P2-busenje

5/7/2018 P2-busenje - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/p2-busenje 1/28

TEHNOLOGIJA IZRADE

BUŠOTINA I

INŽENJERSTVO NAFTE I GASA

RGF



2

22FiziFiziččkoko--mehanimehaniččke, tehnike, tehniččke i strukturneke i strukturne

osobine stenaosobine stena



3

Tehnologija bušenja posebno sa aspekta ekonomike i sigurnosti rada,umnogome zavisi od fizičko-mehaničkih svojstva stena koje se buše.Usled stalnih kretanja unutar zemljine kore stene se deformišu dejstvomsila na pritisak, savijanje, istezanje, sažimanje, ili torziju, a što znači

pretežno dejstvom sile pritiska i tangencijalnih sila. Bez obzira na naprednavedene deformacije, čestice stena koje se nalaze u neposrednoj bliziniprofila bušotine u stanju su ravnoteže sve do trenutka dok kanal bušotinene zahvati i njihovu sredinu. Tim momentom nestaje relativne statičke

ravnoteže i može doći do kretanja mineralnih čestica i fluida u pravcukanala bušotine.Fizičko-mehaničke osobine stena objedinjuju svojstva koja utiču naproces razaranja stena. Fizička svojstva se karakterišu fizičkim

parametrima kao što su: stepen vezanosti, zapreminska masa (gustina),poroznost, struktura, tekstura i drugo. Mehanička svojstva stenakarakterišu se sposobnošću suprostavljanja stena deformisanju irazaranju usled dejstva spoljnih sila. U mehanička svojstva spadaju:

elastičnost, žilavost, tvrdoća, čvrstoća, abrazivnost i drugo.



Stena je prirodna zajednica – mineralni agregat koji ima određen sastav, kakomineralni tako i hemijski, i određene strukturne karakteristike. Pod stenamapodrazumevamo i kompaktne, čvrste tvorevine (prirodni kamen), i nevezanerastresite materijale (pesak, vulkanski pepeo), i plastične, katkad polutečneagregate (glina).

Fizičko-mehanička svojstva stena zavise od:- Minerala od kojih je stena sastavljena

- Dimenzija, oblika i razmeštaja čestica minerala- Molekularnih privlačnih sila koje deluju na česticu tj. sila adhezije izmeđumineralnih čestica i cementacione supstance- Karakteristika cementacije

- Stepena poroznosti



1. Fizi č ko-mehani č ka svojstva stena bitna za tehnologiju bušenja

Za tehnologiju bušenja, a posebno za režim bušenja kao njen deo,neophodno je poznavanje sledećih fizičko-mehaničkih svojstava stena:

- Stepen povezanosti - Zapreminska masa (gustina)- Poroznost

- Elasti č ne i deformacione osobine- Tvrdoć a- Č vrstoć a- Žilavost

- Abrazivna svojstva



Stepen povezanosti stena

Sve stene prema stepenu povezanosti mogu se podeliti na:

- Nevezane stene- Vezane

- Kompaktne

Nevezane steneNevezane stene predstavljaju rastresitu masu u kojoj su čestice mineralameđusobno nevezane ili slabo povezane.

Vezane steneVezane stene karakterišu se jakim silama adhezije među česticama. Međutim,te sile se menjaju u zavisnosti od stepena vlažnosti, tako da se te stene odkompaktnih stena razlikuju velikom plastičnošću, slabom čvrstoćom iabrazivnošću.

Kompaktne steneKompaktne stene karakterišu se jakim molekularnim silama adhezije i onepružaju veliki otpor pri bušenju tj. suprostavljaju se svakom mehaničkom ifizičkom delovanju. Većina ovih stena su i abrazivne tj. povećavaju trošenjedleta za vreme bušenja.



7

Gustina i zapreminska masa

Masa jedinične zapremine stene sa prirodnim šupljinama u njoj je zapreminskamasa. Masa jedinične zapremine stene bez poroznosti je gustina. Obevrednosti se određuju standardizovanim laboratorijskim metodama i izražavaju

istom jedinicom (kg/m3). Na gustinu utiče najviše mineralni sastav stene, a nazapreminsku masu i poroznost. Veća razlika između gustine i zapreminskemase karakteristika je jako poroznih materijala.Kako gustina matriksa sa uobičajenim mineralima mnogo ne varira, i praktično

se pretpostavlja da je konstantna na reprezentativnoj prosečnoj vrednosti, štoisto važi i za gustinu fluida u porama, promena gustine stena primarna je, krozpromenu poroznosti koja je uslovljena stepenom kompakcije. Generalno sadubinom bušotine (usled kompakcije) gustina stena se povećava, a samim tim iotpornost stena na bušenje. Vrednosti gustine nekih stena i minerala date su utabeli br. 1.



8

Tabela 1. Vrednosti gustine pojedinih vrsta stena i minerala



9

Poroznost stena

Prostori u steni neispunjeni stenskim materijalom nazivaju se porama. Prisustvopora u steni naziva se poroznošću.

gde je:ρz - zapreminska masa steneρs - gustina stene

Apsolutna poroznost podrazumeva ukupnu zapreminu svih međuprostora-praznina u stenskoj masi (pora, šupljina, pukotina, prslina, kaverni, kanala,stilolita i dr.) bez obzira na njihovu genezu, oblik, veličinu i međusobnu

povezanost. Efektivna (otvorena) poroznost obuhvata zapreminu povezanihmeđuprostora tj. pornih provodnika u steni ispunjenih slobodnim, pokretnimfluidima. U zatvorenom-pasivnom pornom prostoru fluidi se ne kreću.Poroznost stena je izrazitija bliže površini zemlje, a ona verovatno nestaje sa

dubinama od oko 12.000 m. i od bitnog je interesa za tehnologiju bušenja, aposebno za režim bušenja jer je otpornost stena na bušenje i napredovanje pribušenju, direktno proporcionalna sa poroznošću.

⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ −=

s

z

ρ

ρ φ 1



10

Sa stanovišta tehnologije bušenja stene se prema poroznosti dele u tri

grupe:

Superporozne, gde spadaju: šljunkovi, drobine, šupljikavi krečnjaci itd. Pribušenju kroz ove stene isplaka se uglavnom gubi.

· Porozne, gde spadaju: peskovi, peščari, konglomerati, trošni kre

čnjaci itd.Kod ovih stena ima pojava filtracije isplake.

· Neporozne, gde spadaju: gline, lapori, kompaktni krečnjaci i sve eruptivne imetamorfne stene.

Pore između zrna peska

različite veličine i oblika



11

Elastične i deformacione osobine stena

Mehaničke osobine stena, od bitne važnosti za proces bušenja, koje naefikasnost bušenja imaju veći uticaj od uticaja poroznosti, predstavljaju njeneelastične i deformacione osobine. One se karakterišu:

modulom elastičnosti (E),modulom smicanja (B),zapreminskim modulom slastičnosti (Ke)i Poasonovim koeficijentom (μ).

Na osnovu teorije elastičnosti, veza između navedenih deformacionihkarakteristika izražena je jednačinama:

( )μ += 12 B E

( )μ −= 12 e K E

što ukazuje na njihovu međusobnu povezanost.



12

Dokazano je da se kod nekih stena zavisnost između pritiska i deformacijepotčinjava linearno Hukovom zakonu, a kod nekih se taj odnost izražavaeksponencijalnom funkcijom. Koristeći se izrazima za napon (σ= p/F) idilataciju (ε= ΔL/L), Hukov zakon se može izraziti preko Jungovog modula

(modul elastičnosti, E) u sledećem obliku:

Gde su:σ - naponε - dilatacija (specifično izduženje-skraćenje).Gline, glineni škriljci, kvarcit i meki krečnjaci ponašaju se po Hukovom

zakonu.

ε

σ = E



13

Veličina modula elastičnosti uglavnom zavisi od minerološkog sastava stenakao i od oblika deformacije i veličine opterećenja prilikom ispitivanja i drugihčinilaca. Najčešće se ispituju na jednoosni pritisak, znatno ređe na istezanje isavijanje. Utvr đeno je, na osnovu većeg broja ispitivanja, da između vrednosti

modula elastičnosti određenog pri istezanju (E z ), savijanju (E f ) i pritisku (E p)postoje razlike, izražene nejednačinom:

Nophodno je pomenuti činjenicu da ukoliko minerali koji ulaze u sastav steneimaju veći modul elastičnosti, to će i modul stene imati višu vrednost, pri čemuće modul elastičnosti stene biti uvek manji od modula elastičnosti mineralausled slabijih molekularnih sila na kontaktima između pojedinih mineralnih

zrna u steni.

p f z E E E <<



14

Sa povećanom zbijenosti materijala, prouzrokovanog povećanjem dubine ilinaprezanja u laboratorijskim uslovima, dolazi do povećanja naponskog stanja,a time i gustine stenske mase pri čemu se povećava i vrednost modulaelastičnosti.

Povećani sadržaj vlage u steni, odnosno krupnoća mineralnih zrna u masi,imaju uticaja i to u pravcu smanjenja modula elastičnosti ispitivanog uzorka.Trošne stene čije su čestice slabo povezane međusobno, imaju druge elastičnekarakteristike u poređenju sa čvrstim telima i konsolidovanim stenama. One

zadržavaju svoj oblik samo u pogledu težih čestica uticajem unutrašnjeg trenja iadhezije među česticama. U trenutku ravnoteže ugao unutrašnjeg trenja ravan

je uglu prirodnog taloženja (α0). Ugao unutrašnjeg trenja zavisi od vlažnosti istrukturnog sastava stena, tako da vlažne stene imaju nižu vrednost ugla

unutrašnjeg trenja.



15

Tvrdoća stena

Tvrdoća se definiše kao otpor prodiranju nekog tvr đeg tela, npr. alata zabušenje u stenu. Tvrdoća se kreće u veoma širokim granicama za raznematerijale. Nema jedinstvenog propisanog postupka za kvantitativnoodređivanje tvrdoće. Veliku primenu ima postupak Shore-a, a tvrdoća se

izražava u Šorovim jedinicama (HS). Ovo je takozvana skleroskopska metoda.Metoda se sastoji u merenju visine odskoka lakog odbojnika instrumenta sauglačane površine uzorka stene. Tvrdoća po Šoru kreće se u granicama od 5do 105 HS.

Stena je mineralni agregat i njena tvrdoća je definisana tvrdoćom minerala koji je izgrađuju. Minerali se po tvrdoći najčešće klasifikuju korišćenjem Mosoveskale relativne tvrdoće. Skala ima 10 stepeni i svaki stepen je predstavljen

jednim etalon mineralom. Minerali sa većim stepenom tvrdoće paraju one sa

manjim stepenom tvrdoće. Apsolutna tvrdoća minerala se razlikuje od njihoverelativne tvrdoće po Mosovoj skali. Iz navedenog razloga samo pojam tvrdoćane objašnjava kompleksni proces razbijanja stena za vreme bušenja što jeuslovilo uvođenje pojma čvrstoća.

U tabeli br. 2 dat je uporedni pregled tvrdoće etalon minerala po Mosovoj iRozivalovoj skali.



16

Rozivalova metoda određivanja tvrdoće prema otpornosti bušenju pokazala jeda intervali između određenih stepena tvrdoće nisu jednaki. Tako, npr.

dijamant je oko 140 puta tvr đi od korunda, korund je 5,5 puta tvr đi od topaza,a topaz je samo 31% tvr đi od kvarca.

Tabela 2. Tvrdoće minerala po Mosu i Rozivalu

MINERAL KARAKTERISTIČNOSVOJSTVO STEPEN TVRDOĆE

Mohs Rosiwal

TalkGips

Paraju se noktom 12

0,031,25

Kalcit

FluoritApatit Paraju se nožem

3

45

4,5

56,5

FeldspatKvarc

Paraju staklo 67

37120

TopazKorundDijamant

Seku staklo89

10

1751000

140000



17

Čvrstoća stena

Čvrstoća je svojstvo stenskog masiva da pruža otpor dejstvu spoljnih sila.Ako se stenski masiv optereti, i ako se opterećenje postepeno uvećava u

jednom trenutku će dostići graničnu vrednost do koje stena pruža otpor bez

uvećanih vidljivih deformacija. Svakim daljim porastom opterećenja dolazi doloma stene. Vrednost napona u trenutku loma naziva se čvrstoćom, nasmicanje, zatezanje, pritisak, u zavisnosti od načina opterećenja pri komenastupa lom. Čvrstoća stenskog masiva ne može da se definiše jednom

veličinom i njeno definisanje je obično empirijsko. Veza između komponentinapona u trenutku loma, uspostavlja se uz pomoć parametara čvrstoće koji nepredstavljaju materijalne karakteristike stenskog masiva. Čvrstoća stenaodređuje se standardizovanim laboratorijskim metodama. Najčešće se u

tehničkim proračunima koristi jednoaksijalna čvrstoća na pritisak - σc, koja semože odrediti i terenskim metodama ili se čak može proceniti primenomodgovarajuće metodike.

Tabela 3 Tipične vrednosti jednoaksijalne čvrstoće na pritisak za neizmenjenu svežu i suvu stenu



18

STENA σc, MPa STENA σc, MPa

Amfibol 210 Argilit, glinena stena 30

Andezit 240 Sijenit 250

Mermer 140 Porfir 250

Bazalt 230 Piroksenit 150

Kreda 4 Kvarcit 240

Rožnac, silik. škriljac 300 Kamena so 40

Ugalj 40 So 35

Dijabaz 240 Porozni peščar 80

Hematit 270 Kvarcni peščar 200

Gabro 280 Kristalasti škriljac∗ 150

Gnajs 220 Glin. škriljac, glinac∗ 120

Dolomit 100 Alevrolit, očvrsli prah 140

Granit 220 Glinac∗ 210

Gips 20 Tuf 200

Krečnjak 180 * Izrazita anizotropija čvrstoće

Tabela 3. Tipi č ne vrednosti jednoaksijalne č vrstoće na pritisak za neizmenjenu, sve ž u i suvu stenu



19

U praksi se koristi znatno šira klasifikacija stena u zavisnosti od stepena

njihove otpornosti na bušenje tj. čvrstoću i to:

- Meke stene sa malom kompresivnom (pritisnom) čvrstoćom, kao što suslabo vezani ili nevezani pesak, razne gline i lapori na malim dubinama;

- Meke do srednje čvrste stene, sa malom kompresivnom čvrstoćom, kao štosu slabo cementirani peščari, manje kompaktni krečnjaci, škriljci i lapori;- Srednje čvrste stene, sa visokom kompresivnom čvrstoćom, kao što supeščari, krečnjaci i kompaktni lapori;

- Čvrste stene poluabrazivne i abrazivne, kao što su silifikovani peščari,krečnjaci i kompaktni kvarcit;- Ekstremno čvrste i abrazivne stene, kao što su kompaktne magmatskestene.



20

ŽilavostŽilavost je otpor koji materijal pruža udaru. Stene mogu imati veliku

čvrstoću na pritisak ali mogu imati veoma malu žilavost pa se ondakarakterišu kao krte stene. Žilavost stena se određuje laboratorijskirazbijanjem kocke veličine 1 cm3 po Rosiwalu. Žilavost se kvantitativnoizražava kao rad potreban da se razbije navedena kocka, uzorak stenskog

masiva. U tabeli br. 4 date su vrednosti žilavosti nekih stena.

Tabela 4. Ž ilavost nekih stena

NAZIV STENE ŽILAVOST, Nm/cm3

Granit 22,4

Dijabaz 41,8

Bazalt porozan 52,8

Bazalt jedar 71,1

Peščar tercijar 13,3

Peščar kredni 40,3

Mermer krupnozrni 17,0Mermer sitnozrni 27,2



21

Abrazivnost

Abrazivnost se definiše kao osobina stene da haba deo pribora za bušenjekoji je sa stenom u kontaktu. Abrazivnost u prvom redu zavisi od tvrdoće

minerala koji izgrađuju stenu, veličine i oblika mineralnih zrna i od veziva.Najabrazivnije su stene izgrađene od tvrdih minerala (kvarca, korunda, granata)cementovane mekim vezivom. Veoma su abrazivne i čestice tvrdih stenanošene isplakom. Tom prilikom se intenzivno haba telo bušaće krune, jezgrene

cevi, bušaće šipke itd. Postoji više postupaka za utvr đivanje abrazivnosti stenakoje se buše. Najjednostavniji je postupak koji se sastoji u određivanju razlike utežini bušaće krune u određenom intervalu bušenja. Abrazivnost se u ovomslučaju izražava u gramima po dužnom metru bušenja (gr/m).



22

NAZIV STENE ABRAZIVNOST, gr/mKrečnjak 1

Dolomit 2

Gabro 30

Sijenit 38

Kvarcni peščar 62

Granodiorit 143

Granit sitnozrni 263

Tabela 5. Proseč ne abrazivnosti nekih stena

Prosečne vrednosti za abrazivnost nekih stena određene ovom metodomdate su u tabeli br. 5. Poznavanje abrazivnosti stene čije se bušenje planira,veoma je značajno za pravilan izbor dleta (krune).



23

2. Naprezanja i pritisci u vertikalnom kanalu

bušotineU tehnici izrade bušotine rotacionom metodom odbitnog je značaja poznavanje zakonitosti promenamehaničkih osobina stena nastalih poremećajem

ravnoteže naponskih stanja prilikom izrade kanalabušotine, kao i uticaj ovih promena na brzinuprodiranja dleta.U kanalu bušotine stene raspolažu nekim poljem

naprezanja, čije je opšte stanje rezultat jednog od triuzajamno normalna pravca naprezanja koji sunejednaki. Obično se pretpostavlja, da su pravciglavnih naprezanja u kanalu bušotine vertikalni i

horizontalni i da su oba glavna naprezanja uhorizontalnoj ravni jednaka. Naprezanje u blizinikanala bušotine, usvajajući da je spoljni radijus dostaveći od unutrašnjeg, definisano je jednačinama:

Šematski prikazkomponenti

naprezanja u kanalu

bušotine



24

Gde su:σz - aksijalno naprezanje

σθ - tangencijalno naprezanje na obodu kanala bušotineσr - radijalno naprezanjeσv - vertikalno glavno naprezanjeσh - horizontalno glavno naprezanjea - radijus kanala bušotiner - radijus rastojanja do tačke interesovanja

Stanje naprezanja oko vertikalnog kanala bušotine tj. u pribušotinskoj zoni gde je odnos a/r =1 definisano je jednačinama:

v z σ σ =

hσ σ θ 2=0=r σ

v z σ σ =22

1 r ah += σ σ θ 221 r ahr −=σ σ



25

U pribušotinskoj neporemećenoj zoni stene su izložene vertikalnom naprezanju

(σv), i ujednačenom horizontalnom naprezanju (σh). Tangencijalno naprezanje je jednako dvostrukom horizontalnom naprezanju, dok je u isto vreme radijalnonaprezanje jednako nuli.U propusnoj neporemećenoj stenskoj masi na nekoj dubini, ukupan pritisak u

stenskoj masi se sastoji od hidrostatičkog pritiska porne tečnosti ( psl ), koji jeekvivalentan pritisku stuba slane vode visine jednake posmatranoj dubini isvestranog napona litostatičkog (geostatičkog) pritiska ( ps) sa glavnomvertikalnom komponentom napona ( ps1), koji odgovara težini potopljenog stubastenske mase. Pod pretpostavkom da nisu prisutni tektonski ili neki drugiporemećaji, usled elastičnog ponašanja stene, dolazi do izjednačavanja ovevertikalne komponente sa komponentama napona u horizontalnoj ravni ( pS2,

pS3

), prikazano na Sl.1.2a. Horizontalne komponente se mogu međusobnorazlikovati po intenzitetu, od neznatnog istezanja do nekoliko puta većegvertikalnog napona ( pS1).



26

Sl.1.2.: Šematski prikaz pritisaka i naprezanja u kanalu bušotine.

Prilikom formiranja kanala bušotine, narušava se ravnoteža sistema napona ipritisaka u stenskoj masi, pri čemu prisutni pritisak isplake ( pis) uravnotežuje

porni pritisak tečnosti u steni, stvarajući, pri tome, višak pritiska ( pis – psl ) iliΔ pis , koji se prenosi na stenu i delimično uravnotežuje litostatički naponsvojim triaksijalnim naponskim pritiskom, Sl.1.2c. U takvoj konstelacijinapona, komponente naponskog stanja: pS1- Δ pis, pS2- Δ pis , i pS3- Δ pis imaju

uticaj i na većoj udaljenosti od bušotine, dok na granici i u blizini kanalabušotine ovaj sistem dovodi do pojave koncentracije napona Sl.1.2d.



27

Analizom laboratorijskog ispitivanja zaštićenog i otvorenog uzorka stene poduticajem ukupnog (svestranog) pritiska i za različite pritiske pornog zasićenja,utvr đeno je da je samo prisutno naponsko stanje u steni odlučujuće za njenoočvršćavanje. Takođe, je dokazano da u procesu dislokacije stene rasporednapona na dnu, koji rezultuje iz dva pomenuta sistema napona, ima jedinouticaj u pravcu očvršćavanja stene ispod dleta, dok sistem vertikalnih ihorizontalnih napona, na većoj udaljenosti nema bitnog uticaja na tehnologijuizrade bušotine.

Poznavanje naprezanja, a posebno realnih vrednosti pritisaka fluida u poramastena tj. pornog pritiska i pritiska frakturiranja (loma) naslaga stena usled težinestuba isplake duž kanala bušotine, predstavlja jedan od glavnih faktora kojiutiču na uspešnost ukupnih operacija na izradi bušotine. Ako ovi pritisci u fazi

planiranja bušotine nisu adekvatno procenjeni, odnosno u toku izrade bušotinedođe do znatnijih odstupanja, to može prouzrokovati probleme kao: gubitakcirkulacije tj. isplake u kanalu bušotine, dotoke slojnih fluida tj. erupcije, prihvat(zaglavu) alata, nestabilnost kanala i drugo, a što sve utiče na znatno

povećanje troškova izrade.



28

KRAJ KRAJ

Documents

P2-busenje