PETROM EPS Mentenanta
“ TEACHER ” PROGRAM DE
PERFECTIONARE PROFESIONALA
Tema 12: Extractia titeiului si gazelor naturale
2010
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
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
2
CUPRINS 1. 2. 3. 4. 5.
FIZICA ZACAMINTELOR DE TITEI SI GAZE…………….4 EXPLORAREA PENTRU HIDROCARBURI ………………15 FORAJUL SONDELOR ………………………………………18 EXPLOATAREA EXPLOATARE A HIDROCARBURILOR HIDROCARB URILOR ………………….28 CICLUL DE PRODUCTIE AL ZACAMINTELOR ………..32 ………..32
3
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. 4
Inca din anul 1863 s-au obtinut, prin distilarea acizilor grasi intr-un curent de vapori de apa supraincalzita, anumite hidrocarburi existente in petrol. 2 Unii cercetatori, distiland untura de peste la presiuni de 20-25 daN/ cm si o la temperaturi cuprinse intre 360-420 C 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. 5
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).
Ener ie solara
Viata
Depozit hidrocarburi
Fig. 4
6
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. Scoarta terestra
Camp Petrolier
Titei Apa
Zacamant
Figura 5. 7
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 gazetitei , respectiv contactul titei-apa. Suprafata
Ar ila
e m i c n a d A
Gaze Zona de tranzitie titei - aze
Titei Zona de tranzitie a a - titei Apa de fund
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 8
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 rocimagazin. 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 9
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 zacamintulu i.
10
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.
11
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/m3. 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 3 kg/ m . 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: 3 - foarte usoare, pina la 820 kg/ m 3 - usoare, 820-880 kg/ m - grele, peste 880 kg/ m3 Compresibilitatea . Coeficientul de compresibilitate al titeiurilor variaza intre 7x10-5 bar -1 si 140x10-5 bar -1, adica volumul unui titei se micsoreaza cu 12
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 1 0C. Deci, daca un titei cu coeficientul de dilatare 0 3 1,2 are la 22 C densitatea de 856 kg/ m atunci cind temperatura lui va creste la 0 3 28 C, densitatea va fi 856-(28-22)x1,2=849 kg/ m . 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/ m2 ( 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. -3 In conditii de zacamint, viscozitatea titeiului variaza, in medie, intre 0,5x10 si 5x10-3 Ns/ m2(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 200C. 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 titeiapa, 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. 0 Punctul de fierbere al titeiurilor usoare este 25 C, iar al titeiurilor grele ajunge la 1000C. 13
Punctul de inflamabilitate. In cazul titeiurilor usoare, amestecurile de vapori de titei si aer de la suprafata se pot aprinde la 200C. Pentru celelalte, 0 punctul de inflamabilitate variaza in limite foarte largi si anume intre 200 C si 0 550 C, 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 0 100 C. Conform acestui criteriu, titeiurile se clasifica astfel: Titei neparafinos sau titei calitatea A, continind 0,2-1% parafina. Titeiul neparafinos congeleaza la temperaturi sub -15 0C. 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 0 congeleaza la temperaturi depasind 0 C si depune putina parafina; Titei parafinos \ titei calitatea C , cu un continut de parafina mai mare de 0 3% cu temperaturi de congelare care uneori pot depasi 20 C. 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 C 5+. 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: 3 -gaze bogate - cu un continut mai mare de 60g/m hidrocarburi lichefiabile
14
-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 + + 2+ 2+ apelor se indica prin cantitatea (mg/l) de cationi (Na , K ,Ca , Mg ) si anioni 2 3 (Cl , SO4 ,CO2 , 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 3 20 si 60 kg sare in metrul cub de apa, cele din meotian intre 100 si 260kg/m , iar 3 cele din helvetian pina la 320 kg/ m . 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; 3 0 b. Proprietati fizice. Densitatea apei pure este de 1000kg/ m la 4 C si la presiunea atmosferica. Daca temperatura apei creste la 800C, densitatea scade la 3 0 980 kg/m . Daca presiunea creste, creste si densitatea; astfel, la 4 C si 10000N/ 2 3 0 2 cm , densitatea apei pure este de 1040 kg/m , iar la 80 C si 10000 N/cm , 3 densitatea este de 1010 kg/ m . Apa mineralizata are densitatea mai mare decit apa pura; densitatea apei in functie de continutulei in sare este urmatoarea: 3
Continut sare (kg/m ) Densitatea (kg/m3)
20 1010
60 1040
100 1070
150 1100
200 1130
250 1160
300 1190
Compresibilitatea. Coeficientul de compresibilitate al apei pure variaza -5 -5 -1 in functie de temperatura si presiune, avind valoarea intre 3,7x10 si 5x10 bar , 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. 15
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 16
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.
17
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
18
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 percutanthidraulica, 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:
19
-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. rotativ-hidraulica cu motoare scufundate -metoda de foraj (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
20
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 21
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 22
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 23
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. 24
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 25
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. 26
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;
27
-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 28
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
29
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.
30
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. 31
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. 32
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
33
