Introducere in forarea sondelor

Dezvoltarea societatii umane a fost si este dependenta de resursele naturale (apa-potabila si industriala, combustibili fosili-hidrocarburi, carbuni, minereuri). Plasarea acestora in scoarta terestra, la adancimi nu intotdeauna accesibile, a impus gasirea unor solutii pentru identificarea si exploatarea lor. S-au dezvoltat in consecinta de-a lungul istoriei tehnicile si tehnologiile de foraj.

Astazi lucrarile de foraj sunt folosite in mai multe domenii: cercetare geologica, extractie de petrol si gaze, exploatarea apelor subterane, executarea de lucrari miniere (puturi, gauri de ventilatie), cercetari geotehnice.

Sonda este o constructie miniera speciala, de forma cilindrica, verticala sau inclinata, caracterizata printr-un raport mare intre lungime (adancime) si diametru, executata cu instalatii speciale. Deschiderea de forma cilindrica, fara consolidare cu burlane, se numeste gaura de sonda. Partea superioara a unei sonde se numeste gura sondei, iar parte inferioara -talpa sondei. Gaura de sonda este delimitata lateral de peretele gaurii de sonda.

Forarea (forajul) cuprinde un complex de lucrari de traversare, consolidare si izolare a rocilor traversate, necesar executarii unei sonde. Este o operatie de dislocare a rocilor si de evacuare la suprafata a fragmentelor rezultate (detritus).

Forarea sau saparea sondelor se executa cu ajutorul instalatiilor de forare (foraj). Functie de scopul urmarit instalatiile de foraj sunt de capacitate mare (sonde sau instalatii grele de foraj) si instalatii de foraj de mica adancime (sondeze, sau instalatii usoare de foraj).

Sondele au putere instalata mare (mii de CP), executa gauri la adancimi mari (mii de metri), cu diametre mari (sute de mm la 7000mm- forajele de mare diametru). Garnitura de foraj utilizata este de diametru mare (se masoara in inci=tol; 1inci=25,4mm).

Sondezele au puteri instalate mici (sute de CP), executa gauri frecvent de pana la 1000m, dar pot ajunge si la 2000m, gauri cu diametre mici.

Dislocarea rocii in talpa sondei se executa cu instrumente speciale. Scopul executarii forajului impune modul in care se face dislocarea rocii in talpa sondei. Pentru forajele de cercetare, care urmaresc obtinerea unor esantioane, dislocarea in talpa sondei se face circular, cu ajutorul unui instrument numit cap de carotiera (freza). In acest caz vorbim de forajul prin carotaj mecanic. Esantioanele obtinute se numesc carote.

Daca dislocarea in talpa sondei este circulara completa, instrumentul de dislocare se numeste sapa.

Instrumentul de dislocare este antrenat cu ajutorul garniturii de foraj (prajini de foraj), iar detritusul este scos la suprafata de fluidul de foraj (de circulatie).

1.1.Clasificarea forajelor

Clasificarea se face dupa mai multe criterii.

1. dupa scop

1.1. Foraje de cercetare geologica

foraje de referinta - sunt destinate cercetarilor regionale, se executa la adancimi relativ mari, in carotaj mecanic continuu;

foraje de prospectiuni - urmaresc studiul complex al depozitelor dintr-o anumita regiune, cu precizarea tuturor aspectelor privind litologia, tectonica, resursele minerale, etc. Se executa in carotaj mecanic continuu;

foraje de explorare - au drept obiectiv conturarea unor zacaminte, cu determinarea parametrilor cantitativi si calitativi, necesari in calculul rezervelor, precum si stabilirea conditiilor geologice de zacamant.

1.2. Foraje de exploatare - a hidrocarburilor (petrol, gaze), precum si a apelor subterane. In aceasta categorie sunt cuprinse si sondele de injectie (pentru refacerea presiunii in zacamintele de titei) si sondele de observatie care urmaresc procesul de exploatare. Sarea poate fi exploatata cu ajutorul sondelor.

1.3. Foraje cu destinatie speciala

de interes minier - se executa la zi, in cariere (derocari prin gauri de explozie), sau in subteran, pentru cercetare geologica, gauri de puscare, drenaj, aeraj, consolidare rocilor, etc.;

foraje hidrogeologice - executate pentru identificarea, stabilirea conditiilor de zacamant (parametrii calitativi si cantitativi) si exploatarea apelor subterane (potabile, termale, minerale);

foraje geotehnice - utilizate pentru cunoasterea proprietatilor fizico-mecanice ale rocilor de fundatie pentru constructii civile, industriale, baraje, tuneluri, etc.;

foraje de interes seismic - utilizate pentru provocarea unor explozii artificiale.

lucrari de foraj cu diametre mari - utilizate in amenajari hidrotehnice, ca si lucrari miniere (suitori, puturi de aeraj, etc.), sau rezervoare subterane.

2. dupa energia utilizata la actionarea instalatiei

2. 1. Foraj manual

2.2. Foraj mecanic - actionarea se face cu motoare cu abur, cu combustie interna, electrice, hidraulice, sau pneumatice.

3. dupa energia utilizata la dislocarea rocii

foraj cu dislocare mecanica

foraj cu dislocare hidromecanica

foraj cu dislocare termica

4. dupa modul de actionare asupra rocii forajul mecanic este:

4.1. Foraj percutant - dislocarea rocii in talpa sondei se face prin lovire repetata cu o sapa speciala, de forma unei dalti (trepan). Are doua variante: percutant-uscat (cu tije sau cablu) si percutant-hidraulic. In primul caz sapa este antrenata cu ajutorul unui cablu sau a unei tije (metal, lemn). Detritusul este evacuat prin introducerea unei cantitati mici de apa si extragerea periodica a noroiului format, cu o lingura cilindrica. In forajul percutant-hidraulic sapa este antrenata cu ajutorul prajinilor (tevi de otel), prin care se pompeaza continuu fluid pentru spalarea talpii de detritus.

4.2. Foraj rotativ - cel mai utilizat este forajul rotativ-hidraulic, cu evacuarea materialului dislocat prin circulatie de fluid. Are doua variante: cu rotatie de la suprafata (cu masa rotativa, sau cap rotativ la sondeze) si cu motoare submersibile. Procesul de forare este continuu, cu evacuarea permanenta a detritusului cu ajutorul fluidului de foraj. Dislocarea rocii se realizeaza cu diferite tipuri de sape, care executa o miscare de rotatie si patrundere in teren.

Metoda rotativ-hidraulica se numeste si rotary. Sapa este rotita de motoarele instalatiei prin intermediul masei rotative si a prajinilor de foraj. Pentru patrunderea sapei in roci apasarea este asigurata de garnitura de foraj. Fluidul de foraj este pompat in talpa prin interiorul prajinilor.

4.3. Foraj rotativ -percutant

1.2. Dezvoltarea forarii sondelor

Primele deschideri prin foraj sunt cunoscute din antichitate. In Egipt in timpul construirii piramidelor s-au executat sondaje cu ajutorul unor tuburi din bronz, armate cu graunti de diamant. In China (cu 1700 ani i.e.n.) se sapau sonde cu adancimi de 500m in sistemul percutant, cu prajini de bambus si cu actionare manuala.

Exploatare si prelucrarea petrolului a determinat dezvoltare forajului. Pana la utilizarea forajului in exploatarea petrolului, aceasta se realiza prin puturi sapate manual.

Prima sonda pentru petrol a fost forata in Rusia, langa Baku (1848), in sistem percutant uscat. Abia in 1859, se foreaza prima sonda pentru petrol in SUA (Pensylvania).

In Romania, prima sonda de petrol (mijloace mecanice) a fost forata in 1861 la Mosoare (Targu Ocna). A fost folosit sistemul percutant uscat cu prajini de lemn.

Primele sonde se sapa in sistemul percutant uscat, dar se trece la forajul percutant hidraulic, la care evacuarea detritusului se realiza continuu, prin circulatia apei. Acest sistem permitea adancimi mai mari de forare si cresterea sigurantei de lucru. In Romania sistemul a fost aplicat in 1896 in Prahova (Baicoi).

Cand apare sistemul sistemul rotativ (sistemul rotary)? La inceputul secolului 20 apare in SUA. In Romania, primele sonde in acest sistem, au fost forate in 1906 (Moreni-Prahova, Tescani -Bacau).

Dezvoltare sistemului rotativ hidraulic duce la cresterea vitezelor de forare si a adancimilor sondelor.

In fosta URSS, dupa 1922 se introduce forajul cu turbina, care este un sistem de foraj rotativ, cu un motor amplasat deasupra sapei. La noi s-a aplicat dupa 1952. Este preferat in cazul rocilor dure si la forajul dirijat.

Dintre variantele sistemului de foraj cu motor submersibil un interes deosebit il prezinta flexo-forajul. Garnitura de foraj este formata dintr-un tub flexibil, cu o structura speciala.

Cu toata diversitatea sistemelor si variantelor, sistemul rotativ cu masa este cel mai folosit.

Recordul de adancime atins pe plan mondial este de 12.390m (Murmansk-Rusia). In Romania adancimea maxima atinsa este de 7025m (Tufeni-Baicoi).

1.3. Componentele instalatiilor de forare

Instalatiile de forare, sonde sau sondeze, au componentele de baza comune. Aceste componente se impart in componente de suprafata si componente de interior. Componentele de suprafata, functie de rolul lor sunt:

• Grup de forta-pentru actionare, format din motoare, motoare electrice de fund;
• Turla cu substructura
• Sistemul de manevra-pentru intoducerea si extragerea garniturii de foraj cu instrumentele de dislocare (sapa, freza). Este alcatuit din macara, troliu, geamblac, carlig, cablu de foraj, si scule de manevra (elevatoare, pene, clesti);
• Sistemul de rotatie-antreneaza garnitura intr-o miscare rotativa. Cuprinde masa rotativa si capul hidraulic;
• Sistemul de circulatie-asigura circulatia fluidului de foraj in sonda. Cuprinde pompa de noroi si conductele de aspiratie si impingere (manifold, din engl. manifold=conducta de aductie), furtun,

Componentele de interior cuprind: coloana de tubaj, garnitura de foraj si instrumentele de dislocare.

Ciclul de foraj cuprinde succesiunea operatiilor executate de la montarea unei instalatii pe o locatie si pana la demontarea si transportul spre o alta locatie. El poate cuprinde:

Lucrari de suprafata - amenajarea terenului, montajul instalatiei de foraj si anexelor;

Lucrari pregatitoare - verificarea starii de functionare a utilajelor, saparea si consolidarea gaurii prajinii patrate;

Saparea gaurii de sonda - sau forajul propriu-zis, cuprinde un ciclu de operatii repetat la fiecare introducere a unei sape noi in locul celei uzate si a garniturii de prajini pana in talpa sondei. Pe masura adancirii sondei, la garnitura de foraj se adauga o noua prajina de foraj ('bucata de avansare'). O viteza mica de avansare poate indica uzarea sapei. Extragerea garniturii se face in 'pasi' (cate 2-3 prajini), care se sprijina in turla, la pod. Toate manevrele se executa cu ajutorul sistemului de manevra si a mesei rotative (cap rotativ).

Lucrari de consolidare si izolare a gaurii de sonda - forarea incepe cu o sapa cu diametru mare, se sapa o portiune, se tubeaza prima coloana (coloana de ancoraj) si se cimenteaza in spatele coloanei. Se continua forajul cu o sapa cu diametru mai mic. Functie de scopul sondei si functie de conditiile geologice (natura rocilor, tectonica regiunii) dupa coloana de ancoraj se tubeaza direct coloana de exploatare, sau 1-2 coloane intermediare si apoi coloana de exploatare. Tubarea este operatiunea de introducere a unor burlane de otel in gaura de sonda. Burlanele se cimenteaza in spate in totalitate, sau partial, pe o anumita inaltime de la talpa.

Operatii de investigare - la forarea unei sonde, inainte de operatiunea de tubare se pot executa diferite investigatii geofizice de tipul carotaj electric, carotaj radioactiv, cavernometrie, masuratori de deviatie, etc.

Lucrari de punere in productie - au loc la forajele executate in scopul exploatarii unor resurse (hidrocarburi). Sunt specifice la forajele hidrogeologice, sau lipsesc la forajele de cercetare si la unele dintre cele speciale.

Lucrari de demontare si transport - reprezinta etapa de finalizare a forajului.

Lucrari de instrumentatie - sunt lucrari speciale executate pentru rezolvarea unor accidente in gaura de sonda (prinderi la put, ruperi de prajini, etc.). Acestea se executa cu ajutorul unor scule de instrumentatie.

Unele etape pot sa fie suprimate (consolidare si izolare, investigare) functie de scopul forajului.