Vrty a vrtání

Ještě asi před sto padesáti lety se ropa dobývala z vyhloubených studní. Práce to byla náročná a nebezpečná jednak v důsledku zavalování, ale také z důvodu hromadění dusivého naftového plynu.Hloubka takových studní byla 2 až 60 i více metrů.

kresba kopané naftové studny a kresba prohloubení studny vrtáním
kresba kopané naftové studny a kresba prohloubení studny vrtáním

Nárazové vrtání

dláta pro nárazové hloubeníVýstižnější označení „hloubení“ probíhá tak, že dláto je upevněno na konci lana (tzv. pensylvánské nárazové hloubení) nebo tyčích (tzv. kanadské nárazové hloubení), jímž je periodicky a soustavně zvedáno a pouštěno na dno vrtu (počvu), při čemž ostří dláta klepe do horniny, odštěpuje kousíček za kousíčkem, podobně jako sekáč vniká do zdi pod úderem kladiva na dláto. Je nutné čas od času hloubení přerušit a odstranit z počvy vrtného otvoru nashromážděné úlomky horniny. Takové úlomky byly odstraňovány speciální lžící – šapou.

Rotační vrtání

Jinak také rotarové vrtání, se vyznačuje tím, že se vrtným nástrojem (dlátem nebo korunkou) se za řízeného přítlaku na horninu otáčí. Otáčení přenáší z „rotačního stolu“ soupravy trubky, kterými se současně do vrtu pumpuje výplach. Výplach je hustá kapalina v převaze složená z jílu a vody. Tato kapalina tryská z vrtného nástroje, který ochlazuje, ale především vynáší zpět k ústí vrtu rozdrcené horninové úlomky. Tak se rotační vrtný proces stává velmi efektivní, protože nemusí být přerušován kvůli čištění vrtu od horninové drti.

Vrtná souprava

vrtná soupravaVěže a stožáry musí mít dostatečnou pevnost („nosnost“), aby udržely váhu kolon vrtných tyčí, současně však musí být mobilní. Nosnosti věží a stožárů se pohybují mezi 50 – 680 t. Většina věží a stožárů je pak konstruována na boční zatížení větrem o rychlosti 150-195km /hod. Některé jsou montovány na samohybné mechanizmy a auta, jiné se montují z dílů na pevné základy.

Vrátek je hlavní části zdvíhacího systému. Představuje otočný buben, na který je navinuto ocelové /kladkostrojové/ lano. kromě toho je na vrátku vijáková hřídel, s vijáky („špíla“). Velmi důležitou součástí vrátku je brzdový mechanismus, který umožňuje buben zabrzdit a zabránit jeho dalšímu pohybu, čili „brzda.“

Viják je určen k tažení lana při utahování či povolování spojů vrtných trubek a pokybu utahovacích kleští.

Kladkostroj a kladkostrojové lano Kladkostrojové lano je ocelové lano, spletené z ocelových drátků o vysoké pevnosti.

Výplachová hlava Je namontována na konci vrtného nářadí, které na ní visí na háku. Dovoluje, aby se kolona mohla otáčet a umožňuje, aby výplach, který je čerpaný pod vysokým tlakem, mohl procházet dovnitř rotující kolony vrtného nářadí. K výplachové hlavě je připevněna výplachová hadice Vrtné nářadí (vrtné trubky a zátěžky).

Unašečka Těsně pod výplachovou hlavou se nachází čtyř nebo šestihranná unášecí tyč, neboli unašečka“. Touto tyčí je přenášen rotační pohyb z rotačního stolu na celou kolonu vrtného nářadí. Unašečky bývají obvykle 12m dlouhé

Rotační stůl Přenáší na vrtné nářadí rotační pohyb. Bývá poháněn od hlavní převodové skříně převážně kardanem nebo vlastním elektromotorem. Pokud se rotační stůl neotáčí, slouží jako pracoviště při tažení a zapouštění nářadí. Unášecí vložky jsou kuželovitě upraveny tak aby zde bylo možno usadit klíny. Klíny představují nářadí na nějž je možno zavěsit celou kolonu vrtného nářadí, především při nadstavování nebo odšroubování vrtných tyčí, při zapouštění či tažení.


Preventr Je instalován na ústí vrtu. Je to sada speciálně upravených šoupátek. Jsou-li uzavřena vytváří těsnění na ústí vrtu, jež je odolné proti značně vysokým tlakům a tím zabraňují výtoku kapalin nebo plynu z vrtu. Jsou upraveny tak, že ústí vrtu utěsní I tehdy, jsou-li ve vrtu zapuštěny vrtné trubky. Lze rozlišit dva typy preventrů : universální a čelisťové. Uzavření vrtu preventrem představuje první krok, pro zajištění vrtu. Následné obnovení vrtání po „umrtvení“ vrtu, což znamená, že vrt musí být znovu zaplněn výplachem o správné měrné hmotnosti. K tomuto účelu slouží série vysokotlakých šoupátek, nazývaná tryskový manifold, jež je vždy instalována jako nedílná součást protierupčního zařízení.

Vrtné nářadí, kolona vrtného nářadí se skládá z jednotlivých vrtných trubek a z několika tlustostěnných trubek („zátěžek“). Zátěžky jsou mnohem těžší než vrtné trubky a jsou vždy používány na spodním konci kolony k tomu, aby vytvářely přítlak na dláto. Jsou totiž opřeny o horní konec dláta a tlačí ho před sebou do záběru s horninou. Zátěžka je od vrtné trubky rozpoznatelná na první pohled tím, že po celé délce má stejný vnější průměr, zatímco stejně dlouhá vrtná trubka se na obou koncích vyznačuje krátkými zesílenými těly spojníků. Vrtné trubky a zátěžky jsou zpravidla 9m dlouhé.

Výplachová čerpadla „pumpy“ slouží k cirkulaci výplachu, jejich úkolem je nasávat výplach z výplachových nádrží a tlačit je výtlačným potrubím přes „stoják“, hadice, výplachovou hlavu do vrtných trubek. Výplach prochází unášečkou, kolonou vrtných trubek, zátěžkami, vysokou rychlostí projde tryskami v dlátě.

Výplach (výplachová kapalina) je obvykle suspenze jílového materiálu, zatěžkávadla a některých chemikálií. Plní řadu důležitých funkcí:

  • slouží k odčištování počvy a výnosu horninových úlomků na povrch, kde jsou z výplachu oddělovány na sítech.
  • Vytváří ve vrtu protitlak a zabranuje nežádoucímu přítoku vrstevních médií do vrtu.
  • jílovitý materiál (především bentonit) tvoří na stěnách vrtu výplachovou kůru, která brání úniku výplachu do vrstev a brání vypadávání materiálu ze stěn vrtu.
  • Ochlazuje vrtný nástroj a pomáhá tryskáním pod velkým tlakem také rozrušovat horninu na počvě vrtu.

K oddělení horninových úlomků a výplachu, který se vrací zpět do vrtu dochází na (vibračních) sítech. Výplach tak cirkuluje v podstatě uzavřeným systémem. Do výplachu jsou přimíchávány různé komponenty a je odstraňován písek, tak aby byly udržovány požadované parametry jako měrná hmotnost a viskozita.

Vrtné nástroje (dláta a korunky). Vrtná dláta odštipují horninu v celém profilu, vrtné korunky jen ve mezikruží tak, aby se do vrtného nářadí zasouval válec horniny (jádro), který je následně s nářadím vytažen.

  • Listová dláta se používala při nárazovém vrtání nebo vrtání v velmi měkých horninách. Odřezávají, odsekávají nebo odštěpují horninu. Mívají jeden nebo dva břity
  • Valivá dláta jsou vybavena nejčastěji třemi kuželovitými pracovními elementy, které jsou na povrchu ozubeny a tvar a materiál zubů se navzájem značně liší především podle toho do jaké horniny je takové dláto určeno (zuby z tvrdokovů nebo roubíků). Tyto kužely se mohou volně otáčet kolem svých os. Zuby na jejich povrchu jsou vlastně jediné pracovní elementy v celé sestavě kolony vrtného nářadí, které vnikají do horniny rozrušují ji, drobí, rozmělňují když se „odvalují“ po počvě vrtu, tak jak se otáčí celá kolona. Vrtní mechanismus vrtních dlát je založený na vtláčení zubů na kuželích do horniny a vytahováním zubů. Kužele rotují (odvalují se) jak okolo vlastní osy a tak společně okolo osy dláta. Každé dláto má zařízení, jež usměrňuje výtok výplachu – trysky, které mají malý průměr a tak výplach z nich tryská vysokými rychlostmi, chladí dláto, tlakem poáhá rozmělňovat horninu a odstraňuje kousky rozdušené horniny. Pro měkké horniny se užívají dláta s většími zuby, pro tvrdé horniny s menšími zuby nebo s vsazovanými roubíky z spékaných karbidů či tvrdokovů. Valivé dvojkuželové dláto je prakticky využíváno v USA od roku 1909, trojkuželové od roku 1931 a od roku 1933 mají dláta již přibližně dnešní podobu.
  • Dláta kompaktní (PDC). Jsou to dláta řezná používající kotouče ze spékaného karbidu na jejichž čelní stranu se nanáší vrstva syntetických diamantů nebo jiných supertvrdých materiálů.
  • Dláta diamantová a korunky. Konstrukce diamantového dláta tvoří ocelové těleso s připojovacím závitem a hlava je osazena umělými diamanty. Toto dláto nemá pohyblivé části ani zuby a používá se na bezpečnější dokončení hlubokých vrtů v homogenních horninách a při vrtání na moři. Pro svou velkou tvrdost se používají vrtání velmi tvrdých hornin. Při vrtání se každý vrtný nástroj obrušuje a jeho životnost je důkladně sledována.
práce vrtného dláta
práce vrtného dláta
vrtná korunka
vrtná korunka
roubíkové valivé dláto
roubíkové valivé dláto
zubové dláto
zubové dláto
PDC dláto
PDC dláto
roubíkové dláto
roubíkové dláto

Vrtný proces

Vrtný proces je sledován z hlediska času a dosažené hloubky v přehledných diagramech, kde jsou zaznamenávány všechny důležité operace a jejich doba trvání v čase.

harmonogram vrtání - čas / hloubka
harmonogram vrtání - čas / hloubka

Konstrukce vrtu

konstrukce vrtu pažnicové kolonyAby se stěny vyhloubeného otvoru nezavalovaly a vrt tak nebyl porušen, zabezpečují se stěny vrtu dle projektovaných hloubek ocelovými rourami – pažnicemi, které mají na koncích závity a objímky. Každý vrt má nakonec několik pažnicových kolon Z počátku se vrtá velkým průměrem a zapaží se úvodní kolona, která překrývá méně zpevněných, propustné horniny a vodonosné horizonty. Její pata bývá usazena v pevných horninách, aby na ni mohlo být na ústí vrtu namontováno protierupční zařízení. Do zapažené a zacementované pažnicové se zapustí dláto menšího průměru a hloubení vrtu pokračuje pod patou předešlé kolony. Konstrukce některých vrtů může mít i několik technických kolon, aby byl vrt ochráněn při provrtávání nestabilních hornin nebo tlakových obzorů. Nejvnitřnější kolona pažnicových trubek se nazývá – těžební kolona. Tato kolona se také využívá na dopravu těženého nebo vtláčeného média (ropy či plynu). Část těžební kolony bývá opatřena otvory – perforacemi a je případně ovinuta specificky tvarovaným drátem či obsypána hrubým pískem, které vytváří filtr, jež zabraňuje průchodu částic hornin do těžební kolony.

Úhybové a orientované vrtání

Běžně se vrtají vrty se stvoly vertikálními, protože takové vrtání vyžaduje méně prostředků a času. Výhodnější je však často vrtat otvory usměrněné (zakřivené) často i horizontální. Takto je možno dosáhnout ložisek pod nepřístupnými místy (města) nebo těžit jedinou sondou roponosnou vrstvu mocnou jen několik metrů, když se provrtá v ropou sycené části v délce několika set metrů. Ekonomické důvody vrtání usměrněných vrtů nabírají na významu při vrtání z mořských plošin, kdy dochází k tzv. vrtání trsů.

I při vertikálním vrtání dochází k samovolnému zakřivení, které je potřeba usměrňovat vhodnou sestavou vrtních tyčí, zátěžek a centrátorů. Jednodušší, ale časově náročnější způsob usměrňování vrtu je způsob používání klínů. Pro dosažení zakřivení se do vrtu čas od času zapustí tyto ocelové klíny. Při pokračování vrtání dojde k opření vrtacího dláta o tento klín a drcení měkčí horniny pod úklonem z původního směru vrtu.

Rychlost vrtání zakřivených vrtů je pomalejší, neboť je potřeba dopravovat řadu klínů k dosažení určitých zakřivení. Moderní způsoby usměrněného vrtání používají turbinové (ponorné) motory, kde se mezi motor a vrtnou kolonu umístí pevný nebo řízeně pohyblivý mezikus.

Ve válcovém plášti vrtného motoru jer umístěna až několikastupňová turbína. Tu do pohybu uvádí tlak výplachu proudící ve vrtných tyčích . Pomocí ozubeného reduktoru se mění počet otáček vrtného dláta. Při vrtání ponorným motorem se kolona tyčí neotáčí jen se posunuje a otáčí se jen dláto. Snižuje se tak tření a mechanické ztráty při otáčení celé kolony nářadí.

Jádrování

Vrtným nástrojem je jádrovací korunka opatřená trhačem. Korunka má na svých okrajích řezné plochy (např. technickými diamanty, zuby nebo tvrdokovy) a střed je volný, aby se tam mohl vyřezaný válec horniny (jádro) sunout dovnitř vrtní kolony. Při pohybu směrem nářadí vzhůru je jádro zachyceno trhačem a vyneseno s kolonou na povrch, tak s získá vzorek horniny ( „jádro“) pro další zkoumání. Speciálním zařízením je možno vyvrtávat i boční jádra z hornin ve stěně vrtu.

Pažení a cementace

cementace vrtuPažením a cementací se zamezuje vzájemnému spojení (komunikaci) propustných vrstev v různých hloubkách a také otvor ochraňuje proti zavalení stěn. Zapažený a zacementovaný vrt umožňuje hloubení hlubších částí nebo další dlouhodobé využití vrtu.

Pažnice se zapouštějí a sešroubovávají a po jejich usazení se prostor mezi trubkou a horninou zacementuje. Cementační směs se načerpává do vrtu cementačním agregátem. Před zapouštěním pažnic do vrtu se otvor musí prošablonovat přibíracím nářadím (rozšiřovač, při-bírač) a propláchnout. Pažnicové kolony jsou zpravidla zapaženy až po ústí vrtu, ale se používají tzv. linery – ztracené kolony, která překrývají patu poslední pažnicové kolony asi jen o 100m.

Při pažení se na vnější povrch pažnicových rour montují vodítka–centrátory, které udržují pažnice tak, aby mezi pažnicemi a stěnou vrtu zůstávala co nejrovnoměrnější mezera. Další částí pažnicové kolony je pata (vodící zaoblený betonový nátrubek ke snazšímu zavádění kolony pažnic do vrtu, zpětný ventil, který je montován nad patou a brání náratu cementové suspenze při tuhnutí a nárazová deska montovaná nad zpětným ventilem, která slouží k zastavení cementační zátky (mechanické oddělení cementové suspense a výplachu) při ukončení cementace.

Po vyplnění mezikruží musí během cementační přestávky cementová suspenze utuhnout. Na závěr se provádí kontrola hermetičnosti kolony. Cementaci ve vrtu je možno provádět vícestupňově, oknem s použitím cementační objímky a zapažnicového pakru.

Karotážní měření

karotážní křivky a jejich interpretaceSlouží k zjišťování typu provrtaných vrstev a jejich nasycení. Měření probíhá tak, že se pomocí vrátku zapustí do vrtu karotážní sonda a geofyzikální měření je zaznamenáno formou křivek. Slouží k určování geologických profilu vrtu a dále k získání některých údajů o technickém stavu vrtu. Principy jednotlivých karotážních metod jsou většinou obdobou pozemních geofyzikálních metod.

Nejrozšířenější je elektrická karotáž, následují radioaktivní a akustické metody. Určuje se litologicky profil vrtu, kolektorské vlastnosti jako je jílovitost, pórovitost, popřípadě propustnost a v naftově geologickém průzkumu nasycení uhlovodíky. Pro technické účely se provádí řada geofyzikálních měření jako inklinometrie pro zjištění zakřivení vrtu, kavernometrie pro určení průměru vrtu, teplotní a akustická měření pro zjištění hlavy a kvality cementu atd.

Geofyzikální práce ve vrtech rovněž zahrnují odběr vzorků hornin ze stěn vrtu, perforování pažnic a torpedování vrtu.

Sledování úlomků horniny

Jedním z účinných nástrojů k určení přítomnosti uhlovodíků ve vrtu je právě sledování úlomků horniny, které vznikají při vrtání a jsou vynášeny výplachovou kapalinou na povrch. Technici geologické laboratoře „Geoservisu“ trpělivě sbírají vrtné úlomky na vibračních sítech a zkoumají je jednak pod mikroskopem, jednak je pozorují ve světle ultrafialové lampy (při tomto světle úlomky, obsahující v pórech přírodní uhlovodíky, specifickým způsobem září (ultrafialové světlo vyvolává luminiscenci přírodních uhlovodíků). V této mobilní laboratoři, která je umístěna na vrtu se pak zapisují další detailní informace o průběhu vrtání a poměrů ve vrtu stejně jako vyšetřování obsahu plynných uhlovodíků v odplynu z výplachu.

Havárie vrtů

  • Tlakový projev (erupce), který se nedá zvládnout protierupční armaturou namontovanou na ústí vrtu je vážnou havárií, zejména je-li doprovázena výbuchem či požárem. Zmáhání takových havárií je složité. Především je nutné zastavení nekontrolovaného výtoku média z vrtu a dosáhnout možnost proplachovat vrt a zaplnit těžkým výplachem (umrtvení sondy).
  • Při havárii vrtních dlát dochází k narušení celistvosti vrtního nástroje (dláta, korunky) – dochází k rozlomení válečku, ramena, případně uvolnění celého dláta. Havárie se likviduje použitím – magnetu, pavouka, jádrovnice, mechanického chytače, frézy, kalovky, apod.
  • Při uvíznutí vrtního nářadí ve vrtu se používají havarijní nůžky (pružné tyče způsobující otřesy), olejové výplachy, rozpojení nářadí (torpédování), apod.
  • Likvidace havárie při karotážním měření je vedena snahou zachránit zařízení vysoké hodnoty. Používá se speciálních chytačů – pavouk či harpuna (namotání lana).
  • Vrtání úhybů je poslední možností likvidace jakékoliv havárie, která neumožňuje v pokračování prací v původním vrtu. Technologie úhybu zahrnuje postavení cementového mostku nad nepřekonatelnou překážkou „fish“ a zavrtání nového vrtu . Na zavrtání úhybu se používaly tzv. úhybové klíny a v současnosti speciální ponorné motory. Usměrněných vrtů se dále používá k umrtvení vedlejších vrtů s erupcí.

Vrtné plošiny a vrtání na moři

Vrtání na moři se rozvíjí zejména v posledních desetiletích. Na počátku se vrtalo na plošinách, které byly umístěny ve velmi mělkém pobřežním pásmu moře. Nejčastěji se pro vrtání využívají tzv. šelfové oblasti moře, což je část moře o hloubce přibližně mezi 200 – 400 metry pod mořskou hladinou.

vrtání na moři
vrtání na moři

Vrtné plošiny jsou umístěny na 3 – 5 pilířích (ocelové, betonové), nad hladinou tak vysoko, aby odolaly i vysokým vlnám. Na vrtné plošině je vrtná věž, sklady s trubkami, vrtacími dláty, chemikáliemi pro výplach, pohonnými hmotami apod. dále je zde ubytování pro obsluhu, pro jejich stravování i zábavu, protože se pracuje obvykle ve 14-denních turnusech (několik měsíců – často 6-měsíční). Navíc vrtné plošiny bývají umístěny i několik desítek kilometrů od pobřeží. Součástí vrtné plošiny je i heliport pro přistávání vrtulníků.

Kontakty


Vysoká škola
chemicko-technologická
Technická 5
166 28 Praha 6 - Dejvice

Ústav technologie ropy a alternativních paliv
Ing. Daniel Maxa, Ph.D.
daniel.maxa@vscht.cz
Odborný garant

Odborným garantem tohoto portálu je Česká národní rada světové rady pro ropu (WPC). Česká národní rada reprezentuje Českou republiku ve Světové radě pro ropu.

WPC


Světová rada pro ropu (World Petroleum Council – WPC) je mezinárodní nevládní organizace, jejíž cílem je prosazování využití vědeckého pokroku, přenosu technologií a posuzování ekonomických, finančních, environmentálních a sociálních vlivů na využívání ropy. Více informací...

Odběr novinek


Přihlásit k odběru novinek
Partner projektu

ČESKÁ RAFINÉRSKÁ, a.s.

ČESKÁ RAFINÉRSKÁ, a.s.

ČESKÁ RAFINÉRSKÁ, a.s., Litvínov je největším zpracovatelem ropy a výrobcem ropných produktů v České republice. Provozuje rafinérie ropy v Litvínově a Kralupech nad Vltavou. Byla založena 28. dubna 1995. Česká rafinérská je společným podnikem Unipetrolu a renomovaných zahraničních společností Eni a Shell. Více informací...