TEHNOLOGIJA IZRADE BUŠOTINA I

INŽENJERSTVO NAFTE I GASA

RGF

2

KONSTRUKCIJA BUŠOTINE

9

3

Izbor zaštitnih cevi u bušotini povezan je sa poznavanjem velikog broja parametara i praćenjem njihove promene tokom vremena. Ugrađuje se za ceo vek trajanja bušotine (nekoliko decenija) i moraju se imati u vidu sve operacije koje se obavljaju na datoj bušotini tokom tog vremena. Nedovoljno poznavanje uticaja pojedinih parametara mora biti uključeno u sigurnosni faktor za izbor zaštitnih cevi.

Mnoge naftne kompanije i timovi stručnjaka razvili su sopstvene metodologije zacevljenja bušotine. Dizajniranje zacevljenja započinje definisanjem eksploatacione kolone koja će se koristiti pod uslovom da se tokom bušenja otkriju komercijalne količine ugljovodonika. Termodinamički i ostali uslovi eksploatacije ili ispitivanja bušotine određuju proizvodne ili ispitne karakteristike dubinske opreme i uzlaznih cevi (tubinga), tj. time se određuju tehničke i geometrijske karakteristike eksploatacione kolone. Tehničko-tehnološki definisana eksploataciona kolona funkcionalno omogućuje izbor prečnika dleta, prečnika sledećih zaštitnih kolona, dubinu ugradnje pojedinih nizova kolona, kao i kvalitet materijala cevi (“Grad”), a sve u cilju bezbednog dostizanja konačne dubine bušotine.

Proračun zaštitnih cevi

4

Kako je postizanje najpovoljnijeg ekonomskog efekta jedan od osnovnih zahteva kod proračuna, niz zaštitnih cevi se često sastoji od više sekcija različitog kvaliteta materijala, debljine zidova cevi i tipova spojnica. Ovako dizajniran niz zaštitnih cevi predstavlja tzv. “kombinovani niz”. Dodatna ušteda ostvaruje se i ugradnjom izgubljene kolone zaštitnih cevi, umesto kompletnog niza od dna bušotine do površine. U tom slučaju je moguće izvršiti korekciju prethodno dizajnirane kolone u pogledu planiranja ugradnje zaštitnih cevi manje težine ili slabijeg kvaliteta jer smanjena dubina ugradnje ovih kolona smanjuje opterećenje na istezanje, koje deluje na cevi. Naravno, ovakav pristup kod dizajniranja povezan je sa procenom stepena mogućeg rizika usled trošenja zidova zaštitnih cevi u vreme bušenja.

Izbor preIzbor preččnika (geometrije) zanika (geometrije) zašštitnih cevititnih cevi

Prečnici bušenja i prečnici kolona u funkciji su unutrašnjeg prečnika eksploatacione kolone zaštitnih cevi.

5

gde su:Dd - prečnik dleta za bušenje za eksploatacionu kolonu zaštitnih cevi (mm)

ODs – spoljašnji prečnik spojnice eksploatacione kolone (mm)

δ - zazor između spoljašnjeg prečnika spojnice eksploatacione kolone i zida kanalabušotine (mm)

Zazor između spoljašnjeg prečnika spojnice eksploatacione kolone i zida kanala bušotine “δ” omogućava formiranje isplačnog kolača na zidu bušotine i prolaz opreme zaštitnih cevi kao što su centralizeri, grebači i drugo. Kod elastičnih nizova zaštitnih cevi (prečnika manjeg od 203,2 mm), zazor “δ” se kreće od 5 do 15 mm, a kod krućih kolona (prečnika većeg od 203,2 mm), zazor “δ” se kreće od 15 do 45 mm.

δ⋅+= 2sd ODD

Da bi se omogućila ugradnja eksploatacione kolone u bušotini, prečnik bušenja, tj. dleta poslednjeg intervala kanala bušotine mora biti nešto veći od spoljašnjeg prečnika spojnice eksploatacione kolone prema jednačini:

6

12 δ⋅+= dk DIDgde su:IDk - unutrašnji prečnik zaštitnih cevi (mm); kod istog spoljašnjeg prečnika zaštitnih cevi, unutrašnji prečnik je promenljiva veličina koja zavisi od debljine zida cevi

δ1- zazor između unutrašnjeg prečnika zaštitnih cevi i dleta (2-3 mm)

Uobičajeni izbor geometrije bušotine prikazan je u tabeli:

ZA TEŽE USLOVE-ISTRAŽNE BUŠOTINE ZA NORMALNE PORNE PRITISKE

Kolone zaštitnih cevi Dleta Kolone zaštitnih cevi Dleta

tip ODk (mm) Dd (mm) tip ODk (mm) Dd (mm)

uvodnapovršinskaI tehničkaII tehnička

eksploataciona

508339,7244,5177,8127

660,4444,5311,1215,9155,6

uvodnapovršinska

eksploataciona

339,7244,5139,7

444,5311,1215,9

Prečnik dleta primenjen za bušenje donjih delova kanala bušotine, takođe mora da prolazi kroz unutrašnji prečnik zaštitnih cevi ugrađenih iznad njega. Zazor između zidova zaštitnih cevi i dleta treba biti od 2 do 3 mm na svaku stranu, odnosno:

7

Dubina ugradnje zaDubina ugradnje zašštitnih cevititnih cevi

• Jedan od najvažnijih postupaka kod konstrukcije naftnih i gasnih bušotinakao uslov za njen uspešan završetak je kriterijum za izbor mesta ugradnjezaštitnih cevi u kanal bušotine.

• Na velikom broju bušotina uočeni su problemi tehničke i ekonomske prirodekoji su uglavnom vezani za programe zacevljenja u kojima su usvojene male ili suviše velike dubine ugradnje zaštitnih cevi.

• Dubina ugradnje pojedinih nizova zaštitinih cevi zasniva se na poznavanjugeoloških uslova, tj. razvoja pornih i frakturnih pritisaka formacije koje se buše.

8

• Prikazan je primer jedne od metodologija utvrđivanja dubine ugradnjenizova zaštitnih cevi, gde je ilustrovan odnos između dubine ugradnje kolonei gradijenata pornih i frakturnih pritisaka, kao i projektovana gustina isplake zabušenje.

9

Kriterijumi za izbor mesta ugradnje pete zaštitnih cevi

- Primarna razmatranja, tj. kriterijumi za određivanje mesta ugradnje pete zaštitnih cevi obično se zasnivaju na kontroli povišenih pornihpritisaka i sprečavanju njihovog širenja na pliće zone, tj. zone sa normalnim pornim pritiskom;

- Sprečavanje diferencijalnog slepljivanja (zaglave) bušaćeg alata i zaštitnih cevi;

- Pokrivanje zona izloženih ozbiljnim gubicima isplake;- Pokrivanje problematičnih zona tokom bušenja, tj. formacija

podložnih obrušavanju, bubrenju i dr., odnosno formacija gde preti zaglava bušaćeg alata.

10

Elementi za definisanje dubine ugradnje zaštitnih cevi

- Porni pritisci, tj. gradijenti pornih pritisaka formacije celomdužinom kanala bušotine;

- Pritisci frakturiranja, tj. gradijenti frakturiranja formacija celomdužinom kanala bušotine;

- Konačna dubina bušotine ili produktivnog sloja;- Dubina zaleganja poslednje propusne formacije sa normalnim

pornim pritiskom;- Dubina zaleganja prve propusne formacije sa povišenim pornim

pritiskom.

Definisanje dubine ugradnje zaštitnih cevi, polazi od uslova da su zabušotinu koja se konstruiše poznati sledeći elementi:

11

Ograničenja pri izboru dubine ugradnje zaštitnih cevi

Da bi ugrađeni niz zaštitnih cevi mogao da ispuni kriterijume za izbor mesta ugradnje postavljaju se sledeća ograničenja: - Najmanja gustina isplake koja ostvaruje natpritisak od 10 do 30 bar namaksimalni porni pritisak u kanalu bušotine, taj uslov praktično se postiže primenom sledeće jednačine:

fp SG += maxminρρmin - minimalno potrebna gustina isplake za bušenje (kg/dm3) Gp max - gradijent maksimalnog pornog pritiska u kanalu bušotine (kg/dm3)Sf - sigurnosni faktor za slučaj iznenadnog dotoka slojnog fluida u kanal bušotine,0,03 ~ 0,06 kg/dm3

- Maksimalno dozvoljeni diferencijalni pritisak 150 bar na zone sanormalnim pritiskom i 210 bar na zone sa povišenim pornim pritiskom.- Zapremina dotoka gasnog fluida u kanal bušotine od 3.500 lit, ili u zavisnosti od prečnika bušotine i alata, izraženo u dužini dotoka (dotok od oko 170 m).

12

Dubina ugradnje tehničke kolone

Optimalna dubina ugradnje tehničke kolone zaštitnih cevi zasniva se naizračunavanju minimalne gustine isplake koja drži u ravnoteži formacije samaksimalnim pornim pritiskom kao i potrebnoj vrednosti gradijentafrakturiranja stena u kanalu bušotine koji osigurava bezbedno bušenje do planirane dubine na osnovu jednačine:

1min fpotf SG += ρ

Gf pot – potrebni gradijent frakturiranja stena u kanalu bušotine, koji omogućujedostizanje konačne dubine bušotine (kg/dm3) Sf1 - sigurnosni faktor za gradijent frakturiranja stena od 0,06 do 0,1 kg/dm3

Tehnička kolona zaštitnih cevi ugrađuje se na onoj dubini kanala bušotinena kojoj gradijent frakturiranja stena dostiže izračunatu vrednost potrebnoggradijenta frakturiranja stena, tj.:

tkpotf HG ⇒

Htk - dubina ugradnje tehničke kolone u kanalu bušotine (m)

13

Dubina ugradnje tehničke kolone (Htk) proverava se na dozvoljenidiferencijalni pritisak u funkciji dubine zaleganja poslednje propusneformacije sa normalnim pornim pritiskom, jednačinom:

( ) 0981,01min ⋅⋅−=Δ ZGp pnis ρΔρis- diferencijalni pritisak u visini poslednjeg propusnog sloja sa normalnim pornim

pritiskom (bar) Gpn- gradijent normalnog pornog pritiska, Panonski basen 1,02 (kg/dm3)Z1 - dubina poslednje propusne formacije sa normalnim pornim pritiskom (m)

Za slučaj: barpis 150≤Δ

Dubina ugradnje tehničke kolone zaštitnih cevi (Htk) zadovoljava

Za slučaj: barp is 150>Δ

Uslov za izbor dubine ugradnje tehničke kolone nije zadovoljen jer se stvarapovoljniji uslov za pojavu zaglave zaštitnih cevi ili alata u nastavku bušenja. Tada se metodologija za izbor dubine ugradnje tehničke kolone zasniva na

maksimalno dozvoljenom diferencijalnom pritisku na poslednju propusnuformaciju sa normalnim pornim pritiskom, jednačinom:

14

pnis

tki GZ

p+

⋅Δ=

1.

2,10ρ

ρi.tk - gustina isplake za ugradnju tehničke kolone (kg/dm3) ∆pis - maksimalno dozvoljeni diferencijalni pritisak (do 150 bar)

Peta tehničke kolone postavlja se na onoj dubini gde se dostiže gradijentpornog pritiska na osnovu sledeće jednačine:

tktkp

ftkitkp

HG

SG

⇒

−= .ρGp tk - gradijent pornog pritiska u kanalu bušotine koji

određuje dubinu ugradnje tehničke kolone (kg/dm3) Htk - dubina ugradnje tehničke kolone zaštitnih cevi (m) Sf - sigurnosni faktor za dotok slojnog fluida 0,03-0,06 kg/dm3

Dubina ugradnje tehničke kolone takođe zahteva i proveru u odnosu naizračunati potrebni gradijent frakturiranja na dnu bušotine (Gf pot ) i stvarni gradijent frakturiranja na peti tehničke kolone (Gf tk ), relacijom:

potftkf

potftkf

GG

GG

<

≥ Gf tk - stvarni gradijent frakturiranja sedimentnih stenana peti tehničke kolone (kg/dm3)

Gf pot - izračunati potrebni gradijent frakturiranjasedimentnih stena u kanalu bušotine (kg/dm3)

15

Ako je: potftkf GG ≥

Dubina ugradnje tehničke kolone zadovoljava sve kriterijume, odnosnomoguće je bezbedno bušenje iz ove kolone do konačne dubine bušotine. U daljem postupku potrebno je definisati dubine ugradnje površinskekolone zaštitnih cevi.

Ako je: Gf tk < Gf pot

Dubina ugradnje tehničke kolone ne omogućava bušenje do konačnedubine, jer je u nastavku bušenja moguć lom (fraktura) formacije ispodpete tehničke kolone.

Da bi se dostigla konačna dubina bušotine neophodno je ugraditi jošjednu dimenziju zaštitnih cevi u vidu izgubljene kolone zaštitnih cevi, tj. “Liner” kolonu.

16

Dubina ugradnje površinske kolone

• U toku izrade bušotine površinska kolona zaštitnih cevi često se nađe pod pritiskom zbog iznenadnog prodora slojnog fluida u kanal bušotine, a štonajčešće nastaje usled nepažnje izvođača radova.

• Iz navedenog razloga, za određivanje dubine ugradnje površinske kolonezaštitnih cevi primenjuje se kriterijum iznenadnog dotoka gasnog slojnogfluida.

• U slučaju iznenadnog dotoka gasnog fluida, nakon zatvaranja bušotine, pritisak na određenoj dubini u kanalu bušotine izražen kao ekvivalentnagustina isplake biće veći od onog koji je rezultat hidrostatičkog pritiska stubaisplake, frikcionih pritisaka i pritiska pulsiranja u toku normalnih aktivnostibušenja.

• Ostvareni pritisak, prikazan kroz ekvivalentnu gustinu isplake uzrok jepojave mnogih dotoka, fraktura formacija ispod pete zaštitnih cevi, a nakontoga i nekontrolisanih erupcija sa gubitkom bušaćih postrojenja.

17

Da bi se ova pojava izbegla, potrebno je da se površinska kolona zaštitnihcevi ugradi do dubine koja će izdržati pritiske ostvarene iznenadnim dotokomgasnog fluida, a što se postiže kada je zadovoljen uslov:

pkf

fise

HG

G

⇒

≈.ρ

ρe.is - ekvivalentna gustina isplake na dubini ugradnje površinske kolonezaštitnih cevi (kg/dm3)

Gf - gradijent frakturiranja stena na dubini ugradnje površinske kolone zaštitnihcevi (kg/dm3)

Hpk - dubina ugradnje površinske kolone zaštitnih cevi (m)

Ekvivalentna gustina isplake (ρe.is) određuje se jednačinom:

( ) 3. /dmkg

Hh

SHH

žp

fgtkfgtkf

žp

tkise

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −⋅+

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

ρρρρ

18

Htk - dubina ugradnje tehničke kolone zaštitnih cevi (m) Hžp - promenljiva, željena dubina ugradnje površinske kolone zaštitnih cevi (m)hfg - dužina stuba gasnog fluida doteklog u bušotinu (oko 170 m). Sf - sigurnosni faktor za slučaj iznenadnog dotoka gasnog fluida u bušotinu od 0,03do 0,06 kg/dm3

ρtk - potrebna gustina isplake za bušenje do dubine ugradnje tehničke kolone Htk(kg/dm3) ρfg - prosečna gustina gasnog fluida doteklog u kanal bušotine (kg/dm3). Za praktičnuprimenu mogu se koristiti sledeće vrednosti u zavisnosti od pornih pritisaka, prikazanihu tabeli:

GUSTINA GASNOG FLUIDA, ρfg(kg/dm3)

PORNI PRITISAK(bar)

0,100,200,250,300,35

100230300400750

- Kod bušotina sa normalnim pornim pritiskom, tj. gde je Gp max = Gpnnavedeni postupak za određivanje dubine površinske kolone primenjuje se kao jedini, u cilju izbora ugradnje zaštitnih cevi.

19

Gradijent

GradijentEGI

GradijentFRAKTURIRANJA

GradijentPORNOGPRITISKA

Minimalna dubina pete z. c. – dotok gasa

Dub

ina

20

Izbor kvaliteta materijala ugrađenih zaštitnih cevi

Nakon definisanja geometrije bušotine i dubine ugradnje zaštitnih cevi, svaki niz zaštitnih cevi (eksploataciona, tehnička, površinska i izgubljena kolona) se dimenzioniše da uz odabrani kvalitet čelika (“Grad”), težine i vrste navoja, tj. spojnica izdrži sledeće radne uslove:

- Delovanje pritiska unutar zaštitnih cevi (na pucanje)

- Delovanje pritiska iza zaštitnih cevi (na gnječenje)

- Delovanje sila istezanja i sabijanja zbog kojih može doći do kidanja tela ili spojnica cevi

- Izloženost cevi složenim naprezanjima: biaksijalnim i triaksijalnim zbog kombinovanog uticaja spomenutih uslova

- Opterećenje za vreme cementacije

- Uticaj temperature

- Uticaj savijanja

21

Kod proračuna zaštitnih cevi prvi u redosledu postupaka je razmatranje opterećenja na unutrašnji pritisak, koje određuju početni kvalitet cevi. Opterećenjem na spoljašnji pritisak proverava se izabrani niz zaštitnih cevi i u pojedinim sekcijama može se povećati kvalitet čelika ili težina. Nakon definisanja kvaliteta čelika, težine i dužine sekcije koje zadovoljavaju opterećenja na unutrašnji i spoljašnji pritisak, proverava se opterećenje na aksijalno istezanje i sabijanje na osnovu kojih se vrši izbor odgovarajućih spojeva zaštitnih cevi. Konačni postupak je provera cevi na biaksijalno i triaksijalno naprezanje i redukcije nominalnih vrednosti zaštitnih cevi na pucanje i gnječenje koje su izazvane tim opterećenjima i naprezanjima.

Rezultantna opterećenja koja deluje na zaštitne cevi, tj. dizajnirane vrednosti, predstavljaju donju granicu na osnovu kojih se vrši izbor odgovarajućih kolona zaštitnih cevi i spojnica. Vrednosti rezultantnih opterećenja dobijaju se uvećanjem stvarnih optrećenja sa faktorima dizajniranja. Faktori dizajniranja određeni su: u skladu sa preporukama API biltena; iskustvenim saznanjima napojedinim lokalitetima; lokalnim propisima i zakonskom regulativom; parametrima u funkciji uticaja korozije usled prisustva agresivnih fluida; istrošenosti cevi u toku bušenja i dr.

22

Sigurnosni faktori (tipični) obuhvataju i razmatraju tri glavna uslova i to:

- Faktori dizajniranja za unutrašnji pritisak, tj. pucanje - 1,10

- Faktori dizajniranja za spoljašnji pritisak, tj. gnječenje - 1,125

- Faktori dizajniranja za istezanje - 1,80

PROJEKTOVANJE EKSPLOATACIONE KOLONE ZAŠTITNIH CEVI

Izbor eksploatacione kolone, predstavlja jedan od najvažnijih postupaka konstrukcije bušotine. Neodgovarajuće dizajniranje površinske ili tehničke kolone može da bude kompenzirano tokom izrade bušotine, ali neispravno projektovanje eksploatacione kolone obično ima trajne posledice.

Proračun eksploatacione kolone na unutrašnji, spoljašnji pritisak kao i na aksijalno opterećenje, obavlja se uz primenu maksimalnog opterećenja i naprezanja. Takođe, uz sam proračun na uniaksijalna opterećenja i biaksijalna naprezanja razmatra se i analiza triaksijalnih naprezanja u cilju provere da li je granica elastičnosti materijala veća od vrednosti za najtežeuslove naprezanja.

23

-Proračun unutrašnjeg pritiska (pucanje):

Prvi korak pri proračunu ove kolone na pucanje predstavlja što je moguće preciznije predviđanje maksimalnog pritiska na površini.

Za uslove opterećenja konstrukcije na pucanje podrazumeva se da eksploataciona kolona ima inicijalni pritisak na dnu jednak pritisku formacije i proizvodnog gasovitog fluida u bušotini. Eksploataciona kolona se tako dizajnira da u slučaju oštećenja tubinga neće otkazati. Pretpostavlja se da može doći do propuštanja tubinga, kada gas ulazi u međuprostor i kroz njega migrira prema površini. Pri tome se pretpostavlja da je gustina fluida za opremanje u koloni iznad pakera jednaka gustini isplake koja je ostala izvan kolone.

U uslovima propuštanja tubinga blizu površine, maksimalni pritisak na ustima bušotine, tj. površini će predstavljati opterećenje na unutrašnji pritisak na bilo kojoj tački kompozicije eksploatacione kolone zaštitnih cevi.

Uvećanjem pritiska na ustima bušotine sa faktorom sigurnosti dobija se linija dizajniranja za ukupni niz eksploatacione kolone.

24

Projektovanje eksploatacionekolone na unutrašnji pritisak

Jednačina za izračunavanje maksimalnog pritiska na ustima bušotine:

gde su:

psl - slojni, tj. porni pritisak (bar)

H - vertikalna dubina bušotine ili sloja (m)

ρis - gustina isplake za bušenje (kg/dm3)

( )51000459,7 −⋅⋅=

Hsl

us epp

25

Pritisak na ustima bušotine uz sigurnosni faktor: Pritisak na dnu, tj. peti eksploatacione koloneuz sigurnosni faktor :

K1 – Faktor dizajniranja na unutrašnji pritisak - 1,1

( )barKpA us 1⋅=

( )barKpA us 1⋅=

-Proračun spoljašnjeg pritiska (gnječenje):

Projektovanje opterećenja na spoljašnji pritisak (gnječenje) zasniva se na mogućnosti začepljenja perforacija i na uslovima koji vladaju kasnije u toku veka eksploatacije ležišta, kada se pritisak u ležištu svede na vrlo nizak, tj. pritisak “napuštanja”. Propuštanje tubinga ili pakera može da izazove gubitak fluida za opremanje, tako da nizak unutrašnji pritisak nije ograničen samo na deo kolone ispod pakera. Iz tih razloga u svrhu dizajniranja cela kolona zaštitnih cevi se smatra praznom.

Opterećenje na spoljašnji pritisak ostvaruje se putem hidrostatičkog pritiska isplake u koju je ugrađena eksploataciona kolona, a efekat cementa se zanemaruje. Maksimalno opterećenje se javlja na dnu i faktor dizajniranja primenjuje se direktno na ovo opterećenje.

26

Projektovanje eksploatacione kolone zaštitnih cevi na spoljašnji pritisak (gnječenje)

Pritisak stuba isplake u koju se ugrađuje eksploataciona kolona:

Pritisak na površini, tj. ustima bušotine: 0 (bar)

Pritisak na dnu eksploatacione kolone uz sigurnosni faktor:

gde su:pis - pritisak stuba isplake (bar)He - dubina ugradnje eksploatacione kolone (m)K2 - sigurnosni faktor, tj. faktor dizajniranja na gnječenje

iseis Hp ρ⋅⋅= 0981,0

( )barKpB is 2⋅=

27

-Proračun aksijalnog opterećenja (istezanje):

Projektovanje eksploatacione kolone na aksijalno opterećenje pristupa se nakon što se odrede vrednosti kolone, tj. kvalitet (“Grad”), težina i dužina sekcija na osnovu dizajniranja na delovanje unutrašnjeg i spoljašnjeg pritiska. Proračun minimalnog aksijalnog opterećenja ne uzima u obzir efekat potiska kolone isplakom već se aksijalno opterećenje na istezanje proračunava sa visećom kolonom u vazduhu. Linija dizajniranja definiše se u zavisnosti od toga koje opterećenje na istezanje je veće: dodatni nateg (“overpull”) sa opterećenjem na istezanje ili sigurnosni faktor pomnožen sa opterećenjem na istezanje.

Projektovanje eksploatacione kolone na istezanje u vazduhu

28

Opterećenje na istezanje sa visećom kolonom u vazduhu, definiše se jednačinama:

-Opterećenje na istezanje na peti eksploatacione kolone:

-Opterećenje na istezanje na vrhu prve sekcije:

-Opterećenje na istezanje na vrhu druge sekcije:

-Opterećenje na istezanje na vrhu treće sekcije, tj. na površini:

Rezultujuća opterećenja delovanja aksijalnog istezanja u vazduhu na karakterističnim dubinama:

( )daNF 00 =

( )daNWHFF 3323 ⋅+=

( )daNWHF 111 ⋅=

( )daNWHFF 2212 ⋅+=

Dubina(m)

Optrećenje na istezanje

(daN)

Optrećenje na istezanje + K4

(daN)

Opterećenje na istezanje × K3

(daN)

Linija dizajna(veće K3 ili K4)

(daN)

HeH2+ H3

H30

F0F1F2F3

K4F1+ K4F2+ K4F3+ K4

/F1 × K3F2 × K3F3 × K3

ABCD

29

API navoji i spojnice: K/O; D/O; BCSG upotrebljavaju se za kompozicije eksploatacionih kolona zaštitnih cevi kada opterećenje na unutrašnji i spoljašnji pritisak nije veće od:

- 430 bar za rad u standardnim uslovima;

- 350 bar za rad u kiseloj sredini.

Preko tih opterećenja treba koristiti “Extremline” navoje, tj. zaptivanje metal na metal.

gde su:K4 - dodatni nateg na kolonu zaštitnih cevi (“overpull”) i iznosi 45.000 daNK3 - faktor dizajniranja opterećenja na istezanjeH1 - dužina prve, donje, na dnu sekcije zaštitnih cevi (m)W1 - težina u vazduhu prve, donje sekcije, sa spojnicom (daN/m)H2 - dužina druge, od dna, sekcije zaštitnih cevi (m)W2 - težina u vazduhu druge sekcije sa spojnicom (daN/m)H3 - dužina treće sekcije, od dna, zaštitnih cevi (m)W3 - težina treće sekcije u vazduhu sa spojnicom (daN/m)

30

-Proračun biaksijalnog, dvoosnog, naprezanja:

Dejstvo aksijalnog opterećenja, tj. sila istezanja i sabijanja u zaštitnim cevima menjaju njihovu nazivnu otpornost (tabličnu) na unutrašnji i spoljašnji pritisak i to:

- u delu kolone zaštitnih cevi koji je napregnut na sabijanje otpornost na unutrašnji pritisak se smanjuje, a otpornost na spoljašnji pritisak se povećava,

- u delu zaštitnih cevi koji je napregnut na istezanje otpornost na unutrašnji pritisak se povećava, a otpornost na spoljašnji pritisak se smanjuje

Zbog toga, prilikom odabiranja zaštitnih cevi prema izračunatim vrednostima, nazivne (tablične) vrednosti otpornosti zaštitnih cevi na unutrašnji i spoljašnji pritisak treba korigovati za kombinovana biaksijalna opterećenja, prema jednačinama:

( )barpTATAp ggb ⋅⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

min

2

min

5,075,01σσ

31

( )barpTATAp ppb ⋅⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

min

2

min

5,075,01σσ

( )2321

3210

;;;;;

mmdaNAAA

FFFFAFTA ==

gde su:

gb

biaksijalnog naprezanja (bar)

ppb - minimalna otpornost na unutrašnji pritisak (pucanje) zaštitnih cevi u uslovima biaksijalnog naprezanja (bar)

pg - nominalna (tablična) vrednost otpornosti na spoljašnji pritisak izabrane zaštitne cevi (bar)

pp - nominalna (tablična) vrednost otpornosti na unutrašnji pritisak izabrane zaštitne cevi (bar)

σmin- minimalna granica elastičnosti izabranih zaštitnih cevi (h.bar)

A - površina poprečnog preseka pojedinih sekcija zaštitnih cevi (mm2)

F - opterećenje na istezanje zaštitnih cevi (daN)

p - minimalna otpornost na spoljašnji pritisak (gnječenje) zaštitnih cevi u uslovima

32

Linija opterećenja na istezanje (bez faktora dizajniranja) koristi se za procenu delovanja biaksijalnog naprezanja na jačinu gnječenja kod eksploatacione kolone (koristi se samo pgb). Na vrhu i dnu svake sekcije treba da se proračuna redukcija jačine na gnječenje izabrane kolone pod opterećenjem na istezanje i eventualno promeni “Grad” ili težina toj sekciji.

Proračun triaksijalnog (troosnog) naprezanja:

Nakon dizajniranja eksploatacione kolone prema prethodno izloženoj metodologiji, pristupa se analizi triaksijalnog naprezanja uz proračun “Van-Mises”-ovog ekvivalentnog naprezanja šipke, čiji je t/D odnos veći od 10%, za dva slučaja opterećenja:

-Opterećenje na pucanje simulira moguću situaciju: ”Propuštanje tubinga”;

-Opterećenje na gnječenje simulira moguću situaciju: “Prazna eksploataciona kolona”.

33

PROJEKTOVANJE TEHNIČKE KOLONE ZAŠTITNIH CEVI

Osnovna funkcija tehničke kolone zaštitnih cevi je da omogući dostizanje konačne dubine bušotine, pa se iz tih razloga dizajnira na unutrašnji i spoljašnji pritisak posebnim metodološkim putem.

- Proračun unutrašnjeg pritiska, tj.pucanja:

Da bi se procenilo opterećenje na unutrašnji pritisak (pucanje), mora se prvo odrediti vrednost limita pucanja na površini i peti zaštitnih cevi.

Površinski limit unutrašnjeg pritiska je od velike važnosti kod dizajniranja tehničke kolone zaštitnih cevi i može se odrediti na više načina:

- maksimalni pritisak na površini izjednačiti sa radnim pritiskom raspoložive površinske opreme (BOP, bušotinska glava, čok manifold i dr.);

- maksimalni pritisak na površini iznosi 45% od maksimalnog slojnog, tj. pornog pritiska u kanalu bušotine;

- maksimalni pritisak na površini izračunati na osnovu pretpostavljenih uslova dotoka slojnog fluida (gasa) u kanal bušotine

34

Pritisak pucanja na peti zaštitne kolone definisan je kao injekcioni pritisak (Ip), koji je veći od pritiska frakturiranja, tj. loma stena, za sigurnosni faktor.

Nakon određivanja vrednosti limita na površini i peti tehničke kolone primenjuje se koncept “maksimalnog opterećenja” za uslove pretpostavljenog dotoka gasa u kanal bušotine. “Maksimalno opterećenje”podrazumeva najnepovoljniji slučaj kod pretpostavljenog dotoka slojnog fluida, a to je stanje kada je isplaka za nastavak bušenja na vrhu i fluid iz sloja (gas) u donjem delu kanala bušotine. Dužina stuba isplake i gasnog fluida određuje se u zavisnosti od uslova u bušotini, odgovarajućim jednačinama ili usvajanjem maksimalno prihvatljive dužine dotoka slojnog fluida od 2/3 konačne dubine bušotine.

Opterećenje koje se suprotstavlja pucanju kolone, od strane fluida koji se nalazi u međuprostoru iza zaštitne kolone, takođe je potrebno definisati i primeniti. Zbog izmene gustine fluida iza kolone koji je u kontaktu sa formacijom, smatra se da “podupiranje” nastaje od stuba tečnosti koji je po gustini jednak slojnoj vodi sa normalnim gradijentom pornog pritiska.

35

Stvarno opterećenje na unutrašnji pritisak predstavlja maksimalno opterećenje umanjeno za hidrostatički pritisak “podupiranja”. Povećanjem stvarnog opterećenja za faktor sigurnosti dobija se opterećenje konstrukcije odnosno linije dizajniranja za unutrašnji pritisak.

Polazeći od bilo kojeg kraja linije projektovanja, nanose se poznate vrednosti jačine na pucanje za najmanju težinu i kvalitet cevi koja prevazilaze vrednosti konstrukcionog opterećenja. Dužina sekcija je određena presekom linije dizajniranja. Jačina sledeće primenljive težine ili kvaliteta se nanosi na presek i ova procedura se ponavlja sve dok kompletna kompozicija zaštitnih cevi ne bude dizajnirana na unutrašnji pritisak. Na taj način su poznati: težina, kvalitet (“Grad”) i dužina sekcije kolona koje zadovoljavaju na unutrašnji pritisak, međutim, ova konstrukcija se mora proveriti na opterećenje na spoljašnji pritisak.

36

Injekcioni pritisak na peti tehničke kolone:

( )fftktkp SGHI +⋅⋅= 0981,0

Projektovanje tehničke kolone na unutrašnji pritisak

37

( )[ ]( )mZXza

XXHIp fgtkpus

3:

0981,0 1

=

⋅+⋅−⋅−= ρρ

-Pritisak na površini, tj. ustima bušotine:

a) Kada se maksimalni pritisak na površini izjednači sa radnim pritiskom raspoložive površinske opreme (BOP, bušotinska glava, čok manifold i drugo) ili da maksimalni pritisak na površini iznosi 45% od maksimalnog slojnog, tj. pornog pritiska u kanalu bušotine, prema jednačinama:

tada je dubina vrha dotoka slojnog fluida (stuba gasa) u kanalu bušotine određena :

slus

BOPus

pppp

⋅==45,0

( )( )fgi

fgtkusp HpIX

ρρρ

−⋅

⋅⋅−−=

0981,00981,0

b) Kada se pretpostavlja da je dotok gasa izbacio 2/3 ukupne dužine isplake iz kanala bušotine, tj. 1/3 dužine bušotine od površine predstavlja stub isplake, a ostalo fluid (gas) iz sloja, prema jednačinama:

38

Pritisak na ustima bušotine, tj.na površini sa sigurnosnim koeficijentom:

Pritisak na na vrhu stuba gasa, tj. na dubini “X”, sa sigurnosnim koeficijentom :

Pritisak na na peti tehničke kolone sa sigurnosnim koeficijentom :

1KpA us ⋅=

( )[ ] 10981,0 KXpB vius ⋅−⋅⋅+= ρρ

( ) 1KpIC svp ⋅−=

- Pritisak “potpornog” fluida u međuprostoru, tj. slojne vode sa normalnim gradijentom pornog pritiska dobija se jednačinom:

vtksv Hp ρ⋅⋅= 0981,0

39

-Proračun spoljašnjeg pritiska, tj. gnječenja:

Opterećenje zaštitnih cevi na spoljašnji pritisak kod tehničke kolone predstavlja delovanje fluida u međuprostoru, podrazumevajući da je kolonaz. c. uronjena u projektovanu gustinu isplake.

Maksimalno opterećenje na spoljašnji pritisak nastaje kada nivo isplake unutar kolone opadne, usled gubitka cirkulacije u nastavku bušenja. Pretpostavlja se da hidrostatički pritisak na peti zaštitnih cevi nije manji od pritiska stuba slojne (slane) vode iza zaštitnih cevi normalnog gradijenta pornog pritiska. Zbog toga, do maksimalnog opterećenja na gnječenje dolazi kada se stub isplake koji je ostao u koloni izjednači sa “potpornim” pritiskom stuba slojne slane vode.

Ova situacija nastaje kada dođe do gubitka cirkulacije za vreme bušenja ispod tehničke kolone. Nivo isplake unutar kolone opada, tako da stub isplake koji preostaje održava pritisak na petu kolone. Ovaj pritisak se uravnotežuje sa pritiskom stuba slojne vode. Rezultanta ovog opterećenja predstavlja opterećenje na spoljašnji pritisak umanjeno za pritisak “potpornog” fluida.

40

-Pritisak stuba isplake u koju se ugrađuje tehnička kolona:

-Pritisak stuba slojne (slane) vode, tj. “potpornog” fluida, jednačina:

0981,0⋅⋅= tktkis Hp ρ

0981,0⋅⋅= vtksv Hp ρ

Projektovanje tehničke kolonena spoljašnji pritisak (gnječenje)

41

Pritisak na ustima bušotine, tj. površini: 0 (bar)

Pritisak na dubini “Y”, tj. na dubini prazne kolone, sa sigurnosnim koeficijentom:

Pritisak na peti tehničke kolone, sa sigurnosnim koeficijentom:

( ) 20981,0 KYD tk ⋅⋅⋅= ρ

( ) 2KppE svis ⋅−=

-Dubina prazne tehničke kolone u slučaju gubitka isplake u nastavku bušenja iz tehničke kolone:

( )mpHYi

svtk ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅−=

ρ0981,0

42

gde su:Ip - injekcioni pritisak na peti tehničke kolone (bar)pus - pritisak na ustima bušotine, tj. površini (bar)psl - maksimalni slojni, tj. porni pritisak u bušotini (bar)pis - pritisak stuba isplake u koju se ugrađuje tehnička kolona (bar)psv - pritisak “potpornog” fluida u međuprostoru, tj. slojne (slane) vode (bar)Htk - dubina ugradnje tehničke kolone (m)Gftk - gradijent frakuriranja na peti tehničke kolone (kg/dm3)Sf - sigurnosni faktor za gradijent frakturiranja (0,1 - 0,12 kg/dm3)

pBOP- radni pritisak preventera na ustima bušotine: 690 bar; 345 bar; 207 bar; i 138 barX - dubina dotoka slojnog fluida (gasa) u kanalu bušotine (m)Y - dubina prazne tehničke kolone (m)Z - konačna dubina bušotine (m)ρi - gustina isplake za nastavak bušenja iz tehničke kolone (kg/dm3)ρtk - gustina isplake u koju se ugrađuje tehnička kolona (kg/dm3)ρfg - gustina dotoka slojnog fluida (gasa) u kanal bušotine (0,15 kg/dm3)ρv - gustina slojne vode “potpornog fluida” (1,05 kg/dm3) K1 - faktor dizajniranja na unutrašnji pritisak, tj. pucanje (1,10)K2 - faktor dizajniranja na spoljašnji pritisak, tj. gnječenje (1,125)

43

-Proračun aksijalnog opterećenja:

Dizajniranje tehničke kolone zaštitnih cevi na aksijalno opterećenje u većini slučajeva zasniva se na uslovima koji mogu da se pojave u toku spuštanja kolone. Pretpostavlja se da je kolona zaštitnih cevi zaglavljena blizu dna bušotine i da je najmanja prihvatljiva sila natega (“overpull”), osim težine uronjene u isplaku, potrebna za oslobađanje kolone.

Minimalni kriterijumi za dizajniranje kolone na aksijalno opterećenje, diktirani su maksimalnim opterećenjem koje proizilazi iz primene faktora dizajniranja ili sile potezanja (“overpull”) u zavisnosti koja je sila veća. Minimalna sila povlačenja teži da kontroliše konstrukciju u donjem delu kompozicije kolone, a faktor dizajniranja teži da kontroliše gornji deo kompozicije zaštitnih cevi.

Pošto su određeni kvaliteti (“Grad”), težine i dužine pojedinih sekcija zaštitnih cevi, na osnovu opterećenja na unutrašnji i spoljašnji pritisak, procenjuju se pozitivna i negativna (istezanje i sabijanje) aksijalna opterećenja. Pod ovim se podrazumeva prividno smanjenje težine kompozicije zaštitnih cevi uronjenih u isplaku u odnosu na njenu težinu u vazduhu, kao i rezultat sila koje deluju na sve izložene horizontalno orijentisane površine kompozicije kolone.

44

Projektovanje tehničke kolone na aksijalno opterećenje (istezanje i sabijanje)

Ove sile su jednake hidrostatičkom pritisku na svakoj određenoj dubini ugrađene sekcije i definišu se kao negativne ako im je vektor delovanja na gore, tj. od pete kolone ka površini. Negativne sile potiska deluju na petu kolone, na završetke zaštitnih cevi, a kod promene težina i na ramena spojnica kolona. Sile koje deluju na ramena spojnica praktično se zanemaruju zbog neznatnih veličina.

Najslabiji deo u nizu zaštitnih cevi na istezanje uglavnom predstavljaju spojevi, tako da se linija dizajniranja primenjuje za određivanje kvaliteta spojeva i spojnica za kolonu.

45

Proračun tehničke kolone zaštitnih cevi na aksijalno opterećenje obuhvaćen je sledećim jednačinama:

-Sila potiska na peti zaštitnih cevi:

-Dubina neutralne tačke u nizu zaštitnih cevi:

-Aksijalno opterećenje na vrhu sekcije, tj. na površini:

( )daNAHF tktkB ρ⋅⋅⋅= 1000981,0

( )mWFHL B

tkn1

−=

( ) daNWHFF a 3323 ⋅+=

Dubina(m)

Sila istezanja i sabijanja

(daN)

Opterećenje na istezanje + K4

(daN)

Opterećenje na istezanje × K3

(daN)

Linija dizajna(veće K3 ili K4)

(daN)

HtkLn

H2+H3H2+H3

H3H30

-FB0F1F1aF2F2aF3

K4K4

F1+ K4F1a+ K4F2+ K4F2a+ K4F3 + K4

//

F1× K3F1a× K3F2× K3F2a× K3F3× K3

AABCDEF

Rezultujuća opterećenja delovanja aksijalnog opterećenja na karakterističnim dubinama:

46

gde su:

H1 - dužina prve, donje, na dnu sekcije zaštitnih cevi (m)

A1 - površina poprečnog preseka prve sekcije (mm2)

W1 - težina u vazduhu prve, donje sekcije (daN/m)

H2 - dužina druge, od dna, sekcije zaštitnih cevi (m)

A2 - površina poprečnog preseka druge sekcije (mm2)

W2 - težina u vazduhu druge sekcije cevi (daN/m)

H3 - dužina treće sekcije, od dna, zaštitnih cevi (m)

A3 - površina poprečnog preseka treće sekcije (mm2)

W3 - težina treće sekcije u vazduhu (daN/m)

Ln - dubina neutralna tačka u nizu zaštitnih cevi (m)

K3 - faktor dizajniranja za aksijalni opterećenje (na istezanje)

K4 - dodatni nateg (“Overpull”), koji prosečno iznosi 45.000 daN

47

PROJEKTOVANJE POVRŠINSKE KOLONE ZAŠTITNIH CEVI

Površinska kolona zaštitnih cevi ugrađuje se relativno plitko u bušotinu i cementira se obavezno do vrha, tj. površine.

- Proračun unutrašnjeg pritiska (pucanje):

Projektovanje površinskog niza zaštitnih cevi na unutrašnji pritisak (pucanje) zasniva se na teoretskoj pretpostavci da će pritisak frakturiranja formacije na peti kolone biti prevaziđen pre nego što se dostigne pritisak pucanja kolone. Stoga, ovako dizajnirane zaštitne cevi koriste frakturu formacije kao sigurnosni mehanizam za opadanje pritiska čime se obezbeđuje da se lom ne razvije do površine i na taj način dovede u opasnost bušaće postrojenje i ljudstvo. Nominalni pritisak na peti kolone jednak je pritisku frakturiranja formacije plus sigurnosni faktor (0,12 kg/dm3), čime se dopušta delovanje injekcionog pritiska koji je nešto veći od pritiska frakturiranja. Pritisak unutar zaštitnih cevi se proračunava podrazumevajući da je sva isplaka u površinskoj koloni izgubljena u frakturiranoj formaciji, ostavljajući samo gas iz formacije u zaštitnim cevima.

48

“Potporni” pritisak izvan zaštitnih cevi, koji pomaže suprostavljanje pucanju može se smatrati da je jednak normalnom pornom pritisku formacije za tu oblast. Povoljni efekat cementne kaše ili isplake veće gustine, izvan zaštitnih cevi, ignoriše se zbog mogućnosti lošeg mestimičnog vezivanja cementa i degradacije isplake do koje dolazi vremenom.

Projektovanje površinske kolonena unutrašnji pritisak, tj. pucanje

49

Proračun površinske kolone zaštitnih cevi zasniva se na sledećim jednačinama:

Pritisak na ustima bušotine sa sigurnosnim koeficijentom:

Pritisak na peti kolone sa sigurnosnim koeficijentom:

( )( )

barHp

barHIp

barGHI

vpksv

fgpkpus

fpkpkp

ρ

ρ

⋅⋅=

⋅⋅−=

+⋅⋅=

0981,0

0981,0

12,00981,0

( )us 1 barKpA ⋅=

( ) )(1 barKpIB svp ⋅−=

-Proračun spoljašnjeg pritiska (gnječenje):

Projektovanje na spoljašnji pritisak (gnječenje) zasnovano je na gubitkuisplake, što omogućava da nivo isplake padne ispod pete zaštitnih cevi. Maksimalno mogući spoljašnji pritisak koji može da dovede do gnječenja kolone zaštitnih cevi proizilazi iz gustine isplake koja se nalazi u kanalu bušotine, kada se zaštitne cevi ugrađuju i cementiraju. Povoljni efekat degradacije isplake se ne uzima u obzir.

50

Projektovanje površinske kolone na spoljašnji pritisak, tj. gnječenje

Projektovanje površinske kolone na spoljašnji pritisak određeno je jednačinom:

( )barHp pkpkis ρ⋅⋅= 0981,0

Pritisak na ustima bušotine: 0 (bar)

Pritisak na peti kolone sa sigurnosnim koeficijentom: ( )barKpC is 2⋅=

51

gde su:Ip - injekcioni pritisak na peti površinske kolone (bar)Gfpk - gradijent frakturiranja na peti površinske kolone (kg/dm3) Hpk - dubina ugradnje površinske kolone (m)pus - maksimalni mogući pritisak ostvaren na ustima bušotine (bar)psv - pritisak “potpornog” fluida, slane vode iza površinske kolone (bar)ρpk - gustina isplake za ugradnju površinske kolone (kg/dm3)ρv - gustina slojne, slane vode iza površinske kolone (kg/dm3)ρfg - gustina slojnog fluida (gasa ) u slučaju dotoka u bušotinu (kg/dm3)K1 - faktor dizajniranja za unutrašnji pritisak (pucanje)K2 - faktor dizajniranja za spoljašnji pritisak (gnječenje)

Proračun aksijalnog opterećenja i biaksijalnog naprezanja za površinsku kolonu zaštitnih cevi identičan je kao i za tehničku kolonu.

52

KRAJKRAJ