VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA HORNICKO-GEOLOGICKÁ FAKULTA
Institut geologického inženýrství
ANALÝZA MOŽNOSTÍ VYUŽITÍ PLYNNÉHO A KAPALNÉHO VÝPLACHU PRO VRTÁNÍ HLUBOKÝCH GEOTERMÁLNÍCH VRTŮ
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Autor: Bc. Shimwe-Shapwa YaFrance
Vedoucí diplomové práce: Ing. Martin Klempa, Ph.D.
Ostrava 2016
Prohlašuji, že
- Celou diplomovou práci včetně příloh, jsem vypracoval samostatně a uvedl jsem všechny použité podklady a literaturu. Byl jsem seznámen s tím, že na moji diplomovou práci se plně vztahuje zákon č.121/2000 Sb. - autorský zákon, zejména § 35 – využití díla v rámci občanských a náboženských obřadů, v rámci školních představení a využití díla školního a § 60 – školní dílo.
- Beru na vědomí, že Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava (dále jen VŠB-TUO) má právo nevýdělečně, ke své vnitřní potřebě, diplomovou práci užít (§ 35 odst. 3).
- Souhlasím s tím, že jeden výtisk bude uložen u vedoucího diplomové práce. Souhlasím s tím, že údaje o diplomové práci, obsažené v Záznamu o závěrečné práci, umístěném v příloze mé diplomové práce, budou zveřejněny v informačním systému VŠB-TUO.
- Souhlasím s tím, že diplomová práce je licencována pod Creative Commons
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported licencí. Pro zobrazení kopie této licence, je možno navštívit http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
- Bylo sjednáno, že s VŠB-TUO, v případě zájmu o komerční využití z její strany, uzavřu licenční smlouvu s oprávněním užít dílo v rozsahu § 12 odst. 4 autorského zákona.
- Bylo sjednáno, že užít své dílo – diplomovou práci nebo poskytnout licenci k jejímu komerčnímu využití mohu jen se souhlasem VŠB-TUO, která je oprávněna v takovém případě ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které byly VŠB- TUO na vytvoření díla vynaloženy (až do jejich skutečné výše)
V Ostravě dne:... ...
Bc. Shimwe-Shapwa YaFrance
Poděkování
Diplomová práce prezentuje znalosti nabyté v rámci projektu Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin – Projekt udržitelnosti. Identifikační kód:
LO1406. Projekt je podpovrován Národním programem udržitelnosti financovaném ze státního rozpočtu ČR.
Moje největší vděčnost patří vedoucímu diplomové práce Ing. Martinu Klempovi, Ph.D. za jeho odborné vedení a cenné podněty. Dále děkuji své rodině za podporu při vypracování této diplomové práce.
Anotace
Téma této diplomové práce je „Analýza možností využití plynného a kapalného výplachu pro vrtání hlubokých geotermálních vrtů“. Zabývá se charakteristikami výplachů, které jsou vhodné pro využití při hloubení geotermálních vrtů. Práce se také zaměřuje na různé funkce výplachu, např. čištění vrtu, zvládání tlaků v sondách, udržení stability stěn vrtů nebo na ochranu kolektoru proti jeho poškození. Dále jsou v práci popisovány vhodné technické a technologické vybavení vrtných souprav. Čtvrtá kapitola se týká speciálního vrtného vybavení. V závěru práce je provedena analýza a porovnání využití kapalného a plynného výplachu při vrtání geotermálních vrtů.
Klíčová slova: vrtný výplach; hlubinné vrtání; geotermální energie; dláto; vrt
Abstract
The diploma thesis topic “Analysis of possibilities of using gaseous and liquid (muds) fluids for drilling of deep geothermal wells firstly gives a brief description of characteristics of muds suitable for drilling geothermal well. Thesis also focuses on the functions of drilling muds e.g. cleaning of borehole, control formation pressure, maintain borehole stability and controlled the drilled formation from damage. The next section describes the appropriate technical and technological equipment of a drilling rig. The fourth chapter is about specialized downhole drilling equipment. The conclusion of the thesis is orientated on comparisons and analysis of liquid and gaseous muds in the drilling of geothermal wells.
Keywords: drilling mud; deep drilling; geothermal energy; bit; well
Obsah
1. Úvod ... 1
1.1 Geotermální energie ... 1
1.2 Druhy geotermálních systémů ... 2
1.2.1 Systém hydrotermální ... 2
1.2.2 Geotlakové systémy ... 4
1.2.3 Magmatické systémy ... 5
1.3 Geotermální potenciál v ČR – Litoměřice ... 6
2. Charakteristika výplachů vhodných pro hloubení geotermalních vrtů ... 9
2.1 Klasifikace kapalných vrtných výplachů ... 10
2.1.1 Disperzní neinhibitivní systémy ... 11
2.1.2 Výplachy ligninové ... 12
2.1.3 Výplachy bentonitové ... 12
2.1.4 Výplachy quebracho ... 12
2.1.5 Výplachy Ligninsulfonové ... 13
2.1.6 Výplachy inhibitivní ... 13
2.1.7 Výplachy vápenaté ... 13
2.1.8 Výplachy polymerové ... 14
2.1.9 Emulzní výplachové systémy ... 15
2.1.10 Výplachy olejové ... 18
2.2 Výplachy aerizované a plynné ... 18
2.3 Aditiva ... 24
2.3.1 Zahušťovadla ... 25
2.3.2 Maziva ... 26
2.3.3 Dispergátor (ztenčovácí činidlo) ... 26
2.3.4 Filtrace aditiva ... 27
2.3.5 Bakterie ... 28
2.3.6 Zatěžkávací materiály ... 28
2.4 Čištění vrtu ... 29
2.5 Zvládnutí tlaku v sondě ... 34
2.6 Ochrana proti poškození kolektoru ... 35
2.7 Stabilita stěn vrtu ... 36
2.8 Porovnávání mezi plynnými a kapalnýmí výplachy ... 37
3. Vhodné technické a technologické vybavení vrtných souprav ... 40
3. 1 Rotační vrtání ... 40
3.2 Výplachové hospodářství (Proplach vrtu) ... 41
3.2.1 Přímý proplach ... 42
3.2.2 Nepřímý proplach ... 43
3.3 Zařízení výplachového hospodářství ... 44
3.3.1 Výplachové čerpadlo ... 44
3.3.2 Výplachové nádrže ... 45
3.3.3 Vibrační síta ... 45
3.3.4 Hydrocyklóny... 46
3.3.5 Desandery (odpískovače) a desiltery (odkalovače) ... 46
3.3.6 Odplyňovače (degazátory) ... 47
3.3.7 Vzduchové kompresory ... 47
3.3.8 Detergenční a vstřikovací čerpadla ... 49
3.3.9 Vzduchový odlučovač ... 49
3.4 Sestava rotarové vrtné kolony ... 50
3.4.1 Unašečka ... 50
3.4.2 Vrtné trubky ... 51
3.4.3 Zátěžky ... 52
3.4.4 Stabilizátory ... 52
3.4.5 Dláta ... 53
3.5 Preventry (BOPE – Blow Out Prevention Equipment) ... 55
4. Užití speciálního vrtného vybavení (ponorná kladiva v. ponorné motory) ... 57
4.1 Ponorná vrtací kladiva (DTH – Down the Hole Hammer) ... 57
4.2 Ponorné motory (PDM – Positive Displacement Motor) ... 60
5. Závěr ... 62
Seznam použité literatury ... 64
Seznam použitých zkratek ... 67
Seznam obrázků ... 68
Seznam tabulek ... 70
2016 1
1. Úvod
1.1 Geotermální energie
Ve vztahu k využívání zemského tepla je geotermální energie jedním z nejatraktivnějších zdrojů alternativní energie. Jedná se o energii čistou a ekologickou, kterou neprovázejí nepříznivé ekologické důsledky jako třeba spalování fosilních paliv.
Geotermální energie se řadí k energiím alternativním a patří do stejné skupiny jako energie solární, větrná, energie vyráběná spalováním biomasy a podle některých autorů i energie atomová.
Studiem zemského tepla se zabývá geotermika, což je věda o tepelném stavu planety Země. Energie uložená v zemi ve formě tepla se nazývá geotermalní energie. Teplo pochází z různých zdrojů: rozklad přírodních radioaktivních izotopů (zejména uran (U - 235, U – 238), thorium (Th – 232) a draslík (K-40) ), původní teplo ze vzniku Země a gravitační energie uvolňovaná v průběhu tvorby. Dobré geotermální vyhlídky se vyskytují tam, kde teplotní gradient je nekolikanásobně vyšší než je obvyklé, což znamená v místech, kde jsou v malých hloubkách pod povrchem zvýšené teploty. Lze obecně řící, že v průměru se teplota zvýší o cca 3 °C na každých 100 m od povrchu směrem k zemskému jádru. Zdroje geotermální energie lze nalézt v podstatě kdekoli na světě, ale vysokopotenciální energie, která je potřebná k pohonu tepláren či elektráren se nachází v poměrně málo místech (DiPippo, 2007).
Zásadní roli pro rozdělení geotermálních zdrojů hraje teplota. Zdroje geotermální energie lze rozdělit na vysokoteplotní, středně teplotní a nízkoteplotní. Vysokoteplotní zdroje využivají teploty nad 200 °C a jsou význačné zejména pro vulkanicky aktivní oblasti.
Obecně platí, že je lze využít na přímou výrobu elektřiny. Středně teplotní zdroje využívají teploty v rozsahu 150 až 200 °C. Lze je využít pro přímé vytápení, ale také pro výrobu elektřiny. Nizkoteplotní zdroje využívají teplotu okolo 150 °C. Jsou rozšiřené jak ve vulkanicky aktivních, tak i v sedimentárních oblastech. Jsou využívané např. pro vytápění obydlí, skleníků a i pro řadu průmyslových procesů (Myslil et al, 2007).
Lokální a regionální geologické a tektonické jevy hrají významnou roli při určování umístění (hloubka a poloha) a kvalitu (chemie tekutiny a teploty) konkrétního zdroje.
2016 2 Například, oblasti s poměrně vyšším tepelným tokem jsou spojeny s tektonikou litosferických desek a oblastmi recentního vulkanismu (Hazdrová et al, 1981).
1.2 Druhy geotermálních systémů
Geotermální systémy se třídí podle několika hledisek. Při procesu akumulace geotermální energie hraje podstatnou roli pórovitost (porózita) a propustnost (permeabilita) horninového prostředí. Podle fyzikálněchemických vlastností se rozlišujeme systémy hydrotermální, systémy HDR (Hot Dry Rock), geotlakové a magmatické (Duffield et al, 2003).
1.2.1 Systém hydrotermální
Obecně platí, že hydrotermální systémy jsou vázané na geologické či hydrogeologické struktury, kde jsou vytvořeny zvodně buď uzavřené, nebo otevřené (s doplňováním zvodnění) s teplou vodou. Do těchto zvodní se hloubí jímací vrty, kterými se teplá podzemní voda čerpá a její teplo se odebírá ve výměnících na povrchu (viz. obr. č. 1).
V případě, že zvodeň je uzavřená anebo pokud přírodní dotace zvodňe je malá nebo pomalá, je nutné ochlazenou vodu zpětně injektovat, aby se kapacita takového zdroje tepla nezmenšovala s časem. Struktury tohoto typu jsou známé v pánvích různého stáří. Tak je využíváno zemské teplo v rozsáhlé hluboké druhohorní sedimentární pařížské pánvi ve Francii, terciérní pánvi panonské v Maďarsku a v nedávné minulosti v menších pánevních stukturách na Slovensku, Bulharsku i Rumunsku (Myslil et al, 2007).
Obr. č. 1 Schéma struktury hydrotermálního systému. (Myslil et al, 2007)
2016 3 Systém Hot Dry Rock je založen na tom, že v určité hloubce pod povrchem jsou horniny prakticky suché a nepropustné pro kapaliny. Ve světě existuje mnoho výhodných geotermálních lokalit, které mají dostatečně vysokou teplotu, ale pro komerční využití jim chybí dostatečná propustnost pro cirkulaci vhodného oběhového média. Tyto systémy pak mohou být zprůchodněny různými intenzifikačními pracemi jako např. hydraulické štěpení (DiPippo, 2007).
Pro raktické využívání je nutné odvrtat a vystrojit dva vrty a vytvořit propustnou zónu (viz. Obr. č. 2). Poté je jednou sondou kapalina začerpávána dolů (obr. č. 2 – modrá), zde prostupuje propustnou zónou a vrací se ohřátá druhou sondou (obr. č. 2 – červená) na povrch. Na povrchu, je tepelná energie extrahována v tepelném výměníku a převedena do pracovního fluida, odkud se ochlazená vrací zpět do dalšího cirkulačního cyklu (Duffield et al, 2003).
Myslil et al (2007) jmenuje tyto nejdůležitější projekty Hot Dry Rock:
Falkenberg Geothermal Project, Německo, 1977-1986,
Urach Geothermal Project, Německo, od r. 1977 dodnes,
Geothermal Energy Project, Camborne School of Mines, Cornwall, Velká Británie, v letech 1977-1990,
Project Mayet de Montagne, Francie, v letech 1978-1989
Fjallbaecka HDR Project, Švédsko, v letech 1986-1990
Hijitori Geothermal Project, Japonsko, v letech 1974-1991,
European Geothermal Research Project Soultz-sous-Forêts, Francie, od roku 1986 dodnes.
2016 4 Obr. č. 2 Systém HDR (Duffield et al, 2003)
1.2.2 Geotlakové systémy
Podél západního a severního pobřeží Mexického zálivu existuje silný zdroj energie, který se názyvá „geotlakový“. Lze ho definovat jako pánevní struktury s mocnou sedimentární výplní a s existující řadou napjatých termálních zvodní (Hazdrová et al, 1981).
Podle DiPippo et al (2007), během těžby ropy a zemního plynu, v sedimentárních oblastech pobřeží Texasu a Louisiany, se kapaliny setkaly s tlaky většími než hydrostatickými, blížící se lithostatickému. Hydrostatický tlak se zvětšuje s hloubkou v poměru k hmotnosti vody. Geotlakové reservoáry byly vytvořeny podél pobřeží Mexického zálivu díky stálému usazování sedimentů, které vytvořily skrývky na podkladových vrstvách. Pravidelné poklesy způsobily zhutnění horninových vrstev. Uvnitř těchto čoček se tlak zvyšuje na úroveň nad hydrostatikého tlaku. Geotlakové rezervoáry se vyznačují třemi důležitými vlastnostmi, které je činí z hlediska svého potenciálu atraktivní pro geotermální energii: (1) velmi vysoký ložsikový tlak, (2) vysoká teplota, a (3) rozpuštěný metan. První
2016 5 vlastnost umožňuje použití hydraulické turbíny pro extrahování mechanické energie uložené ve formě vysokého ložiskového tlaku; druhá vlastnost umožňuje využítí vysoké teploty k extrakci teplené energie; a poslední vlastnost umožňuje spalování plynu přímo na místě pro výrobu elektrické energie. Nicméně existuje šest kriterií, které musíme splnit ještě před tím, než můžou být geotlakové systémy rozvinuty ke komerčním účelům, a to jsou:
Je kapalina dost horká, >230°C?
Je v kapalině dost rozpuštěného metanu?
Je vysokotlakový písek dostatečně propustný?
Je vysokotlakový písek dostatečně hutný?
Je tvorba písku zlomově ohraničena?
Můžeme zaručit, že nedojde k žádnému poklesu?
Ekonomická životaschopnost geotlakového geotermálního projektu vyžaduje odpověď „ano“ na všechny tyto otázky.
1.2.3 Magmatické systémy
Horninový materiál v zemské kůře, který je roztavený, se nazývá magma. Teploty, kterých magam dosahuje, se pohybují v rozsahu od 650º do 1300 ºC. Aplikujeme-li terminologii z těžebního průmyslu, magma je nejčistší forma (nebo nejvyšší stupeň) geotermální „rudy“. Magma je ve skutečnosti nejzazší zdroj všech vysokoteplotních geotermálních systémů v zemské kůře (Duffield et al, 2003).
Koncept využítí tohoto systému je na obr. č. 3. Do prostoru, ve kterém se předpokláda magma, se odvrtá vrt. Do něj je zapuštěna injekční trubka a je čerpána pod vysokým tlakem studená voda. Chladná kapalina v sondě ochladí magma do skelné látky, která okamžitě praskná. V případě, že voda může nově vytvořeným systémem cirkulovat, je vytvořen výměník, který je připraven k použití v elektrárně typu Rankine.
Velikost, distribuce a četnost sopečných výbuchů poskytují přímý důkaz, že magma je uvnitř kůry rozšířené. Velká část tohoto magmatu se nachází asi 5 kilometrů od povrchu – hloubky dosažitelné pomocí současných technologií vrtání. Z teoretického hlediska je tento systém možné provozovat a v budoucnu existuje jistý potenciál využití, ale z ekonomického hlediska je těžba energie z magmatu v současnosti nemyslitelná. Materiály,
2016 6 které snesou extrémně vysoké teploty a korozivní povaha magma je jednou z hlavních překážek. Dalším problémem je umístění magmatického tělesa v zemské kůře. Třebaže se někteří odborníci shodují, že mnohá magmatická tělesa jsou situována v rámci vrtatelné části zemské kůry, jejich přesné umístění může být ověřeno pouze vrtáním (Duffield et al, 2003).
Obr. č. 3 Magmtický systém (Duffield et al, 2003)
1.3 Geotermální potenciál v ČR – Litoměřice
S ohledem na hodnocení možností využití geotermální energie nezůstáva Česká republika pozadu za jinými zeměmi světa. Geotermální potenciál v různých částech České republiky je velmi variabilní, a to zejména vzhledem ke geotermálním, geologickým a hydrogeologickým podmínkám. Hodnoty tepelného toku v různých geologických jednotkách Česka jsou uvedeny v tab. 1. Množství zemského tepla, které se šíří ve směru teplotního spádu, je charakterizováno zemským tepelným tokem. Tepelný tok závisí na tepelné vodivosti hornin a vertikálním přírůstku teploty s hloubkou (teplotní gradient) (Hrazdová et al, 1981).
2016 7 Tab. č. 1 Hodnoty tepelného toku v různých geologických jednotkách Česka v jednotkách mW.m-2 (Myslil et al, 2007).
Geologická jednotka Rozmezí Střední hodnota Český masiv, stabilní část
česká část 43 – 71 53,4
moravská část 21 – 41 31,2 moldanubiku, celkově 21 - 71 40,4
Český masiv (části ovlivněné alpinskou orogenezí) Krušné hory 58 – 185 81,8 Oherský prolom 45 - 121 94,3 saxoturingikum, celkově 45 – 185 90,8 předkarbonské jednotky 31 – 72 54,1 permokarbon a křída 52 – 96 67,9 barrandien, celkově 31 – 96 63,3 hornoslezská pánev 55 – 92 69,6 moravikum, celkově 45 - 92 66,2
Pro celý Český masiv platí, že průměrná hodnota tepelného toku je 68 mW·m-2. V nejstabilnějších oblastech s mocnější zemskou kůrou, v jižní a střední části Českého masivu, jsou hodnoty nejnižší a mocnost zemské kůry dosahuje až 36 km. Nejnižší tepelný tok je na severním okraji třebíčského plutonu a v Jeseníkách. Směrem k okrajovým částem Českého masivu roste tepelný tok se ztenčující se kůrou. V místech hlubinných zlomů, které Český masiv přesekávají, jsou hodnoty poněkud vyšší. Severozápadní část Českého masivu charakterizuje vyšší tepelný tok. Známé jsou údaje z Karlových Varů, Teplicka i od Cínovce, kde hodnoty mohou převyšovat až 100 mW·m-2. Oblast zvýšených hodnot tepelného toku (přes 80 mW·m-2) pokrývá celé Krušné hory. Na styku Českého masivu a vnějších Západních Karpat hodnota tepelného toku roste jihovýchodním směrem až do 72 mW·m-2. V karpatské předhlubni se zvyšuje tepelný tok i severovýchodním směrem. Pro ostravsko- karbonský uhelný revír jsou typické zvýšené hodnoty až do 83 mW·m-2. Tento jev je těžko vysvětlitelný (Myslil et al, 2007).
Kvantifikace odhadu potenciálu geotermální energie byla řešena řadou výzkumných a průzkumných organizací. Je nutné také poznamenat, že pro vyčíslení potenciálu geotermální energie byl realizován projekt výzkumu a vývoje MŽP/630/3/99, který se zabýval zpracováním udájů pro určení potenciálu využití geotermální energie v České republice (Myslil et al, 2007).
2016 8 Ropná krize spojená s velkými obavami o vyčerpání klasických energetických zdrojů vedla ke zvýsenému zájmu o geotermální energii. Z těchto důvodů navrhlo Ministerstvo průmyslu a obchodu program Trvalá prosperita, ve kterém v letech 2006-2007 byl realizován projekt posouzení možnosti geotermického využití litoměřické struktury. Při analýze této struktury z hlediska geotermálních podmínek Českého masivu se došlo k závěru, že se jedná v ČR o lokalitu vhodnou pro další průzkum. První hlubinný geotermální vrt v Českém masivu (PVGT-LT-1) v roce 2006 - 2007 byl vyvrtán v Litoměřicích do hloubky 2111 m, a to v metamorfních horninách. Teplotní gradient byl stanoven na Gt = 33,4 ºC·km-1. Vrt PVGT-LT-1 poskytl teplotní údaje, podle kterých byly provedeny extrapolace do hloubky až 5000m. Statická teplota v hloubce 2111 m činí 67,5 ºC. Termometrie vrtu naznačuje, že teploty v hloubce 5000 m by mohly dosáhnout až 200 ºC.
Indikace silně drcené tektonické zóny v širokém pásmu styku dvou základních geologických jednotek Českého masivu při jv. okraji oherského riftu ukazuje, že výběr lokality vrtu PVGT-LT-1 byl dobrý. Nové studie geofyzikálních měření ukazují, že existuje reálná šance výskytu magmatických těles plánovaného využití geotermální energie, která je jedním z povzbudivých faktorů pro vybudování podzemního puklinového výměníku tepla.
Během všech geotermálních vrtných operací je program vrtného výplachu zásadní oblast, která ovlivňuje úspěšné provedení geotermálního vrtu a jeho nákladovost. Tato diplomová práce se zaměří na poskynutí základních znalostí a analýzu možností využití plynného a kapalneho výplachu pro vrtání hlubokých geotermálních vrtů. Tato práce poskytuje charakteristiku výplachů vhodných pro hloubení geotermálních vrtů, vhodné technické a technologické vybavení vrtných souprav a užití speciálního vrtného vybavení (ponorná kladiva a ponorné motory).
2016 9
2. Charakteristika výplachů vhodných pro hloubení geotermalních vrtů
Geotermální vrtné výplachy vhodné pro hloubení vrtů pro geotermální energie mohou být vzduchové, kapalné nebo směs obojího. Vrtný výplach je kritický element pro vrtání hlubokých geotermálních vrtů. Podle Zeman et al (2014), lze funkce výplachu ve vrtu schematizovat do těchto bodů:
Čištění čelby vrtu a vynášení vrtné drti.
Chlazení a mazání vrtného nástroje.
Čištění vrtného nástroje.
Spolupráce výplachu při rozpojování hornin.
Kompenzace vrstevního tlaku tekutin působením hydrostatického tlaku sloupce výplachové kapaliny.
Ochrana vrtu před usazováním pevných částic.
Ochrana stěn vrtu před jejich borcením.
Působí svým nadlehčovacím účinkem na všechna nářadí a zařízení zapouštěná do vrtu.
Je pohonným médiem ve vrtu, například pro pohon vrtné turbíny, ovládání hydraulických přibíraků, řezačů pažnic, bočních jádrováků ap.
Je nosným médiem pro použití chemicky aktivních i netečných (uspávadla) příměsí při likvidaci komplikací ve vrtu, užívá se k protláčení cementových suspenzí do mezikruží při cementaci.
Pro uspěšnou práci vrtné kolony ve vrtu musí být, pokud jde o proplach, vytvořeny ty nejpříhodnější podmínky, které závisí na těchto faktorech:
volbě vhodného druhu výplachu,
volbe vhodné jakosti výplachu,
stanovení vhodného průtoku výplachu vrtem.
2016 10
2.1 Klasifikace kapalných vrtných výplachů
Obvykle jsou kapalné výplachy klasifikovány ve dvou skupinách: výplachy vodové a výplachy olejové, které jsou zavislé na vlastnostech kontinuální fáze výplachu. V anglické literatuře jsou vodové výplachy uváděny jako tzv. water-based muds (WBM) a výplachy olejové jak oil-based muds (OBM). Tyto výplachy mají vodu jako kontinuální fázi. Kapalné obsahují množství rozpuštěných látek, které zahrnují alkálie, soli, povrchově aktivní látky, organické polymery v koloidním stavu, kapky emulgovaného oleje a další nerozpustné látky, jako je baryt, jíl a úlomky v suspenzích. (Caen et al, 2011).
Klasifikace vrtných výplachů podle Fink (2011), je uvedena v Tab 2.
Tab. č. 2 Klasifikace vrtných výplachů (Fink, 2011)
Třída Popis
Sladkovodní výplachyd
pH 7-9.5, výplachy bentonitové, výplachy obsahující fosfátové, organicky ředěné výplachy, výplachy obsahující organické koloidy Inhibované
výplachyd
WBM, který potlačuje hydrataci jílů (sádrové výplachy, výplachy obsahující mořskou vodu, klasické výplachy vápenaté, slané výplachy nasycené)
Nizké tuhé látky výplachyn
Obsahují 3-6 % pevných látky. Většinou obsahují organické polymery.
Emulzní výplachy Typ olej ve vodě a typ voda v oleji (převrácené fáze, s více než 5%
vody) OBM (Olejové
výplachy)
Obsahují méně než 5% vody; směs asfaltu a motorové nafty
dDisperzní systémy.
nNedisperzní systémy.
OBM obecně používají uhlovodikový olej jako kapalnou složku, další složkou jsou jíly nebo koloidní asfalty, které se přidávájí za účelem zisku požadované viskozity. Spolu s emulgátory, polymery a aditivy včetně dalších činidel jsou používány v boji proti bobtnání hornin. Voda může být také přitomná, ale v množství, které obvykle není větší než 50 % celého objemu. Pokud je přítomno více než 5% vody, vrtný výplach je často označován jako inverzní emulze. WBM zpravidla obsahují činidla pro zvýšení viskozity, váhová činidla, lubrikanty, emulgátory, inhibitory koroze, soli a řízení pH činidla. Voda tvoří kontinuální fázi výplachu a je obvykle přitomna 50% objemu celého složení. (Fink, 2011).
2016 11 Je všeobecně známo, že draselné výplachy jsou nejrozšířenější WMB při vrtání břidlice. Draselné ionty se přichycují k jilovým formacím a stabilizují břidlicové formace, které jsou vystaveny vrntému výplachu. Ionty rovněž pomohou držet úlomky vrtné drtě pohromadě, což minimalizuje jeho rozptýlení do jemnějších částic. Chlorid draselný (KCl) je nejrozšířeněnším zdrojem draslíku. K dalším zdrojům patří octan draselný, uhličitan draselný, lignit draselný, hydroxid draselný a sůl draselná částečně hydrolyzovaného polyakrylamidu (PHPA). Pro reologickou kontrolu jsou používány různé typy polymerů jako je xanthanová guma a PHPA. Pro minimalízaci ztráty kapalných výplachů jsou částo používány směsi škrobu (starch) a polyaniontové celulózy (PAC) (Fink, 2011).
Inhibitivní vrtné výplachy byly vyvinuty pro ochranu životního prostředí. Tyto vtné výplachy rozšířil technický výkon WBM, což je výhodnější proti OBM. Analýzy WMB ukázaly na obrovské nedostatky ve vztahu k OBM vzhledem k jejich relativně slabé inhibice břidlic, mazivost a tepelné charakteristky stability. Překonání těchto nedostatků je možné přidáním specifických aditiv do složení WMB, které vedou k dosažení vlastností podobných jako OBM/NADF, zároveň aby nebylo ohroženo životní prostředí (Caenn et al, 2011).
Druh výplachu, který má být použit, je závislý na provrtávaných horninách, jejich tektonice, variabilitě v chemickém složení pórových médií a jejich hydraulice, typy vrtných souprav a vrtné parametry. Moderní klasifikace vrtných výplachů používá pro rozdělení výplachových kapalin více kriterií, tudíž pokus o přesnou klasifikaci by byl velmi naročný, pracný a obtížný a tak jsou rozděleny podle jentolivých kriterií. Tato metoda je konsistentní s terminologií přijatou American Petroleum Institute (API) a International Association of Drilling Contractors (IADC) (Zeman et al, 2014).
2.1.1 Disperzní neinhibitivní systémy
Jsou vyrobeny ze sladkých vod a mohou obsahovat bentonit. Klasifikace bentonitových výplachů je uveden v tab 3. Některé vlastnosti výplachu jsou řízené flokulanty nebo ztekucovadly a úniky kapaliny jsou řízeny bentonitem (Fink, 2011).
2016 12 2.1.2 Výplachy ligninové
Výplachy ligninové mají teplotní odolnost až do 230 ˚C. Lignin je schopný kontrolovat viskozitu, pevnost gelu a únik kapaliny (filtrace). Celková tvrdost musí být nižší než 20 ppm (Fink, 2011).
2.1.3 Výplachy bentonitové
Bentonitové výplachy se připravují z měkké vody a bentonitových jílů sodného typu.
Sodné bentonity ve vodě suspendují a mají vyhovující tixotropní i koloidní charakteristiku.
Jejich filtrace je nízká a filtrační kůra tenká a elastická. Pro přípravu těchto výplachů se používají vysoce tixotropní a kvalitní jíly obsahující maximálně 4 až 8 % bentonitu v suspenzi. Jejich fyzikálně chemické veličiny je možno regulovat dispergačními činidly, povrchově aktivními látkami, ochrannými koloidy. Bentonitové výplachy se použivají pro vrtání tvrdých hornin. (Esterka, 1970).
Tab. č. 3 Klasifikace bentonitových výplachů (Fink, 2011)
Interakce mezi
pevnými fázemi Úroveň
inhibice Typ vrtného výplachu
Disperzní Neinhibitivní Sladkovodní jíl NaCl < 1%, CaCl2, < 120 ppm Disperzní Inhibitivní Slané výplachy, Na+, kalciumchloridové,
nasycené slané, sádrové, vápenaté Nedisperzní Neinhibitivní Sladkovodní nízkopevné výplachy Nedisperzní Inhibitivní Slané a polymerové výplachy
2.1.4 Výplachy quebracho
Jedná se o přírodní produkt, který se získává z kůry stromu Quebracho. Quebracho se označuje jako červený výplach, který je široce používán jako taninové činidlo, minerální obvaz a jako dispergační činidlo do vrtných výplachů. Tyto stromy rostou v Argentině a Paraguayi a jsou extrahovány ze dřeva pomocí horké vody. Výplachy obsahující sladkovodní quebracho jsou používány v malých hloubkách a jsou aktivní při nízkých koncentracích (Caenn et al, 2011).
2016 13 2.1.5 Výplachy Ligninsulfonové
Tyto výplachy jsou odolné proti mnoha typům vrtných kontaminací vzhledem k ztenčování účinnosti ligninsulfonátu v přitomnosti velkého množství soli a extrémní tvrdosti. Sladkovodní ligninsulfonové výplachy jsou tvořeny ferochromem ligninsulfonátu pro lepší viskozitu a pevnost gelu (Fink, 2011).
2.1.6 Výplachy inhibitivní
Podle Esterka (1970), inhibitivní výplach je definován jako výplach snižující bobtnání jílů nebo břidlic. V připadě, že výplach obsahuje botnavé jíly v měkké vodě, disperze částic probíhá ve dvou stupních. V prvním stupni se voda adsorbuje na povrchu jílových částic a má tendenci je oddělit od sebe. Ve druhém stupni monovalentní kladné sodné ionty tixotropního jílu disociují, při čemž negativně nabité bentonitové částice se odpuzují a snadno dispergují.
Dále lze obecně říci, že inhibitivní výplach snižuje zahušťování výplachu při odvrtávání jílovitých sedimentů nebo břidlic. Množství dispergovaných částic jílu je v inhibitovaném výplachu velmi nízký. Vzhledem k tomuto jevu to umožňuje udržet větší vzdálenost mezi jílovými částicemi bobtnající břidlice, to znamená, že částice lze odstranit vibračním sítem nebo sedimentují v usazovací jámě (Esterka, 1970).
2.1.7 Výplachy vápenaté
Výplachy vápenaté obsahuje kaustickou sodu, organické ztekucovadlo, vápenný hydrát a koloid pro filtrát. Hodnota pH činí 11,8 a to s ionty vápníku v koncentraci 3-4ppm ve filtrátu. Obsah Ca(OH)2 ve výplachu je důležitý a podle toho lze dělit vápenaté výplachy na nízkovápenaté (0,1 – 0,5% Ca(OH)2) a vysokovápenaté (0,5 – 2,5% Ca(OH)2) (Fink, 2011)
V ČR jsou nízkovápenaté výplachy užívány zejména při vrtání bobtnajících jílů, neogenních jílových sedimentů a nestabilních břidlic.
Podle Esterka, (1970) jsou přednosti vápenatých výplachůn tyto:
Obsahuje-li vápenatý výplach Ca(OH)2, je inhibitivní, přičemž určitý podíl vápna zůstává ve filtrátu.
Jejich stálost vůči znečištění sádrovcem, cementem a chloridem sodným.
2016 14
Možnost jeho zatěžkání do velké měrné hmotnosti (hustoty) až 2,5·103 kg·m-
3.
Nevýhody vápenatého výplachu jsou tyto:
Jeho nízká termostabilita. U nízkovápenatých výplachů dochází při teplotě 140 ºC, u vysokovápenatých při teplotě 120 ºC k tixotropnímu tuhnutí (Zeman et al, 2014).
Konverze sodnojílového výplachu na vápenatý vyžaduje užití speciálního vybavení vrtné soupravy účinným míchacím zařízením a zásobními nádržemi na roztoky chemických aditiv (Zeman et al, 2014).
2.1.8 Výplachy polymerové
Výplachy polymerové spolu s osmoticko-polymerovými patří mezi nejrozšířenější typy vrtných výplachů. Široká paleta organických polymerů dovoluje připravit výplachy pro různé účely jejich použití. Polymerové a osmoticko-polymerové výplachy se klasifikují do kategorie výplachů s minimálním obsahem dispergovaných částic, dále pak bezjílových a výplachů inhibitivních. (Zeman et al, 2014).
Základní složkou polymerových výplachů je organický polymer, který zde působí jako:
regulátor reologických vlastností,
regulátor filtrovatelnosti (antifiltrant),
flokulant,
stabilizátor jílovitých břidlic.
O tom, která funkce polymeru ve výplachu bude dominantní, rozhoduje především typ polymeru, jeho koncentrace ve výplachu a chemické složení výplachu. Funkce polymerů lze rozělit do dvou skupin: regulátory viskozity a desaktivátory jílovitých břidlic (flokulanty, adsorbenty). Základem pro klasifikace do skupiny je intenzita aniontového charakteru polymeru.
Podle Zeman et al. (2014), flokulační účinek polyelektrolytů se zvyšuje v přítomnosti minerálních solí. Proto tedy osmoticko-polymerové systémy, obsahující především kombinaci polymeru a elektrolytu, jsou účinnějšími, než samotné polymerové systémy.
2016 15 Polymerové výplachy s nízkým obsahem pevných částic mají výhodné hydraulické vlastnosti. Projevuje se u nich výrazná závislost jejich smykového napětí (zdánlivé viskozity) na rychlosti proudění (rychlosti deformace), tzv. Thomsonův efekt. Lze obecně řici, že s rostoucí rychlostí proudění podstatně klesá jejich zdánlivá viskozita, což má zásadní význam pro hydraulické ztráty v tryskách dláta a čištění počvy vrtu. Naproti tomu zvýšená zdánlivá viskozita výplachu při jeho toku mezikružím přispívá k lepší vynášecí schopnosti vrtného výplachu. Hydraulická účinnost polymeru závisí na jeho složení, molekulové hmotnosti a koncentraci.
2.1.9 Emulzní výplachové systémy
Emulze je heterogenní systém, sestávající ze dovou fází, a to spojité a emulgované.
Je-li spojitou fází voda nebo roztok polymeru či minerální soli a emulgovanou fází minerální olej nebo jiná hydrofobní kapalina, hovoříme o přímé emulzi, nebo též emulzi typu olej ve vodě O/V. Je-li naopak spojitou fází minerální olej a emulgovanou voda nebo roztok polymeru či minerální soli, potom tuto emulzi označujeme jako inverzní nebo též emulzi voda v oleji (V/O) (Zeman et al, 2014).
Emulgátor je chemické aditivum, které ulehčuje a zajištuje snazší emulgaci nemísících se kapalin a předevšim ke zvýšení stálosti vzniklých emulzí. Emulgační činidlo zabezpečuje disperzi kapek nebo globulí minerálního oleje a omezuje jejich opětovné shlukování (Esterka, 1970). V takové konktrétní situaci se odděluje olej i voda ve dvě vrstvy, přičemž voda tvoří spodní a olej vrchní vrstvu (obr. 4).
V souladu mechanismu stabilizace emulzních systému dělíme emulgátory na dvě skupiny:
a) emulgátory mechanické, b) emulgátory chemické.
Podle Esterka (1970), mechanický typ emulgátorů působí dispergačně na systém voda – minerální olej tím, že globuly rozptyluje v koloidní částice. Stabilita emulzí je omezena a při vyšší teplotě nebo v přítomnosti koagulujících elektrolytů se emuluze rozrážejí. K mechanickým emulgátorům patří:
tixotropní jíly (bentonity),
2016 16
organické makromolekulární koloidy (škrob, alignát, polyakryláty),
lignitové sloučeniny (Humanitan-F, uhelný reagent),
ligninsulfonové sloučeniny (Q-broxin, Ligrafo, Ligaton, sulfitové výluhy, AS-lignin),
taninové sloučeniny (Quebracho, Kortan-AM, VUN-Kortan, Mixtan, Valonea, dubový extrát).
Chemické typy emulgátorů jsou takové chemické sloučeniny, které tvoří vazbu mezi lyofilní a lyofobní kapalinou emulzního systému (viz. obr. č. 4). Významně jsou tyto systémy stálejší a odolnější vůčí teplotě i mineralizaci (Esterka, 1970). K chemickým emulgátorům patří:
organická mýdla, poř. metalické soli vyšších mastných kyselin,
anionaktivní a kationaktivní detergenty (aralkylsulfonáty, kvartérní amoniové soli mastných kyselin),
neionogenní sloučeniny (etylénoxidované fenoly, etylénoxidované alkoholy).
Obr. č. 4 Schéma orientace globul emulzního výplachu (Esterka, 1970) a) olej ve vodě, b) voda v oleji
Pro „horké“ vrty, kde teplota na počvě vrtu dosahuje 150º až 220 ºC, se úspěšné používají tzv. inverzní emulzní výplachy (Esterka, 1970). Inverzní emulzní výplachy se používají v asi 10-20% všech vrtných práci a řadí se do kategorie typu voda v oleji V/O, v nichž spojitou fází je olej. Z historického hlediska se nejdříve používaly surové oleje, pak
2016 17 dieselové oleje a minerální oleje se používaly při formování invertního vrtného výplachu.
Když se vrtný výplach dostane do moře, může dojít ke značným škodám na životním prostředí. Vzhledem k problémům s toxicitou byly vyvinuty alternativní výplachové oleje.
Příklady takových olejů jsou fatty acid ester a branched chain synthetic hydrocarbons jako PAO. Fatty acid ester oleje mají skvělé vlastnosti pro životní prostředí, ale vrtné výplachy vyrobené s těmito estery mají tendenci mít nižší hustotu a jsou náchylné k hydrolytické nestabilitě. PAO vrtné výplachy mohou být formulovaný tak, aby měly vysokou hustotu a dobrou hydrolytickou stabilitu (Fink, 2011).
Podle Chiligarian et al (1983), emulzní výplachy řadíme do skupiny nejpoužívanějších výplachů, které jsou charakterizovány těmito vlastnostmi:
prodloužení životnosti vrtného dláta z důvodu mazacích schopostí oleje;
zlepšené fyzikálně chemické vlastnosti, zejména filtrovatelnost, hydraulické parametry;
zabezpečuje vyšší odolnost vůčí koagulačnímu působení minerálních solí a teploty;
snížené obalování dláta plastickým jílem;
zvýšená rychlost vrtání, snížený otěr tyčí a zvýšený inhibitivní účinek na provrtávané horniny a stěnu vrtu.
Přednosti inverzních emulzních výplachů (Zeman et al, 2014):
neovlivňuje negativně produktivní horizont, chrání jej před kolmatací;
výrazně stabilizují stěny vrtu při provrtávání zbobtnalých jílů nebo nestabilních tektonicky narušených jílovitých břidlic;
nerozpouštějí minerální soli v provrtáváné hornině i ve vrstvách solí;
umožňují vrtat ve vodě rozpustné formace;
zajišťuje výnos jádra v nativním stavu neovlivněného výplachem;
jsou vysoce termostabilní, jsou zcela nekorozivní;
předcházejí a zabraňují přichvatům vrtné kolony.
2016 18 2.1.10 Výplachy olejové
Podle Chilingarian et al (1983), výplachy olejové (Oil based muds - OBM) představují 5 – 10 % z celkového objemu používaných vrtných výplachů; použítí závisí na geografické poloze, typu vrtání (průzkumné nebo těžební), a typu dostupného vybavení (technologie). Jakákoli voda obsažená ve výplachu musí být okamžitě emulgována, to znamená, že olej tvoří externí fázi a flitrátem i nadále zůstává minerální olej.
Lze obecně říci, že olejové výplachy obsahují určité množství vody. Pokud je voda v oleji pořádně emulgována, zvyšuje viskozitu výplachu a snižuje jeho filtrovatelnost.
Výhodou olejového výplachu je, že při použití zůstává profil vrtného otvoru zachován, nevznikají kaverny, jílové částice jsou v olejovém výplachu velké a neucpává pórezní horninu, výplachy mají nízkou měrnou hmotnost, snižují hydrostatické tlaky při začerpávání do nízkotlakého horizontu a nebezbpečí přilnutí vrtného nářadí na stěny vrtu nebo zatažení do žlabu je minimální (Esterka, 1970).
Nevýhody olejových výplachů podle Esterka, (1970):
Z důvodů, že minerální olej je elektricky nevodivý nelze provést karotážní měření vrtu běžnými odporovými metodami (elektrická vodivost, rezistivita, spontánní potenciál).
Je nutné ochránit olejové výplachy před přitokem vody ve vrtu nebo před vodou atmosférickou, dešťovou. Z těchto důvodů je třeba jímky a nádrže dokonale uzavřít.
2.2 Výplachy aerizované a plynné
Použití aerizovaných vrtných výplachů je běžná praxe při vrtání ztrátových, kavernózních nebo tektonicky narušených hornin. Podmínky, za kterých je možno tyto výplachy aplikovat jsou: tvrdé horniny, nepřítomnost velkých přitoků vody a citlivých břidlic, nedostatek vody pro přípravu výplachu na vodné bázi. Vzduchu jako vrtného média se použivá všude tam, kde je zapotřebí dosáhnout maximální rychlosti vrtání. (Zeman et al, 2014).
2016 19 Výplachy aerizované jsou výplachy plynové (zemní plyn, vzduch), obsahující případně stopové množství povrchově aktivních látek (PAL), zejména pěniče. (Esterka, 1970).
V případě, že se předpokládá slabý přítok vody do vrtu, dávkuje se do proudu vzduchu malý podíl roztoku pěniče, PAL, které vytvoří se vzduchem mlhu. Tato zabraňuje na počvě vrtu tvorbě jílovitých břeček, obalujících dláto. Mlha, tj. směs vzduchu a vodného roztoku PAL, postupuje tedy až k počvě vrtu a zde v mezikruží se vytvoří pěna. Povrchově aktivní látky se dávkují v malých koncentracích jako vodný roztok v množství 0,01 až 0,1 hmot. % (počítáno na objem výplachu). Z fyzikálně chemického hlediska rozeznáváme pěnu tuhou – gelovitou a pěnu stabilní. (Zeman et al, 2014).
Plynné výplachy se používají při hloubení geotermálních vrtů s cílem snížení poškození kolektoru v důsledku zvýšeného tlaku vrtného výplachu na stěně vrtu.
Výhody při použití plynného vrtného výplachu jsou nasledující:
- Zlepšování rychlosti vrtání (ROP)
Obrázek č. 5 znázorňuje schematicky různé vrtné výplachy, a jak tyto vrtné výplachy ovlivňují rychlost vrtání. Vrtné výplachy (obr. č. 5) jsou uspořádány od nejlehčích v horní části seznamu nejtěžším v dolní části. Čím lehčí je výplachový sloupec v mezikruží, tím nižší je tlak na řezné ploše. Tento nižší tlak umožňuje snadnější vynášení horninových ulomků z čelby vrtu (Lyons et al, 2009).
2016 20 Obr. č. 5 Zlepšená rychlost vrtání (upraveno podle Lyons et al, 2009)
- Vyhnutí se poškození kolektoru
Obrázek č. 6 znázorňuje schematicky různé vrtné výplachy a jejich perspektivní potenciál pro snížení poškození kolektoru. Poškození kolektoru je důležitý faktor v obnově cirkulace výplachu (např. ropa a zemní plyn, geotermální tekutiny). Čím je lehčí výplachový sloupec v mezikruží, tím je nižší potenciál pro poškození kolektoru. Poškození kolektoru se projevuje v momentě, kdy tlak z výplachového sloupce na počvě vrtu je vyšší než pórový tlak zdroje tekutin v potenciálním produktívním horizontu. Vyšší tlak na počvě (BHP) tlačí vrtný výplach do trhlin a pórových kanálků v produktivním horninovém horizontu (Lyons et al, 2009).
2016 21 Obr. č. 6 Vyhnutí se poškození kolektoru (upraveno podle Lyons et al, 2009)
- Vyhnutí se ztráty cirkulace
Obrázek č. 7 znázorňuje schematicky různé vrtné výplachy a jejich perspektivní potenciál vyhnutí se ztrátě cirkulace. Ztráta cirkulake se projevuje v geologických formacích, které mají trhliny nebo velké propojené póry. Pokud jsou tyto trhliny dostatečně velké a nejsou vyplněny vrstevním médiem, pak proudění výplachu je odkloněno do těchto fraktur nebo porových struktur. Tím horninové úlomky zůstávají kolem spodní části vrtné kolony a vrtného dláta. Kdyby tato situace nebyla identifikována včas, mohlo by dojít k poškození vrtné kolony. (Lyons et al, 2009).
2016 22 Obr. č. 7 Vyhnutí se ztráty cirkulaci (upraveno podle Lyons et al, 2009)
- Ovládnutí vysokého pórového tlaku
Podle Lyons et al (2009), obrázek č. 8 znázorňuje schematicky různé vrtné výplachy a jejich perspektivní potenciál pro použítí v geologických formacích s vysokým porovým tlakem. Aby bylo možné bezpečně vrtat vrty v těchto formacích, je nutné využít silně zatíženého výplachu. Těžký výplachový sloupec v mezikruží poskytuje vysoký BHP, potřebný k vyvážení vysokého porového tlaku v ložisku. Obr. č. 8 taky zobrazuje, že čím těžší je vrtný výplachový sloupec v mezikruží, tím užitečnější je vrný výplach pro kontrolu vysokého pórového tlaku (šipka ukazuje směrem dolů ke zvýšení schopnosti upravit vysoký pórový tlak).
2016 23 Obr. č. 8 Zvládání vysokého porového tlaku (upraveno podle Lyons et al, 2009)
- Zvládání přítoku ložiskové vody
Obr. č. 9 znázorňuje schematicky různé vrtné výplachy a jejich perspektivní potenciál pro udržení vrstevní vody mimo vrt. Hydrostatický tlak výplachového sloupce v mezikruží by měl být navržen tak, aby byl dostatečný pro udržování ložiskové vody vytékající z geologické formace do vrtu. Lehčí vrtné výplachy, jako je napřiklad stlačený vzduch nebo jiné plyny a pěny, mají nižší BHP a proto snižují tlak na jakékoli ložiskové vody v exponovaných porových strukturách.
Obrázek č. 9 rovněž ilustruje, že těžší vrtné výplachy mají větší schopnost vyrovnat se s přítokem ložiskové vody do vrtu (šipka ukazuje směrem dolů ke zvýšení kontroly přítoku ložiskové vody). Provzdušněné vrtné výplachy jsou schopné zvládnout přítok vrstevních médií. Nicméně všechny tyto vzduchové a plynové vrtné výplachy jsou omezeny na starší zralé sedimentární geologické oblasti. (Lyons et al, 2009).
2016 24 Obr. č. 9 Ovládání přítoku ložiskové vody (upraveno podle Lyons et al, 2009)
2.3 Aditiva
Aby se mohlo dosáhnout maximálního výkonu jakéhokoliv výplachu v průběhu vrtání, musí být pečlivě kontrolovány fyzikální i chemické vlastnosti výplachu. Důležité jsou zejména viskozita, statické napětí gelu při úniku kapalin (filtrace). Gelující složky vrtných výplachů, které jsou buď suspenzí koloidů (ve vodě nebo v oleji) anebo emulze, mají maximální pozornost. Rovnocenný význam má velikost částic základních složek, například jíly a další aditiva. Kontaminace výplachů je výsledkem provrtávání formací, které obsahují soli (NaCl), sádrovce (CaSO4 · 2H2O), anhydrit (CaSO4), vápence, dolomit a jiné různé karbonáty a sulfáty. Proto se stává nezbytným používat různé chemikálie, a to za účelem obnovit požadované vlastnosti vrtného výplachu (Chiligarian et al, 1983).
Podle Chiligarian et al. (1983), vyšší teploty a ložiskové tlaky se vyskytují ve větších hloubkách. Teplotní a tlakové gradienty se však liší místo od místa. Obvykle tlakový efekt není kritický, avšak teplotní efekt je extrémně významný vzhledem k teplotní nestabilitě většiny vrtných výplachů. Například vrtný výplach, který by mohl vykazovat vynikající vlastnosti při povrchové teplotě, může být v hloubce např. 5000 m zcela neužitečný vzhledem k vyššímu ložiskovému tlaku, který způsobuje závažné komplikace.
2016 25 Většina z těchto aditiv mají odlišné vlastnosti, které konkrétně pomáhají v boji proti problémům, které nastávají v průběhu vrtání. Pomáhají při dosahování vrtných prací s účinností a přesností.
2.3.1 Zahušťovadla
Různé sloučeniny jsou vhodné jako zahušťovadla. Jedná se o:
Polymery
Zahušťovací polymery zahrnují polyuretany, polyestery, přírodní polymery, a modifikované přírodní polymery.
pH responsivní zahušťovadla
Viskozita iontových polymerů závisí na jejich pH. Zejména pH responsivní zahušťovadla mohou být připravena kopolymerací akrylové nebo methakrylové kyseliny a ethylakrylátu. Takový kopolymer poskytuje stabilní, vodný, koloidní disperzi při hodnotě pH nižší než 5, ale stává se efektivním zahušťovadlem pro vodné systémy s pH v rozmezí 5.5 až 10.5 nebo vyšší (Fink, 2011).
Směsné hydroxidy kovů
Přidáním směsných hydroxidů kovů jsou typické bentonitové výplachy transformovány do smykového ztenčování kapaliny. Kladně nabité směsné částice hydroxidu kovu se připevňují k povrchu záporně nabitých bentonitových destiček. Mají následující výhody (Fink, 2011):
vysoké hodnoty výnosu úlomků,
nižší odolnost čerpadla,
stabilizace stěn vrtu,
vysoké rychlosti vrtání,
ochrana produktivního horizontu.
2016 26 2.3.2 Maziva
Podle Fink (2011), jednou z největších výzev při vývoji speciálních maziv pro vrtání je prevence opotřebení vrtného dláta. V takových aplikacích probíhá mazání v brusném přostředí výplachu a horninových částeček hluboko pod zemským povrchem. Při vrtání může vrtná kolona uváznout nebo se sníží otáčky. Společné faktory, které vedou k této situatci jsou:
akumulace úlomků ve vrtu,
průměr vrtu < jmenovitého průměru,
neočekávaný diferenční ložiskový tlak.
Uváznutá vrtná trubka může být uvolněna pomocí olejového výplachu (OBM) nebo olejové / vodné povrchově aktivní látky (PAL). Taková kompozice snižuje tření, prostupuje vrtným výplachem výplachové kůrky a snižuje diferenční tlak. Bohužel, mnohé tyto prostředky jsou toxické pro životní prostředí.
2.3.3 Dispergátor (ztenčovácí činidlo)
V počáteční fázi vývoje vrtných výplachů existovaly sloučeniny, které mohly snížit statické napětí gelu a viskozity. Byly známé jako ztekucovadla, kdežto v pozdější době se nazývaly dispergátory. Disperze (ztenčování) zahrnuje (1) rozpad flokulované hrudky jílu a (2) vytvoření dodatečných jílovitých povrchů v důsledku oddělení agregovaných jílů (Chilingarian et al, 1983).
Organická ztekucovadla
Organická ztekucovadla mají širší uplatnění než anorganická ztekucovadla, protože tyto ztekucovadla mohou být použita v hlubokých vrtech, kde se vyskytují vysoké teploty.
Organická ztekucovadla zahrnují následující skupiny: ligniny, lignosulfonáty a taniny (Chilingarian et al, 1983).
2016 27 Ligniny
Podle Chilingarian et al (1983), usušený a lignin je tmavě hnědý až černý prášek.
Ligninové roztoky májí neutrální pH. Jsou poměrně levné a jsou účinné při kontrole viskozity, meze plasticity a statického napětí gelu. Jeho tepelná stabilita umožňuje jejich využití v hlubokých vrtech, kde se vyskytují vysoké teploty.
Taniny
Taniny jsou přechodné složky mezi ligninem a celulózou. I přesto, že jejich chemické složení se značně liší, tak se jedná o složité deriváty gallových a ellagových kyselin a vlastní karboxylové a fenolické skupiny na svých aromatických strukturách. Taniny mohou být použity jako činidla snižující viskozitu. Mohou být získány z Quebrachového stromu, který roste v Argentině a jižní Americe (Chilingarian et al, 1983).
2.3.4 Filtrace aditiva
Ovládánutí filtrace je kličová vlastnost vrtného výplachu zejména při provrtávání propustných zón, kde hydrostatický tlak přesáhne ložiskový tlak. Je důležité, aby vrtný výplach rychle vytvořil výplachovou kůrku, a aby mohl účinně minimalizovat filtrace.
Existuje několik metod, které byly navrženy s cílem zabránit úniku cirkulačních kapalin.
Některé z těchto metod používají vláknité, vločkovité nebo zrnité materiály, které mají zaplnit póry. Jiné metody používají materiály, které interagují v trhlinách formací ke zvýšení pevnosti (Fink, 2011).
Polyanionová celulóza
Polyanionová celulóza je dlouhým řetězcem polymerů o vysoké molekulové hmotnosti. Malé množství této přidané látky může přidat na viskozitě vrtného výplachu a snížit filtraci buď sladkovodního nebo slanovodního výplachu. Je úspěšně používán s výplachy s nízkou tuhou fází (Chiligarian et al, 1983).
2016 28 Škrob (předželatinovaný)
Většina z použitého škrobu v geotermálním průmyslu je vyrobena z kukuřice. Zrna škrobu, která jsou oddělena od kukuřice, jsou zpracovávána takovým způsobem, aby mohla rychle bobtnat a proměnit se v želatinu ve sladké nebo slané vodě (buď teplé nebo studené) při různých hodnotách pH. Filtrace může být snížena z důvodu: 1) ztráty volné vody v systému, a 2) ucpávání otvorů ve výplachové kůrce. Kromě snížení úniku kapalin, škrob také stabilizuje výplach (Chiligarian et al, 1983).
Permanentní injektáž
Filtrace může být také potlačena permanentní injektáží, a to buď s přídavkem cementu, nebo s organickými polymery (Fink, 2011).
2.3.5 Bakterie
Bakteriální kontaminace vrtných výplachů přispívá k řešení řady problémů. Mnoho výplachů obsahující polymery založené na bázi cukru, poskytují účinný zdroj potravy pro bakteriální populaci. To způsobuje přímou degradaci výplachu. Navíc, bakteriální metabolismus může způsobovat škodlivé produkty. Nejvýznamnějším z nich je sirovodík, který může vést k rozkladu polymerů. Kromě toho, sirovodík je toxický plyn.
Všechny přirozeně se vyskytující polymery jsou schopny být degradovány působením bakterií, ale některé jsou náchylnější než ostatní. Jedním z řešení, kromě použití baktericidy, je nahrazení škrobu s nízkou viskozitou PAC, polyaniontové ligniny, nebo jiné enzymy rezistentního polymeru (Fink, 2011).
2.3.6 Zatěžkávací materiály
Existuje řada zatěžkávacích materiálů a to včetně barytů a karbonátů, které se používají ke zvýšení měrné hmotnosti suspenze. Naopak, měrná hmotnost lze snížit pěněním nebo přídáním dutých skleněných částic (Fink, 2011).
2016 29 Baryt
Baryt byl použit jako zatěžovací prostředek ve vrtném výplachu již v roce 1920. Je výhodný díky jeho vysoké hustotě, nízkým výrobním nákladům, nízké abrazivitě a snadné manipulaci (Fink, 2011).
Karbonáty
Vápenec je inertní materiál, který, je-li složen z čistého kalcitu (CaCO3), má měrnou hustotu 2,7, kdežto dolomit [CaMg(CO3)2] má měrnou hustotu 2,87. Maximální hustota dosažená použitím vápence je tudíž asi 12 lb / gal (1197 kg/m3) pro vodové výplachy a přibližně 11,5 lb / gal (1147 kg/m3) pro olejové výplachy. Karbonáty jsou levnější než baryt a jsou méně abrazivní, což je důležité zejména při vrtání v produktivních zónách (Chiligarian et al, 1983).
Duté skleněné mikrokuličky
První skleněné mikrokuličky byly použity v roce 1970, aby překonaly závažné problémy s únikem kapalin v pohoří Ural. Duté skleněné kuličky snižují hustotu vrtného výplach a mohou být použity pro vrtání s tlakem menším než je hydrostatický (Fink, 2011).
2.4 Čištění vrtu
Prvotní funkcí vrtných výplachů bylo čištění čelby vrtu a vynášení vrtné drti, chlazení a mazání vrtného nástroje. V současné době, s rozvojem technologií ve vrtání, vrtný výplach přijal několik nových funkcí.
Obecně lze říci, že základním cílem je dopravit veškerou vrtnou drť rychle na povrch, aby se zabránilo akumulaci, která by mohla vést k řadě problemů vrtáni, jako je:
Vysoký kroutíci moment, který by mohl vést k rozpojení kolony vrtného nářadí.
Uváznutí vrtného nářadí.
Poškozeni kolektoru.
2016 30
Snížení životnost vrtné kolony.
Vrný výplach musí mít odpovídající viskozitu a hustotu a tok a správnou rychlost, který vynese horninové úlomky na povrch (Dayan, 2014).
Při přerušení cirkulace se vrtná drt začne pohybovat směrem dolů a to v důsledku gravitace, která následně vede k negativní rychlosti vzhledem k rychlosti kapaliny. Tato negativní rychlost se nazývá rychlost usedání úlomků (Slip Velocity Vsl) a je to důležitý parametr při určení výnosu úlomků. Pohyb úlomků nahoru mezikružím se nazývá výnosová rychlost, která se nazývá (cutting transport velocity - Vt); to je rozdíl mezi rychlostí proudění výplachu mezikruží (fluid annular velocity) Va a rychlostí usedání úlomků (cutting slip velocity).
Rychlost sedání úlomků lze stanovit v závislosti na druhu kapaliny a toku režimu Pro laminární proudění existují různé vztahy a to jak pro newtonské a tak nenewtonské kapaliny (důsledek účinku reologických vlastností kapalin). V turbulentním proudění reologické vlastností nemají žádný vliv (Dayan, 2014).
Následující rovnice popisují parametry čištění vrtu podle Dayan (2014):
Kritická rychlost mezikruží (Critical Annular Velocity)
Jedná se o klíčový parametr, kdy je nutné stanovit minimální rychlost mezikruží, při které koncentrace úlomků v mezikruží dosáhne na prahovou hodnotu:
V
ac=
1667𝑅𝑂𝑃𝐷𝑏260𝐶𝑎 (𝐷𝑏2− 𝐷𝑝2
+ 𝑉
𝑠𝑙(2.1)
Kde
Vac = Kritická rychlost mezikruží (m/s) Vsl = Rychlost sedání úlomků (m/s) ROP = Rychlost vrtání (m/s)
Ca = Úlomky koncentrované v mezikruží (%)
2016 31 Db = Průměr vrtného dláta (m)
Dp = Vnější průměr vrtné trubky (m)
Rychlost usedání úlomků (Cuttings Slip Velocity)
Existuje několik korelací, které byly vyvinuty pro rychlost usedání úlomků. Všechny byly stanoveny na základě Stokesova zákona.
Rychlost usedání úlomků pro Newtonské kapaliny, Stokesův zákon
Ze Stokesova zákona lze vypočitat rychlost usedání úlomků (Vsl) sedající ve viskózní kapalině. To je dáno vztahem:
𝑉𝑠𝑙 = 𝑑𝑠2𝑔(𝜌18𝜇𝑠− 𝜌𝑓) (2.2)
𝑉𝑠𝑙 = 23 √3𝑔𝑑𝑠(𝜌𝑓𝜌𝑠− 𝜌𝑓)
𝑠 (2.3)
𝐶𝐷 = 43𝑔𝑉𝑑𝑠
𝑠𝑙2(𝜌𝑠𝜌𝑓− 𝜌𝑓) (2.4)
Kde
ds = Průměr částic (m);
ρs = Hustota úlomků (kg/m3);
ρf = Hustota kapaliny (kg/m3);
µ = Dynamická viskozita (Pa·s);
g = Tihové zrychlení (m/s2);
CD = Součinitel odporu vzduchu ; f = Součinitel tření.
Rovnice 2.2 a 2.3 platí pro newtonské kapaliny (např. voda) v laminárním a turbulentním proudění. Rovnice 2.4 udává koeficient odporu, který odpovídá rychlosti usedání úlomků.
Podle Zeman et al. (2014), lze stanovit typ proudění u newtonských kapalin výpočtem tzv. Renynoldsova čísla (Rep). Ve většině literárních zdrojů se uvádí, že hodnot Re = 2000 a menší poukazuje na laminární tok, hodnoty mezi 2000 – 4000 určují přechodový režim mezi prouděním laminárním a turbulentním tokem a hodnoty Reynoldsova čísla nad 4000 indikují turbulentní tok. Reynoldsovo číslo je bezrozměrné a je definováno vztahem:
2016 32 𝑅𝑒𝑝 = 928,2𝜌𝑓𝑑𝜇𝑠𝑉𝑠 (2.5)
Kde
ρf = Hustota kapaliny (kg/m3);
ρs = Hustota úlomků (kg/m3);
Vs = Rychlost usedání úlomků (m/s); a µ = Dynamická viskozita (Pa·s).
Výpočet rychlosti usedání úlomků pro nenewtonské kapaliny
Stokesův zákon nedává přesný postup pro stanovení rychlosti usedání úlomků v nenewtonských kapalinách, a to v důsledku působení reologických parametrů na kapalinu (Dayan, 2014). Bylo vyvinuto několik korelací pro stanovení rychlosti usedání úlomků v nenewtonských kapalinách.
Moorova korelace
Moore navrhl použití zdánlivé viskozity (μa) namísto newtonovské (dynamické) viskozity kapaliny, jak je použivá Stokesův zákon. Zdánlivá viskozita je založeno na pseudoplastickém modelu kapaliny a je dána vztahem:
𝜇𝑎 = 144𝐾 (𝐷ℎ𝑉− 𝐷𝑝
𝑎 )(𝑛−1)(0,02082 +𝑛1 )𝑛 (2.6)
Rychlost usedání úlomků pro laminární proudění, kde Rep ≤ 1.0 je dán vztahem:
𝑉𝑠𝑙 = 82,86𝑑𝑝2 (𝜌𝜇𝑝− 𝜌𝑓)
𝑎 (2.7)
Rychlost usedání úlomků pro přechodové proudění, 1.0 ≤ Rep ≤ 2000:
𝑉𝑠𝑙 = 2.90 𝑑𝜌𝑓𝑝(𝜌0.333𝑝− 𝜌𝜇𝑓)0.667
𝑎0.333 (2.8)
Rychlost usedání úlomků pro turbulentí proudění, Rep > 2000:
𝑉𝑠𝑙 = 1.54 √𝑑𝑝(𝜌𝜌𝑓𝑝− 𝜌𝑓) (2.9)
