P-1

ISTRAŽNO BUŠENJE ZA NAFTU I GAS

P-1

UvodIstraživanje ležišta nafte i gasa predstavlja specifičnu multidisciplinarnu

rudarsko-geološku veštinu od naročitog značaja za svako rudarsko preduzeće i državu u celini. Istraživanje prethodi eksploataciji ali se tu ne završava nego je u većem ili manjem obimu prisutno sve vreme dok se bušotina eksploatiše. Istraživanjem se obezbeđuju podaci o veličini, obliku i prostornom položaju ležišta, o kvalitetu ugljovodonika i ležišnim uslovima. Na osnovu podataka o veličini, odnosno o rezervama i podataka o procentu ugljovodonika koji se može dobiti na površini određuje se vrednost ležišta. Da bi se investiralo u proizvodnju na istraživanom ležištu troškovi istraživanja i eksploatacije moraju biti niži od cene koja se postiže na tržištu. Do procene troškova planirane rudarske eksploatacije može se doći primenom složene procedure projektovanja tehnološkog procesa sa ključnom ulogom metode i tehnologije bušenja. Ova procedura se provodi u svim fazama inženjerskog odlučivanja: o daljem istraživanju ležišta, o eksploataciji na istraženom ležištu, o promeni metode i tehnologije proizvodnje i konačno o napuštanju bušotine. Za provođenje ove procedure ključni značaj imaju podaci o ležišnim uslovima do kojih se dolazi istraživanjem ležišta.

P-1

Istražno bušenje je danas sasvim sigurno najzastupljeniji oblik istraživanja i najbrži i najsigurniji način pribavljanja relevantnih informacija o ležištu nafte i gasa. Razvijani su postupci određivanja svih potrebnih parametara na jezgru izvađenom iz istražnih bušotina. Naravno da je i tehnika istražnog bušenja napredovala. Razvoj ide u pravcu podizanja učinaka i pojeftinjenju bušenja, u pravcu humanizacije rada i u pravcu obezbeđivanja što reprezentativnijeg uzorka.

Istražno bušenje je najzastupljeniji način istraživanja ležišta mineralnih sirovina i procena je da će tako biti i u budućnosti zbog brojnih informacija koje se mogu na ovaj način obezbediti brzo i pouzdano.

P-1

Bušotina i njeni elementi

Bušotina je specifična podzemna prostorija kružnog poprečnog preseka, malog u odnosu na dužinu proizvoljnog prostornog položaja. U zavisnosti od namene bušotine se mogu podeliti na eksploatacione, tehničke i istražne. Kod eksploatacije čvrstih mineralnih sirovina eksploatacione su minske bušotine, namenjene za smeštanje eksploziva u cilju dezintegracije dela stenskog masiva. U slučaju eksploatacije vode, tečnih i gasovitih energenata, kao i kod specijalnih postupaka eksploatacije mineralnih sirovina, eksploatacione su one bušotine kroz koje se ta eksploatacija vrši.

Tehničke bušotine su veoma zastupljene u savremenom rudarstvu, uglavnom kod podzemnog otkopavanja. Ove bušotine mogu služiti za odvodnjavanje, provetravanje, transport, kontrolu procesa itd. Istražne bušotine se izrađuju sa ciljem istraživanja ležišta mineralnih sirovina.

P-1

Istražna bušotina je najčešće slepa podzemna prostorija sa ulazom bušotine na površini ili u nekoj drugoj podzemnoj prostoriji iz koje se buši, i dnom bušotine u stenskom masivu. Ova specifična podzemna prostorija je osim dna ograničena i cilindričnim zidom. Bušotina je prostorno potpuno definisana koordinatama središta ulaza, dna i prečnikom (slika 1). Na osnovu koordinata početka i kraja bušotine lako se mogu sračunati svi ostali elementi kao što su azimut ravni bušenja, padni ugao i dužina bušotine (slika 2). Slika 1. Elementi bušotine

P-1

• ugao pada (α) koji predstavlja ugao između ose bušotine i horizontalne ravni,

• zenitni ugao (θ) koji predstavlja ugao između vertikalne ravni i ose bušotine,

• azimut (β) odnosno horizontalni ugao između projektovanog pravca bušenja i pravca severa.

Slika 2. Prostorna definisanost bušotine

P-1

Istražne bušotine koje se buše sa površine najčešće se projektuju kao vertikalne te se ne može govoriti o azimutu ravni bušenja, a padni ugao je 90°. Iz podzemnih prostorija bušotine se buše u svim pravcima. Padni ugao uzima vrednosti 0°-90° i ima pozitivan predznak kada se buši na dole i negativan kada se buši na gore. Horizontalne bušotine imaju padni ugao 0°. Ravan bušenja je vertikalna ravan kojoj pripada projektovana trasa bušotine. Azimut ravni bušenja je ugao koji zaklapa ravan bušenja, gledano od ulaza ka dnu bušotine, sa pravcem severa u smeru kazaljke na časovniku. Osa bušotine je zamišljena linija koja spaja središta svih poprečnih preseka. Kada se bušotina projektuje kao prava, onda je osa prava linija. Tokom bušenja uvek dolazi do izvesnog odstupanja od projektovane trase bušenja pa je stvarna osa prostorna polilinija sastavljena od pravih i krivih segmenata.

P-1

Dužine istražnih bušotina se kreću od nekoliko metara do nekoliko hiljada metara. Izuzetno za potrebe fundamentalnih geoloških istraživanja zemljine kore buše se veoma duboke bušotine i preko 13000 metara. Prema dužini istražne bušotine se svrstavaju u tri kategorije: kratke (plitke) do 500 metara, srednje dužine (dubine) do 1000 metara i duge (duboke) preko 1000 metara. Prečnik bušenja zavisi od metode i planirane dubine i kreće se od nekoliko desetina milimetara do nekoliko stotina milimetara.

Poslednjih godina projektuju se i izvode usmerene bušotine čija trasa nije prava linija kao i složene višekanalne bušotine. U ovom slučaju kompletna bušotina se deli na jednostavne segmente, prave deonice i krivine. Potrebno je odrediti koordinate početka i kraja svakog segmenta. Kod kružnih deonica neophodno je odrediti i radijus krivine kao i obuhvatni ugao.

P-1

Bušenje

Bušenje je postupak izrade bušotine. Od samog početka pa sve do danas bušenje je čisto mehanički postupak. U novije vreme istražuju se drugi postupci razaranja stene pri bušenju, na primer primenom ultrazvuka, plazme, toplote itd. Međutim ovi postupci do danas nemaju industrijsku primenu i njihov značaj je čisto naučni.

Mehanički postupak bušenja podrazumeva fizičko razaranje stene na dnu bušotine. Na stenu se deluje alatom koji se sastoji od šipke, dleta (krune) za bušenje. Krunom za bušenje se na stenu na dnu bušotine nanosi opterećenje veće od čvrstoće stene. Ovim se vrši dezintegracija komadića stene iz prirodnog okruženja i formiranje prostorije cilindričnog oblika. Prečnik ove cilindrične prostorije je isti kao, odnosno nešto veći od prečnika bušaće krune.

U zavisnosti od toga kako se na stenu na dnu bušotine nanosi opterećenje razlikuju se sledeći postupci bušenja:• Udarno• Rotaciono• Rotaciono-udarno• Udarno-rotaciono

P-1

Kod udarnog bušenja, kruna za bušenje (dleto) nanosi veliki broj udara na dno bušotine. Posledica ovog je razaranje stene na mestu udara. U povratnom hodu dleto se zaokreće za određeni ugao i sledeći put udara na drugo mesto, gde takođe vrši razaranje stene. Bušenje, odnosno formiranje cilindrične prostorije postiže se stalnim smenjivanjem ove dve radne operacije.

Kod rotacionog bušenja bušaća kruna je konstantno u kontaktu sa stenom koja se dezintegriše. Krunom se na stenu nanosi konstantna sila pritiska određena režimom bušenja. Kruna rotira i rezanjem dezintegriše stenu sa kojom je u kontaktu.

Kod rotaciono-udarnog bušenja, za razliku od rotacionog, na krunu se u jednakim intervalima nanose i udari čime se postiže bolje prodiranje zuba krune za bušenje u stenu.

Kod udarno-rotacionog bušenja kruna za bušenje je u stalnom kontaktu sa stenom, dominantno je razaranje stene izazvano udarima, uz stalnu rotaciju alata za bušenje.

P-1

Udarno bušenje se još primenjuje kod pneumatskih ručnih bušaćih čekića koji se koriste u eksploatacionom bušenju pri podzemnom otkopavanju. Kod istražnog bušenja, udarno bušenje se primenjuje kod bušenja sa užetom (pensilvanijski metod). Ovaj način bušenja je prevaziđen i danas se praktično ne koristi. Zamenjen je udarno-rotacionim bušenjem i odgovarajućim mašinama i opremom.

Kada je istražno bušenje u pitanju danas se skoro isključivo koristi rotaciono bušenje sa jezgrovanjem, zbog brojnih prednosti i obilja informacija o ležištima mineralnih sirovina i stenskom masivu uopšte koje se njim mogu pribaviti. Prilikom bušenja odnosno dezintegracije stene na dnu bušotine pojavljuje se problem iznošenja nabušenih čestica stene iz bušotine. Za to se koriste ispirni fluidi: vazduh, voda i vodeni rastvori gline poznati kao isplake. Pored toga često se pojavljuje problem očuvanja stabilnosti zida bušotine koji se rešava ugradnjom kolone zaštitnih cevi. Ne ulazeći pri tom u specifičnosti istražnog bušenja u različitim sredinama već na osnovu nabrojanog jasno je da je reč o tehnologiji istražnog bušenja.

P-1

Istraživanje ležišta bušenjem

Danas se skoro isključivo primenjuje istražno bušenje sa jezgrovanjem. Kada se primenjuje odgovarajuća tehnologija, jezgro predstavlja neporemećen uzorak stenskog masiva sa tačno određenim mestom sa kog je uzet. Na ovakvom isečku realnog stenskog masiva može se obaviti čitav niz istraživanja koja rezultuju podacima značajnim u postupku donošenja odluke o eksploataciji. Na ovakvom uzorku mogu se obaviti sva mineraloška i petrografska ispitivanja, kao i sva istraživanja fizičko-mehaničkih osobina monolita. U slučaju kada je izvršena orijentacija jezgra na ovakvim uzorcima se može definisati rupturni sklop stenskog masiva, uključujući i elemente pada izdvojenih pukotinskih sistema. Na osnovu navedenog mogu se proceniti parametri čvrstoće i deformabilnosti stenskog masiva.

P-1

Slika 3. Izgled postrojenja zaistražno bušenje na površini

P-1

Podaci o ležištu do kojih se može doći istražnim bušenjem

Osnovni smisao istraživanja ležišta mineralnih sirovina je pribavljanje informacija na osnovu kojih se može doneti odluka o njegovoj eksploataciji. Istraživanje ležišta je stalan proces koji se odvija sve dok traje njegova eksploatacija. Kada se istraživanje ležišta obavlja dubinskim bušenjem sa jezgrovanjem, postupkom primerenim radnoj sredini mogu se dobitineporemećeni uzorci stenskog masiva, tako i podinskih i krovinskih stena.

Prilikom bušenja, jezgro koje se vadi iz istražne bušotine odlaže se u odgovarajuće drvene sanduke. Jasno se obeleži početak jezgra, a svaki sledeći izvađeni komad se slaže do prethodnog bez njegovog obrtanja tako da se uvek može odrediti položaj svakog dela jezgra, na osnovu odstojanja od početka i snimljenih elemenata bušotine. Izgled jezgara odloženih u odgovarajuća ležišta drvenog sanduka prikazan je na slici 4. Ova jezgra predstavljaju uzorke stenskog masiva na kojima se primenom odgovarajućih postupaka, može odrediti niz njegovih bitnih svojstava.

P-1

Slika 4. Jezgra odložena u sanduk

Pre izdvajanja delova jezgra za razna hemijska, fizičko-mehanička ili tehnološka ispitivanja mora se pristupiti detaljnom geološkom kartiranju jezgra.

Na propisno izdvojenim uzorcima iz jezgra standardizovanim metodama, mogu se izvršiti kompletna fizičko-mehanička ispitivanja monolita.

Na propisno izdvojenim uzorcima iz dela jezgra koji je u rudi mogu se izvršiti sva potrebna hemijska istraživanja vezana za sadržaj korisnih komponenti.

P-1

Istorijski razvoj tehnike bušenja

Izrada bušotina u zemljinoj kori je veoma stara veština. Naime, u Kini su još pre 2000 godina rađene bušotine za dobijanje slane vode.

Slika 5. Udarno bušenje sa užetom u Kini, pre 2000 godina

P-1

Prvi arteski bunar je izbušen još 1126. godine u Francuskoj provinciji Artoa. njegova dubina je bila 15 metara. Naime, po ovoj pokrajini i ovom bunaru svi bunari kod kojih se voda dobija samoizlivom nazivaju se arteskim. U Holandiji u Amsterdamu izbušen je arteski bunar dubine 70 metara 1644. godine. Prva bušotina u Americi izbušena je 1806. godine do dubine od 360 metara. Ova bušenja su obavljana sa primitivnim alatima i opremom i bila su na ručni pogon. Korišćeno je drvo, bambus, užad od prirodnih vlakana i gvozdena dleta, svrdla itd. Razumljivo da su ova bušenja trajala izuzetno dugo. Bušenje bunara za artesku vodu u blizini Pariza dubine 537 metara trajalo je od 1833. do 1841. godine. Bušotina rađena u svrhu istraživanja ležišta kamenog uglja u Nemačkoj dubine 648 metara bušena je od 1856. do 1859. godine.

»Pukovnik« Edwin L. Drake je juna 1859. započeo bušenje u Pensilvaniji (Titusville); on je prvi primenio obložnu cev da spreči zarušavanje bušotine. Koristio je parnu mašinu za podizanje dleta i 27. avgusta iste godine sa dubine od 23 metra nafta je izbila na površinu. Tako je izbušena prva bušotina za eksploataciju nafte (slika 6).

P-1

Slika 6. Bušaće postrojenje pukovnika Drejka

Kao i u mnogim drugim oblastima, napredak je izazvao pronalazak parne mašine. Prvo postrojenje koje je pokretano parnom mašinom proizvedeno je 1860. godine. Prva dijamantska kruna upotrebljena je za bušenje 1864. godine. Ručno okretanje pribora za bušenje zamenjeno je mašinskim. Opterećenje na krunu davano je ručno preko poluge. Sledeća faza bila je potpuno mehanizovano bušenje.

P-1

Kapetan Antun Lučić (Lucas) je 27. oktobra 1900. započeo bušenje na području Big Hill, blizu Beamonta u Texasu. Uz upotrebu hidrauličke rotirajuće bušilice s neprekidnim ispiranjem, pronašao je naftu na dubini od 348 m. Time je započela nova era nalaženja nafte primenom rotirajuće bušilice.

Savremene mašine se odlikuju hidrauličkim sistemima za regulaciju opterećenja na krunu, hidrodinamičkim prenosom snage i automatskim navrtanjem i odvrtanjem bušaćih šipki. Kraj prošlog i početak ovog veka obeležavaju mašine opremljene procesnim računarima koje režim bušenja automatski prilagođavaju promeni radne sredine.