Tubarea si cimentarea sondelor

In procesul de foraj, in gaura de sonda pot aparea deranjamente, ca urmare a traversarii unor strate ce ridica dificultati (roci friabile, roci poros-permeabile cu fluide). Deranjamentele atrag dupa sine dificultati in procesul de forare, sau de exploatare al sondei.

La sondele de exploatare (petrol), este foarte importanta izolarea unui spatiu necesar exploatarii, care sa nu fie contaminat cu alte fluide. In acest scop sonda este consolidata, iar stratele care contin fluide sunt izolate intre ele. Cu interiorul sondei sunt puse in comunicatie numai stratele care sunt exploatate. Consolidarea sondelor se realizeaza prin tubare, iar izolarea prin cimentare.

Tubarea este operatia de introducere in gaura de sonda a unei coloane din tuburi de otel.

Cimentarea se executa prin introducerea in spatiul inelar din spatele coloanei de tubare a pastei de ciment (lapte de ciment)(praf de ciment si apa). Prin intarire se formeaza piatra de ciment care impiedica comunicarea in spatele coloanei, intre stratele izolate. Inelul de ciment asigura fixarea coloanei si nu permite contactul fluidului de foraj cu rocile din spatele coloanei (contactul poate dauna stabilitatii rocilor).

1 Constructia sondelor

Constructia sondelor se face dupa un program de constructie. Acesta cuprinde echipamentele care raman in sonda in procesul normal de forare:

- coloanele de tubare care se introduc in sonda, cu urmatoarele precizari: numar, adancimi de introducere, tipuri si diametre (programul de tubare);

- sape de foraj (tipuri si diametre);

- garnitura de foraj (tipuri, diametre ale elementelor componente);

- cimentare (intervale si metode aplicate).

Schema generala de tubare a sondelor

coloana de ghidare

La gura sondei, se sapa o deschidere cu sectiune patrata sau circulara cu diametru de 0,8 -1m si adancimea de 3-6m. In aceasta deschidere se introduce un burlan de otel, cu diametrul de 500-700mm. Parte superioara a burlanului se ridica deasupra solului (1,5-2m). In spatele burlanului se betoneaza. In partea superioara a burlanului se afla o derivatie pentru fluidul de foraj.

coloana de ancorare sau de suprafata

Aceasta coloana este obligatorie la sondele de hidrocarburi. Rolul coloanei:

- consolideaza gaura de sonda in zona de mica adancime, unde pot exista roci mai putin consolidate, sau cu continut de fluide;

- protejeaza acviferele de mica adancime de eventuale contaminari cu fluid de foraj;

- evita patrunderea altor fluide in fluidul de foraj;

- este suportul pe care se monteaza instalatia de prevenire a eruptiilor, dar si suportul pentru urmatoarele coloane.

Adancimea la care se introduce aceasta coloana depinde de conditiile din sonda si de stratele strabatute. Obisnuit adancimea de introducere este intre 50-300m, dar poate ajunge si la 1000m (pentru sonde de mare adancime). Diametrul acestor coloane variaza intre 10 ¾-16 ¾ in (273,05-425,45mm).

3. coloana de exploatare sau de productie

Este o coloana obligatorie la sondele de hidrocarburi. Rolul coloanei:

- constituie canalul de deplasare al fluidelor exploatate de la stratul productiv la suprafata.

- permite exploatarea selectiva a stratelor, comunicatia existand doar cu stratele care intereseaza extractia.

Aceasta coloana se introduce pana in talpa sondei. Diametrul coloanei este cuprins de obicei intre 4 ½- 6 5/8 in (114,3-268,27mm).

coloana intermediara sau de protectie

Acest tip de coloana nu se intalneste la toate sondele. Se introduce intre coloana de ancorare si cea de exploatare. Exista situatii cand se introduc doua pana la patru coloane intermediare. Coloana intermediara se impune atunci cand:

- exista strate cu roci fisurate si se produc pierderi de fluid;

- exista roci cu stabilitate redusa (se surpa), sau roci cu plasticitate ridicata producand inchiderea gaurii de sonda;

- sunt prezente strate cu fluide cu presiuni anormale (mari, mici).

Adancimea la care se introduc este impusa de problema care trebuie rezolvata. Diametrul acestor coloane este cuprins intre 7- 13 3/8 in (177,80-339,72mm).

La toate sondele, coloanele de ancorare si prima coloana intermediara sunt coloane intregi. Partea lor superioara iese la suprafata.

La unele sonde coloanele intermediare -mai putin prima- si coloana de exploatare pot sa nu fie pana la suprafata. Partea lor superioara se poate opri la 50-150m deasupra bazei coloanei precedente. Acest tip de coloana se numeste coloana pierduta (liner).

2. Compunerea coloanelor de tubare

Coloana de tubare este alcatuita din burlane si accesorii de coloana.

2.1. Burlane de tubare

Sunt tuburi de otel care se asambleaza cap la cap pentru a forma coloana de tubare. Burlanul are un diametru nominal, sau exterior, fiecaruia corespunzandu-i intre una si opt grosimi ale peretelui.

Burlanele sunt confectionate din otel, sau otel aliat. Imbinarea burlanelor se face prin infiletare, sau mai rar prin sudare.

2.2. Accesorii de coloana

Introducerea in conditii optime a coloanei si realizarea unei bune cimentari se efectueaza cu ajutorul unor accesorii.

Siul este plasat la capatul inferior al coloanei si permite trecerea acesteia spre talpa, fara dificultati si fara a deranja peretele gaurii. Sunt de doua tipuri de siuri: simple si cu ventil de retinere. Ambele tipuri sunt rotunjite, dar siurile cu ventil au in interior o supapa cu inchidere de jos in sus, impiedicand patrunderea fluidului de foraj in coloana. In aceasta situatie coloana de tuburi ramane goala in interior, ceea ce reprezinta un avantaj, reducand sarcina la carligul macaralei. Daca se executa o operatie de cimentare, ventilul impiedica revenirea pastei de ciment in interiorul coloanei. Siul cu ventil prezinta si inconveniente, cum ar fi diferenta de presiune intre exteriorul si interiorul coloanei de burlane. Presiunea mare din exterior poate duce la turtirea burlanelor.

Inelul de retinere are rolul de a opri dopurile de cimentare deasupra siului evitand astfel contaminarea cimentului cu noroi de foraj. Se confectioneaza dintr-un material care se frezeaza usor (fonta) si se plaseaza la 10-30m deasupra siului, in interiorul unei mufe de legatura a burlanelor.

Mufa plutitoare se foloseste la coloanele de lungime mare, grele, unde exista mari diferente de presiune (intre exterior si interior). Mufa are peretii grosi, iar in interior are un ventil de retinere asemeni siului.

Centrorii sunt dispozitive montate in exteriorul coloanei de tubare, pentru mentinerea pozitiei concentrice a coloanei in gaura de sonda. Se obtine astfel un inel continuu si uniform de ciment in jurul coloanei. Exista mai multe variante de constructie, dar cea mai comuna este cea a centrorilor cu lame drepte.

Scarificatorii (curatitorii de colmataj) au rolul de a curata colmatajul de pe peretele sondei, prin razuire. Se monteaza in parte inferioara a coloanei. Scarificatorii pot fi: longitudinali si transversali. La primii curatirea colmatajului se face printr-o miscare de rotire a coloanei, iar la al doilea tip, prin deplasarea sus-jos a coloanei.

Sustinatorul de coloana sunt utilizate la suspendarea coloanelor pierdute. Sustinatorul (agatatorul de coloana) este plasat la partea superioara a coloanei pierdute si este prevazut cu un dispozitiv care se deblocheaza in momentul stabilirii pozitiei corecte, fixand si blocand coloana pierduta in coloana precedenta.

3. Solicitarile coloanelor de burlane

Coloana de tubare este supusa diferitelor solicitari din momentul introducerii in sonda si pana la abandonarea sondei.

Solicitarea la intindere este prezenta aproape permanent si este generata de greutatea coloanei, de forta de frecare cu peretele sondei, de forta aplicata pentru incercarea de desprindere, pentru eventuala prindere in gaura de sonda. Forta de intindere poate provoca smulgerea din filet a burlanelor, sau turtirea lor.

Solicitarea la presiune exterioara apare atunci cand presiunea din exteriorul coloanei depaseste presiunea din interior. Apar in acest caz deformari ale burlanelor (turtire, ovalizare).

Solicitarea la presiune interioara apare atunci cand presiunea din interiorul coloanei o depaseste pe cea din exterior ei. Se manifesta prin fisuri in corpul burlanelor, sau chiar desprinderea unor bucati din burlane.

Operatia de tubare

Pentru realizarea unei tubari corespunzatoare este necesara executarea unor operatii pregatitoare:

• pregatirea burlanelor pe tipuri de grosime (in perete) si in ordinea introducerii in sonda;
• probarea burlanelor la presiune interioara cu apa, mai ales la coloanele de exploatare si la cele pentru sonde de mare adancime;
• controlarea starii filetelor;
• controlarea accesoriilor de coloana (siu, inel de retinere, scarificatori, centrori) si montarea lor;
• executarea lucrarilor pregatitoare in gaura de sonda (corectarea gaurii, circularea indelungata a fluidului de foraj.

Operatia de tubare consta in:

• insurubarea siului la primul burlan si sudarea in cateva puncte;
• montarea inelului de retinere la doua-trei burlane de siu si montarea centrorilor daca este necesar;
• ridicarea de pe rampa in turla, a fiecarui burlan, suspendarea in elevator si insurubarea la coloana suspendata in pene.
• Coborarea atenta a coloanei in sonda, pentru evitarea prinderilor;
• Efectuarea periodic a unei circulatii pentru evacuarea dn sonda a turtei de colmatare si a altor fragmente desprinse din perete;
• Circularea sondei la finalul tubarii si manevrarea coloanei (sa nu fie prinsa, scarificatorii inlatura colmatajul).

5. Cimentarea sondelor

Cimentarea este operatia de introducere in spatele coloanei de tubare a unei cantitati de lapte de ciment (pasta de ciment), urmata de introducerea unui volum de noroi, care dislocuieste cimentul din coloana, impingand cimentul in spatele coloanei. Dupa un anumit timp (24-48 ore) cimentul face priza si se transforma intr-o masa compacta

(piatra de ciment), care impiedica circulatia fluidului in spatele coloanei si in acelasi timp fixeaza coloana si creste rezistenta acesteia la actiunea de turtire, care poate fi exercitata de roci. Cimentarea incorecta faciliteaza patrunderea apelor in stratele productive si compromite exploatarea lor. Cimentarea se face in urmatoarele scopuri:

• Izolarea stratelor productive intre ele, precum si a acviferelor din vecinatate;
• Consolidarea rocilor instabile sau plastice;
• Prevenirea manifestarilor de gaze;
• Izolarea stratelor productive de grosime mica, pentru conservarea lor temporara;
• Protejarea coloanei impotriva deformarii;
• Fixarea coloanei;
• Cimentarea succesiva a diferitelor coloane (ghidaj, ancoraj, intermediara, exploatare);

5.1. Cimenturi de sonda

La prepararea laptelui de ciment se utilizeaza cimentul de sonda. Este un ciment special de tip Portland, care poate fi amestecat cu cantitati relativ mari de apa, fara sa se sedimenteze, si fara ca timpul de intarire si rezistenta mecanica sa aiba de suferit.

Amestecurile adecvate cuprind ciment de sonda, apa si o serie de aditivi, functie de scopul cimentarii.

1. lapte de ciment cu filtrat redus - se obtine prin adaos de argila bentonitica, substante macromoleculare si polimeri organici. Este utilizat pentru reducerea filtrarii apei din pasta de ciment, in roci foarte permeabile.
2. lapte de ciment usor - are densitate redusa si se obtine prin adaos de substante care reduc filtratia, sau substante usoare (diatomit, perlit expandat). Se folosesc in sonde la catre se produc pierderi de circulatie.
3. lapte de ciment greu - are densitate mare, se foloseste la sonde adanci, unde sunt necesare noroaie cu densitate mare (2-2,3kgf/dm³), iar cimentul trebuie sa aiba aceeasi densitate cel putin, sau mai mult. Pentru realizarea unei densitati mari, pentru a depasi densitatea fluidului de foraj, se folosesc adaosuri de materiale grele (barit, magnetit, galena, cu densitati intre 4,2-6,73kgf/dm³).
4. lapte de ciment pentru obturare - este folosit pentru inchiderea zonelor cu pierdere de circulatie. La cimentul de sonda se adauga silicat de sodiu, argila coloidala (gel), sau materiale de blocare (fibroase-azbest, granulare- fulgi de mica, lamelare-fasii de celofan).

Functie de conditiile concrete, care se impun in procesul de cimentare, in cimenturi se adauga intarzietori (cand se lucreaza cu cantitati mari de ciment) si acceleratori (coloana ancoraj la mica adancime, dopuri in coloana) de priza.

Pomparea laptelui de ciment si a fluidului de foraj, pentru refularea laptelui in spatele coloanei, se executa cu ajutorul agregatelor de cimentare (autopurtate). Se folosesc de asemenea dispozitive speciale : palnie de amestec, capete de cimentare, dopuri de cimentare.

Capetele de cimentare se monteaza la capatul superior al coloanei si face legatura cu agregatul de cimentare, prin intermediul unor conducte de impingere. Permite lansarea dopurilor si asigura inchiderea coloanei la sfarsitul opertiei de cimentare. Cele mai utilizate sunt: capul de cimentare simplu cu filet si capul de cimentare etajat (cap de lansare). La cel etajat dopul doi se afla in interiorul lui. Pomparea laptelui de ciment se face prin bratele laterale inferioare, iar a fluidului de refulare prin cele superioare la inceput, apoi dupa lansarea dopului, prin toate patru.

Dopurile de cimentare sunt folosite la separarea laptelui de ciment de fluidul de foraj. Sunt confectionate din cauciuc, material plastic si au armaturi metalice. Dupa intarirea cimentului dopurile sunt frezate (distruse). La cimentarile obisnuite, cu doua dopuri, acestea sunt din cauciuc. Primul este gaurit si prevazut cu o membrana de separare. Cand dopul atinge inelul de retinere, membrana se sparge si laptele de ciment trece sub dop.

5.2. Metode de cimentare

Metodele de cimentare la sondele in foraj se impart in: primare, secundare si speciale.

Cimentarile primare

Functie de situatia coloanei si functie de modul cum se realizeaza operatia propriu-zisa se deosebesc mai multe metode:

cimentarea cu dopuri este utilizata la coloane intregi, cimentate pe toata inaltimea, sau pe o portiune din partea inferioara a gaurii. Se folosesc doua dopuri. Se lanseaza primul dop, dupa care se pompeaza laptele de ciment integral. Se lanseaza al doilea dop si se incepe pomparea fluidului de foraj. Cand primul dop a atins inelul de retinere, membrana dopului se sparge si cimentul trece prin siu in spatele coloanei. Pomparea continua pana cand al doilea dop ajunge la inelul de retinere, asezandu-se peste primul dop. Acesta este momentul incheierii cimentarii. Pentru a impiedica contaminarea laptelui de ciment cu fluid de foraj, dupa lansarea primului dop se pompeaza in coloana un fluid de separare. Volumul dopului de fluid corespunde unei inaltimi in spatiul inelar de 150-200m.

Siul impiedica revenirea laptelui de ciment in coloana. Dupa perioada de prizare dopurile, cimentul ramas in coloana si siul pot fi frezate, functie de operatiile ce urmeaza a fi executate

cimentarea etajata presupune pomparea laptelui de ciment in transe, fiecare fiind plasata intr-o anumita zona a spatiului inelar. Cea mai utilizata este metoda in doua trepte (etaje). Se utilizeaza la sondele cu coloane de lungime mare, la sonde cu doua zone productive situate la distanta mare, la cimentari care ar necesita un numar mare de agregate de cimentare, dar spatiul la sonda nu permite amplasarea lor.

Se folosesc patru dopuri de cimentare si o mufa speciala (niplu cu orificii, montat intre doua burlane ale coloanei, la o inaltime dinainte stabilita). Se lanseaza primul dop, care este gaurit si se pompeaza cantitatea de lapte de ciment pentru etajul inferior. Se lanseaza al doilea dop si se pompeaza o cantitate de fluid de foraj egala cu volumul interior al coloanei, intre inelul de retinere si mufa speciala. Se lanseaza al treilea dop  si se pompeaza laptele de ciment pentru etajul superior. Se lanseaza dopul 4 si se pompeaza fluid de foraj egal cu volumul interior al coloanei dintre mufa speciala si parte asuperioara a coloanei de tubare. Cand dopul 3 (dop de deschidere) ajunge la mufa speciala, presiunea creste, se deschid orificiile mufei si laptele de ciment trece in spatele coloanei. Cand dopul 4 (dop de inchidere) ajunge la dopul 3 operatia de cimentare este finalizata.

Cimentarea de coloana pierduta - lansarea coloanei pierdute se face cu ajutorul garniturii de foraj. Intre coloana si garnitura se intercaleaza agatatorul si lansatorul de coloana. Prin agatator coloana pierduta se fixeaza in coloana precedenta. Prin lansator se realizeaza desprinderea garniturii de la coloana. Dupa suspendarea coloanei se introduce lapte de ciment necesar cimentarii.

Cimentari secundare

Cea mai frecventa este cimentarea prin perforaturi. Se utilizeaza la repararea unor cimentari primare necorespunzatoare. Se perforeaza coloana in partea superioara si inferioara a zonei ce urmeaza a fi cimentata. Se introduce garnitura, prevazuta cu un packer si se fixeaza deasupra perforaturilor inferioare. Se pompeaza apoi prin prajini lapte de ciment, care patrunde in spatele coloanei, impingand fluidul care va intra in coloana prin perforaturile superioare.

Cimentari speciale

cimentarea pentru formarea de dop - este folosita in scopul blocarii gaurii de sonda si executarii unei gauri noi prin foraj dirijat, sau trecerea in productie a unui strat superior in sonda tubata. Se introduce garnitura de prajini pana la adancimea care corespunde partii inferioare a dopului. Se pompeaza lapte de ciment, apoi fluid pana cand laptele de ciment a ajuns la acelasi nivel in interiorul si exteriorul garniturii. Se retrage garnitura pana deasupra nivelului cu lapte de ciment.si se face circulatie pentru spalare, apoi se extrage.

5.3. Controlul calitatii cimentarii

La cimentarile primare se verifica calitatea cimentarii cu ajutorul carotajului termic, radioactiv si acustic, cu ajutorul controlului oglinzii si controlului etanseitatii coloanei.

Carotajul termic (termometria) masoara inaltimea la care s-a ridicat cimentul in spatele coloanei. Se masoara temperatura in gaura de sonda. In timpul prizarii intarirea amestecului apa-ciment este insotita de degajare de caldura, deci in zona cimentata se vor inregistra temperaturi mai mari. Analiza temperaturii indica cu destul de mare precizie nivelul ridicarii cimentului in spatele coloanei,dar mai putin gradul de umplere a spatiului inelar.

Carotajul radioactiv este folosit pentru a indica inaltimea de ridicare a laptelui de ciment in spatele coloanei, dar si gradul de umplere in spatele coloanei. Se face un carotaj radioactiv inainte de tubare si cimentare, se obtine o curba, care se compara cu cea masurata dupa cimentare.

Carotajul acustic se executa dupa intarirea cimentului. Permite detectarea intervalelor in care cimentarea nu este reusita, respective acolo semnalul acustic nu este atenuat, el propagandu-se prin coloana.

Controlul oglinzii cimentului consta in determinarea adancimii la care este plasat dopul de ciment. Operatia se executa cu ajutorul garniturii si nu trebuie sa patrunda in ciment. Se verifica de fapt rezistenta cimentului.

Verificarea etanseitatii coloanei de tubare se realizeaza prin crearea unei diferente de presiune intre exteriorul si interiorul coloanei, prin golirea coloanei, sau crearea de presiune in coloana. In primul caz nu trebuie sa creasca nivelul in sonda, iar in al doilea caz, presiunea nu trebuie sa scada.