Technika a technologie hlubinného vrtání

Proplach vrtu

Pojmem proplach vrtu rozumíme činnost zajišťující cirkulaci výplachu vrtem. Tekutiny, které pro výplach používáme, jsou velmi různé, mají různé vlastnosti a různé účinky. Proto se musíme zabývat nejen otázkami98oplachové hydrauliky, ale i fyzikálně chemickými vlastnostmi a funkcemi výplachu ve vrtu.

1 Funkce výplachu ve vrtu

Funkce výplachu ve vrtu lze schematizovat do těchto bodů:

1. Čištění čelby vrtu a vynášení vrtné drti.
2. Chlazení a mazání vrtného nástroje.
3. Čištění vrtného nástroje.
4. Spolupráce výplachu při rozpojování hornin.
5. Kompenzace vrstevního tlaku tekutin působením hydrostatického tlaku sloupce výplachové kapaliny.
6. Ochrana vrtu před usazováním pevných částic.
7. Ochrana stěn vrtu před jejich borcením.
8. Působí svým nadlehčovacím účinkem na všechna nářadí a zařízení zapouštěná do vrtu.
9. Je pohonným médiem ve vrtu, například pro pohon vrtné turbíny, ovládání hydraulických přibíráků, řezačů pažnic, bočních jádrováků ap.
10. 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 ap.

Pro úspěšnou práci vrtné kolony ve vrtu musí být, pokud jde o proplach, vytvořeny ty nejpříhodnější podmínky, které závisí na těchto faktorech:

1. volbě vhodného druhu proplachu (přímý, nepřímý ap.),
2. volbě vhodného druhu výplachu (kapalný, pěnový, plynný),
3. volbě vhodné jakosti výplachu (čirý, hustý, jílový ap.),
4. stanovení vhodného průtoku výplachu vrtem.

2 Typy proplachu vrtu

Hydraulika proplachu je odvětví obecné hydrauliky, které se zabývá řešením proudění výplachu proplachovým systémem vrtné soupravy, a to jak z hlediska tokových vlastností výplachu, tak z hlediska tvaru, rozměrů a stavu jednotlivých částí proplachového systému.

Současný stav proplachové techniky je schematicky uveden v tabulce č. 1 a na obr. 1. Je sestaven z těchto hledisek:

1. do jaké míry je vrt naplněn výplachem,
2. zda tento výplach vrtem cirkuluje,
3. zda je tato cirkulace úplná nebo částečná,
4. který směrem cirkulace probíhá.

Nejstarším druhem proplachu je způsob používaný u lanového vrtání, označovaný jako vrtání "nasucho" (obr. 1-2). Pro velké nebezpečí výronů z vrtu byl později zvýšen sloupec výplachu až po ústí vrtu a tento způsob označen jako vrtání v "mrtvé vodě" (obr. 1-1).

Přímá cirkulace má tři varianty proplachu:

• přímý proplach s uzavřeným oběhem (obr. 1-3), kdy alespoň část výplachu vháněného do vrtné kolony vytéká ústím z vrtu ven,
• přímý proplach s otevřeným oběhem (obr. 1-4a), kdy se celé množství výplachu po cestě mezikružím vzhůru ztratí v terénu,
• přímý proplach se zkráceným oběhem (obr. 1-4b), kdy je nad vrtným nástrojem umístěno ponorné výplachové čerpadlo, které vytváří jen místní cirkulaci výplachu a horní část sloupce výplachu je v poměrném klidu.

Nepřímý proplach má dvě varianty proplachu:

• nepřímý proplach s uzavřeným oběhem (obr. 1-5), kdy alespoň část do vrtu vháněného výplachu vytéká kolonou ven,
• nepřímý proplach se zkráceným oběhem (obr. 1-6).

Každý cirkulační systém má dvě větve: sestupnou větev, kterou proudí výplach k čelbě vrtu a výstupnou větev, proudící od čelby vzhůru a unášející sebou horninovou drť. Sestupná větev cirkulačního systému je zajímavá z hlediska dosahovaných rychlostí a odporů proudění, výstupní větev pak z hlediska vynášení vrtné drti, vymílání stěn vrtu, úniku výplachu do terénu ap.

Každý z obou druhů proplachů má z tohoto hlediska své přednosti a nedostatky. Nepřímý proplach má lepší vynášecí schopnost vlivem vysokých vzestupných rychlostí uvnitř vrtné kolony a s ní souvisí i lepší kvalita výplachového vzorku a tím geologické informace. Je však technicky náročnější, nepoužívá viskózních jílových výplachů a je nepoužitelný v terénech s únikem výplachu a s přítomností tlakových vrstev. Přímý proplach je technicky jednodušší a přizpůsobivější a proto také používanější.

Pro plnění funkcí výplachu ve vrtu se užívá řady fyzikálně chemických vlastností výplachu, o kterých bude pojednáno v dalších částech této kapitoly. Pro řešení proudění výplachu proplachovým systémem vrtné soupravy, a tedy hydrauliky proplachu, je nutná znalost především tokových – reologických vlastností výplachu.

3 Reologické vlastnosti výplachu ve vztahu hydraulice vrtu

Výplachová kapalina v systému spojitých nádob představovaných vrtem a do něho zapouštěnou vrtnou kolonou se uvádí do pohybu rozdílem tlaků na jeho koncích. Tento rozdíl tlaků vyvozují výplachová čerpadla. Hodnota tohoto tlakového rozdílu závisí jednak na geometrii celkového cirkulačního okruhu (zejména délce a průtočné ploše) a jednak na samotných vlastnostech výplachové kapaliny a typu jejího toku. V souladu s praktickým uplatňováním prvků moderní vrtné technologie, zejména rotarového vrtání, jako je používání tryskových vrtných nástrojů a rychlostního vrtání, je žádoucí, aby podstatná část tohoto tlakového spádu byla využívána právě na čelbě vrtu. To znamená, že použití vysokých hodnot mechanického výkonu při rozpojování hornin musí odpovídat i příslušná úroveň hodnot hydraulického výkonu na čelbě vrtu pro splnění podmínky efektivního hloubení vrtu.

Z výše uvedeného tedy vyplývá, že optimální účinek proplachového média je definován maximální bezpečností s minimální hustotou, nízkou viskozitou, minimálním obsahem pevné fáze a minimální filtrací, přičemž jeho tokové vlastnosti musí odpovídat skutečným vrtně technologickým podmínkám a požadavkům na vrt kladeným.

Tokové neboli reologické vlastnosti výplachových kapalin jsou definovány jako vlastnosti, které charakterizují tok kapaliny a jejichž dominantní úlohou je zajišťovat přenos hydraulické energie při procesu rozpojování hornin s minimálními ztrátami tak, aby byl zajištěn efektivní průběh hloubení vrtu.

3.1 Základní pojmy a rovnice pro tok kapalin

3 Reologické vlastnosti výplachu ve vztahu hydraulice vrtu

Hmotná tělesa se účinkem síly deformují a to buď elasticky, nebo plasticky. U kapalin je obvyklá tzv. viskózní deformace neboli tok. Pro popis toku kapalin je nutné definovat základní proměnné, a to:

• smykovou rychlost (rychlost smykové deformace) D,
• smykové (tečné) napětí τ.

K tomuto účelu je vhodné představit si tekoucí kapalinu rozdělenou na nekonečně tenké vrstvy, pohybující se různou rychlostí, tak jak je znázorněno na obr. 2. Nejnižší rychlost mají vrstvy u stěny trubky. Dvě sousední vrstvy se při proudění navzájem ovlivňují – rychlejší vrstva se brzdí o pomalejší a naopak.

Smykové napětí (τ) je síla tření F (N) mezi dvěma vrstvami proudící kapaliny, vztažené na plošnou jednotku vrstvy

kde A – plocha styku obou vrstev (m²).

Je to vektor, jehož velikost se mění se vzdáleností od obtékané stěny.

Smyková rychlost (D) je rovna rozdílu rychlostí obou sousedních vrstev, děleného tloušťkou vrstvy. Použijeme-li diferenciální zápis, platí pro tok ve směru osy (x):

kde posuvná rychlost vrstvy (v) je rovna:

Vzájemný vztah obou veličin (τ a D) charakterizuje jednotlivé typy kapalin z reologického hlediska. Podléhá-li tento vztah Newtonovu zákonu, jedná se o tzv. kapaliny newtonské, v opačném případě o tzv. kapaliny nenewtonské.

Kapaliny newtonské

Vzájemný vztah veličin (τ a D) je pro laminární tok mnoha kapalin definován Newtonovou rovnicí

kde η - dynamická viskozita nebo pouze viskozita (Pa·s).

Je to látková konstanta. Její hodnota úzce souvisí s molekulární stavbou kapaliny. Kapalina s vyšší hodnotou (η) je méně tekutá. Velikost viskozity závisí pouze na teplotě a tlaku. Grafický průběh závislosti je na obr. 3. Typickým příkladem newtonské kapaliny je voda. Její tokové vlastnosti charakterizuje tedy pouze viskozita.

Kapaliny nenewtonské

Kapaliny, mající jinou tokovou křivku než kapaliny newtonské, což je způsobeno měnícím se poměrem mezi veličinami (τ a D), se nazývají kapaliny nenewtonské. Dělí se na:

• časově nezávislé:
  1. dilatantní,
  2. pseudoplastické,
  3. plastické;
• časově závislé.

Grafický průběh sledovaných závislostí je uveden na obr. 4.

Dilatantní kapaliny tvoří nejméně početnou skupinu nenewtonských kapalin. Patří mezi ně například vodné suspenze některých křemičitanů.

Pseudoplastické kapaliny tvoří největší část nenewtonských kapalin. Pro tyto kapaliny je charakteristické, že sklon křivky (zdánlivá viskozita) s rostoucím napětím klesá. Do této skupiny patří zejména roztoky a taveniny polymerů, roztoky mýdel, některá mazadla, zředěné suspenze a další. Tok těchto kapalin je vyjadřován tzv. silovým zákonem (power law) a k jeho matematickému popisu je využíváno rovnice Ostwald de Waeleho:

kde K - koeficient konzistence (Pa·sⁿ),

n - index toku.

Pro tyto kapaliny platí, že (η) již není konstanta jako u newtonských kapalin a je nahrazena proměnným koeficientem konzistence – (K). Dále je pro ně charakteristické, že smyková rychlost (D) je umocněna. Proto se těmto kapalinám říká také kapaliny mocninové, rovnice je pak nazývána mocninovým modelem. Vzrůstá-li napětí nad všechny meze, blíží se zdánlivá viskozita (_z)

ke konstantní hodnotě tzv. limitní viskozity (η_ω). Pro stanovení reologických parametrů (K, n) je vhodné rovnici logaritmovat, čímž obdržíme rovnici přímky ve tvaru:

která vytíná na ose (τ) úsek (log K) a má směrnici (n).

Silový model, vyjádřený vztahem (5) dává nejlepší výsledky v oblasti nízkých a středních smykových rychlostí, ale v oblasti vysokých smykových rychlostí je jeho použití horší v důsledku zploštění tokové křivky. Hodnoty reologických parametrů lze stanovit na základě měření na rotačních viskozimetrech s více rychlostmi, tj. například typ Fann – VG-35, pro který platí vztahy:

kde T₆₀₀ – čtení na stupnici viskozimetru Fann – VG-35 při 600 ot/min,

T₃₀₀ – čtení na stupnici viskozimetru Fann – VG-35 při 300 ot/min.

Plastické kapaliny

Podle četnosti výskytu je tato skupina druhou v pořadí. Pro tyto kapaliny je charakteristické, že k růstu smykové rychlosti dochází až po překročení jisté nenulové hodnoty smykového napětí, nejčastěji nazývané mez toku (τ₀). Pro popis toku těchto kapalin se používá rovnice Binghamova:

kde τ₀ – počáteční smykové napětí – mez toku (yield point) (Pa),

η_p – plastická viskozita (Pa·s).

Tento Binghamův model platí zvláště v oblasti laminárního toku. Charakteristické je zvláštní chování těchto kapalin při nízkých smykových napětích, tzv. pístový tok. V místech, kde je τ > τ₀ (při stěně trubky), kapalina teče. Zbytek kapaliny blíže středu trubky, kde τ ≤ τ₀ se pohybuje jako tuhý píst. Do této skupiny patří většina hustých jílových výplachových suspenzí, průmyslové kaly, kašovité suspenze křídy, vápna ap. Při měření reálné plastické kapaliny získáme poněkud odlišnou křivku, znázorněnou na obr. 4. V praxi využíváme její přímkové části o rovnici

Stanovení reologických parametrů (τ₀ , η_p) je možné také provést pomocí rotačního viskozimetru Fann – VG-35 podle vztahů:

Pro převod jednotek platí:

• cP = 10^-3 Pa·s
• lb·100 ft^-2 = 0,479 Pa

3.2 Typy toku výplachu

Při analýze hydrauliky vrtného výplachu hraje vedle stanovení typu proplachové kapaliny rovněž významnou roli klasifikace jejich tokových typů. Zvyšování rychlosti cirkulace kapaliny při turbulentním toku bude vyžadovat více energie než podobné zvýšení rychlosti cirkulace při toku laminárním téže kapaliny.

Laminární režim proudění nastává tehdy, jestliže všechny částice kapaliny proudí přímočaře a paralelně s osou trubky. Tento jev je schematicky znázorněn na obr. 2. Ve středu toku se nekonečně tenké vrstvy pohybují rychleji než na stěně vrtu. Laminární proudění je typické pro tok výplachu v mezikruží. Jestliže vzroste rychlost, změní se proudění z paralelního klouzání na vířivý pohyb – turbulentní režim proudění.

Při turbulentním proudění dochází v kapalině k tvorbě nesčetných vírů a částice kapaliny se začnou pohybovat nahodile, chaoticky. Turbulentní proudění je typické pro tok ve vrtných trubkách. Pro stanovení, zda kapaliny proudí laminárně či turbulentně, je nutné znát typ kapaliny.

Typ proudění u newtonských kapalin lze stanovit výpočtem tzv. Reynoldsova čísla (Re). Ve většině literárních zdrojů se uvádí, že hodnota Re = 2 000 a menší poukazuje na laminární tok, hodnoty mezi 2 000 – 4 000 určují přechodový režim mezi prouděním laminárním a turbulentním a hodnoty Reynoldsova čísla nad 4 000 indikují turbulentní tok.

Reynoldsovo číslo je bezrozměrné a je definováno vztahem

kde

• d - průměr potrubí – vrtné trubky, průměr mezikruží (m),
• v - vzestupná rychlost proudění kapaliny (m·s^-1),
• γ - hustota kapaliny (kg·m^-3),
• η - dynamická viskozita (Pa·s).

Vzhledem k tomu, že husté vrtné výplachy patří mezi nenewtonské kapaliny a jejich chování lze popsat a vystihnout v základním přístupu Binghamovským plastickým modelem, bude klasifikace toků nenewtonských kapalin provedena na tomto příkladě. Jak je vidět z obr. 5, procházejí vrtné výplachy, cirkulující ve vrtu, několika stadii:

1. stadium se vyznačuje tím, že k proudění prakticky ještě nedochází. Tlak působící na výplach ještě nestačí k tomu, aby došlo k proudění či překonání fyzikálně chemických sil v systému. Maximální hodnota této síly je mez toku, vyznačená bodem A na křivce v obr. 5.
2. stadium nastává tehdy, překročí-li se mez toku a tlak je dostatečný k tomu, aby se kapalina počala pohybovat podobně jako pevná zátka – pístový tok. Tato část proudění odpovídá části AB na křivce v obr. 5.
3. stadium začíná tehdy, je-li tlak dostatečný k tomu, aby se kapalina začala pohybovat různou rychlostí (diferenciální). Diference je způsobena třením kapaliny v okolí trubek a stěny vrtu a projevuje se vyšší rychlostí ve střední části mezikruží. Toto stadium reprezentuje část BC křivky na obr. 5. Proudění kapaliny se v tomto režimu toku podobá jednotlivým teleskopickým vrstvám pohybující se kapaliny. Kapalina prochází přechodovým režimem proudění, od proudění pístového (viskózního) k proudění laminárnímu (přímočarému).
4. stadium nastává tehdy, zvýší-li se tlak a rychlostní profil pohybující se kapaliny se stává rychlejším ve střední části mezikruží, takže rychlostní profil toku se mění z plochého tvaru na parabolický. Tímto čtvrtým stadiem je laminární tok a na křivce na obr. 5 je vyznačeno lineárním průběhem, který je ohraničen body C a D.
5. stadiem, konečným, je tok turbulentní. Nastává tak, že při dalším zvyšování rychlosti proudění částice kapaliny začnou vybočovat ze svých rovnoběžných drah, začnou se promíchávat a rozviřovat. Toto stadium se na křivce na obr. 5 nachází za bodem D a vyznačuje se plochým rychlostním profilem.

Vrtný výplach může být ve vrtu v libovolném z uvedených režimů proudění. Rovněž kapalina může být v různých místech ve vrtu současně v různých stadiích proudění.

Protože nenewtonské kapaliny nemají absolutní viskozitu, výpočet Reynoldsova čísla není platným prostředkem ke stanovení typu jejich proudění. Tokový typ výplachu lze v tomto případě určit porovnáním skutečné rychlosti proudění s kritickou rychlostí proudění.

Skutečná rychlost proudění je dána vztahem:

kde

• v_sk – skutečná rychlost proudění výplachu (m·s^-1),
• Q – skutečná litráž protékajícího výplachu (m³·s^-1),
• F – plocha průtočného profilu (m²)

Pro trubky je F = 0,785·d², pro mezikruží F = 0,785·(D_v² – D_t²),

kde

• d – vnitřní průměr vrtných trubek (m),
• D_v – průměr vrtu (m),
• D_t – vnější průměr vrtných trubek (m).

Kritická rychlost proudění vrtného výplachu je taková rychlost, při které nastává přechod z jednoho tokového typu do druhého. To znamená, je-li skutečná rychlost proudění výplachu vyšší než hodnota kritické rychlosti, nachází se výplach v turbulentním toku. Naopak, je-li skutečná rychlost proudění výplachu menší nebo rovna kritické rychlosti, jedná se o tokový typ laminární. Kritickou rychlost proudění vrtné suspenze mezikružím pro případ plastické kapaliny určíme ze vztahu:

kde v_k – kritická rychlost proudění (m·s^-1).

Pro pseudoplastickou kapalinu a mocninový model lze kritickou rychlost určit ze vztahu:

3.3 Hydraulické odpory v cirkulačním systému

Jak již bylo uvedeno, tak k tomu, aby určité množství proplachové kapaliny proudilo cirkulačním systémem vrtné soupravy, je nutné proplachovým agregátem vynaložit určitý tlak, který bude ve směru proudění postupně klesat. Konečně ve vztazích pro objemový průtok je vždy parametr tlakového spádu (p) uveden. Třením proudící kapaliny se uvolňuje energie, jež se vyjadřuje jako ztráta cirkulačního tlaku nebo hydraulické odpory. Jsou přímo úměrné délce potrubního systému. Při konstantní rychlosti proudění tekutiny narůstají hydraulické odpory se zmenšujícím se průměrem trubky. Při konstantní velikosti trubky vzrůstají hydraulické odpory s rostoucí rychlostí proudění tekutiny.

Ve vrtné technologii jsou zkoumány hydraulické odpory vzhledem k příslušnému potrubnímu systému, tj. k cirkulačnímu systému vrtné soupravy. V tomto cirkulačním systému je tlak vyvozován (nebo hydraulické odpory překonávány) výplachovými čerpadly, výjimečně kompresory. Hydraulické odpory prakticky existují od výtlaku čerpadla dále ve směru, jímž výplach proudí. Čím větší je hloubka vrtu, tím větší cirkulační tlak musí čerpadlo vyvíjet. Cirkulační tlak je dán souhrnem hydraulických odporů v jednotlivých částech cirkulačního systému, jimiž výplach protéká od výplachového čerpadla až k ústí vrtu. Jsou to:

1. hydraulické odpory v povrchovém zařízení, tzv. manifoldu, zahrnujícím výtlačné výplachové potrubí, výplachovou hadici, výplachovou hlavu a unášecí trubku,
2. hydraulické odpory ve vrtných trubkách a jejich spojkách,
3. hydraulické odpory v zátěžkách,
4. hydraulické odpory ve vrtném nástroji, resp. v tryskách vrtného dláta,
5. hydraulické odpory v mezikruží mezi stěnou vrtu a zátěžkami,
6. hydraulické odpory v mezikruží mezi stěnou vrtu a vrtnými trubkami.

Souhrnně lze tedy napsat, že:

kde

• p – celkový cirkulační tlak (Pa),
• p₁-p₆ – jednotlivé hydraulické odpory podle výše uvedeného schématu.

Již z uvedeného charakteru proudění vyplývá, že velikost hydraulických odporů bude jiná při laminárním nebo při turbulentním proudění. Podle toho se mění i význam vlivu jednotlivých reologických činitelů. Turbulentní proudění existuje v povrchovém zařízení, uvnitř vrtných trubek a v tryskách vrtného dláta. V mezikruží může být výplach jak v turbulentním, tak i v laminárním proudění.

Základními parametry, které ovlivňují velikost hydraulických odporů, jsou průtočné množství výplachu a reologické vlastnosti výplachu, zjišťované laboratorním nebo provozním výzkumem.

Celková hodnota cirkulačního tlaku (p) je pak potřebná pro určení hydraulického výkonu výplachového čerpadla podle vztahu:

kde

• N_h - hydraulický výkon (W),
• β - objemová účinnost čerpadla.

3.4 Hydraulika proplachu vrtu

Výpočet hydrauliky ve vrtu směřuje k jednomu cíli – dokonalé čištění čelby vrtu od vrtné drti a její úplný výnos na povrch. Pro tento záměr je nutné stanovit:

• celkové množství protékající výplachové kapaliny (průtočné množství výplachu, objemový průtok Q (m³·s^-1)), zabezpečující dostatečnou vzestupnou rychlost výplachu v mezikruží pro výnos vrtné drti,
• celkový cirkulační tlak p (Pa), který zajišťuje cirkulaci příslušného průtočného množství výplachu Q (pro danou rychlost proudění výplachu v mezikruží) cirkulačním systémem vrtné soupravy a který je dán součtem všech hydraulických odporů v jednotlivých částech tohoto cirkulačního systému,
• na základě určení předchozích dvou parametrů pak stanovení celkového hydraulického výkonu N_h (W) proplachového agregátu – výplachového čerpadla pro konečné podmínky části vrtu nebo celého vrtu.

Hydraulický výkon je konstantní hodnota pro dané výplachové čerpadlo, která umožňuje stanovit pro konkrétní podmínky příslušnou kombinaci parametrů Q a p. Je to hodnota teoretická, tabulková, ke které se skutečná, maximálně provozně přípustná hodnota hydraulického odporu pouze přibližuje a to prostřednictvím koeficientu objemové účinnosti čerpadla (β) – podle vztahu (18), který vyjadřuje stupeň plnění válců výplachového čerpadla, těsnost jeho hydraulické části či opotřebení pístů ap. Na základě kombinace těchto různých vlivů, pohybuje se tento koeficient v poměrně širokém rozmezí od hodnoty 0,95 u nových čerpadel až do téměř 0,6 u čerpadel ve špatném technickém stavu. Tato skutečnost pak významně ovlivňuje například velikost průtočného množství výplachu Q, dodávaného do vrtu a rychlosti proudění v cirkulačním okruhu, které je indikované na základě počtu zdvihů výplachového čerpadla. Z tohoto důvodu je v některých případech požadavek měření objemového průtoku průtokoměry nezbytný.

Avšak ani v případě dobrého technického stavu výplachového čerpadla nebývá dosaženo hodnoty jeho maximálního skutečného hydraulického výkonu. Je to způsobeno omezením:

• hydraulickým – požadavek na určitý typ toku výplachu (např. laminární), který vyplývá v určitou hodnotu vzestupné rychlosti v mezikruží,
• mechanickým – omezený maximální výkon motorů, které pohánějí čerpadla nebo jejich špatný technický stav, který znemožňuje dodržení stálých vysokých hodnot výkonu těchto motorů,
• geologickým – stupeň diageneze hornin, který určuje velikosti jejich štěpících tlaků.

To znamená, že v řadě případů má původní úloha opačné řešení, a to pro daný skutečný hydraulický výkon, pro omezenou nebo zadanou hodnotu parametru Q nebo p, určení parametru druhého ap.

Princip návrhu programu hydrauliky spočívá v tom, aby na povrchu instalovaný hydraulický výkon čerpadla byl využit tak, aby se jeho větší díl dostal na čelbu vrtu. Prakticky to znamená určení dostupné velikosti cirkulačního tlaku na povrchu a hydraulických odporů v cirkulačním systému (mimo trysky) pro požadované průtočné množství výplachu a výběr velikosti trysek. To znamená, že pro daný, maximálně přípustný hydraulický výkon na čerpadle (Q·p) je cirkulační tlak (p) rozdělen tak, že jedna jeho třetina je spotřebována na překonání hydraulických odporů v cirkulačním systému a zbývající dvě třetiny využity v hydraulickém výkonu na dlátě. K výpočtu hydrauliky vrtu se používá známých vztahů, přičemž v současné době je tento výpočet zmechanizován a zjednodušen použitím různých pomůcek, tabulek, grafů a specializované software.

4 Typy výplachů a jejich základní charakteristika

4.1 Klasifikace vrtných výplachů

Dnes již klasické rozdělení vrtných výplachů provádí Pražský, resp. Esterka a na základě jejich fyzikální podstaty je rozděluje do tří hlavních skupin:

1. Výplachy kapalné
   1. čiré (voda, nafta ap.)
   2. husté
      1. vodové výplachy
         1. sladkovodní výplachy
            • jílové výplachy
            • sádrové výplachy
            • vodové emulzní výplachy
            • odlehčené výplachy
            • vápenaté výplachy
         2. slanovodní výplachy
            • solný výplach
            • slané jílové výplachy
            • inhibované výplachy
            • křemičitanové výplachy
      2. olejové výplachy
         1. olejové emulzní výplachy
         2. olejové výplachy
2. Výplachy proplyněné
   1. pěněné výplachy
   2. vzdušněné (aerované) výplachy
   3. pěnové výplachy
3. Výplachy plynné (vzduch, metan, spalné plyny)

Značná variabilita provrtávaných hornin, jejich tektonika, variabilita v chemickém složení pórových médií a jejich hydraulika, typy vrtných souprav a vrtné parametry jsou faktory, které podmiňují použití různých typů výplachů a jejich chemismus. Moderní klasifikace vrtných výplachů používá pro rozdělení výplachových kapalin více kriterií, tudíž přesná klasifikace výplachů by byla velmi obtížná a tak jsou rozděleny zvlášť podle jednotlivých kriterií. Tento přístup je konsistentní s postupy a terminologii přijatými Američan Petroleum Institute (API) a International Association of Drilling Contractors (IADC).

Vrtné výplachy z hlediska dispergované fáze lze členit na:

• výplachy jílové,
• výplachy s minimálním obsahem pevných částic,
• výplachy bezjílové.

Vezme-li se jako kritérium interakce výplachu s provrtávanou horninou, lze výplachy členit na:

• výplachy disperzní,
• výplachy nedisperzní.

Vezme-li se faktor disperzního prostředí, potom je možné členit výplachy na:

• výplachy připravené na bázi vodné a přímých emulzí,
• výplachy na bázi olejové a inverzních emulzí.

Je-li kritériem posuzování typu výplachu jeho chemismus, lze výplachy členit na:

• výplachy na sladkovodní bázi,
• výplachy slané,
• výplachy na bázi minerálních solí,
• výplachy vápenaté,
• výplachy sádrovcové,
• výplachy polymerové,
• výplachy osmotické.
• výplachy osmoticko-polymerové,
• výplachy draselné,
• výplachy olejové a inverzně emulzní.

Z předložených alternativ členění výplachů je zřejmá značná variabilita a záleží především na účelu, pro který se hloubení vrtu provádí.

4.2 Druhy vrtných výplachů

Výplachy vodné

Voda jakožto vrtné médium se jeví vhodným výplachem především při vrtání stabilních soudržných hornin. S použitím samotné vody jakožto vrtného média se setkáváme při vysokoobrátkovém diamantovém vrtání a hloubení hydrogeologických vrtů i studní na vodu. Předností vody jako vrtného média jsou nízké náklady, minimální toxicita, minimální kolmatační účinek na horninu. Jejím nedostatkem jsou nízké mazací schopnosti (což je velkým nedostatkem při vysokoobrátkovém vrtání s těsnou kolonou), ztráty při hloubení porézních, puklinatých či trhlinovitých hornin, negativní ovlivnění stability stěny vrtu při hloubení jílovitých, trhlinovitých či tektonicky narušených hornin, nestmelených písků, kuřavek ap., zhoršená čisticí a vynášecí schopnost, nedostatečný protitlak na stěnu vrtu při hloubení v horninách s přetlakovými médii. Z těchto vážných důvodů je použití samotné vody při vrtání velmi sporadické.

Výplachy jílové

Jílové výplachy představují složitou heterogenní koloidní soustavu, obsahující dispergovaný jíl a zatěžkávadla, rozpuštěné organické polymery, minerální soli a emulgované oleje a mazací přísady.

Při dispergaci jílových hornin ve vodě se uplatňují fyzikálně chemické procesy jako je bobtnání, disociace, iontová výměna a adsorpce. Je zřejmé, že nejlepším jílem pro přípravu výplachu je montmorillonit. Ve výplachové technologii je vžit termín bentonit, což je jílovitá hornina, obsahující především montmorillonit. Přítomné jílovité minerály v bentonitu musí být v Na-formě, pokud tomu tak není, musí se chemickou cestou aktivovat za použití sody. Pro přípravu kvalitních bentonitových výplachů postačí koncentrace jílu 5 – 8 %, zatímco výplach z illitických jílů vyžaduje koncentraci až 30 % jílu. Obsah pevné fáze v jílovém výplachu má však vliv na jeho hustotu. Výplach s vyšší hustotou vyvozuje na vrtanou horninou vyšší hydrostatický tlak, což se projevuje negativně na vrtném postupu.

Je-li obsah dispergované fáze výplachu nižší než cca 5 %, hovoříme o výplaších s minimálním obsahem pevných částic. Jde o moderní typy výplachů z hlediska jejich chemismu i použití. Pro ztekucení jílových výplachů velmi výrazně působí kondenzované fosfáty, a to již v koncentraci od 0,01 %. Úpravu výplachu nutno provádět obezřetně, aby nedošlo k úplnému nabourání meze toku a tixotropie. Ostatní ztekucovadla snižují reologické vlastnosti při koncentraci minimálně 0,05 % a vyšší. Jejich účinnost závisí na typu dispergovaného jílu a vhodnou úpravu výplachu nutno tedy pokusně individuálně stanovit.

Bentonitové výplachy na bázi sladké vody jsou velmi citlivé na kontaminaci s minerálními solemi. V soustavě probíhá flokulace všech částic, neboť minerální soli snižují tloušťku elektrické dvojvrstvy a tím i ochranného vodního obalu kolem jílové částice. Proto dochází ke sbližování částic na vzdálenost, kdy se začínají uplatňovat přitažlivé síly a vytvářejí se agregáty nejdříve typu hrana – plocha a potom následně plocha – plocha. U výplachu se zvyšuje jeho viskozita a především i filtrovatelnost. Koagulační vliv minerálních solí je závislý nejen na jejich koncentraci, ale také na jejich složení. Se vzrůstajícím mocenstvím iontu klesá koncentrace, při které dochází ke koagulaci výplachu a roste hodnota filtrovatelnosti. Organická ztekucovadla zkoagulovaný výplach sice ztekutí (sníží se viskozita vlivem dispergace agregátů), ale nesníží výrazněji filtrovatelnost. Tuto třeba upravit dávkováním organických polymerů, které opět vytvoří ochranný obal kolem dispergovaných agregátů. Typ organického polymeru závisí na složení dispergovaného jílu, minerální soli a účelu použití.

Pokud se při vrtání očekává přítok slaných vod nebo výskyt chemických sedimentů, je lépe výplach upravit organickým polymerem předem. V tomto případě se snižuje i celková spotřeba polymeru a nadto se omezí možnost výskytu potíží při vrtání.

Zvláštním případem jílových výplachů jsou výplachy přirozené neboli nativní. Tyto vznikají samovolně při vrtání jílovitých sedimentů, kdy odvrtávaná hornina je postupně ve výplachu dispergována. Vyznačují se relativně vysokým podílem dispergované fáze (až 30 %). Jejich úpravou chemickými činidly, především ztekucovadly lignitového typu (humitan) nebo kondenzovanými fosfáty (pyrofosfát) nebo Cr-lignosulfonáty (Adisol) a následně organickými polymery pro úpravu filtrovatelnosti lze však zajistit výhodné fyzikálně chemické vlastnosti.

Jílové výplachy, obsahující dispergovaný jíl, ztekucovadlo a ochranný koloid v míře nutné pro zajištění vhodných vlastností, se zařazují do kategorie výplachů disperzivního typu, a to vzhledem k charakteru použitých aditiv. Tyto výplachy při vrtání jílovitých hornin způsobují jejich bobtnání a dispergaci a jsou proto často příčinou potíží ve vrtu (kavernování, závaly ap.). Používají se proto hlavně při vrtání vrstev stabilních nedispergujících hornin.

Výplachy vápenaté

Výplachy vápenaté patří do kategorie nedisperzivních nebo též inhibitivních. Inhibitivní výplachy se vyznačují především stabilizačním účinkem na provrtávané horniny, dále pak i na stěnu vrtu a nadto mnohé z nich mají i příznivé hydraulické vlastnosti. Jejich význam roste zvláště pak při vrtání jílovitých sedimentů, které při styku s výplachem bentonitovým, upravovaným ztekucovadly a ochrannými koloidy, tedy výplachem disperzivním, snadno bobtnají, dispergují a způsobují zahušťování výplachu. V přítomnosti vápenatých výplachů odvrtávaná hornina prakticky nedisperguje, čímž se podstatně snižují náklady na úpravu výplachu a nadto není zapotřebí provádět tak častou jeho kontrolu.

Vápenaté výplachy, jako ostatně téměř všechny inhibitivní výplachy, jsou programově zkoagulovány vápenatými solemi, následně ztekuceny aditivy polyfenolického typu nebo lignosulfonátového typu a konečně stabilizovány ochranným koloidem ze skupiny derivátů celulózy (např. KMC) nebo polysacharidů (např. bobtnavými škroby). Základním koagulátorem sodno-jílového výplachu při jeho převodu na vápenatý je hašené vápno – Ca(OH)₂, CaO nebo cement.

Výplachy sádrovcové

Sádrovcové výplachy se řadí do kategorie inhibitivních samoregulovatelných výplachů. Inhibitivní složkou těchto výplachů je sádrovec CaSO₄·2H₂O, který je ve vodě velmi málo rozpustný. Při úpravě sádrovcem se do výplachu vnášejí i ionty SO, které se vyznačují oproti OH^- vyšším koagulačním účinkem na jílové částice. Sádrovcové výplachy však vyžadují účinnější ztekucovadlo a antifiltranty. Pro regulaci jejich reologických vlastností se používají polyfenolická ztekucovadla nebo chromlignosulfonáty (např. Q-broxin fy Baroid).

Výhodou sádrovcových výplachů je zlepšená možnost jejich zatěžkání při současných nízkých hodnotách reologických vlastností, vysoká odolnost vůči znečištění solí, anhydritem, cementem, vysoká odolnost vůči přítokům slaných vod a vysoká inhibitivní účinnost vůči jílovým nestabilním horninám. Jejich nevýhodou je značné pěnění, zvláště pak při jejich převodu na emulzní typ.

Výplachy slané

Do skupiny slaných výplachů se řadí výplachy, obsahující jakožto disperzní kapalnou fázi vodu mineralizovanou, vodu mořskou nebo nasycenou chloridem sodným. Jde opět o inhibitivní typ výplachu, v němž inhibitivní účinek na odvrtanou horninu a stabilizační účinek na stěnu vrtu zajišťuje přítomnost minerální soli.

Podle koncentrace minerální soli se dělí slané výplachy na:

• nízkomineralizované (do 5 % NaCl, mořská voda),
• středněmineralizované (5 – 10 % NaCl),
• vysoce mineralizované (více jak 10 % NaCl až k nasycenému roztoku, tj. 25 – 30 % NaCl).

Výplachy nízkomineralizované se požívají především při vrtání nadložních a podložních vrstev chemických sedimentů, reprezentovaných vrstvami kamenné soli, anhydritu, sádrovce ap.

Středněmineralizované výplachy slouží při vrtání nestabilních jílovitých břidlic, vápenců, bobtnajících jílů ap.

Vysoce mineralizované výplachy jsou vedle olejových výplachů a inverzních emulzí jedinými možnými výplachy pro vrtání chemických sedimentů.

Slané výplachy našly velkého využití při průzkumech na moři nebo v oblastech s nedostatkem sladké vody. V těchto případech se mořská nebo mineralizovaná voda používá přímo pro přípravu nízkomineralizovaných výplachů. Nežádoucímu přítoku slaných vod lze zabránit zvýšením hustoty výplachu.

Výplachy draselné

Draselné výplachy jsou speciálním typem výplachů slaných. Zařazují se do skupiny osmotických výplachů s maximálním inhibitivním účinkem na vrtný kal a stěnu vrtu. Patří mezi nejmodernější inhibitivní výplachy a svými účinky na horninu se pohybují mezi olejovými nebo inverzně emulzními výplachy a polymerovými výplachy na vodné bázi. U draselných výplachů se využívá specifického flokulačního účinku draselných iontů (K⁺) na jílové břidlice.

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 řadí do kategorie výplachů s minimálním obsahem dispergovaných částic, dále pak výplachů bezjílových a výplachů inhibitivních.

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.

Z hlediska funkce polymerů lze tyto rozdělit do dvou skupin: regulátory viskozity a desaktivátory jílovitých břidlic (flokulanty, adsorbenty). Základem pro zařazení do skupiny je intenzita aniontového charakteru polymeru.

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. Tomsonův efekt. 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 kalu. Hydraulická účinnost polymeru závisí na jeho chemickém složení, molekulové hmotnosti a koncentraci.

Emulzní výplachové systémy

Emulze je heterogenní systém, sestávající ze dvou 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). Emulze se tedy tvoří při intenzivním smíchání svou nemísících se kapalin. Emulgovaná fáze je v systému přítomna ve formě jemných kapiček o průměru 0,001 – 0,1 mm, které jsou termodynamicky nestálé a mají proto snahu se shlukovat do kapiček větších a vydělovat se z emulzního systému (koalescence). Hovoříme v tomto případě o nestabilitě nebo též rozrážení emulzí na základní nemísitelné složky. Při hodnocení stability emulze se nesmí po 24 hodin na jejím povrchu vyloučit vrstvička emulgované fáze.

Ke snazší emulgaci nemísících se kapalin a hlavně pak ke zvýšení stability vzniklých emulzí slouží chemická aditiva, označovaná jako emulgátory. Tato aditiva, obvykle kapalného nebo i pevného skupenství, se skládají z hydrofilní a hydrofobní části, která rozhoduje o jejich vlastnostech. Kapalné emulgátory se přednostně rozpouštějí v jedné z nemísících se kapalin, pevné neboli práškové emulgátory v těchto kapalinách dispergují. Emulgátory se hromadí na styčném povrchu mezi oběma fázemi a snižují výrazně mezifázové napětí na rozhraní voda – olej. Tímto přispívají k tvorbě samotných emulzí a výrazně zvyšují jejich stabilitu.

Jako emulgátory přímých emulzí slouží látky především anionaktivního charakteru (např. alkalické soli alkyl nebo aryl-benzensulfonátů, alkalická mýdla vyšších mastných kyselin) nebo ionogenního charakteru (např. etylenoxidované vyšší mastné alkoholy, kyseliny, triglyceridy, kondenzáty alkyl fenolů a alkylenoxidy ap.). K emulgaci přispívá i jemně dispergovaný jíl ve výplachu (mechanický emulgátor), proto tedy emulgace olejů v jílovém výplachu probíhá snázeji než ve vodě. Také některá z aditiv používaných při úpravě vrtných výplachů přispívají ke zvýšení stability emulzí. Ze ztekucovadel lze jmenovat především lignity a lignosulfonáty, z ochranných polymerů deriváty celulózy a polysacharidy.

Emulzní výplachy tedy podstatnou měrou snižují tření mezi vrtnou kolonou a stěnou vrtu, což má mimořádný význam při hloubení usměrněných, křivých vrtů nebo při vysokoobrátkovém vrtání.

Vlastnosti povrchu jílových částic se vlivem jejich kontaktu s minerálním olejem nebo kapalnými mazacími aditivy mění. Jílové částice se stávají odolnějšími vůči koagulačnímu působení minerálních solí i teploty. Emulzní výplachy jsou tedy termostabilnější a odolnější vůči solím než původní výplachy.

Minerální olej nebo mazací přísady ovlivňují i vlastnosti hornin na stěně vrtu a přispívají k jejich stabilizaci. Dochází proto ke zmenšení četnosti výskytu kaveren a stěna vrtu je stabilizována. Okolnost, že povrch dláta při použití emulzních výplachů se stává smáčitelným pro olej, zabraňuje nalepování plastického jílu na dláto a přispívá tak k jeho efektivnější práci.

Aerizované výplachy

Použití aerizovaných vrtných výplachů je běžná praxe při vrtání ztrátových, kavernózních nebo tektonicky narušených hornin. Podmínky, za kterých je možno tyto aplikovat jsou: tvrdé horniny, nepřítomnost velkých přítoků vody a citlivých břidlic, nedostatek vody pro přípravu výplachu na vodné bázi.

Aerizované výplachy vznikají například vlivem přítoku vody do vrtu, který se hloubí vzduchovým výplachem. Vzduchu jako vrtného média se používá všude tam, kde je zapotřebí dosáhnout maximální rychlosti vrtání. V případě, že se předpokládá slabý přítok vody do vrtu, dávkuje se do proudu vzduchu malý podíl roztoku pěniče, povrchově aktivní látky (PAL), která 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. Z fyzikálně chemického hlediska rozeznáváme pěnu tuhou – gelovitou a pěnu stabilní.

Stabilní pěna je disperze kapaliny a vzduchu, v níž je spojitou fází kapalina (vodný roztok PAL). Ve stabilní pěně musí být zachován určitý poměr mezi kapalinou a vzduchem. Obsah kapalné fáze je optimální 2 – 5 %, maximálně do 10 %. Obsah kapalné fáze je určujícím faktorem vynášecí schopnosti pěny. Je-li obsah kapalné fáze v pěně 2 – 5 %, potom její vynášecí kapacita je minimálně 10x vyšší než samotné vody. Jak dále roste obsah vody v pěně, snižuje se vynášecí schopnost a při cca 10 % kapaliny dochází ke zlomu ve vynášecí kapacitě. Vynášecí schopnost je závislá i na průtoku aerizovaného výplachu vrtem.

Gelovitá pěna se vytváří z jílového výplachu po dodání pěnicí přísady a jeho provzdušnění. Vzniká taktéž vstřikováním jílového výplachu s pěnicí přísadou do proudu vzduchu. Jde opět o pěny stabilní s výraznějšími strukturně mechanickými vlastnostmi. Někdy se setkáváme s označením pěny třífázové.

5 Vlastnosti vrtného výplachu

Pro plnění požadovaných funkcí výplachu je zapotřebí, aby tento vykazoval vhodné fyzikálně chemické a technologické vlastnosti. Pořadí důležitosti jednotlivých vlastností a jejich numerické hodnoty závisí na způsobu vrtání, složení provrtávané horniny, požadavcích geologického průzkumu a chemismu výplachu. Kontrola vlastností výplachu se provádí podle norem, případně se používá usančních metod. Nejznámější je norma API RP-13 B, která zahrnuje prakticky metodiky kontroly velkého počtu vlastností výplachu včetně přístrojů.

5.1 Fyzikálně chemické vlastnosti výplachu

Do kategorie fyzikálně chemických vlastností výplachu zařazujeme vlastnosti reologické, strukturně mechanické a koloidní.

Charakter toku kapaliny určují reologické a hydraulické vlastnosti. Reologické vlastnosti zahrnují viskozitu, zdánlivou viskozitu, plastickou viskozitu a Binghamovu mez toku, hydraulické vlastnosti koeficienty n a K, strukturně mechanické vlastnosti statickou hodnotu meze toku a tixotropii, koloidní vlastnosti filtrovatelnost, tloušťku kůry filtračního kůry, odstoj a stabilitu.

Reologické a strukturně mechanické vlastnosti

Celý soubor výše citovaných vlastností se obvykle při kontrole výplachu na vrtu neměří. Norma předepisuje kontrolu průtokové (zdánlivé) viskozity, a to především nálevkou Marshe (API). Jde o nálevkový viskozimetr, viz schéma na obr. 6. Jako průtoková viskozita se udává čas v s pro průtok určitého objemu výplachu.

Naměřené hodnoty jsou nereprezentativní, závisí především na hustotě výplachu, tixotropii, stupni rozmíchání a jsou tedy hodnotami ryze kontrolními. Marshova nálevka se plní 1,5 l výplachu a měří se výtok 950 ml. Její vodní hodnota je 26 ± 0,5 s.

Celý soubor uvedených reologických a strukturně mechanických vlastností výplachů umožňuje měřit dle normy API rotační viskozimetr FANN VG-35. Jde o šestirychlostní rotační viskozimetr s obrátkami vnějšího válce 3 – 6 – 100 – 200 – 300 – 600 min^-1 (rychlost deformace cca 10 – 51 – 170 – 341 – 511 – 1022 s^-1). Odečtením smykových napětí při jednotlivých rychlostech deformace se získají hodnoty pro sestrojení reologické křivky. Hodnota zdánlivé viskozity v mPas se získá podělením smykového napětí při 600 min^-1 dvěma. Plastická viskozita v mPas je dána rozdílem hodnot smykových napětí při 600 a 300 min^-1. Binghamova mez toku v Pa je dána rozdílem hodnoty smykového napětí při 300 min^-1 a plastické viskozity, násobeným koeficientem 0,4788.

Přehrát video

Koloidní vlastnosti

Koloidní vlastnosti vrtného výplachu jsou určovány stupněm disperzity jílových částic a koncentrací ochranných koloidů. Zahrnují filtrovatelnost, tloušťku filtrační kůry a odstoj.

Filtrovatelnost je měřítkem schopnosti výplachu vázat disperzní prostředí a zabraňovat pronikání filtrátu do horniny.

Měřicí přístroje (filtrpresy) měří filtrovatelnost za statických podmínek, což odpovídá situaci ve vrtu při přerušení cirkulace. Ve skutečnosti výplach ve vrtu cirkuluje, jílová kůra je odplavována, takže výsledná dynamická filtrovatelnost bude vyšší. Hodnota dynamické filtrovatelnosti bude záviset na typu výplachu, rychlosti proudění výplachu v mezikruží, charakteru proudění (laminární, turbulentní) a mechanických vlastnostech kůry filtračního koláče. Pro bentonitový výplach činí koeficient dynamické filtrovatelnosti oproti statické cca 2,1 – 2,8. Tato hodnota nemusí však odpovídat skutečnosti, neboť závisí na modelovém laboratorním zařízení.

Mírou stability výplachu je jeho odstoj za 24 hodin. Určuje se v odměrném válci objemu 100 ml a udává se v objemových %. Kvalitní výplach nemá vykazovat vyšší než 1 objemové %. Vlastní stabilita výplachu se vypočte z rozdílu hustoty horní a spodní části výplachu, ponechaného 24 hodin v klidu v odměrném válci objemu 250 ml. Rozdíl hustoty nemá překročit 20 kg·m^-3.

5.2 Technologické vlastnosti vrtných výplachů

Při studiu vrtných výplachů a jejich kontrole se sleduje celá řada dalších parametrů, které zahrnujeme pod společný název technologické vlastnosti.

Hustota

Hustota výplachu je jedním z nejdůležitějších parametrů, který v komplikovaných podmínkách vrtání rozhoduje o zdárném průběhu vrtných prací. Udává hodnotu hydrostatického tlaku na stěnu vrtu a především na kapalinu v pórech horniny. Vzhledem k důležitosti se provádí měření hustoty přímo na vrtu a je při tom nejčastěji kontrolovaným parametrem.

K měření hustoty se dle normy API používají váhy na výplach. Váhy ukazují hodnotu hustoty přímo vážením konstantního objemu výplachu. Podmínkou pro měření je požadavek citlivosti ± 10 kg·m^-3.

Přehrát video

Obsah písku

Obsah písku je celkové množství odvrtaných úlomků, které se ve výplachu nedispergují. Při vrtání nemá přesáhnout 3 obj. %, při turbinovém vrtání 1 obj. %.

Norma API klasifikuje jako písek částice o rozměrech nad 0,074 mm. Součástí měřicí soupravy je kromě vlastní skleněné nádoby i trychtýřovitá nádobka a válcovitá nádobka opatřená sítkem. Do nádobky se nalije 25 ml výplachu, zředí se na 100 ml, promíchá a přelije přes sítko válcovité nádobky o velikosti ok 0,074 mm. Po propláchnutí sítka se toto otočí a písek se spláchne proudem vody přes trychtýřovitou nádobku do vlastní skleněné měřicí nádobky. Po odsedimentování částic se odečte hodnota písku v objemových %.

Obsah vody, oleje a pevných částic

Obsah jednotlivých heterogenních složek výplachu značnou měrou ovlivňuje ostatní vlastnosti. Pro jejich určení se používá dle normy API destilační přístroj Ministill. Principem metody je destilace 10 ml výplachu v retortě. Obsah vody a oleje se určí přímo v kalibrovaném odměrném válci, obsah pevné fáze se vypočte. Obsahuje-li výplach minerální soli, provede se korekce výpočtu dle jejich koncentrace pomocí tabulek.

pH výplachu

Dispergace jílových částic výplachu, jeho stabilita a účinnost chemických aditiv závisí z velké části na hodnotě pH. Z chemického hlediska rozeznáváme kyselou oblast (pH < 7), neutrální (pH = 7) a alkalickou (pH > 7). pH jílových výplachů je vždy vyšší než 7 a pohybuje se v intervalu 8 – 10.

K orientačnímu měření pH na vrtu používáme indikátorové papírky s dělením po 0,2 pH. Pro přesnější měření slouží elektrometrická metoda za pomoci skleněné elektrody. Měření pH provádíme však vždy u filtrátu výplachu.

Elektrické vlastnosti

Do elektrických vlastností zahrnujeme vodivost výplachu a elektrickou stabilitu emulzí typu voda v oleji. Norma API předepisuje rezistivimetr, udávající odpor výplachu a jeho filtrátu v ohm.metrech.

Mazací vlastnosti

V průběhu vrtného procesu se dostává vrtná kolona do styku se stěnou vrtu, zvláště při usměrněném a vysokoobrátkovém vrtání s těsnou kolonou. Nadto vrtný výplach zajišťuje promazávání dláta a pro zvýšení životnosti je zapotřebí snížit tření mezi dlátem a horninou. V poslední době se věnuje mazacím vlastnostem značná pozornost.

Podle normy API se provádí stanovení mazivosti pomocí dvou přístrojů. Jedním z nich je Lubricity tester. Měřítkem mazacích vlastností je koeficient tření, vztažený ke koeficientu vody a měřený na styku dvou kovových segmentů při otáčkách 60 min^-1 a přítlaku 75 kg. Koeficient tření pro vodu se pohybuje v intervalu 0,34 – 0,36.

Korozní vlastnosti

V posledním období se zjišťuje zvýšený zájem o problematiku korozních vlastností výplachu. Přechod průzkumu do větších hloubek a aplikace nových inhibitivních typů výplachů, toto jsou faktory, zvyšující korozní vlastnosti výplachů.

Norma API předepisuje pro testování koroze kovové kroužky ze stejného materiálu jako vrtné trubky, které se vkládají přímo do závitových spojů vrtné kolony. Doba jejich expozice ve výplachu činí minimálně 40 hodin. Stupeň koroze se určuje vážkově jako úbytek v kg·m^-2.rok^-1, typ koroze vizuálně a mikroskopicky. Norma nepředepisuje metodu pro studium koroze pod napětím nebo vodíkovou křehkost. Pro orientační klasifikaci výplachu z hlediska jeho schopnosti vyvolávat korozi pod napětím nebo vodíkovou křehkost dodává společnost Baroid kovová tělíska, zhotovená z oceli P-105. Na jejich povrchu je mechanicky proveden vrub, v němž se koncentruje lokální napětí. Po vložení tělíska na 24 hodin do zkoušeného výplachu se může nebo nemusí vytvořit v oblasti vrubu trhlina. V případě vzniku trhliny se výplach klasifikuje jako médium s možností vyvolávat korozi pod napětím.

Sorpční kapacita jílovitého podílu výplachu a vrtné drti

Aktivita provrtávaných hornin a dispergované fáze výplachu závisí vedle jejich mineralogického složení taktéž na hodnotě iontové výměny. Z mnoha metod svojí rychlostí, přesností a reprodukovatelností vyniká metoda metylenové modře, předepsaná normou API. Umožňuje studovat jak aktivitu provrtávaných hornin z rozboru vrtných úlomků, tak i aktivitu výplachu. Stanovení není negativně ovlivňováno přítomností aditiv ve výplachu. Hodnota sorpční kapacity závisí na granulometrickém složení vrtné drti, proto pro analýzu se bere frakce 0,04 – 0,06 mm. Sorpční kapacita je dána v miligramekv./100 g horniny nebo sušiny výplachu.

5.3 Chemická analýza filtrátu

Pro kontrolu vlastností výplachu a zjištění příčin koagulace, znehodnocení vlastností výplachu minerálními solemi, kontrolu pH, případně koncentrace chemických aditiv ve výplachu, se provádí analýza jeho filtrátu. Jde o velmi širokou oblast analytických metod, z nichž mnohé jsou specifické a dosud nezahrnuté do norem.

Norma API předepisuje následující analýzy filtrátů:

• stanovení alkality,
• stanovení chloridů,
• stanovení Ca²⁺,
• stanovení CaSO₄.

6 Moderní trendy ve výplachovém hospodářství

Technologie vrtných výplachů a ostatních vrtných kapalin je relativně samostatnou vědní disciplínou a je významnou součástí vrtné technologie. V běžné vrtné praxi je dobře známa funkce vrtného výplachu a jeho chemismu, umožňující v celkovém procesu hloubení geologicko průzkumných či těžebních a jiných technických vrtů, zvládnout mnohé komplikace, které se často vyskytují, zvláště v geologicko-geochemicky náročných komplikovaných podmínkách.

Již delší dobu lze pozorovat významný trend ve výplachovém hospodářství a to stále větší využívání vzduchového a pěnového výplachu. Jeho použití je významné při vrtání mělkých geologických a technických vrtů, zvláště při vrtání studní na vodu a vrtů pro tepelná čerpadla. Zřejmé je jejich rozšíření i na vrtání vrtů hlubších kategorií (až do 1000 m - v závislosti na výkonu kompresorů) v pevných a velmi pevných horninách technologií rotačně-příklepného vrtání s použitím ponorných kladiv s vzduchovým pohonem. V těchto podmínkách je proces hloubení vrtu mnohem efektivnější než s použitím standardního rotačního vrtání valivými dláty.

Při vrtání geologicko průzkumných vrtů jádrových jsou kromě klasické výplachové technologie bentonitových výplachů stále více využívány výplachy polymerové a výplachy s nízkým obsahem pevné fáze. Jsou s výhodou používány v případech úzkého mezikruží a při vyšších hladinách otáček vrtné kolony. V těchto podmínkách je vhodná také aplikace bezjílových výplachů na polymerové bázi

s přísadami emulgovaných mazacích aditiv. V monolitních horninách s nepatrnou trhlinovatostí jsou používány především polymerové výplachy. V horninách středně stabilních se zónami porušení je nutné používat výplachy polymero-bentonitové a osmoticko-polymero-bentonitové.

Jedním ze závažných problémů při vrtání hlubokých vrtů na ropu a zemní plyn v sedimentárních pánvích je provrtávání mocných poloh jílovitých břidlic. Ze všech hornin jsou jílovité břidlice nejcitlivější na chemismus použitého výplachu. Proces jejich nestability je v převážné míře ovlivňován jejich kontaminací s vrtným výplachem. Hlavní složkou jílovité břidlice jsou jílové minerály. Jílovité břidlice vznikají zhutňováním jílovitých sedimentů, při kterém dochází k vytlačování vody. Míra zhutnění je úměrná hloubce ponoření. Tyto horniny ve styku s vodou bobtnají, měknou, rozbřídají se až dispergují. Účinnou zbraní proti jejich nestabilitě je zamezení smáčení těchto jílovitých břidlic, resp. omezení vstupu vody.

Z hlediska volby vhodného výplachu pro hloubení vrtů v jílovitých břidlicích nutno konstatovat, že popisované břidlice jsou velmi citlivé na působení sladké vody. Měkké, rozbředavé břidlice se nejlépe odvrtávají olejovými výplachy nebo inverzními emulzemi s regulovanou salinitou jejich vodné báze. Z výplachů na vodní bázi jsou vhodné inhibitivní výplachy osmoticko – polymerové, především draselného typu s nízkou filtrovatelností nebo při vyšší filtrovatelnosti výplachy slané. Kombinace organických polymerů s minerálními solemi se projevuje velmi pozitivně ve stabilizačním procesu jílovitých břidlic. Makromolekuly polymeru vytvářejí na povrchu jílu jemný povlak působící jako membrána, která snižuje hydrataci břidlic. Avšak polymery nejsou schopny hydrataci zcela zabránit, ale pouze ji zpomalují.

Zvýšená pozornost je stále věnována pracovním a kompletačním kapalinám, souvisejícím s hloubením těžebních vrtů na zemní plyn a ropu a vrtů při budování a údržbě podzemních zásobníků plynu. Tyto kapaliny, které představují koloidně chemické systémy, se uplatňují především při zajišťování řady speciálních operací v provozu těžebních vrtů a tak umožňují řešit často složité a komplikované technologické problémy naftově ložiskového inženýrství.

Mezi pracovní kapaliny se řadí takové systémy kapalin, které umožňují kontrolovat podmínky vrtů, které slouží pro těžbu plynu, ropy či jiných surovin. Představují specializované systémy, které se používají při řešení závažnějších problémů, než při běžném vrtání. Používají se tam, kde se jedná o kontrolu provozně technologických podmínek, sledujících buď předpokládanou, nebo neočekávanou situaci ve vrtu. V tomto případě se vyžaduje, aby kapaliny zajišťovaly:

1. stabilitu stěn vrtu,
2. bezpečné umrtvení vrtu v případě výronu plynu, vody nebo ropy,
3. dobrou výnosovou kapacitu a očištění zájmového obzoru od vrtných nebo jiných nečistot,
4. ochranu produktivního kolektoru před nežádoucí kolmatací,
5. toxickou nezávadnost a ekologickou ochranu životních prostředí.

Jako pracovní kapaliny se používají kapaliny draselného nebo vápenatého typu v kombinaci s povrchově aktivními sloučeninami a organickými polymery z řady polysacharidů nebo derivátů celulózy.

Do kategorie kompletačních kapalin se zahrnují systémy, kterých se používá pro konečné vystrojovací práce na těžebních sondách nebo pro úzce specializované pracovní nebo opravné operace. Prakticky lze převést malou úpravou pracovní kapaliny na kompletační a naopak.

Kompletační kapaliny připravovány především k ochraně produktivních kolektorů, se používají zejména pro následující operace:

1. perforační práce,
2. testování a měření,
3. otvírku těžebních horizontů
4. naplavování protipískových filtrů,
5. štěpení hornin,
6. stimulační operace.

Pro přípravu a použití kompletačních kapalin se vyžadují stejné vlastnosti a kriteria uváděná u pracovních kapalin. Při vhodné úpravě může připravená kompletační kapalina sloužit po dokončení vystrojení vrtu jako kapalina parkovací. U parkovací kapaliny nutno zdůraznit nízké korozní vlastnosti.

Základem kompletačních kapalin jsou vodné roztoky elektrolytů – solanky, dále polymero-elektrolytické systémy, tj. kombinace solanek s makromolekulárními koloidy, které vytvářejí polymery s vysokými strukturně-mechanickými vlastnostmi gelového charakteru, označované jako „polybrine“ a také síťované hydrogely.