Aceste doua metode sint recomandate pentru strate productive constituite
din roci mai putin consolidate, fara intercalatii marnoase si deci fara alternante
de strate cu continuturi diferite. Slituirea sau gaurirea de la suprafata asigura o
repartizare uniforma a cailor de comunicatie cu stratul si o suprafata de
comunicatie mai mare.
Deschiderea prin perforare(Fig.14). In cazul sondelor care au coloanele
cimentate in dreptul obiectivului, comunicatia dintre strat si interiorul coloanei
(deschiderea) se realizeaza prin gaurirea acesteia si a inelului de ciment exterior.
Operatia se efectueaza cu aparate speciale (perforatoare), care, dupa modul in
care realizeaza gaurirea, se clasifica in:
-cu proiectil (glont metalic)
-jet brizant
-jet abraziv
d. Probele de productie
Probele de productie furnizeaza informatii despre fluidele din
zacamant(titei, gaze sau apa), presiunea zacamantului si permeabilitatea rocilor,
debitul posibil si multe altele. Aceste teste se realizeaza in mod normal atunci
cand nu exista informatii despre fluidele din zacamant si proprietatile chimice
ale acestora sau productivitatea zacamantului.
Figura 15
Probele de productie sunt incercari de scurta durata, realizate cu ajutorul
echipamentelor speciale constand in pakere si dispozitive de inchidere. Aceste
echipamente sunt, de obicei, introduse in sonda cu ajutorul prajinilor de foraj.
27
Titeiul produs in timpul probelor de productie este depozitat in rezervoare
speciale(Fig.15). In timpul probelor sunt inregistrati parametrii importanti cum
sunt debitul, temperatura, densitatea titeiului, continutul de apa, volumul total.
Probele de productie pot dura de la cateva ore pana la saptamani, in
functie de complexitatea informatiilor si volumul de lucrari necesare pentru
obtinerea acestora.
e. Ciclul de foraj
Succesiunea lucrarilor legate de forajul unei sonde, care incep cu montarea
instalatiei de foraj pe locatia respectiva si se termina cu demontarea si transportul
acesteia pe alta locatie, se numeste ciclu de foraj si e alcatuit din:
-lucarile de suprafata, legate de amenajarea terenului precum si montajul
instalatiei de foraj si a constructiilor anexe. Aceste lucrari se executa de catre
brigada complexa de montaj
-lucrarile pregatitoare dinaintea inceperii forajului, lucrari care se executa
de catre brigada de foraj si care cuprind: verificarea calitatii montajului, a starii
de functionare a tuturor utilajelor din instalatie si unele lucrari de montaj in
completare
-lucrarile de adincire a gaurii de sonda (lucrarile de foraj propriu-zis),
care cuprind un ciclu de operatii ce se repeta la fiecare sapa nou introdusa si
anume: introducerea sapei noi si a garniturii de foraj pina la talpa sondei, saparea
in teren pina la completa uzare a sapei, extragerea garniturii pentru schimbarea
sapei uzate. In cadrul ciclului de foraj operatiile de introducere-extragere
(operatiile de manevra) si de sapare in teren ocupa timpul cel mai indelungat.
Aceste operatii se executa in intregime cu mijloace mecanizate, cu utilajul
instalatiei de foraj si dupa o tehnologie in continua imbunatatire, care sa duca la
scurtarea timpilor de manevra si la marirea vitezelor de dislocare a rocilor din
talpa sondei;
-lucrarile de consolidare si izolare a gaurii de sonda se executa
periodic, dupa ce s-au sapat anumite intervale de gaura precum si la sfirsitul
saparii gaurii de sonda. Ele constau din introducerea unor burlane de otel in
gaura de sonda (operatii de tubare) burlane care se cimenteaza in spate fie pe
toata inaltimea, fie numai pe o anumita inaltime de la talpa in sus. Operatiile de
tubare se executa de catre brigada de foraj, iar operatiile de cimentare, de catre
echipe specializate in acest gen de operatii si dotate cu echipament corespunzator
(agregate mobile de cimentare);
-lucrarile speciale, cuprind masuratorile geofizice executate cu
regularitate in interiorul gaurii de sonda inaintea tubarii fiecarei coloane
(masuratorile de deviatie, de carotaj electric etc), precum si probele de
productivitate a stratelor in gaura libera. Toate aceste lucrari sint executate de
echipe speciale;
-lucrarile de incercare a productivitatii stratelor si punerea sondelor in
productie sint lucrari finale pe care le executa fie brigada de foraj, fie o brigada
specializata in acest gen de operatii, care apartine schelei de extractie;
28
-lucrarile de demontare si transport a instalatiei la o noua locatie. La
aceasta serie de lucrari se mai pot adauga uneori operatiile de instrumentatie, in
cazul in care se produc diverse accidente in gaura de sonda; ele se executa tot de
catre brigada de foraj.
4. EXPLOATAREA ZACAMINTELOR DE TITEI SI GAZE
a. Citeva principii ale exploatarii zacamintelor de titei si gaze
Zacamintul reprezinta un complex termodinamic si hidrodinamic unitar,
constituit din zona petrolifera si zonele adiacente acesteia. Exploatarea
zacamintelor de petrol se realizeaza prin intermediul unor constructii speciale
numite sonde.
Sonda este acea constructie miniera speciala, care are forma unei gauri
verticale, realizata in scoarta pamantului si care se executa in intregime de la
suprafata prin mijloace mecanizate in scopul obtinerii unei cai sigure de
comunicatie a fluidelor din zacaminte catre instalatiile de suprafata.
Recuperarea petrolului din zacamint este de fapt un proces de dislocuire
a acestuia de catre gazele sau apa cu care coexista(Fig. 16).
Figura 16
Sondele au functia de a aduce la suprafata petrolul, gazele si apa. Prin
ele se obtin, de asemenea, informatii geologice, fizice si hidrodinamice despre
zacamint. Un rol important al sondelor este acela de a constitui caile prin care
mecanismul de dislocuire poate fi controlat si influentat.
O data cu punerea in productie a primelor sonde, fluidele incep sa se
deplaseze prin strat catre acestea, deci echilibrul existent in zacamint este rupt.
Exploatarea zacamintelor de titei si gaze cuprinde toate lucrarile care
se executa pentru a dirija si controla curgerea acestor fluide in roca
colectoare spre sonde, in vederea extractiei lor.
Aceste lucrari se efectueaza in scopul :
-extragerii unei cantitati maxime de titei sau gaze cu consum minim de
energie naturala in vederea obtinerii unui factor final de recuperare maxim.
(Prin factor final de recuperare se intelege raportul dintre cantitatile de titei
29
sau gaze extrase pina la sfirsitul exploatarii si rezervele recuperabile de titei
sau gaze existente la inceputul exploatarii).
-obtinerii unui anumit ritm de exploatare, adica a unui debit de extractie
a titeiului si gazelor prevazut in planul de productie pentru anul curent si anii
de perspectiva, pentru a satisface cerintele afacerii;
-realizarii productiei la un cost minim.
O exploatare efectuata in aceste conditii se numeste rationala, iar pentru
realizarea ei este necesar sa se cunoasca, pe linga caracterul zacamintului
(proprietatile rocii-colector si ale fluidelor din ea) si energia de zacamint care
produce si mentine curgerea fluidelor prin roca colectoare spre sonde, dupa
legile hidraulicii subterane.
Cunoscindu-se toti acesti factori se poate intocmi proiectul de exploatare
a zacamintului in care, uneori, se prevede si o modificare a regimului natural
de zacamint, de exemplu, prin injectie de fluide in strat pentru a obtine
rezultatele cele mai bune.
b. Energiile de zacamant
Pentru a provoca si mentine curgerea fluidelor in roca colectoare spre
sonde este nevoie de energie. Zacamintele de titei dispun initial de o anumita
energie naturala sub forma de energie potentiala care, transformindu-se in
energie de miscare, produce curgerea fluidelor prin roca colectoare.
Cea mai mare parte a energiei initiale de zacamint o au fluidele din el si
numai o parte foarte mica, roca colectoare. Energia de zacamint se prezinta sub
3 forme:
• energia de compresiune; purtatorii ei sint fluidele si intr-o masura mica,
roca colectoare. Are urmatoarele forme de manifestare:
- destinderea titeiului, datorita scaderii presiunii zacamintului prin
exploatare. Aceasta forma de energie este cea care provoaca curgerea atit timp
cit presiunea zacamintului este mai mare decit presiunea initiala de fierbere;
- destinderea gazelor dizolvate o data cu iesirea lor din solutie, atunci
cind presiunea zacamintului este mai mica decit presiunea initiala de fierbere;
- destinderea gazelor libere, in cazul zacamintelor cu cap de gaze;
- destinderea apei de zacamint, ca urmare a scaderii presiunii
zacamintului prin exploatare;
• energia gravitationala; purtatorii ei sint fluidele de zacamint; ea
provoaca curgerea din partea cea mai inalta a zacamintului catre cea mai
coborita, fiind evidenta in cazul zacamintelor cu inclinare mare;
• energia superficiala, datorata fortelor de atractie superficiala si
interfaciala dintre fluidele in contact in zacamint sau dintre acestea si roca.
c. Metode de exploatare a zacamintelor de gaze
Energia de zacamint. Regimul de zacamint. Partea cea mai mare a
energiei unui zacamint de gaze o formeaza energia de compresiune a gazelor.
Energia de compresiune a apei zacamintelor de gaze are in majoritatea cazurilor
30
in tara noastra un rol mai mic decit in cazul zacamintelor de titei. Energia de
compresiune a rocii colectoare, precum si energia gravitationala a fluidelor din
zacamintele de gaze au valori practic neglijabile.
Exploatarea zacamintelor de gaze se realizeaza in principal in doua
regimuri: regimul gazelor(Fig.17) si regimul apei.
Exploatarea zacamintelor de gaze in regimul gazelor. In regimul
gazelor, curgerea gazelor spre gaurile de sonda se datoreaza expansiunii gazelor
din zacamint, in vreme ce apa de zacamint nu avanseaza sau avanseaza relativ
incet.
Chiar daca in aceste zacaminte apa avanseaza de la inceputul exploatarii,
avansarea este lenta si la inceput, cand debitele de extractie sint mari, nu
influenteaza asupra mersului exploatarii.
Figura 17
Exploatarea zacamintelor de gaze in regimul apei. In regimul apei, apa
avanseaza in strat, micsorind intr-o masura simtitoare volumul spatiului poros
care initial a fost umplut cu gaze. Din aceasta cauza presiunea de zacamint scade
in general mai incet decit in exploatarea in regimul gazelor. In schimb, in zonele
in care a avansat apa ramin cantitati relativ mari la gaze , care nu se mai pot
extrage. Din aceasta cauza factorul final de recuperare in regimul apei este mai
mic decit in regimul gazelor, ajungind in medie la 70%.
In stadiul final al exploatarii zacamintelor gazeifere, cind debitele de
extractie sint mici, se resimte, de multe ori, atit expansiunea gazelor, cit si
avansarea apei de zacamint; in acest caz zacamintele se exploateaza in regimul
mixt.
In prezent nu se intrevad pentru zacamintele de gaze alte metode de
exploatare decit cele bazate pe energia lor naturala, purtatorii fiind gazele sau
apa.
31
Exploatarea zacamintelor de gaze cu condensat. Zacamintele de gaze
cu condensat se gasesc de obicei la adancimi mai mari de 1600m, unde
presiunea si temperatura au valori ridicate,
Pot fi zacaminte de gaze cu condensat, acele zacaminte a caror
temperatura de fund este mai mare decit temperatura critica dar mai mica decit
temperatura de cricodenterm. Cita vreme presiunea zacamintului ramine
superioara presiunii initiale de condensare, in zacamint se gasesc doar gaze.
La suprafata pot ajunge unele cantitati mici de condensat, care iau nastere
daca pe tevile de extractie presiunea scade sub presiunea initiala de condensare.
d. Cateva metode de exploatare a zacamintelor de titei
Metodele de exploatare a unui zacamint depind de caracterul initial al
zacamintului (regimul de zacamint si valoarea energiilor care provoaca
curgerea), precum si de modul cum acestea variaza in timpul exploatarii. Astfel,
exploatarea efectuata in perioada in care curgerea fluidelor prin strat se face pe
baza energiilor proprii ale zacamintului se numeste exploatare primara.
Exploatarea zacamintelor numai sub actiunea energiilor proprii prezinta
inconvenientul ca o mare parte din titei ramine in strat si durata de exploatare
este foarte mare. Pentru extragerea din zacamint a unor cantitati cit mai mari de
titei si pentru scurtarea duratei de exploatare, se aplica unele metode care
constau in introducerea de la suprafata a unor agenti purtatori de energie care in
acelasi timp modifica valoarea fortelor de retinere in strat a titeiului si
stimuleaza circulatia fluidelor prin roca.
Figura 18
Prin aplicarea acestor tehnologii, precum si a altor metode care se vor dovedi pe
parcurs eficiente si economice, se prevede imbunatatirea factorului de
recuperare pe ansamblul zacamintelor in exploatare.
32
Acestea se numesc metode de exploatare secundara (recuperare
secundara).
Figura 19
In functie de situatia zacamintului in momentul aplicarii lor, metodele de
exploatare secundara se clasifica in:
-metode de mentinere a presiunii
-metode de refacere a presiunii
-metode de inundare (spalare) a stratelor
-metode termice.
-metode de exploatare prin pompaj de adancime cu pompe cu
piston(Fig.18), pompe centrifuge sau pompe cu cavitati progresive
-metode de exploatare prin energia suplimentara a gazelor(gaz-lift) fig.19
Trebuie aratat ca asupra clasificarii metodelor de exploatare a
zacamintelor exista inca opinii diferite. Astfel, plecind de la faptul ca unele
zacaminte au fost exploatate de la inceput prin aplicarea uneia din metodele de
mai sus, unii cercetatori considera ca orice metoda aplicata inca de la inceputul
exploatarii unui zacamint este o metoda primara de exploatare.
5. CICLUL DE PRODUCTIE AL ZACAMINTELOR
Industria petroliera este capital intensiva; dureaza destul de mult timp
pana cand capitalul investit poate aduce beneficii investitorului.
Durata totala a unui proiect, de la inceperea explorarii pentru hidrocarburi,
dezvoltarea zacamantului, productia si dezafectarea unui sistem de productie
constituie ciclul de viata. Acesta poate dura de la cativa ani pana la cateva
decenii.
33
Procesul incepe cu explorarea unei zone necunoscute. Conform
statisticilor, aceasta faza poate dura intre unul si sapte ani. In acest timp sunt
realizate studii geologice si geofizice si este forata prima sonda de cercetare.
Daca rezultatul este satisfacator, sunt forate alte sonde de estimare, pentru a
determina dimensiunile zacamantului.
Presupunand ca sondele de cercetare confirma ca zacamantul este viabil
comercial, urmatorul pas este dezvoltarea campului prin saparea unui numar de
sonde care sa asigure o productie maxima. In timpul forajelor sunt construite
facilitatile si conductele de transport necesare. Producerea si vanzarea titeiului si
gazelor incepe indata ce facilitatile de procesare sunt disponibile, chiar inainte
de finalizarea tuturor forajelor planificate.
Faza de productie poate continua cateva decenii in functie de
productivitatea campului petrolier. Zacamantul se apropie de epuizare atunci
cand sondele produc numai cantitati mici de hidrocarburi impreuna cu cantitati
mari de apa.
In aceasta faza incep lucrarile de dezafectare a instalatiilor si aducerea
terenului la starea initiala.
Abandonarea sondelor
In vocabularul industriei petroliere, termenul abandonare se refera la
inchiderea unei sonde de explorare sau productie. Fiecare sonda care nu a dat
rezultatele scontate si fiecare sonda de productie care a atins limitele utilitatii
economice trebuie inchisa si asigurata.
Figura 20
34
Dezafectarea sondelor este coordonata cu autoritatile si proprietarul
terenului. Aceasta are trei obiective:
1. Sa previna scaparile de titei sau gaze catre suprafata
2. Sa previna contaminarea apelor freatice
3. Sa readuca terenul la starea initiala
Dezafectarea unei sonde presupune introducerea in formatiunea geologica
a unui ciment special care este injectat sub presiune. Sonda este apoi etansata si
curatata de urmele de hidrocarburi. In functie de structura geologica, sonda este
obturata cu dopuri de ciment de minim 100m(Fig. 20).
La final partile metalice sunt taiate la 2.5m sub suprafata solului si
indepartate. Pe capatul coloanei se sudeaza o placa de otel, peste care se aseaza
o placa de beton. Aceasta este acoperita cu un strat de pamant fertil, dupa care
terenul este restituit proprietarului.
