Technika a technologie hlubinného vrtání

1. Vrty na ropu, zemní plyn a geotermální energii

1.1 Rozdělení vrtů na ropu a zemní plyn

Vrty na ropu a zemní plyn se v zásadě dělí na tři kategorie:

1. Vyhledávací vrty, které se dále dělí na:
   1. Opěrné vrty, které zjišťují základní geologické a ropo-plyno-geologické údaje v nových, dosud nezkoumaných geologických jednotkách (pánvích).
   2. Strukturně-stratigrafické, které řeší analogické problémy jako vrty opěrné, avšak v řádově nižších geologických jednotkách.
   3. Parametrické, které slouží k zajišťování potřebných hodnot pro interpretaci geofyzikálních, zejména seizmických měření.
   4. Strukturní, které řeší nebo ověřují stavbu vymezené oblasti, jejíž příznivé prvky byly indikovány některou z předcházejících disciplín.
2. Průzkumné vrty, které se dělí na vrty:
   1. Pionýrské, jejichž úkolem je ověření produktivity jednotlivých obzorů na strukturách, zjištěných vyhledávacími pracemi nebo ověření produktivity nových obzorů ve formacích s již zjištěnou ropo-plynonosností.
   2. Sledné, jejichž úkolem je ocenění průmyslového významu zjištěných ropných a plynových ložisek (obzorů), převedení zásob do průmyslových kategorií a získání údajů nutných pro projektování otvírky.
3. Těžební vrty, které se dělí na vrty:
   1. Vlastní těžební vrty na ropu a zemní plyn, zásobníkové vrty.
   2. Vtlačné vrty pro zjištění stálosti ložiskového tlaku a zvýšení vytěžitelnosti vtláčením vody nebo plynu.
   3. Pozorovací vrty, jejichž účelem je především sledování tlaků na ložisku v průběhu jeho otvírky a těžby.
   4. Oceňovací vrty pro zjišťování a ověřování speciálních ložiskových údajů v průběhu těžby ložiska.

V závislosti na členění vrtů, tedy geologickém záměru, se rozlišují určité kategorie technických hledisek při hloubení vrtu. Jsou to zejména:

• rozdílné projektované hloubky a konečný průměr vrtu,
• různé typy vrtných souprav,
• různá složitost konstrukcí vrtů,
• rozdílná volba materiálů, vrtného nářadí a nástrojů,
• rozdílná technologie či způsob vrtání,
• rozdílné vystrojení vrtů a technologie čerpacích pokusů.

Schematické členění cyklu provedení vrtu

Provedení vrtu tvoří určitý uzavřený cyklus prací, prezentovaný těmito etapami:

1. lokalizace vrtu, tj. vytýčení vrtného bodu a určení plochy pro daný typ vrtné soupravy,
2. přípravné práce, tj. úprava terénu pro vrtnou soupravu, stavba základů a šachty, výstavba přístupové cesty, případně stavba elektrické přípojky,
3. montáž vrtné soupravy, montáž veškerého pomocného zařízení a strojovny, vyvrtání šikmého a pomocného otvoru a řídící pažnicové kolony,
4. vlastní hloubení projektovaných intervalů vrtu pro jednotlivé pažnicové kolony, odběry vrtných jader, provádění karotážních měření a čerpacích zkoušek pomocí testerů,
5. izolace vrstev, tj. zapouštění projektovaných pažnicových kolon a provedení jejich cementace, montáž ústí vrtu,
6. osvojení vrtu (čerpací pokusy), tj. perforace pažnic, vyvolání přítoku ložiskového media, výzkum vrtu, předání vrtu do těžby nebo k výzkumným účelům, resp. likvidace vrtu,
7. demontáž vrtné soupravy,
8. likvidační práce, tj. likvidace nebo úprava základů, výplachových kališť, rekultivace okolí vrtu a vrácení pronajatých zemědělských ploch.

1.2 Způsoby hloubení vrtů na ropu, zemní plyn a geotermální vrtů

Vrtání vrtů na ropu, zemní plyn a geotermálních vrtů se provádí:

1. standardním rotarovým způsobem vrtání tj. rotačním plnoprofilovým vrtáním s přímým proplachem:
   1. s pohonem vrtné kolony z povrchu
      • rotačním stolem,
      • posuvnou rotační hlavou – systém „Top Drive“ (obr. 1),
   2. s pohonem ponornými motory;
2. novými speciálními způsoby hloubení vrtů jako jsou:
   1. vrtání s vinutými stupečkami na cívce – systém „Coiled Tubing Drilling“,
   2. vrtání s průběžným pažením – systém „Casing Drilling“,
   3. podrovnovážné vrtání – systém „Underbalanced Drilling“,
   4. technologie expandovatelných trubek – systém „Solid Expandable Tubular“ a některé další.

Vrtání vrtů na ropu a zemní plyn se z hlediska prostorového průběhu stvolu vrtu a způsobu zastižení cílové ložiskové formace provádí:

1. většinou přímými svislými vrty (vrty s odklonem do 2 až 3° ),
2. ale také usměrněnými a úhybovými vrty s definovaným odklonem od svislice až po horizontální vrty.

Usměrněné vrtání se zejména v minulém období provádělo pomocí úhybových klínů, křivých přechodníků, speciálních tryskových dlát apod., a v současnosti nejčastěji ponornými motory, zejména hydrodynamickými

Na rozdíl od ropných a plynových vrtů je u geotermálních vrtů nutné odvrtat pro daný účel dva hluboké vrty, z nichž jeden vrt musí být usměrněný (úhybový), to znamená, že se bude od svislice vrtu odklánět požadovaným směrem. Vystrojování geotermálních vrtů se většinou zakládá na stejném principu (na základě ložiskově – geologických a technicko – technologických podmínek) tak, že dvojice vrtů je vystrojená pažnicovým teleskopem s linerem, který je ve spodní časti perforovaný a stupačkovou kolonou a těžební vrt také ponorným těžebním čerpadlem.

1.3 Vyztužování vrtů na ropu, zemní plyn a geotermální vrtů

Vyztužování vrtů na ropu, zemní plyn a geotermálních vrtů se provádí pažnicovými kolonami a je stanoveno konstrukcí těchto vrtů. Pod pojmem konstrukce vrtu se rozumí soubor údajů o způsobu provedení vrtu. Při jejím řešení se vychází z geologických podmínek a účelu, pro který je vrt projektován.

Práce na konstrukci vrtu vychází z rozboru následujících základních geologických a technicko-ekonomických ukazatelů:

1. geologických podmínek uložení hornin, jejich fyzikálně mechanických vlastností, přítomnosti vrstev obsahujících media, hodnot vrstevních teplot, pórových, horských a štěpících tlaků,
2. účelu vrtu,
3. úrovně techniky a technologie vrtání a dosavadních znalostí o provrtávaném souvrství,
4. způsobu otevření produktivní vrstvy, způsobu a použité techniky pro osvojení vrtu a následného využívání,
5. úrovně kvalifikace vrtného personálu,
6. úrovně materiálně technického zabezpečení.

Základními parametry konstrukce vrtu jsou:

• počet a průměr pažnicových kolon,
• jejich zapuštění,
• průměry vrtných nástrojů pro a pod danou kolonu,
• výška izolačních směsí v mezikruží.

Volba konstrukce vrtu je základní etapou jeho projektování a musí zabezpečit kvalitu provádění vrtu jako dlouhodobého zařízení pro provedení těžby, bez nebezpečí havárií a komplikací jak v průběhu vrtání, tak v průběhu jeho následného využívání. Správné řešení konstrukce vrtu musí zajistit:

1. bezpečné provedení vrtu do projektované hloubky,
2. vhodný způsob otevření produktivních vrstev a jejich těžbu,
3. předcházení komplikací v průběhu vrtání a podmínky pro plné využití technických a technologických možností,
4. minimální náklady na provedení vrtu.

Základními kriterii pro posouzení úrovně konstrukce vrtu mohou být:

1. minimální objem rozpojené horniny – posuzováno z hlediska účelnosti, tzn. minimální technicky a technologicky účelná štíhlost vrtu,
2. jednoduchost konstrukce vrtu – tedy otázka počtu a druhu pažnicových kolon a jejich délky,
3. minimální spotřeba materiálů – oceli, cementu a dalších při dodržení kvality vrtu.

1.3.1 Druhy pažnicových kolon

Jednotlivé pažnicové kolony se vyvinuly nejen po konstrukční, ale hlavně po své funkční stránce ve výrazné formy, takže dnes lze zřetelně odlišit tyto typy kolon:

1. řídicí pažnicová kolona (ŘPK), která má za úkol dát vrtu prvotní směr a řídit vrtnou kolonu v počátcích její práce; kromě toho chrání ohlubeň vrtu před rozmočením výplachem a po přechodnou dobu také umožňuje zvedání výplachu ve vrtu nad úroveň terénu, aby vlastním spádem mohl stékat po žlabech do jímek;
2. úvodní pažnicová kolona (ÚPK) má za úkol jednak ochránit vrt proti přítokům vody z vrstev, případně proti úniku výplachu do vrstev, jednak umožnit nasazení úsťových uzávěrů - preventrů na její hlavě, což vyžaduje její utěsnění a zpevnění v terénu cementací. Musí být také schopná nést všechny další pažnicové kolony, které se na ni navěšují. Obvyklá hloubka zapuštění těchto kolon je 200 – 400 m;
3. technická pažnicová kolona (TPK) má za úkol zabezpečit průběh vrtání do konečné hloubky, tj. pod požadovaný cílový horizont. Slouží pro zpevnění a izolaci výše ležících horninových formací geologického profilu, neslučitelných z hlediska podmínek vrtání s níže ležícími. Má za úkol předcházet komplikacím a haváriím ve vrtu při vrtání následujícího intervalu. Ve vhodných případech lze technickou kolonu vypustit nebo jí využít jako těžební;
4. těžební pažnicová kolona (TěPK) slouží především k těžbě (ropy, vody, zemního plynu apod.). Má za úkol zpevnění a otevření produktivních vrstev a jejich izolaci od ostatních horizontů geologického profilu. Slouží pro zajištění výsledků vrtání a k realizaci těžební činnosti. Tj. vytváří spojovací kanál mezi povrchem a těženým horizontem. Obsahuje také kolonu těžebních filtrů. Běžnými průměry těžebních kolon jsou 7“, 6 5/8“, 5 ½“, 4 ½“;
5. totéž se týká tzv. linerů, (pažnicová kolona bez spojení s povrchem) zapouštěných jako prodloužení těžební kolony přes produktivní vrstvu, která se má těžit nebo prozkoumávat čerpáním.

Jednotlivé pažnicové kolony pak jsou navrhovány po podrobném komplexním rozboru situace, vyplývající ze známých informací. Jsou to především tyto body:

1. geologická stavba terénu a její případné narušení tektonickou či vulkanickou činností, projevující se nebezpečím závalů, přítoků do vrtu či úniku výplachu do terénu apod.;
2. počet, mocnost a hloubka uložení aktivních horizontů, které bude nutno zkoušet; důležité je i určení pořadí těchto zkoušek;
3. vyhovující průměr vrtu a pažnic v konečné hloubce, umožňující požadovanou funkci vrtu, popř. ještě i další vrtnou činnost;
4. přípustná délka podvrtů s ohledem na bezpečné pažení popř. i odpažení tohoto úseku vrtu;
5. nebezpečí plynoucí z navrtání přetlakové vrstvy dlouhým nezapaženým podvrtem;
6. výběr osvědčených typových konstrukcí vrtů a jejich stálé zdokonalování a doplňování.

Při projektování pažnicových kolon nutno uvážit:

1. možnost vrtání bez pažení;
2. vhodnou délku podvrtů (tj. vhodnou délku výsunu pažnicové kolony do terénu);
3. vhodnou šířku mezikruží mezi vnější stěnou pažnicové kolony a stěnou vrtu;
4. pevnost pažnicové kolony na tah, vzpěr, vnější a vnitřní přetlak apod.

Vzájemné funkční uspořádání jednotlivých pažnicových kolon v konkrétním vrtu vytváří konstrukci vrtu. Následující schematické obrázky ukazují příklady rotarových konstrukcí vrtů.

Konstrukce vrtu pro rotační plnoprofilové vrtání je obvykle dána následujícími kolonami pažnicových trubek (obr. 2): - kolonou řídící – 1, kolonou úvodní – 2, kolonou technickou (ochrannou) – 3,  kolonou těžební (v tomto případě liner) – 4. V případě hlubokých vrtů se složitými geologickými podmínkami se zařazuje jedna, ale i více pažnicových kolon pomocných, zvaných technické kolony – 5.

1.3.2 Konstrukce vrtů na ropu a zemní plyn a geotermálních vrtů

Pod pojmem konstrukce vrtu rozumíme vlastní utváření vrtu, definované vrtanými průměry a hloubkami, průměry a hloubkami jednotlivých pažnicových kolon a způsobem a rozsahem provedených izolačních prací.

U konstrukcí rotarových vrtů se používají všechny pažnicové kolony uvedené v kapitole 1.3.1. Jejich celkový počet a hloubky jejich usazení závisí na konkrétních geologicko-technických podmínkách hloubení a vycházejí především z konečné hloubky vrtu a jeho účelu. Přesto však byly stanoveny hlavní zásady pro volbu délek úvodních a technických pažnicových kolon pro tento účel vrtů. Pro stanovení délky úvodní pažnicové kolony platí:

1. Při volbě konstrukce vrtu má mimořádný význam, zejména z hlediska zabránění erupcí vrstevních tekutin terénem, správné stanovení hloubky zapažení úvodní pažnicové kolony. Zásadou musí být, aby hodnota štěpícího tlaku u paty kolony byla větší než předpokládaný maximální tlak ve vrtu, tj. aby tlak u paty kolony nepřesáhl štěpící tlak hornin.
2. Jak vyplývá z předchozího, vzájemné vztahy mezi štěpícím tlakem a očekávaným vrstevním tlakem, tj. vztah mezi hustotou výplachu a dovoleným přetlakem u ústí vrtu, lze schematizovat do těchto bodů:
   1. jedním z určujících faktorů pro hloubku usazení úvodní pažnicové kolony je pevnostní charakteristika hornin,
   2. hloubka pažení úvodní pažnicové kolony je přímo závislá na hodnotě očekávaného gradientu ložiskového (vrstevního) tlaku,
   3. použití vyšší hustoty výplachu vyvolává požadavek na hlubší úvodní kolony,
   4. hloubka úvodní kolony a s ní spojená velikost štěpícího tlaku podmiňují přípustnou hodnotu přetlaku na ústí vrtu.
3. Délka úvodní kolony musí zabezpečit nejen ochranu povrchových zvodněných vrstev před znečištěním, ale také zaručit bezpečné uzavření vrtu v případě tlakového projevu vrstevních tekutin a umožnit  provádění nutných geologických operací v průběhu dalšího hloubení.

Stanovení délek technických pažnicových kolon je ovlivněno především:

1. odstraněním resp. snížením nebezpečí komplikací při provrtávání vrstev s různým tlakovým  gradientem,
2. stabilitou stěn vrtu a z ní vyplývajících komplikací,
3. stavem předchozí pažnicové kolony,
4. hodnotami pohlcovacích tlaků v provrtávaných propustných obzorech.

Nezbytnost zapuštění technické kolony může být podmíněna nejrůznějšími příčinami. Některé typické důvody pro její instalaci jsou shrnuty do následujících bodů:

1. Současná přítomnost horizontů, kde dochází jak ke ztrátě cirkulace výplachu, tak horizontů ve kterých dochází k tlakovým projevům zemního plynu, ropy a vody a nejsou překryty úvodní kolonou. V takovém případě s ohledem na ztráty výplachu je nutné snižovat hustotu výplachu, což je v zásadním rozporu s postupem při tlakových projevech. Znamená to tedy izolovat interval se ztrátami výplachu technickou kolonou a pro provrtání spodního intervalu s předpokládanými tlakovými projevy použít odpovídající výplach.
2. Obdobný případ nastává při provrtávání mocných intervalů zavalujících se hornin, zvláště je-li doprovázen projevy zemního plynu, ropy nebo vody. Pro úspěšný boj s těmito komplikacemi je většinou nezbytné překrýt všechny výše ležící vrstvy pažnicovou kolonou a následně provést náležitou chemickou úpravu výplachu. Je samozřejmé, že délka kolony se řeší s cílem maximálního překrytí i intervalu zavalujícího se, který by významně mohl ovlivňovat další vrtání.
3. V případě, že vrt prochází produktivními vrstvami těženými jinými vrty a sám má dosáhnout níže položené produktivní vrstvy.
4. Technické kolony se použijí také tehdy, kdy je od paty předchozí kolony již značný odstup (otevřený interval) a dojde k významným ztrátám výplachu, které technologickými postupy nelze zvládnout. S touto situací se lze často setkat při provrtávání kavernózních nebo puklinových hornin.
5. Rovněž v případě vrtání ve velkých hloubkách, kdy se předpokládá otvírka mocné, nedostatečně zpevněné produktivní vrstvy se často používá technická kolona, někdy i bez ohledu na konečnou hloubku vrtu.

Za uvedených podmínek nebo jim podobným se ve většině případů jeví dostatečná instalace jedné technické kolony. Větší počet technických kolon se praktikuje spíše výjimečně.

Při řešení problému počtu pažnicových kolon v podmínkách složitého geologického profilu, tvořeného měkkými, nestabilními horninami, je nezbytné mít na zřeteli, že zvýšení průměru vrtu s ohledem na nezbytnost instalace vyššího počtu pažnicových kolon je v uvedených podmínkách často vázáno na zvýšení závažnosti možných komplikací. To lze vysvětlit tím, že stupeň nebo úroveň stability stěn vrtu je vždy v obráceném poměru k průměru vrtu. Proto zvýšení počtu pažnicových kolon může mít za následek nikoliv urychlení a usnadnění procesu hloubení vrtu, ale naopak jeho zkomplikování a zpomalení.

Při vymezení hloubky zapuštění pažnicových kolon, zvláště kolony úvodní a technické, pod kterými je provozováno další vrtání, je nutné volit jejich ukončení v pevných a stabilních horninách. Nedodržení této zásady může zavinit poškození spodní části kolony, oddělení nějaké její části, což v řadě případů vede k likvidaci vrtu.

Pokud jde o provedení pažnicových kolon je obvyklé pažit je až k ústí vrtu. To ovšem znamená, že část vrtu je překryta třemi i čtyřmi kolonami a vede ke značné spotřebě oceli. Tato situace je řeší použitím tzv. linerů. Používání linerů je ekonomicky výhodné a v současnosti je to již běžná záležitost, zvláště u těžebních vrtů.

Po stránce průměrové se konstrukce vrtů na ropu, zemní plyn a geotermálních vrtů vyvinuly do současné typové konstrukce, používané také u nás v následující průměrové řadě: 18 5/8" – 13 3/8" – 9 5/8" – 6 5/8" ( 7") - 4 1/2" (5").

Volba průměrů se provádí zdola nahoru. Průměr těžební kolony je obvykle stanoven v zadávacích podmínkách provedení vrtu a tento ukazatel je základním pro projekci konstrukce vrtu.

Nejpoužívanějším průměrem těžebních kolon v naftovém a plynárenské průmyslu je průměr 7“, resp. 6 5/8“. Je však jisté, že v mnoha případech není tento průměr zcela technicky zdůvodněný a způsobuje nežádoucí zatížení konstrukce vrtu. Vhodnější se jeví spíše průměry 5 ½“ a 5 ¾“, které se již také doporučují pro ropné vrty do hloubek 1000 m při maximální těžbě až 20 t/24 hodin. Použití menších průměrů než 5 ½“ není zatím příliš obvyklé.

Naopak v řadě případů se používají pažnice o průměrech 7 5/8“a 8 5/8“ a to pro těžbu vysoce produktivních plynových vrtů za účelem snížení tlakových ztrát. Tyto průměry se volí pro těžební kolony také tehdy, jestliže se předpokládá pozdější prohloubení vrtu.

Při volbě průměru vrtu je nutné také uvažovat s důležitými aspekty provádění dalších technických operací ve vrtu. Jedním z nich je velikost mezikruží mezi stěnou vrtu a vnější stěnou pažnice a to s ohledem na bezpečné zapuštění celé kolony do konečné hloubky vrtu a zajištění kvalitního provedení cementace. Dále je nutné řešit umístění takových průměrů vrtných dlát a zátěžek ve vrtu, aby byl zajištěn optimální výkon na dlátě pro efektivní rozpojování hornin na čelbě vrtu s ohledem na daný geologický profil vrtu. Podle statistických údajů je pro úspěšnost cementace nejvhodnější velikost mezikruží mezi stěnou vrtu a vnější stěnou pažnice 65 – 95 mm. Uvedené rozměry jsou také vyhovující pro bezpečné zapouštění pažnic při jejich instalaci ve vrtu za použití kvalitních výplachových kapalin. Nekvalitní výplach znamená totéž jako nevhodná volba průměru vrtu.

1.4. Ústí vrtu

1.4.1 Účel ústí vrtu

Ke komplexu zařízení ústí vrtu patří v podstatě základní a redukční příruby, mezipříruby, preventry, preventrové tlakové rozvody a potrubí, spojovací dílce, těsnící kroužky, tlakové ovládací stanice a kontrolní ovládací pulty. Ve speciálních případech se používá rotační preventr. Při zvláštních pracovních postupech se na normální sestavu ústí vrtu instaluje speciální sestava vysokotlakých preventrů a mechanismus pro zapouštění a manipulaci nářadí ve vrtu pod tlakem. V některých případech se s ústím vrtu montuje i erupční (produkční) kříž.

Ústí vrtu musí splňovat následující základní podmínky:

1. umožnit zavěšení příslušné pažnicové kolony,
2. utěsnit mezikruží s předcházející pažnicovou kolonou,
3. umožnit umístění preventrového zařízení.

Úplná preventrová sestava na příslušné přírubě pažnicové kolony má splňovat tyto úkoly:

• udržet nastoupené tlaky na ústí vrtu pod kontrolou,
• umožnit úplné uzavření vrtu v jakékoliv situaci,
• umožnit čerpání kapaliny do uzavřeného vrtu nebo regulovatelným způsobem (tryskami) z vrtu, tzn. pod příslušným protitlakem kapalin nebo plynu,
• umožnit uzavření mezikruží mezi kolonou pažnic s vrtnými trubkami nebo čerpacími trubkami,
• umožnit uzavření vrtu v případě, že ve vrtu není zapuštěno žádné nářadí,
• umožnit vrtání pod tlakem při rotačním preventru na ústí vrtu,
• umožnit zapuštění a těžení vrtných trubek ve vrtu pod tlakem při použití doplňkového speciálního zařízení,
• umožnit přívod a plnění vrtu zatěžkaným výplachem za účelem potlačení (umrtvení) tlakových a eruptivních projevů,
• umožnit uzavření i nekruhových trubních materiálů a těles při použití vertikálních univerzálních preventrů.

Při používání preventrového systému je nutné vycházet ze základního kriteria, že v celém cyklu hloubení vrtu musí být vždy maximální spolehlivost celé sestavy ústí vrtu a jeho příslušenství, aby bylo možné při nenormální situaci ve vrtu provést operativní zákrok pro udržení vrtu pod kontrolou. Současně je nutné používat takové pracovní postupy, které umožní dostat vrt opět do normálního technologického a bezpečnostního stavu.

1.4.2 Základní sestava ústí vrtu

Komplet ústí vrtu, tedy jeho funkční části a příslušenství závisí na podmínkách vrtání, hloubkách a tím i na rozdílně složitých konstrukcích vrtu. Těmito okolnostmi je také určován rozsah a uspořádání úplné preventrové sestavy, která se skládá z následujících částí:

1. základní příruba,
2. redukční příruba,
3. mezipříruba,
4. rozvodné systémy,
5. preventr s trubkovými čelistmi,
6. preventr s plnými čelistmi,
7. preventr univerzální.

Schéma uspořádání ústí vrtu a funkčního příslušenství pro zapojení v celém cirkulačním systému vrtu znázorňuje obr. 4.

Preventrový systém: A – preventry, B – doplňovací vedení, C – doplňovací vedení pro mezikruží, D – odvod k tryskovému vedení, E – odvod k tryskovému vedení v mezikruží, F – tryskový rozvod, G – tryska, H – tryskový obvod, I – odplyňovací nádrž, J – odplyňovač, K – kaliště.

Cirkulační systém: 1 – výplachové čerpadlo, 2 – stoják, 3 – výplachová hadice, 4 – výplachová hlava, 5 – zpětný ventil, 6 – přechod, 7 – vrtná trubka, 8 – zátěžky, 9 – vrtné dláto, 10 – těsnící odtoková roura, 11 – odtokový žlab, 12 – vibrační síto, 13 – výplachová nádrž, 14 – doplňovací vedení.

U většiny konstrukcí vrtu jsou pažnicové kolony uchyceny klínovými závěsy, kde působí na kuželovitou část příruby radiální síly v závislosti na tíze kolony. V podstatě se používají na zavěšení a utěsnění pažnic v přírubách dvě konstrukce klínových závěsů:

1. klíny, u nichž jsou těsnící pryžové části přitlačeny na těsnící plochu a pažnici pomocí šroubů;
2. klíny, u nichž tíha kolony vyvolává předpětí pryžových těsnících elementů.

První skupina klínových závěsů se používá u pažnic velkých průměrů a při menších hloubkách vrtů, druhá skupina u všech ostatních pažnicových kolon, kdy při vysoké tíze kolon nutno hermetizovat i vysoké tlaky z vrtu. Pro řádnou těsnost musí být u druhé skupiny klínů dodržena určitá tíha pažnicové kolony, např. u pažnicové kolony průměru 7“ cca 250 kN.

Vlastní schéma preventrové sestavy s tryskovým rozvodem je znázorněno na obr. 5.

1 – plnící potrubí, 2 – výtokové potrubí, 3 – univerzální preventr, 4 – horizontální preventr s plnými čelistmi, 5 – potrubí pro umrtvení vrtu, 6 – spojovací příruba, 7 – horizontální preventr s trubkovými čelistmi, 8 – tryskové potrubí, 9 – plyn, 10 – degazátor, 11 – vrtný výplach.

1.4.3 Uzavírací zařízení ve vrtné koloně

Při tlakových projevech vyvolaných těžením nebo zapouštěním nářadí je vrtná kolona otevřená. Tato situace vyžaduje instalaci bezpečnostního ventilu pro zabránění výronu trubkami. Při použití ventilu je největším problémem jeho nasazení, které při výtoku z trubek nelze již provést vlastními silami. Proto byla vyvinutá různá zařízení jako např. „inside preventr“, což je v podstatě zpětný ventil. Tento ventil se zasazuje v otevřené poloze a uzavírá až po našroubování do vrtných trubek.

Při vrtání se mezi unášečku a výplachovou hlavu vkládá horní protierupční ventil a na spodním konci unášečky se může použít i druhý ventil. Tento ventil by se měl použít tehdy, když se očekávají vysoké tlaky nad 35 MPa nebo tehdy, když je tento tlak vyšší než dovolený tlak ve výplachové hadici. Po uzavření spodního ventilu lze odšroubovat unášečku a nasadit vysokotlakou cirkulační hlavu.

Starším řešením byla trvalá instalace zpětného ventilu, který plnil bezpečnostní úlohu. Tyto ventily se však rychle opotřebují a vytvářejí doplňkové hydraulické odpory, ucpávají se a neumožňují měření tlaku na stojáku. To byly důvody proti jejich trvalému nasazení. Mohou se však použít krátkodobě např. při navrtání přechodové zóny anomálně vysokého vrstevního tlaku.

1.4.4 Rozvodný tlakový systém ústí vrtu

Rozvody všeho druhu slouží k odpouštění výplachu z vrtu do odkaliště nebo do výplachových nádrží a to buď přímo nebo přes nastavitelné, resp. regulovatelné odpouštěcí trysky za účelem snížení a ovládání tlaku ve vrtu jak během vrtání, tak i při tlakovém projevu plynu nebo při erupci. Dále slouží k přivádění výplachu do vrtu a vytvoření protitlaku na daný horizont při likvidaci tlakového projevu a vycirkulování cizího media z vrtu. Příslušný měřicí kus je určen k měření tlaku v mezikruží na ústí vrtu.

Preventrové a přírubové rozvody tvoří určitou soustavu uzávěrů, potrubí a regulačních trysek, sestavených do účelně uspořádaného celku a podle podmínek ve vrtu podle určitých tlakových řad a tomu odpovídajících průměrů.

Nejdůležitější částí rozvodného systému je jeho trysková část, což je určitá sestava z celého komplexu s příslušnými tryskami, jejichž skladbu a tlakové parametry určují dané nebo očekávané podmínky ve vrtu. Další částí je měřicí a pomocný výstup, kde je instalován tlakoměr na měření tlaku v mezikruží vrtu a ventily pro přívod výplachu do mezikruží vrtu. Každá preventrová sestava na ústí vrtu musí mít alespoň jedno napájecí (umrtvovací) potrubí, připojené trvale k výtlačnému potrubí čerpadel, s možností připojení přídavných vysokotlakých čerpadel. U rozvodného potrubí je nutné dbát na volbu průměru a jeho přímočaré uložení, aby se snížily tlakové ztráty a omezily účinky eroze. Pro minimální možnost eroze má toto potrubí stejný průměr (obvykle 2“ – 50,8 mm), aby se v přechodech zabránilo opotřebení. Tlakové rozvody musí být vybaveny uzavíracími ventily v bezprostřední blízkosti příruby, které mají záložní charakter a jsou dálkově ovládané.

Tryskový rozvod je složený z určitého počtu trysek a ventilů a používá se na regulaci tlaku v sondě. Ucpání trysek a tvorba námrazy vyžadují vytvoření paralelních cest pro proudění media. Tryskový rozvod jako celek je uložený na lyžinách a pro odstranění silných vibrací je ukotvený. Umisťuje se na takovou vzdálenost od vrtné věže a preventrové sestavy, aby byl snadno dostupný. Tlakový rozvod se obvykle instaluje po nasazení preventrové sestavy na první pažnicovou kolonu a dimenzuje se na tlak, který je očekávaný v konečné hloubce. Aby se zajistila nepřetržitá činnost rozvodu při likvidaci výronu do tlaků 21 MPa, je potřebné zdvojení trysek a nad 35 MPa ztrojení trysek – z toho dvě by se měly ovládat ručně a jedna dálkově (obvykle pneumaticky) Typizovaný tryskový rozvod do pracovního tlaku 35 MPa podle API RP 53 je na obr. 6. Za tryskami se potrubí vede k odplyňovači, hořáku a výplachové nádrži. Střední potrubí rozvodu bez trysky se vede do odkaliště nebo do jiné nádrže. Na tryskovém rozvodu je instalovaný tlakoměr.

1 – dálkově regulovaná tryska, 2 – plynový separátor nebo nádrž, 3 – ručně přestavovatelné trysky, 4 – nádrž, 5 – odtokové potrubí, 6 – nádrž, 7 – připojení na preventrovou sestavu, 8 – odlehčovací potrubí, 9 – dálkově ovládaný ventil, 10 – pořadí podle volby, 11 – plynový separátor nebo nádrž, 12 – dálkově ovládaná tryska

Pomocí trysek je možná plynulá změna průtokového otvoru. Ručně nastavitelná tryska je obvykle jehlový ventil, který vzhledem ke své konstrukci má sklon k ucpávání. Regulovatelné gumové trysky se ucpávají méně, ale jsou zase citlivé na uhlovodíky a na abrazi. Schematické znázornění gumové trysky je na obr. 7. Z hlediska funkce jsou nejvhodnější trysky kruhového průřezu (např. firma Swaco) a pístové trysky s válcovým pláštěm (např. firma Cameron). Nevýhodou druhého typu je, že nezajišťuje úplné uzavření. Trysky Swaco jsou konstruované i pro verzi s H₂S. Pro vysoké tlaky (do 69 MPa) je určená tryska Ultra Choke. Firma Swaco také nabízí automatický systém likvidace výronu (Automatic Choke Control).

1.5. Technologie vrtání

Současné technologie vrtání vrtů na ropu a zemní plyn a geotermálních vrtů mají mnoho společného a proto je lze tyto technologie vrtání chápat jako jednu problematiku. Rozdělují je jen specifické odlišnosti, jako jsou např. účel a způsob vrtání, geologické podmínky a podobně.

1.5.1 Vrtání vertikálních vrtů

Při rotačním plnoprofilovém vrtání svislých vrtů se kolona vrtného nářadí skládá v podstatě z těchto hlavních částí: vrtného dláta, stabilizátorů, zátěžek a vrtných trubek.

Samotné vrtání, tj. rozpojování horniny se realizuje kombinací přítlaku na dláto (tíhou zátěžek), a jeho rotace (od rotačního stolu). Aplikovaný přítlak na dláto způsobuje v hornině lokální zvýšení napětí, které je vyšší než pevnost horniny v tlaku, a tím je hornina drcená, zatím co rotace dláta na horninu působí způsobem, který lze popsat jako plynulé a opakované odřezávání a usmykávání horniny. Kombinací těchto dvou činností vznikají různě velké kusy horniny, vrtné úlomky, které jsou proudem výplachu vynášené na povrch. Takto se účinkem zubů dláta obnaží nový (čerstvý) povrch horniny, na kterém může opakovaně probíhat popsaný proces rozpojování horniny.

Výsledný směr nově vznikajícího svislého vrtu bude ovlivňovaný kolonou vrtného nářadí (působení mechanických faktorů) a charakteristikou provrtávané horniny (vrstevnatost, tvrdost hornin, střídání tvrdosti a sklon horninových vrstev).

Uvedené působící faktory mohou mít ve vzájemné kombinaci značný vliv na vznik křivosti stvolu vrtu. Tendence horniny ke křivení vrtu může být klasifikovaná jako mírná, středně silná a výrazná. Středně silná a výrazná tendence horniny ke křivení vrtu jsou obvykle spojené se středně tvrdými, resp. s měkkými horninami, protože vykazují často značně velké odklony vrstev, puklinatost a značné rozdíly v pevnosti jednotlivých provrtávaných vrstev hornin. Klasifikace tendence hornin k nežádoucímu křivení vrtu, může být využita ke správné volbě sestavy vrtného nářadí, vhodné jak pro udržování, tak i pro změnu směru nebo velikosti křivosti vrtu.

Obvykle jsou rozeznávány tři typy sestav spodní častí vrtné kolony: hladká sestava, kyvadlová sestava a těsná sestava, obr. 9.

Hladkou sestavu zátěžek charakterizuje zařazení maximálně jednoho stabilizátoru. Kolona nářadí se ze spodu – nahoru skládá z vrtného dláta, zátěžek a vrtných trubek. Takto koncipovaná sestava spodní části vrtné kolony je vhodná jen pro oblasti s mírnou tendencí ke křivení vrtu. Hladká sestava zátěžek je zřídka používaná k vrtání, výjimku tvoří intervaly počátečního náboru křivosti v usměrněných vrtech.

Kyvadlové sestavy zátěžek jsou nejčastěji používané jako nástroj ke snížení křivosti, přesněji řečeno, snížení odklonu vrtu od svislice. Jako příklad lze uvést poslední úsek usměrněného vrtu v tvaru „S“, kdy křivost vrtu postupně klesá. Kyvadlové sestavy zátěžek jsou také používané k vrtání v měkkých, málo zpevněných horninách, v horních intervalech vrtů (hlavně pro řídící a úvodní pažnicové kolony).

Kyvadlová technika vychází z principu, že se gravitační sila přirozeným způsobem snaží dostat vrt zpět do vertikály. Gravitační síla se vztahuje k té délce zátěžek, která se nachází mezi dlátem a bodem dotyku. Je to délka, která je označovaná jako „aktivní délka“ zátěžek. Zvětšováním aktivní délky se zvětšuje vertikální složka síly a vrt se vrací k vertikále rychleji. Skutečná síla, působící na snížení odchylky vrtu od svislice, je tvořená složkou, která působí kolmo k ose vrtu. Druhá složka vertikální sily působí v ose vrtu a snaží se udržet vrt v dosavadním směru.

Kyvadlová sestava zátěžek je složená od spodu – nahoru z těchto částí vrtné kolony: z vrtného dláta, určité délky zátěžek, která vytváří kyvadlovou sílu, z jednoho nebo více stabilizátorů, zátěžek (silnostěnných vrtných trubek) a ze standardních vrtných trubek. Maximální kyvadlový efekt lze získat umístěním prvního stabilizátoru nad dlátem tak, aby aktivní délka zátěžek byla co největší a aby se při tom nedotýkala stěny vrtu.

Ve skutečnosti však, když je zvolená aktivní délka zátěžek tak velká, že na ní dojde k průhybu zátěžek a zátěžky se dotknou stěny vrtu, rázem se aktivní délka zátěžek zkrátí přibližně na polovinu a tím se úměrně zmenší i kyvadlový efekt. Wilsona zdůrazňuje, že při kyvadlové sestavě zátěžek je účelné nad prvním stabilizátorem umístit asi o dalších 9 m výše další stabilizátor, který sníží značné radiální zatížení prvního stabilizátoru. Na obr. 9 je znázorněná spodní část kolony zátěžek, která využívá kyvadlový efekt.

Hlavní nevýhodou kyvadlové sestavy zátěžek je ta skutečnost, že dláto, které není je stabilizované, může vytvářet nekruhový tvar vrtu, přičemž lehce ostře odbočí z osy vrtu, takže může vzniknout nebezpečí, že do takto zdeformovaných míst ve vrtu se budou obtížně zapouštět pažnice. Uspokojivou kvalitu vrtu lze získat při kyvadlové sestavě zátěžek tehdy, když je vnější průměr zátěžek zvolený tak, že minimální vnější průměr zátěžek je rovný rozdílu mezi dvojnásobkem vnějšího průměru objímek pažnic a průměrem dláta:

Pomocí rovnice (1) lze sestavit tabulku 1, ve které je uvedený přehled minimálních vnějších průměrů zátěžek, které lze spolehlivě používat v kyvadlových sestavách pro typické průměry vrtů.

Těsná sestava zátěžek je založená na poznatku tříbodové stabilizace, kterou lze dosáhnout tím, že do kolony zátěžek nad dláto se zařadí tři nebo více stabilizátorů. Těsná sestava zátěžek vychází z poznatku, že dva body ležící na křivce ji při posunu kopírují, zatím co tři body leží už na tečně k ní (obr. 10).

b) tříbodové stabilizaci vrtné kolony

Volba určitého typu těsné sestavy zátěžek závisí na tom, jak je velká tendence hornin ke křivení vrtu v dané oblasti. V podstatě se rozeznávají tři různé typy těsné sestavy zátěžek:

• těsná sestava pro oblasti s mírnou tendencí ke křivení vrtu (obr. 11 a). Tříbodová stabilizace je dosáhnutá v zóně I. (bezprostředně nad dlátem), dále v zóně II. (která se nachází bezprostředně nad krátkou zátěžkou o velkém průměru) a konečně v zóně III. (kde stabilizace zátěžek končí). Když je potřebné zařadit do sestavy ještě amortizátor vibrací (antivibrátor), tak je vhodné ho zařadit do zóny II., protože v tomto místě je jeho umístění nejúčinnější;
• těsná sestava pro oblasti se středně silnou tendencí ke křivení vrtu (obr. 11 b). Od předchozí sestavy se liší tím, že nad dlátem je ještě další stabilizátor, který napomáhá zvětšovat stabilitu dláta. Stabilizátory v zóně II. a III. jsou stejné, jako u předchozí sestavy pro oblast mírné tendence ke křivení vrtu;
• těsná sestava pro oblast s výraznou tendencí ke křivení vrtu má ještě jeden stabilizátor, a to druhý stabilizátor nad dlátem (v zóně I.). Jinak je sestava totožná s předchozí těsnou sestavou zátěžek (obr. 11 c).

Při vrtání je volba stabilizátorů ovlivňovaná typem provrtávané horniny. Pro měkké horniny musí mít stabilizátor dostatečně velikou styčnou plochu se stěnou vrtu, v opačném případě ztrácí stabilizační účinek na dláto. V tvrdých horninách je potřebný stabilizátor s malou kontaktní plochou.

Rozšiřovače (přibíráky) jsou dodávané s válečky, které jsou armované tvrdokovem. Hlavní úlohou rozšiřovačů je vyrovnávat, vyhladit stěny vrtu, na kterých mohou být nerovnosti od práce zubů vrtného dláta a tím přibližují konečný průměr vrtu jmenovitému průměru dláta. Rozšiřovače jsou nejúčinnější tehdy, když jsou umístěné bezprostředně nad dlátem a nejefektivnější jsou při vrtání v tvrdých a velmi tvrdých horninách.

Měření odklonu vrtu od svislice (měření křivosti) bez zjištění směru odklonu lze realizovat mechanickým kyvadlovým přístrojem, který se do vrtu zapouští v ochranném pouzdru a obvykle se označuje jako „drift-indikátor“. Přístroj měří odchylku osy vrtu od svislice ve stupních a registruje ji na malém papírovém kotoučku ve formě dvou malých perforací (propíchnutí). Kruhový kotouček je rozdělený soustřednými kružnicemi tak, že jeden kroužek zodpovídá křivosti (odchylce od svislice) o 1°. Měření tímto mechanickým přístrojem se běžně opakuje v pravidelných intervalech odvrtané hloubky (např. každých 100 m) nebo vždy bezprostředně před vytahováním nářadí z vrtu při výměně dláta.

1.5.2 Vrtání usměrněných a horizontálních vrtů

Usměrněné vrtání lze definovat jako vrtání, při kterém je výsledkem zkřivení vrtu (odchylka od svislice vrtu) vyvolané v určité hloubce záměrně, a to v takovém směru a pod takovým úhlem, aby vrt prošel určitou vrstvou (resp. vrstvami) v určitém plánovaném bodu.

Usměrněné a horizontální vrtání je v současnosti ve světě nejrozšířenější moderní metodou hloubení vrtů na zemní plyn a ropu. Největším přispěním k její aplikaci je používání řiditelných ponorných motorů a systémů MWD (Measurement-While-Drilling) a LWD (Logging-While-Drilling). Kombinace těchto zařízení umožňuje sledovat komplex provrtávaných hornin, tvořit 3D profily bez změny spodní časti kolony a měřit při vrtání bez zapouštění měřícího a karotážního zařízení na laně nebo kabelu. Tento pokrok umožňuje vrtání usměrněných vrtů s velkým odklonem, horizontálních, re-entry a multilaterálních vrtů

Ve vrtné praxi se vyskytuje mnoho důvodů a situací, při kterých je usměrněný vrt jediným praktickým řešením jak dosáhnout některé těžko dostupné produktivní obzory. Následující přehled poskytuje představu o těchto situacích (obr. 12).

1. Těžební otvírka ložisek v pobřežních vodách (tzv. offshore )

Offshore je prostor do takové vzdálenosti od pobřeží, kde hloubka moře nepřesáhne 200 m. Ložisko přírodních uhlovodíků v pobřežních vodách může být těžebně otevřené požadovaným počtem vrtů z jedné vrtně – těžební plošiny (když je moře poměrně hluboké) nebo z uměle nasypaného ostrůvku (když je moře relativně mělké (obr. 12 a). Vrty jsou v těchto případech vrtané z plošiny v různých směrech, pod různě velkým úhlem, aby byl produktivní horizont účelně pokrytý sítí těžebních sond.

2. Provrtávání zlomových pásem (zlomů)

Vrty, které procházejí rovinou zlomu pod ostrým úhlem, se vyznačují nestabilitou stěn vrtu. Nestabilita je důsledkem smykových napětí v hornině, které se projevují v rovině zlomu. Vrt, usměrněný k ploše zlomu pod tupým úhlem, resp. kolmo na plochu zlomu se těmto komplikacím vyhne (obr. 12 b).

3. Vrtání na objekty, které jsou vertikálním vrtem nedostupné

Když je ložisko pod topograficky nepřístupným místem (např. pod strmým srázem, pod obytnými místy – město, obec), je usměrněný vrt jedinou možností, jak tento obzor vytěžit (obr. 12 c).

4. Havarijní úhyby

V situacích, kdy z havarijních důvodů zůstane ve vrtu část kolony vrtného nářadí, např. z důvodu uváznutí, lze provést tzv. havarijní úhyb (obr. 12 d). Ta část nářadí, která z tohoto důsledku zůstává ve vrtu a nemůže být instrumentačními pracemi z vrtu vůbec vytažena, překáží dalšímu vrtnému postupu. Jediný způsob jak předejít likvidaci tohoto vrtu je změnit směr vrtu těsně nad hlavou havarovaného nářadí.

5. Otvírka produktivních obzorů

Otvírka produktivních obzorů, které přiléhají k solným dómům. Vrtná praxe ukázala, že ložisko existující pod solným dómem je bezpečné dostupné jen usměrněným vrtem, jehož realizací se lze vyhnout provrtávání mocných intervalů soli. Kolony pažnic, které jsou usazené v souvislých solných vrstvách, podléhají silným vlivům vnějších tlaků. Vnější tlak je způsobený tečením solných vrstev a často vede ke kolapsu pažnicových kolon. Usměrněným vrtem je možné se vyhnout tomuto nebezpečí (obr. 12 e).

6. Trsy vrtů

Průzkum a otvírka ložisek ropy a zemního plynu, otvírka podzemních zásobníků plynu (PZP) z jednoho místa – trsy vrtů (úspora místa, pozemků, minimální dopad na životní prostředí, úspora stěhování vrtné soupravy, úspora budování vrtného pracoviště, úspora na technologických zařízeních, úspora na případnou rekultivaci pozemku).

7. Zvyšování vytěžitelnosti ložisek uhlovodíků

Zvyšování těžby a vytěžitelnosti ropy a zemního plynu, zvyšování výkonu PZP pomocí horizontálních, nebo velmi ukloněných vrtů nebo pomocí vrtů s několika stvoly – multilaterální vrty.

8. Záchranné vrty

V případě, že eruptující vrt není možné zvládnout jinými způsoby, pomůže zpravidla usměrněný vrt. Usměrněný vrt se vyhloubí z místa vhodně zvoleného bodu v blízkosti eruptujícího vrtu. Osa usměrněného vrtu je vedená tak, aby buď přetnula eruptující vrt, nebo se dostala do jeho těsné blízkosti přímo v obzoru, z kterého k erupci došlo. Erupci lze umrtvit (zvládnout) začerpáváním vhodných roztoků nebo suspenzí do eruptujícího vrtu zdola.

9. Pionýrský nebo opěrný průzkum (wild cating)

Tento průzkum má v nové oblasti ověřit vrtáním přítomnost obzorů nasycených přírodními uhlovodíky. Statistiky ukazují, že tento průzkum přináší jeden pozitivní vrt k deseti negativním vrtům. Když je tedy tento průzkum často negativní, je ekonomičtější realizovat tento průzkum pomocí usměrněných vrtů. V takovém případě odpadají náklady spojené s montáží a demontáží soupravy. Pracovní postup se v těchto případech neliší od havarijních úhybů, které jsou popsané v bodě 4.

10. Re-entry vrty

Vrtně úhybové práce v existujících zapažených vrtech – pro dosažení nového geologického cíle, či účelu.

1.5.2.1 Geometrie usměrněných vrtů

Usměrněný vrt je obvykle projektovaný tak, aby dosáhl svého cíle (produktivní vrstvu) co nejkratší cestou. V důsledku měnících se fyzikálně – mechanických vlastností provrtávaných hornin sleduje trasa usměrněného vrtu jen zřídka jednu rovinu, ale zpravidla se její odklon od svislice a azimutu plynule neustále mění. Usměrněný vrt je nutné posuzovat v třírozměrném prostoru a to tak, aby poloha kteréhokoliv bodu osy vrtu mohla být zřetelně a přesně definovaná.

Na obr. 13 a) je znázorněný tzv. „blokdiagram“, tj. třírozměrné znázornění usměrněného vrtu jeho půdorysem a také jeho nárysem.

K přesné definici usměrněného vrtu je nutné si objasnit následující parametry:

1. Odklon vrtu od svislice (inklinace), (obr. 13 b) – je to úhel, který svírá tečna osy vrtu v jakémkoliv bodě svojí délky se svislicí (běžně se tomuto úhlu říká křivost vrtu).

2. Azimut (směr) vrtu je úhel, který svírá tečna osy vrtu v jakémkoliv místě její délky s rovinou, proloženou mezi ústím vrtu a severem v směru hodinových ručiček. Když se hovoří v některém bodě o azimutu 50^o, rozumí se tím, že měřený bod leží v rovině, která vzhledem k severu svírá úhel 50^o.

Ve skutečnosti existují dva severní směry: geografický a magnetický. Geografický směr se vztahuje k tzv. severnímu pólu, zatím co magnetický sever se vztahuje k tzv. magnetickému pólu, který se s geografickým pólem neshoduje. Ve vrtné praxi se pro běžné označení severu používá magnetický severní směr, který v každém místě souhlasí s polohou střelky magnetického kompasu.

Když je třeba vyjádřit polohu vrtu přesně ve smyslu geografického severu, opravují se údaje magnetického azimutu o tzv. magnetickou deklinaci, která je pro různá místa na zemi různě veliká.

3. Vertikální hloubka představuje myšlenou spojnici ústí vrtu s horizontální rovinou počvy a to po vertikále.

4. Horizontální odchylka je vzdálenost měřeného bodu od ústí vrtu a to v horizontální rovině. Horizontální odchylka a její výsledný azimut mohou byt dále použité při určování koordinát (souřadnic) měřeného bodu v pravoúhlé soustavě souřadnic, samotná velikost horizontální odchylky a její azimut představují koordináty měřeného bodu v polárních souřadnicích.

5. Měřená hloubka (nebo také hloubka po nářadí) představuje spojnici měřeného bodu s ústím vrtu. V praxi to není nikdy přímka (obr. 13 b), ale prostorová křivka.

6. Náhlé zkřivení („dog – leg“) je definované jako úhlová změna mezi dvěma měřenými body a to změna jak ve velikosti úhlu (inklinace) nebo ve velikosti úhlové změny směru (azimutu), resp. jak změny úhlu odklonu, tak i směru vrtu současně. Stupeň nebo také velikost náhlého zkřivení je zpravidla definovaná v stupních na určitou délku (obvykle na 10 m – v USA se používá vzdálenost 100 ft (stop) a tomuto vyjádření se říká „stupeň obtížnosti zkřivení vrtu („dog-leg severity“).

7. Začátek odchylky od svislice (začátek úhybu) je bod, ve kterém se osa vrtu začíná záměrně odchylovat od svislice.

1.5.2.2 Typy usměrněných vrtů

Všeobecně se ve vrtné praxi vyskytují tři základní typy profilů usměrněných vrtů, (obr. 14).

1. Usměrněný vrt I. typu, představuje profil, v němž je vrt odchýlený od svislice v relativně malé hloubce a nábor křivosti je v zadaném azimutu udržovaný až do okamžiku, kdy vrt projde obzorem, na který byl vrtaný. Vrty typu I. jsou používané:
   • pro vrtání do nepříliš velkých hloubek,
   • pro vrtání na jeden produktivní obzor,
   • obvykle tam, kde není potřebné pažit technickou kolonu nebo více technických kolon,
   • tam, kde je požadovaná velmi velká horizontální odchylka, tzn. velká horizontální vzdálenost počvy vrtu od ústí vrtu.
2. Usměrněný vrt II. typu, představuje profil, který tvarem připomíná písmeno „S“ – od toho je také odvozený jeho další název a to „S - typ“. Tento typ usměrněného vrtu je odchýlený od svislice už v nepříliš velké hloubce až do dosažení maximálního požadovaného úhlu. Potom je tento úhel udržovaný a na konci se vrtu poskytne možnost přirozeným způsobem ubrat něco z křivosti, případně je uměle (násilně) vrácený do svislého směru, ke svislici. Tyto profily usměrněných vrtů se zpravidla využívají při vrtání na více produktivních obzorů, případně i při vrtání záchranných vrtů, ve kterých se vyžaduje, aby končený úsek takého vrtu se co nejvíce přiblížil k vrtu havarovanému (eruptujícímu). Tyto typy usměrněných vrtů jsou nejpracnější z hlediska jejich vedení v požadované ose.
3. Usměrněný vrt III. typu, je podobný typu I. až na to, že od svislice je tento vrt odchýlený až v značně velké hloubce (např., aby se osa vrtu vyhnula solnému dómu). Vrty typu III. se používají jak při realizaci havarijních úhybů, tak úhybů průzkumných (v opěrných nebo pionýrských vrtech).

Podle toho, v jakém úseku usměrněného vrtu se právě vrtá, jsou používané speciální sestavy spodní části kolony nářadí k tomu, aby byla křivost vrtu zvýšená, aby byla udržovaná na stejné hodnotě, resp. aby byla snížená.

1. Sestava ke zvýšení odchylky od svislice je obyčejně složená od dláta k ústí vrtu takto: dláto, naddlátový stabilizátor, dvě nebo tři nemagnetické zátěžky, stabilizátor, zátěžka, stabilizátor, tři zátěžky, stabilizátor, případně další zátěžky, silnostěnné vrtné trubky, standardní vrtné trubky.
2. Sestava k udržení nabrané odchylky od svislice je složená následovně: dláto, naddlátový stabilizátor, nemagnetická zátěžka, stabilizátor, zátěžka, stabilizátor, zátěžka, stabilizátor, tři zátěžky, stabilizátor, případně další zátěžky, silnostěnné vrtné trubky, standardní vrtné trubky.
3. Sestava ke snížení odchylky od svislice vypadá takto: dláto, nemagnetická zátěžka, zátěžka, stabilizátor, zátěžka, stabilizátor, tři zátěžky, stabilizátor, případně další zátěžky, silnostěnné vrtné trubky a standardní vrtné trubky.

Sestava typu (2) představuje tzv. „těsnou“ sestavu, která udržuje nabranou křivost zvýšením počtu stabilizátorů. Sestava typu (3) představuje kyvadlovou sestavu, u které aktivní délka zátěžek mezi dlátem a prvním kolonovým stabilizátorem napomáhá k tomu, aby se osa vrtu postupně vracela zpět ke svislému směru.

V případě vrtání horizontálních vrtů přistupuje k výše uvedeným třem základním typům usměrněných vrtů ještě čtvrtý typ a to horizontální usměrněný vrt.

Tento typ usměrněných vrtů má 3 úseky: úsek vertikální, úsek s náborem křivosti a úsek horizontální. Účelem horizontálních usměrněných vrtů je zvýšení filtrační plochy vrtu v cílové produktivní formaci a tím zvýšení produkce vrtu. Vrty tohoto typu se dále dělí podle poloměru zakřivení na vrty s:

1. krátkým poloměrem zakřivení,
2. středním poloměrem zakřivení,
3. dlouhým poloměrem zakřivení.

Jednotlivé výše uvedené typy usměrněných vrtů jsou znázorněny na obr. 15.

1.5.2.3 Terminologie usměrněných vrtů

Počáteční bod úseku náboru křivosti vrtu (build section), ve kterém začíná nábor, je označován jako (kick off point - KOP). Úsek náboru křivosti je obvykle projektován a prováděn s  konstantním tempem náboru křivosti - º/100 ft nebo º/30 m (buildup rate - BUR), dokud se nedosáhne požadovaného úhlu odklonu vrtu nebo cílového bodu tohoto úseku (end-of-build - EOB). Úhel odklonu (křivosti) vrtu neboli inklinace vyjadřuje úhel vrtu od vertikály. Azimutem se nazývá úhel v horizontální rovině mezi vrtem a severem, a to buď magnetickým, nebo geografickým. Skutečná vertikální hloubka (true vertical depth - TVD) vyjadřuje vertikální vzdálenost od počvy vrtu k ústí. Horizontální posun (departure) udává vzdálenost mezi počvou a ústím vrtu v horizontální rovině. Následnou částí vrtu je přímý úsek usměrněného vrtu (tangent section). Tento úsek udržuje azimut a inklinaci vrtu. Usměrněný vrt typu „S“ má ještě poslední část, která je charakteristická snížením inklinace (drop section), kde se hodnoty inklinace mohou blížit vertikále (obr. 16).

1.5.2.4 Klasifikace dle tempa náboru křivosti (BUR)

1) Dlouhý poloměr zakřivení, neboli konvenční – long radius – bývá hlouben rotačním způsobem se sestavami stabilizátorů a zátěžek, nebo s ponornými motory s průběžným měřením odklonu a směru. Proto při konstrukci lze použít klasické rozměry pažnicových kolon. Délka horizontální části vrtu může být značná, rekord se pohybuje okolo 3 050 m, ale typická délka se pohybuje mezi 900 m až 1200 m.

2) Střední poloměr zakřivení – medium radius – při hloubení usměrněných vrtů s tímto náborem křivosti se používají ponorné motory a MWD systémy pro regulaci směrů. Pro přechod z vertikální do horizontální polohy postačuje přibližně 100 m (300 ft). Délka horizontálního úseku se pohybuje okolo 600 m až 1000 m.

3) Krátký poloměr zakřivení – short radius – tyto vrty mohou přejít z vertikální do horizontální polohy na úseku o délce cca 15 m (50 ft), někdy i menší. Používají se krátké kloubové trubky a stabilizátory, ale většinou již jen technologie vrtání s vinutými stupačkami na cívce – systém „Coiled Tubing Drilling“ - CTD. Horizontální úsek je dlouhý v průměru 100 m.

1.5.2.5 Zařízení na zajištění odklonu vrtu od svislice

Požadovaná velikost odklonu osy vrtu od vertikály se zpočátku dosahuje speciálními nástroji, kterým se říká odkloňovače. Odkloňovače jsou různého provedení a každý z nich je vhodný do určitého typu hornin. Na obr. 18 jsou znázorněné pracovní fáze kloubového odkloňovače.

Křivý přechodník je zhotovený z běžného přechodu tak, že jeden z jeho připojovacích závitů je „ vyosený “. Horní závit křivého přechodníku je obvykle v ose vrtné kolony a spodní závit je odkloněný, čímž se stanoví osa ponorného motoru. Velikost odklonu spodního přípoje je 1 – 3° (vzhledem k ose horního přípoje křivého přechodníku). Křivý přechodník se nejčastěji používá s ponorným motorem. Stupeň vyosení křivého přechodníku má vliv na to, jak plynulý bude nárůst křivosti hloubeného vrtu. Uvnitř křivého přechodníku může být instalované zařízení pro orientaci paty měřicího přístroje.

Nářadí s ponorným motorem a křivým přechodníkem se zapouští ve svislém vrtu do hloubky, v níž má začít odklon vrtu od svislice v požadovaném směru (azimutu). Následuje zapuštění měřicího přístroje do vrtného nářadí až do křivého přechodníku. Měřicí přístroj obvykle fotograficky zaregistruje orientaci křivého přechodníku ve vrtu. Po vytažení měřicího přístroje se rozšifruje záznam přístroje a zjistí se současná orientace křivého přechodníku na počvě vrtu. Tato orientace se porovná s požadovaným azimutem budoucího vrtu a podle toho se s nářadím (i s křivým přechodníkem a ponorným motorem) pootočí do požadovaného směru. Spuštěním čerpadel se spustí ponorný motor a začíná hloubení odkloněného vrtu v požadovaném směru.

Úhybový klín je dlouhý obrácený ocelový klín, který je vytvarovaný tak, že se do něho vejde spodní část vrtné kolony. Úhybový klín je obvykle střižným kolíkem, připevněným ke spirálovému stabilizátoru, od něhož se uvolňuje jednoduše posazením klínu na počvu vrtu se současným vytvořením potřebné tíže na klín. Spirálový stabilizátor je umístěný těsně nad dlátem, takže nutí dláto k tomu, aby sledovalo zakřivení úhybového klínu. Spodní konec klínu je vytvarovaný do boku, jímž se klín zaboří do horniny na počvě vrtu a tak se zabrání pootáčení klínu ve vrtu, obr. 20.

Ve vrtné praxi se běžně používají tři typy úhybových klínů:

• standardní úhybový klín,
• úhybový klín s cirkulací,
• permanentní úhybový klín (použití při havarijních úhybech).

Odkloňovací tryskové dláto (obr. 19) je v podstatě obyčejné vrtné dláto určené do měkkých hornin, u něhož jsou použité 2 trysky o velmi malém průměru, a třetí tryska je úmyslně značně většího průměru. Tryska většího průměru (obvykle mezi 19 až 22 mm) usměrňuje většinu vytékajícího výplachu v směru požadovaného úhybu a tím je z počvy vrtu odplavovaná hornina jen v jednom směru. Po vypláchnutí určité délky nového vrtu (bez rotace nářadí) čerpadlem o maximálním výkonu je vyhloubený otvor proměřený, a když je zvolený azimut správný, dále se pokračuje běžným dlátem používaným při rotačním způsobu vrtání.

Ponorné motory pracují při cirkulujícím výplachu a jsou vynikajícími nástroji k zavrtávání usměrněných vrtů. Ponorný motor pohání prakticky jen dláto, takže odpadá potřeba rotovat s celou vrtnou kolonou. Ponorný motor je proto zařazený těsně nad dláto pod křivý přechodník, který mu umožňuje potřebný odklon od svislice v požadovaném směru.

Hlavní výhody ponorných motorů:

1. Vrtají plynule zakřivený přechod ze svislého do usměrněného vrtu.
2. Všeobecně vytvářejí příznivější podmínky ve vrtu (nižší stupeň obtížnosti zkřivení – „menší dog – leg“).
3. Umožňují delší záběr než metoda úhybových klinů.
4. Dovolují použití přístrojů, které sledují vývoj vrtu už v průběhu vrtání tzv. MWD technikou

(tj. zařízením pro měření údajů v průběhu vrtání), včetně informací o poloze odkloňovacího nástroje.

V podstatě existují dva druhy ponorných motorů:

1. hydrodynamické motory (turbíny),
2. hydrostatické ponorné motory.

Hydrodynamické motory (turbíny) se vyznačují tím, že na společném hřídeli je velký počet turbínových rotorů, střídajících se s velkým počtem statorů. Počet jednotlivých stupňů (tzn. jeden stator a jeden rotor) se může pohybovat od přibližně 25 (zkrácené turbíny) až po 250 (sekční motory). Stator upevněný v plášti je nepohyblivý a jeho hlavní funkcí je vhodně usměrňovat proud výplachu, který protéká mezi jeho lopatkami a to na lopatky rotoru, který je upevněný na hřídeli, na jehož konci je našroubované vrtné dláto. Výplach je pod zvýšeným tlakem protlačený mezi lopatkami statorů a rotorů, což vede k rotaci hřídele turbíny a tím i dláta (obr. 21).

Při konstantním množství výplachu (litráži) s růstem zatížení, tedy růstem krouticího momentu, klesají otáčky a tlak zůstává přibližně konstantní. Zastavení turbíny nemůže být tedy indikováno změnou tlaku, ale zastavením postupu. Změna otáček se změnou krouticího momentu tedy ztěžuje nastavení požadovaného směru. V současné době se turbíny používají spíše výjimečně, například v kombinaci s diamantovými vrtnými nástroji, které vyžadují vysoké otáčky a nízký krouticí moment při vrtání.

Hydrostatické ponorné motory představují v podstatě motory, které vycházejí z principu šroubových čerpadel, aplikovaných obráceným způsobem, tzn. proudem kapaliny pod zvýšeným tlakem generují rotační pohyb. Mezi tento typ ponorných motorů patří např. Dyna-Drill, Navi-Drill a další – obr. 22.

Hlavní výhodou hydrostatických ponorných motorů je, že mohou pracovat jak s kapalným výplachem, tak i s aerizovaným výplachem. Mimo to mají hydrostatické ponorné motory přednost před turbínovými motory v tom, že když se zastaví na počvě vrtu, projeví se to zřetelným nárůstem tlaku, zatím co zastavení turbíny se projeví jen zastavením vrtného postupu.

Ponorný motor nebo turbína využívají ke svému pohonu energii proudícího výplachu ve vrtu. Ponorný motor je hydrostatický pohon, tzn. vřetenové čerpadlo, které pracuje v motorovém režimu, kde místo poháněného vřetena v čerpadle je vřeteno otáčené proudem výplachové kapaliny. Pracovní část je tvořena spirálovitým kanálem kruhovitého průřezu - stator, v němž se otáčí ocelový rotor, který má vlnovitý tvar. Vřeteno má zaoblený profil závitů, a to s jednochodovým až devítichodovým stoupáním (obr. 23). Jeho horní konec je volný a spodní je připevněn ke spojovací hřídeli, která je pak následně spojena s hnací hřídelí, na kterou je připojen vrtný nástroj. Otáčky ponorného motoru jsou přímo úměrné dodávanému množství výplachu a krouticí moment je úměrný tlakovému spádu. Nespornou výhodou je také nezávislost na měrné hmotnosti výplachu.

Vrtné turbíny a ponorné motory dosahují široký rozsah pracovních výkonů, přičemž pomocí vrtného výplachu se proudění mění na mechanickou práci v blízkosti čelby vrtu, z čehož vyplývají tyto výhody:

• možnost vrtání usměrněných a horizontálních vrtů,
• nižší opotřebování vrtných trubek,
• snížení počtu havárií následkem lomu vrtných trubek,
• vyšší přesnost vrtání,
• zvyšování rychlosti vrtání,
• nižší energetická náročnost.

Hydrostatické ponorné motory lze rozdělit následovně:

1. motory s vysokou rychlostí a nízkým krouticím momentem (HSLT),
2. motory se střední rychlostí a středním krouticím momentem (MSMT),
3. motory s nízkou rychlostí a vysokým krouticím momentem.

Na obr. 24 je znázorněný chronologický vývoj technologie usměrněného vrtání.

1.5.2.6 Technologické postupy používané při usměrněném vrtání

Podle spodní části vrtné kolony lze používané technologie hloubení usměrněných vrtů rozdělit na tři základní typy:

1. standardní rotační plnoprofilový způsob vrtání,
2. vrtání pomocí ponorných motorů,
3. kombinace obou způsobů.

Standardní rotační způsob vrtání

Rotační sestavy jsou dosud občas preferovány před použitím ponorných motorů, obvykle pro udržování azimutu a inklinace v přímém úseku vrtu. Tato metoda je používaná např., když jsou k dispozici informace o geologických poměrech či ekonomické faktory neumožňují použití ponorných motorů.

Sestavení vrtné kolony závisí na podmínkách při usměrňování vrtu, vztahovaných hlavně na nábor křivosti, jeho udržení a někdy i na jeho poklesu. Používá se mnoho typů sestav spodní části kolony, které jsou závislé na mnoha faktorech (např. geologických, technických atd.).

Vrtání pomocí ponorných motorů

Usměrněné vrtání s ponornými motory je v současnosti nejpoužívanější technologií pro vrtání usměrněných vrtů. Je založené na použití takové sestavy spodní části kolony, která na dláto působí odkloňující silou působící v požadovaném směru. K tomuto se používá křivý přechodník, který je umístěný nad motorem.

V současné době se používají nastavitelné přechodníky, na kterých se nastavuje úhel zakřivení před zapuštěním do vrtu, podle požadované intenzity křivení vrtu. Byly vyvinuty křivé přechodníky, které se do požadované polohy nastavují až na počvě vrtu impulsem vyslaným z povrchu.

Při kombinaci obou výše uvedených technologií hloubení usměrněných vrtů se vyskytují dva případy:

1. použití ponorného motoru (PM) v úseku náboru křivosti, poté dojde k výměně sestavy a pokračování rotační sestavou (udržování náboru křivosti);
2. použití PM i při rotačním režimu. Například část vrtu se vrtá orientovaně, kdy vrtná kolona nerotuje a část vrtu rotačně, kdy vrtná kolona včetně PM ve vrtu rotuje. Pro úsek náboru křivosti jsou příznačné časté změny orientovaného a rotačního způsobu. Tímto ale ve vrtu vznikají tzv. mikrozakřivení, čímž se zvyšuje tření vrtného nářadí ve vrtu.

Proto byla vyvinuta zařízení, které toto mikrozakřivení odstraňují. Základním principem je průběžná změna zakřivení řízená z povrchu při rotačním vrtání (ponorné motory se nepoužívají). Firma Baker Hughes vyvinula zařízení AutoTrak RCLS a firma Sperry-Sun zařízení Geo-Pilot a AGS.

Systém AutoTrak

Systém AutoTrak RCLS (Rotary Closed Loop Drilling System) s automatizovanou jednotkou orientace nářadí pro řízení odklonu a směru vrtu (Automated Steering Unit) pracuje za nepřerušené rotace vrtné kolony. Umístění senzorů pro orientaci je co nejblíže vrtnému nástroji, což umožňuje přesné vedení vrtu zejména blízko okrajových zón kolektorských vrstev. Řídící zařízení se skládá z nerotačního těla se třemi výkyvnými rameny (obr. 25), které jsou ovládány elektronicky nebo tlakovými impulsy výplachu. To znamená, že lze naprogramovat trajektorii do počítače, který je v sestavě nebo se vyšle signál z povrchu. Jakákoliv odchylka je korigována přes uzavřený regulační obvod. V sestavě je také umístěn systém MWD a LWD pro získání maxima informací z vrtu a pro možnost korekcí trajektorie vrtu.

Systém Geo–Pilot

Toto zařízení také dovoluje řízení usměrněného vrtání za nepřerušené rotace vrtné kolony. Využívá k tomu hřídele umístěné v nerotačním těle (obr. 26). Hřídel je upevněna na ložiscích. Mezi ložisky je vyměnitelný excentrický prstenec, který vytváří potřebný stupeň prohnutí hřídele. Toto vychýlení má za následek odchýlení výstupního hřídele a nástroje v opačném směru. Řízení je možné ve dvou režimech: ruční režim – nástroj je zaměřován a řízen operátorem (directional driller) a automatizovaný režim – po naprogramování trajektorie do počítače se Geo-Pilot řídí „sám“ (pozn. jde o obdobu Automated Steering Unit v případě systému Autotrak).

Zařízení AGS

AGS (Adjustable Gauge Stabilizer Tool) – kalibrovatelný stabilizátor, který umožňuje změnu svého průměru v průběhu vrtání a tím dovoluje změnu náboru křivosti. Změna průměru stabilizátoru je dosažena prostřednictvím pístů v těle stabilizátoru (obr. 27). Hlavním konstrukčním prvkem je vratná pružina, která je ovládaná pomocí tlaku a vypnutím nebo zapnutím cirkulace. Tímto se snižuje potřeba tažení nářadí a změna sestavy stabilizátorů v rotační koloně, čímž se dosáhne úspor času. Výrobce doporučuje tento stabilizátor do vrtů s velmi vzdáleným cílem (ERW) a horizontálních vrtů.

Výhodou těchto zařízení je již zmíněné odstranění mikrozakřivení vrtu (snížení tření). Proto se hodí pro velmi náročné trajektorie. Na druhou stranu, je nevýhodou vysoká cena zařízení.

1.5.2.7 Nepřetržité měření ve vrtu v průběhu vrtání - MWD systémy

Systém MWD (Measurement While Drilling – měření v průběhu vrtání), vznikl na základě zvýšených požadavků na množství a přesnost použitých měření v reálném čase. Hlavním požadavkem na systém je nepřetržitá komunikace mezi počvou vrtu a povrchem. Od něj se také odvíjí zdokonalování měřicích zařízení a způsobů přenosu údajů na povrch.

Mezi nejčastěji požadované údaje patří:

• orientace odkloňujících zařízení při usměrněném vrtání, odklon a azimut,
• vrtné parametry (otáčky dláta, krouticí moment a stav dláta, přítlak na dláto),
• stav vrtu (hydrostatický tlak sloupce výplachu, tlak hornin, teplota na počvě),
• vlastnosti hornin (porosita, filtrace, salinita, petrografie).

Podle způsobu přenosu dat na povrch se systémy MWD dělí na:

1. elektrický přenos údajů – kabelovým spojením (ekonomicky i technicky výhodnější). Jejich předností je jednoduchá konstrukce a relativně nízká cena. Používá se především u řídicích přístrojů s centrálním zapouštěním kabelu nebo s bočním vyvedením kabelu do mezikruží (Steering Tools). Vrtná kolona však musí být v klidu, což znamená, že je lze použít pouze při vrtání s ponornými motory. Firma Grant Prideco vyvinula speciální tzv. inteligentní vrtné trubky, obchodní název IntelliPipe. Jedná se o zabudované vodiče do těla trubky pro elektrický přenos dat;
2. akustická telemetrie – údaje jsou vedeny kolonou a výplachem a požívají se v kombinaci s impulsní telemetrií. Nevýhodou je značné utlumení akustického signálu (více než 150 dB­/1 000 m při frekvenci 5 kHz) ve vrtné koloně ponořené do výplachu. Je to způsobeno okolním hlukem při vrtání, přehlušujícím malou intenzitu vyvolaných akustických signálů. Akustická telemetrie je vhodná pro UBD (Underbalanced Drilling - podrovnovážné vrtání) při použití dusíku (N₂) a pro vrtání se vzduchovým proplachem;
3. elektromagnetická telemetrie – údaje jsou vedeny kolonou a horninou. Zde jsou podobné nedostatky jako u akustické telemetrie, neboť i hornina tlumí signály a mohou se proto přenášet pouze signály o frekvenci do 200 Hz, které se těžko filtrují, a na jejich vznik je potřebný silný energetický zdroj. Z těchto důvodů se musí signály každých 1000 m zesilovat pomocí zesilovačů, což je pro přenos údajů z vrtu málo vhodné;
4. telemetrie tlakových impulsů – je metodou přenášení informací přes proudící sloupec výplachu. Tlak sloupce výplachu je periodicky modulovaný mechanickými prostředky, na povrchu jsou pak tlakové impulsy vyhodnoceny. Impulsy vznikají umístěním nastavitelné překážky do dráhy proudu výplachu (pozitivní impulsy), nebo je použito ventilu, regulujícího průtok části výplachu z vrtné kolony do mezikruží, čímž způsobuje okamžitý pokles tlaku v koloně (negativní impulsy). Nevýhodou je nízká kapacita přenosu signálu.

Existuje řada výrobců, jejichž MWD systémy jsou v současné době využívány. Odlišují se od sebe konstrukčním řešením, počtem a charakterem měřených údajů, omezením použitelnosti vzhledem k vnějšímu průměru, příp. způsobem přenosu naměřených hodnot z vrtu k povrchové jednotce.

1.5.2.8 Re-entry vrty a multilaterální vrty

Re-entry vrt je v podstatě o nový vrt (vrty), který je vyvrtán z existujícího zapaženého vrtu (tzv. mateřský vrt), což je méně nákladné než nový vrt. Ve světě se tato technologie využívá ke zvýšení intenzity těžby a vytěžitelnosti ložisek, velmi často se používá k dotěžování starých ložisek (viz obr. 28). Správná aplikace re-entry a multilaterálních vrtů vyžaduje týmovou práci vysoce specializovaných odborníků v oblastech technologie hlubinného vrtání, vystrojení vrtů a ložiskových inženýrů ve spolupráci s pracovníky servisních firem. Při aplikaci na těžených ložiskách je výhodou, že je známo mnoho informací o tomto ložisku (vrtná jádra, karotážní měření, vývoj těžby atd.). Tato technologie hloubení redukuje počet vrtů potřebných na vytěžení ložiska.

Multilaterální vrty jsou zvláštním typem re-entry vrtů. Jedná se o vyvrtání vrtů z tzv. mateřského vrtu, kdy všechny stvoly jsou využívány (často včetně stvolu mateřského vrtu). Vrty mohou být následně vystrojeny nebo nechány jako otevřené vrty (openhole). Výhodou multilaterálních vrtů je zvýšení drenáže ložiska. Nevýhodou multilaterálních vrtů je jejich velmi složité vystrojení a obtížné následné řízení těžby. Například při zavodnění čí zaplynění jednoho z vrtů je obtížné zjistit, v které větvi k tomu došlo a tím následně řídit těžbu. Provádění laterálních vrtů je velmi nákladnou a složitou operací a jsou prováděny většinou na moři z vrtných plošin.

Plánování re-entry a multilaterálních vrtů

1) Výběr vhodného poloměru zakřivení trajektorie vrtu

S konvenčním vrtáním je možný dlouhý poloměr zakřivení, větší jak 152 m (500 ft) nebo střední poloměr 61–153 m (200–500 ft). V poslední době je trend provádět re-entry vrty s krátkým poloměrem zakřivení 12-30 m (40–100 ft). Výhodou tohoto způsobu vrtání například je, že se lze vyhnout použití lineru při překonáváni problémových zón. Někdy je možno provést úhyb přímo v ložisku, což má mnoho výhod (eliminace neslučitelnosti technologie vrtání v nadložních horninách a v ložisku). Vrtání re-entry vrtů s krátkým poloměrem vyžaduje speciální techniku - kloubové vrtné kolony (vrtný nástroj, kloubový ponorný motor, pružná nemagnetická zátěžka, MWD a vysoko pevnostní vrtné trubky). Vrtná kolona ve vertikální části vrtu obyčejně obsahuje standardní vrtné trubky.

2) Volba vrtné soupravy

Jedná se o volbu mezi konvenční soupravou a soupravou CT – „Coil Tubing“. Technologie CTD (technologie vrtání s vinutými stupačkami na cívce) je nejvýhodnější z důvodu možnosti použití UBD – „Under Balanced Drilling“ (vrtání s tlakem nižším než je tlak vrstevní – podrovnovážné vrtání) a krátkého poloměru zakřiveni při otevření nového obzoru.

3) Způsob otevření stávající pažnice

1. Odfrézování určitého úseku vrtu (pažnice + cement) a vyvrtání se z cementového mostku (1. způsob). Podrobný popis a postup operace je uveden na obr. 29. Pokud se bude směrovat pomocí magnetického inklinometru je nutné odfrézovat cca 18 m (60 ft) úsek vrtu. Při použití gyroskopického inklinometru může být tento úsek kratší. Nevýhodou je, že je nutné zajistit kvalitní cementový můstek a dále nemožnost vyvrtání se z cementového mostku u tvrdých hornin. Tento způsob má výhodu oproti druhému pouze jedné frézovací operace.
   Obr. 29: Otevření úseku vrtu (1. způsob):

   Postup: A, B: zapuštění speciální sestavy vrtné kolony do vrtu a odfrézování pažnice a cementu. Délka sekce je závislá na rozměrech pažnice, průměru vrtného nástroje a použité sestavě vrtné kolony pro vyvrtání re-entry vrtu. C: odfrézovaná část vrtu, D: zacementování sekce, E: konečný stav po vyvrtání re-entry vrtu (spodní část vrtu je izolována),

2. Vyfrézování okna v pažnici pomocí úhybového klínu a frézovacích nástrojů (2. způsob). Podrobný popis a postup vyfrézování okna je uveden na obr. 30. Před usazením klínu musí předcházet karotážní měření. Pro orientaci sestavy lze použít jen gyroskopický inklinometr. Tento způsob se téměř výhradně používá u multilaterálních vrtů.

4) Příprava na vrtání re-entry vrtů

Před započetím operace je nutné provést některé potřebné činnosti jako například vytažení starého vystrojení, izolace staré perforace cementem, karotážní měření pro určení stavu pažnic a pro stanovení hranic ložiska atd.

5) Vystrojení a požadavky na izolaci v re-entry a multilaterálních vrtech

Požadavky na izolaci v těchto vrtech jsou velmi důležitým faktorem při plánování. Do vrtů s dlouhým a středním poloměrem zakřivení je možno použít cementované linery, do vrtů s krátkým poloměrem se používají zpravidla stupačky s nafukovacími pakry. U multilaterálních vrtů je izolace velmi složitá a vedla k vývoji různých úrovní vystrojení těchto vrtů.

1.6 Jádrování v hlubinných vrtech na ropu, zemní plyn a v geotermálních vrtech

Jádrování je vrtně-technická operace, která umožňuje získat ucelené vzorky horniny z provrtávané horninové formace ve vrtu, tj. vrtné jádro. Jádro tvoří nejkvalitnější část hmotné dokumentace vrtu. Podle technických prostředků použitých při jádrování, a podle zvolené technologie jádrování je možné získat jádro mechanicky nepoškozené nebo i ve fyzikálně neovlivněném stavu. Jednotlivé techniky a technologie umožňují odběr jádra v různých typech hornin.

Pro jádrování lze použít různé zařízení, avšak základními metodami odběru jádra jsou:

1. odběr bočních jader,
2. jádrování na plnou čelbu vrtu.

Boční jádra se odebírají na karotážním kabelu z otevřeného intervalu vrtu pomocí sily střelných prací. Tyto práce se považují za karotážní práce ve vrtu. Aplikují se spíše výjimečně než pravidelně a poskytují doplňkové informace o druhu horniny a stavu stěny vrtu. V současnosti je možné získat boční jádra i pomocí speciálního jádrováku na boční jádrování.

Jádrování na plnou čelbu vrtu (čelbová jádra) je nejběžnějším způsobem jádrování. Účelem je získání vrtného jádra. Technika jádrování se volí podle toho, jaké informace o ložisku nebo o hornině je potřebné získat. V širším smyslu poskytují laboratorní měření na vzorcích jádra informace, které není možné nebo účelné získat z jiných zdrojů nebo poskytují informace, které jsou mnohem přesnější a kvalitnější než informace získané z úlomků nebo z karotážních měření. Obvykle se při geologickém hodnocení využívají všechny zdroje, výsledky se porovnávají, korelují, atd.

Informace, které jsou získány analýzou vrtného jádra, lze rozdělit do 3 základních skupin:

1. geologické informace,
2. kompletační informace,
3. inženýrské informace.

Geologické informace slouží na doplnění informací v geologických mapách, jsou základem pro podrobné geologické zhodnocení provrtaných formací, např. litologie, sedimentární struktura, textura, porosita, barva, propustnost, stáří, úložné poměry, zlomy, diageneze, stopové prvky, geochemické informace, paleomagnetizmus, fluorescence apod.

Kompletační informace slouží ke správnému rozhodování při kompletaci vrtu, případně jeho pozdějších opravách, počínaje perforací. Umožňují správný výběr techniky perforace, tj. síly náložek, pomáhají při rozhodování o intenzifikačních prácích (tj. kyselinování, štěpení apod.), o výběru vhodné kompletační kapaliny (slučitelnost s horninou ložiska a jeho izolačními vrstvami), o výběru správné techniky zábrany pískování (sand control - granulometrická analýza), poskytují informace o velikosti porosity a jejím rozšíření, o obsahu jílu a jeho morfologii a rozšíření a o mineralizaci ložiska, atd.

Inženýrské informace umožňují ložiskovým inženýrům řídit správně těžbu ložiska, určit vytěžitelnost, informují je o heterogenitách propustnosti, nasycení, distribuci nevytěžitelného media z ložiska, atd. Pro interpretátora karotážních záznamů poskytují údaje pro kalibraci a jemné rozlišení výpočtů z karotážních měření pro hustotu částic, rychlost šíření akustických vln, elektrické vlastnosti hornin, kalcimetrii, charakteristiky gama měření apod. Dále jsou to geotechnické údaje, jako je Poissonovo číslo, pevnost v tlaku, Youngův modul pružnosti, relativní tvrdost, pevnost v tahu, vyhodnocení vlastností ložiskové horniny pod elektronovým mikroskopem, atd.

Faktory ovlivňující jádrování

Jedním z důležitých faktorů, ovlivňujících úspěšný odběr vrtného jádra je správně naplánování jádrování a jeho příprava. Toto je nevyhnutné zejména v případě jádrování dlouhého intervalu nebo v komplikovaných podmínkách hlubokých vrtů. Je vhodné, když za účasti zainteresovaných stran tj. geologické služby, vrtného oddělení, vrtmistra, technologa a výplachového technika jsou posouzené kvantitativní a kvalitativní požadavky geologa tak, aby se dosáhl požadovaný efekt.

Geolog předloží podmínky, které je potřebné dodržet při odběru jádra z pohledu analýz, na něž bude jádro sloužit. Vrtné oddělení navrhne vhodné technické prostředky a technologii jádrování tak, aby se požadavek geologa splnil. Čím méně je vrtné jádro ovlivněné procesem jádrování, tím lepší je výsledek, neboť při tomto procesu působí na jádro nepříznivé vlivy, které se snaží jádro rozbít, rozmočit nebo odplavit. Tak vzniká ztráta jádra, které se musí zabránit. K tomuto účelu je nutné znát jakým nářadím a jakou technologií se daná hornina musí provrtávat, aby se získalo co nejúplnější jádro.

Zmíněné nepříznivé vlivy lze zařadit do pěti skupin:

1. Mechanické účinky výplachu, který tryská z otvoru ve spojníku proti hlavě jádra a prudkým proudem omývá jádro po celé jeho délce. Těmto účinkům odolá jen jádro z pevné horniny.
2. Mechanické účinky otáčení jádrovnice, které jsou vyvolány tím, že mezi jádro a vnitřní stěnu jádrovnice se dostanou úlomky hornin, čímž se jádro omílá nebo láme a strhává se do otáčivého pohybu.
3. Mechanické účinky bočních nárazů jádrovnice na jádro, vznikajících kmitáním jádrováku ve vrtu.
4. Mechanické účinky nasunování jádrováku na jádro, vznikající třením jádra o korunku a vnitřní stěnu jádrovnice při vnikání jádra do jádrováku.
5. Fyzikálně-chemické účinky výplachu (hlavně smáčení horniny).

1.7. Technologie vrtání s vinutými stupačkami na cívce - CTD

1.7.1 Historie CTD

Historie technologie vrtání s vinutými stupačkami (čerpacími trubkami) na cívce (Coiled Tubing Drilling – CTD) se začíná psát již za 2. světové války v rámci projektu PLUTO (Pipe Lines under the Ocean). Jednalo se o plán Spojenců na vybudování ropovodu přes kanál La Manche z Anglie do Francie. První vinuté stupačky (Coiled Tubing – CT) byly vyrobeny v roce 1962, jednalo se jen o cca 15 m dlouhé kusy, které byly následně svařovány. 80. léta minulého století se stala rozhodující, protože byly vyrobeny CT s mezí pevnosti oceli 482,6 MPa, které se používají do dnešní doby.

1.7.2 Technické zařízení technologie CTD

Technické zařízení používané při technologii CTD se skládá ze dvou základních částí, z povrchového a podpovrchového zařízení.

1.7.2.1 Povrchové zařízení CTD

Povrchové zařízení, které se používá ve spojení s touto technologií, je tvořeno jednotkou vinutých stupaček, jednotkou výplachového hospodářství a nosným zařízením.

Jednotka vinutých stupaček

Jednotka CT se skládá z následujících zařízení (obr. 31):

a) Vtláčecí hlava

Toto zařízení má tři hlavní funkce:

• vyvozovat osový tlak pro tlakové vtláčení stupaček do vrtu,
• ovládat vstup CT do vrtu za různých podmínek ve vrtu,
• nést hmotnost CT.

Vtláčecí hlava manipuluje s CT pomocí dvou protisměrných tažných řetězů s ozubenými pastorky, které jsou poháněny hydraulickými motory s opačným smyslem otáček. Řetězy jsou vybaveny sedlovými segmenty, které jsou namontovány mezi články řetězu a jsou přitláčeny na stupačku viz obr. 32.

Nad vtláčecí hlavou je vodítko stupaček, které se používá na přijímání stupaček z cívky a jejich vedení do bloků řetězu. Ve spodní části vtláčecí hlavy je instalován hydraulicky ovládaný ucpávkový segment, kterým prochází kolona. Je tvořen děleným elastickým prvkem, který je přitlačen ke stupačce. Izoluje tak tlak v mezikruží vrtu od atmosféry. Minimální pracovní tlak ucpávkového segmentu je 34,5 MPa, ale všeobecně je určen pro pracovní tlak do 69 MPa.

b) Navíjecí buben

Navíjecí buben (cívka) je vyroben o průměru jádra od 60" (1,52 m) do 120" (3,05 m) a s odpovídajícím průměrem boční příruby viz obr. 33. Na standardní navíjecí buben lze navinout až cca 7 900 m (26 000 ft) kolonu CT o vnějším průměru 1" (24,5 mm).

Konec CT je připojen přes dutý konec hřídele navíjecího bubnu k vysokotlakému otáčecímu spoji, který je přímo na hřídeli. Tento spoj je připevněný k výplachovému systému. Mezi stupačkami a hřídelí navíjecího bubnu se nachází bezpečnostní ventil dimenzovaný na tlak 69 MPa pro izolaci CT od potrubí čerpadla při havárii. Otáčení bubnu je zabezpečeno hydraulickým motorem, který slouží k udržování konstantního tahu stupaček a těsné navinutí CT na cívku. Při vtláčení CT do vrtu je udržován mírný zpětný tah motoru navíjecího bubnu, aby se udržovalo napětí mezi hlavou a navíjecím bubnem.

K řádnému vedení stupaček, které jsou odvíjeny či navíjeny z bubnu, slouží tzv. vyrovnávací zařízení. Na toto zařízení se nejčastěji montuje mechanismus sledování délky stupaček. Důležitým zařízením je také brzda. Brzdný systém není určený pro zastavení nekontrolovaného odvíjení stupaček, ale pouze pro zabezpečení a zpomalení pohybu navíjecího bubnu. Mnohé jednotky mají v hydraulickém pohonném systému zařízení vyvíjející zpětný tlak na motor. Jiné jednotky používají brzdný systém s třecí podložkou, která je hydraulicky přitlačována na obvod vnější příruby navíjecího bubnu.

c) Protierupční sestava zařízení na ústí vrtu

Protierupční sestava je důležitou součástí jednotky CT jako u konvenčního vrtání. Je složena ze čtyř hydraulicky ovládaných čelistí, které se odlišují svým profilem. Jsou to plné, střižné, kluzné a oblé čelistí, které jsou určeny pro minimální pracovní tlak 69 MPa.

Pro uzavření plných čelistí musí být odstraněny CT a jiné překážky, které by mohly bránit zavření čelistí. Plné čelisti jsou určeny pro tlak působící z vrtu. Na mechanické přetržení vinutých stupaček slouží střižné čelisti (například uvízne-li CT pod preventrovou sestavou). Kluzné čelisti jsou osazeny jednosměrnými zuby, aby unesly tíhu stupačky. Kromě tohoto se mohou kluzné čelisti používat pro zajištění trubky před jejím uzavřením, aby se zabránilo pohybu v případě vysokého tlaku ve vrtu, který by ji mohl vyrazit. Oblé čelisti jsou vybaveny naformátovaným elastickým těsněním a slouží k izolaci tlaku v mezikruží. Kluzné a oblé čelisti jsou vybaveny vodícími manžetami pro správné vycentrování CT při uzavírání čelistí. Při obvrtávací operaci, která si vyžaduje opačnou cirkulaci ve vrtu, se doporučuje průtokový profil tvaru T, který je montovaný přímo pod protierupční sestavu.

d) Hydraulická pohonná jednotka

Tyto pohonné jednotky jsou určeny pro ovládání všech zařízení umístěných na soupravě CT, ale i pro zvládnutí krizových situací. Zařízení musí být proto otestováno před začátkem operace. Výkon hnacího motoru je možno měnit podle potřeb daných hydraulických pohonných jednotek. Je to dáno i typem a velikostí soupravy, lze mít jednu pohonnou jednotku pro všechna zařízení nebo může sloužit samotné jednotce CT. Tyto soupravy hydraulických pohonných jednotek jsou vybaveny elektromotory nebo naftovými motory a hydrogenerátory.

e) Řídicí jednotka

Řídicí jednotka je moderním a vysoce důmyslným zařízením. Kromě schopnosti sledovat podmínky ve vrtu a reagovat na ně, má řídicí jednotka možnost automaticky monitorovat CT a nepřetržitě informovat o jejím stavu. Jednotka má všechny ovládací prvky a měřicí zařízení, které jsou vyžadovány pro ovládání a sledování součástí jednotky CT. Jednotka by měla mít schopnost plnit tyto následující funkce:

• řídit a monitorovat postup celé operace CTD,
• kontrolovat a sledovat všechny informace a nástroje ve vrtu,
• řídit usměrněné vrtání,
• ovládat protierupční zařízení,
• řídit a monitorovat výplachové hospodářství atd.

Řídicí jednotka má různou konstrukci, ale obyčejně jsou všechny ovládací prvky umístěny na jednom ovládacím pultu. Dále může být instalována na saních pro použití na moři, nebo je montována napevno pro použití na souši, přímo na soupravě CT. Výhodou instalace řídicí jednotky na saních je možnost libovolného umístění na vrtném pracovišti, dle požadavků obsluhy. Při operacích CTD je doporučováno použití tzv. automatického vrtacího zařízení (autodriller). Jedná se o elektro – hydraulický řídicí systém využívající signálu z elektrického siloměru nebo jiného zařízení jako zpětné vazby pro regulátor, který ovládáním vtláčecí hlavy udržuje optimální podmínky vrtání a tím zvyšuje rychlost vrtání, dále minimalizuje přetížení ponorného motoru (PM) výplachem.

Jednotka výplachového hospodářství a cirkulační systémy CT

Jedná se většinou o systémy převzaté z konvenčního vrtání. Avšak kapacita těchto výplachových systémů je menší z důvodu menších průměrů vrtu.

V praxi je možno použít jakékoliv výplachy, které musí být však slučitelné s pryží ve statoru PM. Při výběru výplachové kapaliny je nutno věnovat pozornost minimalizaci ztrát tlaku třením výplachu v koloně, udržování schopnosti vynášet úlomky v mezikruží a minimalizovat vznik poškození čerpadel a stupaček. Pro získání nejpříznivějších výsledků je nutné dosáhnout optimálních tlakových a průtokových výkonů, které vyhovují požadavkům PM používaných při vrtání. Standardní požadavky na tlak a průtok jsou 27,5 – 34,5 MPa a 600 l·min^-1, v závislosti na hloubce a průměru vrtu, velikosti PM, rozměrech CT a reologii výplachu. Nejčastěji jsou používána triplexní čerpadla o výkonu 377 kW.

Nosné zařízení

Vodítko CT, vtláčecí hlava a preventrová soustava mají značnou hmotnost a pro různé typy prací CT je nutné volit vhodné nosné zařízení. Nosným zařízením mohou být: vrtná souprava, souprava pro podzemní opravy sond, těžký autojeřáb, jeřábové rameno jako součást jednotky CT nebo speciální nosné konstrukce.

Nosné zařízení musí být navrženo tak, aby odolávalo všem zatížením vyvolávaným při tažení, zapouštění a vrtání s CT a pro zabránění tvorby ohybových momentů z vtláčecí hlavy do protierupční sestavy na ústí vrtu a přírub pažnic a z hlediska bezpečnosti osádky.

Kombinace soupravy CT se speciální nosnou konstrukcí (podobnou vrtné věži) se nazývá hybridní soupravou, která se obvykle používá při náročných CT operacích, jako je CTD.

1.7.2.2 Podpovrchové zařízení CTD

Sestava podpovrchového zařízení CTD je nejlépe patrná z následujícího obrázku 38.

Vinuté stupačky

Vinuté stupačky spojují povrchové a podpovrchové zařízení v jeden celek. Jeden konec CT je spojen se spodní částí kolony (Bottom Hole Assembly – BHA) pomocí adaptéru. Druhý konec, na povrchu, je připojen přes vysokotlaký otočný spoj, který je přímo na hřídeli navíjecího bubnu.

CT se vyrábějí z oceli typu ASTM A – 606, která je modifikovanou ocelí HSLA (High-Strength, Low-Allov steel) s nízkým obsahem uhlíku. Různá síla stěny, vnější průměr, hmotnost a samotná délka CT ovlivňují kapacitu navinutí na cívce, průměr cívky a hmotnost dopravované cívky na podvozku tahače, které jsou ovlivněny cestovními limity. Se zvyšující se mezí pevnosti v kluzu materiálu, z něhož jsou vyrobeny CT, se zvyšuje jejich životnost, hloubkový dosah a odolnost vůči agresivnímu prostředí.

Výrobci dodávají na trh CT s vnějším průměrem od ¾" (19,1 mm) až 4 ½" (114,3 mm), v budoucnosti se počítá s výrobou CT nad tuto horní hranici. Například CT o průměru 4 ½" (114,3 mm) jsou komerčně vyráběny od roku 1999. V běžné praxi jsou nejpoužívanější CT s vnějším průměrem 2 ¾" (69,9 mm), 2 ⁷/₈" (73,1 mm), ale někdy i více.

Adaptér CT

Toto zařízení používané technologií CTD musí být takové konstrukce, aby odolávalo krouticímu momentu od PM, který může při ztrátě rychlosti přesahovat až 1 356 Nm. Adaptér musí být schopen se vypořádat s vibracemi a zrychlením, vznikajícími při vrtání bez poškození CT a musí mít větší pevnost v tahu než stupačky. Selhání adaptéru by mohlo způsobit neschopnost kontrolovat směr vrtu a ukroucení kolony nebo zpětný pohyb sestavy zátěžek ve vrtu.

Odpojovací mechanismus

Odpojovací mechanismus je určen pro odpojení CT od BHA v případě, jestliže se sestava zablokuje. Používají se dva typy mechanismů, které se uvolňují tlakem nebo tahem. První typ – vhozením kuličky do kolony CT, která dosedne do sedla v odpojovacím zařízení, dojde k zastavení cirkulace výplachu. Tím lze udržovat potřebný tlak pro odstřihnutí kolíků. Druhý typ odpojovacího zařízení je aktivován tahem CT. Také tento typ pracuje na principu střižných kolíků. Po uvolnění kolony jsou zapouštěny chytací nástroje pro vytažení uvízlého zařízení. Konstrukce některých odpojovačů dovoluje použití elektrického vedení, bez narušení uvolňovacího procesu. Odpojovací mechanismy musí být konstruovány tak, aby odolávaly krouticímu momentu vyvolávanému PM.

Zařízení pro orientaci

Na rozdíl od konvenčního vrtání nelze kolonou CT rotovat, a proto musí kolona obsahovat speciální zařízení pro orientaci nářadí ve vrtu v požadovaném směru, což je důležité pro usměrněné vrtání. V současné době používaná orientační zařízení jsou řízena mechanicky, posunem nahoru-dolů, hydraulicky, zastavováním cirkulace výplachu, elektricky pomocí elektromotorů v sestavě nebo jejich kombinací.

MWD systémy

Při usměrněném vrtání je nezbytné použití tohoto zařízení, avšak muselo dojít ke zmenšení průměru. Pro CTD byl také účelově vyvinut MWD systém, kde se přenos dat a přívod energie uskutečňuje pomocí wireline kabelu. Tímto se snižuje složitost přístroje a počet komponentů v sestavě BHA a hlavně délka přístroje.

Vrtné zátěžky

Zátěžky jsou používány jako u konvenčního vrtání pro vyvození potřebného přítlaku, dosažení optimální rychlosti vrtání a zabezpečení přiměřené pevnosti sestavy BHA. Musí také mít dostatečný vnitřní průměr, aby nebyl snížen tlak výplachu v koloně při použití přístrojů pro přípočvovou orientaci nebo MWD systémů. Zde jsou také nutné nemagnetické zátěžky. Při vrtání horizontální části vrtu se zátěžky nepoužívají nebo jsou omezovány na minimum.

Centrátory

Centrátory se používají, pokud to vyžadují technické či geologické podmínky. Je nutno věnovat pozornost projektu BHA, kvůli zajištění adekvátního přítlaku na vrtný nástroj, protože CT systém nemůže rotovat.

Thruster (antivibrátor)

Jedná se o zařízení vyvinuté firmou Baker, s nímž se vyvolává potřebný přítlak na vrtný nástroj pomocí hydrauliky výplachu, snižují se vibrace a vyrovnávají osové pohyby kolony. To má například za následek zvýšení rychlosti vrtání a životnosti dláta atd. Thruster pracuje na principu hydraulického válce s pístem. Na píst se pak připojují nástroje pod thrusterem (PM, vrtné dláto).

Ponorné motory

Jedná se o zařízení převzaté z konvenčního vrtání, které prošlo jen vývojem pro zmenšení velikosti. Pro technologii CTD se používají HSLT a MSMT motory. HSLT motory jsou motory s vysokými otáčkami a nízkým krouticím momentem (High speed, Low torque) a jsou vhodné pro použití s dláty osazenými teplotně stabilními polykrystalickými diamanty (Thermally Stable Polycrystalline Bits - TSP) nebo pro dláta s přírodními diamanty. MSMT motory jsou motory se středními otáčkami a středním krouticím momentem (Middle speed, Middle torque) a jsou vhodné pro dláta PDC. V současnosti jsou nejpoužívanější PM o vnějším průměru od 1 ¹¹/₁₆" (43 mm) do 3 ¾" (95,2 mm). Nejvíce se používají zejména konstrukce hydrostatických pohonů DYNA DRILL a NAVI DRILL.

Vrtné nástroje

Vrtná dláta, používána technologií CTD, jsou také přejata z konvenčního vrtání. Vrtná dláta musí být schopna dosažení průměrné rychlosti vrtání s relativně nižším přítlakem a vyšší rychlostí otáček. Pro usměrněné vrtání jsou vhodná dláta s menšími požadavky na krouticí moment z důvodu minimalizace reaktivního krouticího momentu v procesu udržení požadovaného průběhu vrtu. Na vrtání přímých úseků vrtu ve vertikálních nebo usměrněných vrtech se používají PDC dláta (dláta osazená polykrystalickými diamanty - Polycrystalline Diamond Compact Bits - PDC). Pro vrtání zakřivených úseků vrtu se obyčejně používají TSP dláta (dláta osazená teplotně stabilními polykrystalickými diamanty - Thermally Stable Polycrystalline Bits - TSP) nebo dláta osazená tvrdokovem. Při technologii CTD se používají i valivá dláta.

Při vrtání technologií CTD se ve stále větší míře uplatňují termostabilní polykrystalická dláta (TSP). Proti dlátům osazeným přírodními diamanty dosahují vyšších vrtných postupů, však nižších než dláta typu PCD. Tato dláta dosahují nejvyšší rychlost vrtání z uvedených typů vrtných dlát a navíc lépe odolávají nepříznivým vlivům při vrtání CTD. Na obr. 40 je znázorněné dláto typu TSP a na obr. 41 dláto typ PDC, používaná při technologií CTD.

Rozměry dlát pro tuto technologii se pohybují v rozmezí od 2 ¼" (57,1 mm) do 6 ½" (165,1 mm). V závislosti na různých speciálních způsobech vrtání a omezeních lze použít bicentrické dláto, frézu (oknová, počáteční), rozšiřovač atd. Vrtání na jádro je možno uskutečnit s použitím jednoduchých, dvojitých nebo trojitých jádrovnic, které se běžně používají při průzkumu rud.

1.7.3 Možnosti použití technologie CTD

Mezi potenciální možnosti použití technologie vrtání s vinutými stupačkami na cívce - CTD patří:

• vrtání horizontálních vrtů z existujících vertikálních vrtů za účelem zvýšení těžby ze sondy a zvýšení její konečné (mezní) vytěžitelnosti,
• vrtání horizontálních vrtů z existujících vertikálních vrtů pro snížení vodního zápolí nebo pro vytváření plynového kuželu po dobu těžby (gas coning),
• vrtání horizontálních vrtů z existujících vertikálních vrtů s cílem rekonfigurace drenážních obrysů ložiska v zavodněných polích pro změnu radiálního toku na lineární,
• vrtání horizontálních vrtů z existujících vertikálních vrtů pro průzkum a vyhodnocení geologického profilu vrtu,
• vrtání usměrněných vrtů z existujících vertikálních vrtů pro zpřístupnění vedlejších zásob heterogenních ložisek,
• prohlubování existujících vertikálních vrtů (deepening),
• prodlužování existujících horizontálních vrtů (lengthening),
• vertikální vrtání v a pod zónami ztrát výplachu,
• štíhlé průzkumné vrty,
• štíhlé těžební vrty.

Všechny uvedené technologie lze realizovat s tlakem nižším než je vrstevní tlak

CTD se také využívá ve spojení s konvenčními vrtnými operacemi:

• vrtání v anebo pod zónami ztrát výplachu,
• jádrování v kolektorských obzorech ložiska,
• vrtání s tlakem nižším než je vrstevní tlak v kolektorských obzorech ložiska.

V těchto aplikacích se používá konvenční vrtná souprava na odvrtání převážné části vrtu a souprava CT na dokončení vrtu.

1.7.4 Technologie vrtání CTD

CTD je posuvným a nerotačním vrtáním, u něhož existuje mnoho činitelů působících na režim vrtání (přítlak na dláto, hydraulika proplachu, pevnost hornin atd.). Avšak nejvíce ohroženým prvkem je kolona CT. Nové stupačky mají téměř „100%“ kruhovitý průřez, ale prvním navinutím na cívku a následným odvíjením a navíjením při operacích se zvyšuje jejich oválnost. Technologie CTD má také oproti konvenčnímu vrtání nové problémy v oblasti zatížení kolony jako ohyb CT vzpěrem, což má za následek sinusoidní nebo spirálové vybočení kolony ve vrtu (zvýšení tření kolony ve vrtu), které může přejít až v tzv. uzavření CT (look up). Ohyb a vzpěr CT se mohou vyskytnout v kterékoliv části vrtu (vertikální, horizontální). Tyto plastické deformace snižují životnost CT. Je proto nutné je sledovat a vyhodnocovat, pro snížení rizika havárie.

Vrtání pomocí CT nemůže nahradit konvenční vrtání, ale stává se v posledních letech velice důležitým pomocníkem. Konvenční souprava totiž často odvrtá větší část vrtu a zapustí těžké pažnicové kolony, souprava CT pak vrt dokončí. Obr. 42 a 43 znázorňují instalaci technologie CT na konvenční vrtné soupravě a na speciálně připravené vrtné plošině (např. pro servisní práce).

Tato technologie také vyžaduje více komunikace a spolupráce mezi servisní firmou a objednavatelem prací. Aby bylo dosaženo co nejlepších výsledků, musí proto předcházet velmi důkladný a podrobný projekt prací, protože se jedná o velmi složitou operaci. Jedná se například o ložiskové informace, použití vrtné technologie (OBD nebo UBD), volba povrchového zařízení, průměr vrtu, přítomnost H₂S a CO₂ v ložisku atd. Následně jsou uvedeny příklady použití technologie CTD.

1.8. Technologie vrtání s průběžným pažením - CWD

Technologie rotačního plnoprofilového vrtání (standardního rotarového vrtání) dosáhla v mnoha oblastech již takové úrovně, že další její zlepšení, které by vyplynulo ve zkrácení doby vrtání, lze jen obtížné dosáhnout. Např. konstrukce vrtných dlát je optimalizovaná již natolik, že rychlosti vrtání jsou dostatečně vysoké, a v mnoha případech odvrtá jedno dláto celou požadovanou sekci vrtu. Technika stěhování souprav dosáhla již úrovně, že zbývá jen málo času, který by se dalo ušetřit. Je tedy zřejmé, že pro dosažení významného snížení časů, resp. nákladů je potřebný zcela nový přístup.

Provedení skokové změny ve vrtném provozu je možné jen zavedením nové technologie, jako je v tomto případě systém vrtání pažnicemi. Cílem zavedení nové technologie bylo nejen zlepšení výkonu vrtného procesu, ale také zlepšení bezpečnosti a snížení dopadu vrtného provozu na životní prostředí.

Technologie vrtání s průběžným pažením vrtu (Casing while Drilling – CWD) představuje vrtání vrtů s použitím standardních pažnic místo vrtných trubek. To operátorovi umožňuje současně vrt vrtat a pažit. Proces CWD eliminuje častá tažení a zapouštěné vrtné kolony do vrtu a s tím spojená rizika. Pro rotaci s pažnicemi je použitý systém posuvné rotační hlavy – Top Drive. Pažnice zůstávají po celou dobu na čelbě vrtu a jsou případně na tomto místě cementované, jestliže je dosažena hloubka pažení.

Použití CWD může často eliminovat pažnicovou kolonu v konstrukci vrtu. Společně s vyřazením těžení a zapouštění vrtného nářadí a případných problémů s tím spojených, urychluje tato technologie proces vrtání o 20 až 30% a dělá ho tak bezpečnějším a efektivnějším, zvláště v problémových oblastech. Získané poznatky z vrtů hloubených technologií CWD ukazují, že CWD významně snižuje problémy se ztrátami cirkulace, ztrátami stability stěn vrtů a nehodami ve vrtu. Údaje uvádějí, že vrty vrtané v oblastech, kde je normálně vyžadován liner z důvodů ztrát cirkulace, kavernování nebo předcházení komplikacím, byly vrtány s menší obtížností, eliminující potřebu dodatečného lineru.

Po období vývoje a řady provozních zkoušek prokazuje vzrůstající komerční aktivita, že systém CWD se stal osvědčenou provozní metodou pro řešení vrtných problémů a snižování nákladů. Je používaný jak na pevnině - onshore – vrtání celých vrtů pažnicemi, tak na mořských platformách - offshore, kde jsou pažnicemi vrtány určité sekce vrtů.

1.8.1 Systémy vrtání s technologií CWD

Základní typy technologie vrtání pažnicemi jsou:

• těžitelná spodní sestava vrtné kolony: spodní část vrtné kolony (Bottom Hole Assembly – BHA) je dočasně pevně spojena se spodní částí pažnicové kolony a přesahuje patu pažnic rozšiřovačem a pilotním (vodícím) dlátem. Toto uspořádání může být odstranitelné lanem vrátku – systémem wire-line,
• netěžitelná spodní sestava vrtné kolony: vrtné dláto, použité k vrtání příslušného intervalu je upevněné na konci pažnicové kolony a je provedeno tak, aby bylo provrtatelné, podobně jako cementační pata pažnic při cementaci.

Operátor musí nejprve prověřit projektovaný proces hloubení vrtu a určit, která technologie by byla lepší. Těžitelný systém je více komplexní, vyžaduje více zařízení a modifikací vrtné soupravy. Netěžitelný systém má méně součástí zařízení a nevyžaduje mnoho úprav vrtné soupravy.

Systém CWD používá hlubinné a povrchové komponenty umožňující použití standardních pažnic jako vrtné kolony. Vrtný výplach je cirkulován k čelbě vrtu vnitřním prostorem pažnic a pak mezikružím mezi pažnicemi a stěnou vrtu k ústí vrtu jako u konvenční vrtné kolony. Avšak jednou z nejdůležitějších součástí pažnic v tomto případě je pažnicové spojení, protože musí poskytnout odpovídající pevnost v krutu, únavovou odolnost a světlost pro průtok výplachu.

1.8.2 Technologie vrtání CWD s těžitelnou sestavou spodní částí vrtné kolony

Základní filosofií použitou pro konstrukci nářadí pro tento systém vrtání pažnicemi je, že těžení a zapouštění vrtací sestavy BHA musí být rychlejší než u konvenčního nářadí. To stanovilo použití systému „wireline“ – systém těžení nářadí na ocelovém laně s vrátkem, jako vhodnější než použití vrtných trubek pro tento účel.

Těžitelná BHA – sestava spodní části vrtné kolony pro CWD se skládá z pilotového dláta a přibíráku (rozšiřovače), umístěném nad ním k rozšíření vrtu na konečný vrtný průměr. Navíc je systém CWD konstruován tak, aby dláto mohlo být vytěženo pomocí systému wireline – na laně a tak umožnil spodní části kolony, aby byla zapuštěna při normálních podmínkách ve vrtu, při udržování cirkulace výplachu a pohybu pažnicemi nahoru a dolů. Těžitelná BHA skrz pažnice eliminuje poškození vrtu způsobené těžením zapouštěním nářadí a poskytuje bezpečnější proces těžení nářadí.

Pažnicové spoje se provádějí stejným způsobem jako spoje vrtných trubek. Proces spojování je ukončen pažnicovým šroubovacím systémem, eliminujícím potřebu pažnicového stabilizátoru ve věži. Manipulace s pažnicemi je tak bezpečná a spoje mohou být provedené stejně rychle jako spoje konvenčních vrtných trubek. Bezpečnost je také zajištěna minimalizací aktivity personálu na vrtné plošině v průběhu spojovacího procesu.

Systém CWD umožňuje také provedení změn v úklonu vrtu a azimutálním směru úklonu. Avšak maximální úklon anebo azimutální úhel či ohyb je omezen maximálním ohybem, který dovoluje každý průměr pažnic používaných pro vrtání. Každá velikost pažnic, použitá pro CWD má únavové omezení založené na velikosti otáček násobených dobou rotace. Překročení velikosti rotace nebo překročení limitu v ohybu příslušné velikosti pažnic po delší dobu mělo by za následek porušení a havárii pažnic. Při malých i velkých úhlech odklonu a horizontálních vrtech používají pak aplikace usměrněného vrtání konvenční usměrňovací nářadí a řiditelné rotarové sestavy, spojené se systémem CWD. Sestavy pro usměrněné vrtání jsou těžitelné stejným způsobem jako BHA pro přímé vrty a používají metodu wireline nebo konvenční metody s vrtnými trubkami. Sestavy spodní části vrtné kolony pro vrtání systémem CWD pro vertikální vrt a usměrněné vrty jsou na obr. 44.

Pažnice poskytují hydraulickou a mechanickou energii těžitelné vrtné sestavě zavěšené na vsuvce, umístěné v blízkosti konce pažnicové kolony. Profil vsuvky má stejný průměr jako pažnice a může být použit k umístění cementačního zařízení poté, co je vrtná sestava odstraněna. Spolehlivost spodní části vrtného zařízení je jednou ze zásadních předpokladů použití těžitelné sestavy CWD. Nářadí spodní části kolony tvoří systém, zahrnující především Drill Lock Assembly (DLA) – zámkovou uchycující sestavu a zařízení pro rozšíření vrtu neboli rozšiřovač. Vrtný nástroj rozpojující horninu je přechodně zámkově mechanicky spojen a hydraulicky utěsněn s koncovou častí pažnicové kolony (obr. 45 a 46). Vrtná sestava je připojena k pažnicím pomocí pružinových polohových upínacích čelistí. DLA je usazena ve spodní sekci pažnicové kolony ve speciální vsuvce, s připojením na torzní čelisti pro přenos krouticího momentu a s připojením na axiální čelisti pro přenos osového zatížení. Aby bylo zapuštění a vytažení vrtného nářadí úspěšné, musí být DLA uvolněno, rozšiřovač nesmí selhat v průběhu vrtání a při těžení nářadí musí se řádně zasunout, aby umožnil sestavě spodní části kolony její vytažení na povrch.

Vnitřní stabilizátor snižuje boční pohyb vrtné sestavy uvnitř pažnic. Pažnicová pata je osazena tvrdokovovým materiálem k udržování průměru vrtu a poskytuje také indikaci zvýšení krutu při opotřebení rozšiřovače. Vnější centrátory umístěné v pažnicích stabilizují jejich polohu ve vrtu a omezují opotřebení pažnicových spojů. Systém DLA prošel při používání vrtání pažnicemi s těžitelnou vnitřní sestavou řadou konstrukčních úprav a je chráněn patentem.

Pilotové dláto, které vede pažnicovou kolonu v požadovaném směru, je zapuštěno s rozšiřovačem pro rozšíření vrtu na standardní průměr, používaný pro zapuštění, usazení a cementaci pažnicové kolony. Dláto má takový průměr, aby prošlo pažnicemi při těžení vrtné sestavy. Např. pilotové dláto průměru 6 ¼“ a rozšiřovač průměru 8 7/8“ jsou používané pro vrtání s pažnicemi průměru 7“ a síly stěny 8,1 mm.

Pažnicová kolona je napojena na rotační hlavu Top Drive s pomocí zařízení Casing Drive System (CDS) – upínacího a těsnícího zařízení, bez šroubování na horní pažnicový spoj. CDS obsahuje sestavu čelistí pro uchopení pažnic zevnitř u pažnic většího průměru a vně u pažnic menšího průměru, vnitřní naváděcí hrot s těsněním vnitřního prostoru a hydraulicky ovládaný elevátor pro vyzvednutí jedné pažnice z okraje pracovní plošiny při přidávání pažnic.

Vrtná sestava (obr. 47), zavěšená pod DLA , je ukončena pilotovým dlátem, avšak může zahrnovat další konvenční vybavení vrtné kolony, jako jsou rozšiřovač, ponorný motor, jádrovák nebo usměrňovací zařízení (nemagnetické zátěžky, LWD, MWD, křivý přechod atd.).

Jestliže je potřeba vrtat s ponorným motorem pro minimalizaci rotaci pažnic nebo jestliže sekce vrtu nemůže být vrtána jedním dlátem, pak je vyžadovaná těžitelná vrtná sestava, která může být opětovně zapuštěna do vrtu. V takových případech je použití těžitelného systému CWD jednoznačnou volbou pro usměrněné vrty vzhledem k potřebě ochránit (bezpečně vytěžit) drahé usměrňovací vrtné a naváděcí nástroje. Těžitelný systém CWD může také poskytnout způsob nahrazení poškozeného zařízení před dosažením hloubky usazení kolony a splňuje potřebu rychlého a nákladově efektivního přístupu k horninovým formacím pod pažnicovou patou. Schematická ukázka sestavy spodní části těžitelné sestavy při použití ponorného motoru je na obr. 44 a 47.

1.8.3 Technologie vrtání CWD s netěžitelnou sestavou spodní částí vrtné kolony

Netěžitelná sestava spodní části vrtné kolony pro CWD je aplikovaná zejména pro svislé vrty. Používá speciální dláto připojené k pažnicím, které může být provrtáno při zapuštění následující pažnicové kolony. U jiných aplikací může být zapuštěno konvenční dláto na pažnicích a ponecháno ve vrtu.

Netěžitelná sestava pro vrtání pažnicemi vyžaduje vyšší přítlak pro vrtání než těžitelná sestava. K tomuto účelu je spodní část pažnicové kolony pod tzv. neutrálním bodem tvořena silnostěnnými pažnicemi s pažnicovým spojením, které vytvářejí požadovanou tuhost a poskytují žádoucí přítlak k vytvoření stanovené rychlosti vrtání odpovídající konvenčním dlátům PDC. Určitým problémem z hlediska tuhosti a pevnosti této pažnicové kolony mohou být cementační zařízení v sestavě pažnicové kolony, zejména cementační objímky. Pokud není požadovaná dvoustupňová cementace, posuvné cementační objímky mohou být vypuštěny. Výhodné je použití jednostupňové cementace jen s nezbytným cementačním vybavením. Takto vytvořená těsná pažnicová kolona je z hlediska vrtání významná pro eliminaci problémů s úklonem vrtu.

Zásadním požadavkem u netěžitelné sestavy jsou rovné pažnicové trubky, aby při rotaci nevykonávaly krouživý pohyb, který vede ke zvýšenému namáhání kolony a tření o stěny vrtu. Také je důležité použití vrtné soupravy, konstruované pro vrtání pažnicemi. Vybavení soupravy má zahrnovat integrovaný Top Drive, zařízení zapouštění a manipulaci s pažnicemi a vybavení pro zatláčení vzduchu do výplachu.

Pro dosažení zvýšené rychlosti vrtání musí konstrukce vrtného dláta eliminovat nabalování vrtné drtě na dláto, což vyžaduje výplachové trysky menšího průměru, než jaké jsou požadovány pro cementaci. Pro provrtání pažnicového dláta je nejvhodnější použít vzduchového ponorného kladiva, pokud to umožní kompresorové vybavení soupravy.

1.8.4 Významné technologické aspekty vrtání pažnicemi

Jedním z uvažovaných potenciálních problémů při použití technologie CWD jsou příchvaty pažnicové kolony. Tato situace vzniká obvykle tím, že jemné broušení pažnic při rotaci proti stěně vrtu, má tendenci nabalovat vrtnou drť nebo filtrační kůrku v místech porézních a propustných vrstev, když vrtný výplach vynáší drť v mezikruží k ústí vrtu. Tento jev je minimalizovány účinkem maziv. Když se vrtá velmi hladkou pažnicovou kolonou, která nemá žádné centrátory nebo žádné mezery v mezikruží, způsobené pažnicovými spoji, pak při vrtání ve vysoce pórézní zóně může dojít k příchvatu diferenciálním tlakem, např. pro nastavování pažnicové kolony. Avšak pažnice mohou být velmi rychle uvolněny tahem a nanesením na plášť pažnic vrstvy roztoku organického smáčedla nebo mazadla, čímž lze eliminovat důsledky tento typ příchvatu. Mimo to lze takové nebezpečí minimalizovat také použitím rotačních nebo nerotačních centrátorů.

Kromě určitých koncepčních modifikací vrtné techniky pro vrtání pažnicemi, existují také významné technologické aspekty jako je namáhání rotující pažnicové kolony, vhodná volba pažnic pro tuto technologii a konstrukce spojů pažnic, funkční spojení těžitelné části kolony s rotující pažnicovou kolonu, konstrukce vrtného dláta, hodnocení provrtávaného horninového souvrství a další. Konstrukce vrtu pro vrtání s pažnicemi je v mnoha případech podobná konstrukci konvenčních vrtů. Jedním z významných rozdílů je, že pažnicová kolona je vystavena dalším napětím, jako je prohýbání vzpěrem, únavové zatížení a hydraulické zatížení, zasluhující zvláštní pozornost. Obr. 48 uvádí některé interakce, které ovlivňují integritu (neporušenost) pažnic, použitých pro vrtání.

1.8.5 Vrtné soupravy pro vrtání pažnicemi

Vrtání s pažnicemi může být prováděno konvenční vrtnou soupravou nebo vrtnou soupravou speciálně konstruovanou pro operace při vrtání s pažnicemi. Druhá možnost se ukázala jako vhodnější, protože umožňuje implementovat do vrtné soupravy řadu zařízení a vybavení, které vytváří větší účinnost při využití systému vrtání s pažnicemi.

Pro technologii vrtání s pažnicemi jsou nutné tyto konstrukční úpravy vzhledem ke konvenční vrtné soupravě:

• instalace lanového vrátku pro těžení a zapouštění těžitelné spodní části kolony,
• instalace dělené volné a pevné kladnice kladkostroje pro možnost zapouštění těžitelného lana do vrtu přes pažnice a utěsnění tohoto lana vzhledem k případným tlakovým projevům ve vrtu,
• instalace upínacího systému pro rotaci pažnic (CDS), který poskytuje bezpečné bezzávitové spojení mezi Top Drive a pažnicovou kolonou,
• instalace zařízení pro manipulaci s pažnicemi místo s konvenční vrtnou kolonou.

Uvedené konstrukční úpravy spolu se sestavou horní části kolony jsou znázorněny na obr. 49. Rotaci s pažnicemi zajišťuje upínací a těsnící zařízení (Casing Drive System - CDS) ve spojení s posuvnou rotační hlavou – Top Drive, které se stalo hlavní částí zařízení pro aplikace vrtání s pažnicemi (obr. 50).

Z hlediska použitého vrtacího zařízení existují dva základní způsoby rotace s vrtným nástrojem:

• rotace pažnicové kolony povrchovým pohonným systémem, který zahrnuje Top Drive a CDS se zámkově hydraulicky upevněnou těžitelnou spodní částí kolony, používaný pro vertikální vrty a vrty s malým úklonem,
• zámkově ukotvená těžitelná část uvnitř pažnicové kolony, která zahrnuje ponorný motor pro pohon konvenčního vrtného dláta a rozšiřovačem, používaná hlavně pro usměrněné vrty s větším úklonem a v horizontálních vrtech.

Vrtná souprava musí být schopna zapouštět pažnice délkového rozsahu 3 dle API (nad 10,4 m). Je také žádoucí, aby souprava byla kompatibilní se zařízením pro bezpečné uchycení pažnic pro jejich rotaci a vertikální pohyb (CDS), který poskytuje také spolehlivé bezzávitové spojení mezi Top Drive a pažnicovou kolonou. Jedná se o jednu z nejdůležitějších komponent na soupravě, která je relativně snadno napojitelná na Top Drive. CDS je poháněn hydraulicky a předává krut a tok výplachu do pažnicové kolony. Existují dva typy CDS: vnitřní – pro větší průměr pažnic a vnější – pro menší průměr pažnic. Je řízen automaticky z kabiny vrtaře prostřednictvím programovatelného řídicího systému. Oba typy CDS jsou schematicky znázorněny na obr. 50. Systém elevátorového vychylovacího kloubového spojení, který je součástí integrovaného Top Drive a CDS a který slouží k napojení a vyzdvižení pažnice do vrtné věže, je na obr. 51.

Základním příkladem výše uvedené koncepce moderních vrtných souprav jsou vrtné soupravy kanadské společnosti TESCO Corp. s označením CDR HA (CDR - Casing Drilling Rig, HA – Hydraulic Automated – hydraulicky ovládaná automatizovaná vrtná souprava s technologií vrtání pažnicemi). Soupravy se vyrábějí ve čtyřech základních typech s označením CDR 100, 150, 200 a 250 HA, kde číselné označení se vztahuje ke kapacitě jejich statické nosnosti v tunách (1000 – 2500 kN) – viz obr. 53. Souprava je konstruovaná k využití technologie CWD. Souprava používá systém pro automatickou manipulaci s trubním materiálem, který je konstruován speciálně pro CWD (a může být samozřejmě použitý i pro vrtné trubky). Kromě skladovacích a přísunových můstků pro pažnice, používá systém manipulačního, hydraulicky ovládaného nosiče (přísunového můstku) pro přepravu trubek na pracovní plošinu soupravy. Můstky umožňují uložení až 4.000 m pažnic (u soupravy CWD 250 HA) a jejich automatizovaný přísun směrem k hydraulickému manipulačnímu nosiči. Souprava využívá Top Drive vlastní konstrukce model TESCO 250 HMJS (obr. 52), který má statickou nosnou kapacitu 2500 kN a kapacitu v krutu 28470 Nm. Dosahuje 175 otáček za minutu. Obsahuje všechny standardní funkce pro manipulaci s trubkami a také CDS. Vrtnou soupravu lze modifikovat podle požadavků jako Casing Drilling Rig nebo konvenční vrtnou soupravu pro vrtání s vrtnými trubkami.

Vrtná souprava je zkonstruována tak, že jednotlivé celky jsou umístěny na skluznicích, aby celá vrtná souprava byla transportovaná na 12 standardních návěsech s natahovacím vrátkem bez použití jeřábu. Dosažení snížení hmotnosti a zvýšení mobility bylo možné, protože proces vrtání pažnicemi pozměňuje mnoho rysů soupravy, které značně ovlivňují konstrukci konvenční vrtné soupravy. Eliminací stavění trubek na pracovní plošinu soupravy umožňuje, aby základy (sklepy) a stožár soupravy byly lehčí. Méně nežádoucích tlakových odporů ve srovnání s vrtnými trubkami umožňuje použití menších výplachových čerpadel. Eliminace těžení a zapouštění vrtné kolony umožňuje snížení výkonu vrtného vrátku, i když kapacita zatížení na háku není ovlivněna. Tato charakteristika také umožňuje použití menšího pracoviště a umožňuje snížení požadavků na celkový potřebný výkon, které se přenášejí na nižší spotřebu paliva. Obr. 53 ukazuje schéma rozmístění soupravy a obr. 54 je ukázka soupravy s automatickým podavačem trubek, v poloze uprostřed jeho zdvihu.

Minimální mechanické spojení mezi lyžinami dovoluje jednotlivým celkům soupravy mírné vychýlení a urychluje jejich umisťování na nové lokalitě. Protože trubky nejsou stavěny do věže, je eliminovaná potřeba prostoru pro podložky vrtných trubek a zátěžek, zatížení horní plošinou a potřeba podstavných rohoží, což opět značně snižuje velikost a zatížení přemisťovaného zatížení. Eliminace stavění trubek do věže snižuje zatížení věže od větru, což zjednodušuje konstrukci věže a dále snižuje její zatížení. Obr. 55 ukazuje hydraulické zařízení pro manipulaci s preventivou sestavou – BOP a obr. 56 znázorňuje řídící pult v kabině vrtaře.

Přehrát video

Souprava obsahuje manipulační systém pro trubky, řízený vrtařem, který je konstruovaný speciálně pro vrtání pažnicemi, ale může být také použit pro vrtné trubky. Srdcem tohoto systému je přísunový můstek (neboli nosič trubek), který dopravuje trubky z úložních můstků s trubkami na pracovní plošinu. Obr. 57 ukazuje přísunový můstek ve zdvižené poloze s jednou pažnicí zvedanou elevátorem na pracovní plošinu.

Nezanedbatelným přínosem nového typu vrtných souprav je zvýšená bezpečnost personálu. Studie nehod na konvenčních vrtných soupravách ukazují, že operace těžení a zapouštění a manipulace s nářadím mají nejvyšší výskyt nehod při jakékoliv vrtné aktivitě. Asi jedna třetina nehod na vrtných soupravách se vyskytuje v průběhu operací, které zahrnují těžení a zapouštění nářadí, spojování kolon a zvedání nebo pokládání trubek. Nové vrtné soupravy pro vrtání pažnicemi jsou konstruovány pro minimalizaci zásahů člověka v procesu manipulace s trubkami a eliminaci většiny těžení a zapouštění nářadí. To poskytuje bezpečnější pracovní prostředí a pracovní proces.

Dalším příkladem jsou vrtné soupravy nizozemské společnosti Huisman Equipment BV s označením LOC (Land and Offshore Containerized Drilling Rig – kontejnerová vrtná souprava pro vrtání na pevnině i na moři). Vrtné soupravy jsou vyráběny ve společnosti HK Konstrukce s.r.o. v České republice. Moderní koncepce základního typu této vrtné soupravy LOC 250 byla uvedena na trh v roce 2005. Souprava byla zkonstruovaná také k využití technologie CWD. Požadavky na rychlejší vrtání, větší pružnost a aplikaci pro hlubší vrty vyústily v produkci dalšího typu této vrtné soupravy a to LOC 400 (obr. 58).

Vrtná souprava LOC 400 představuje konstrukční řešení současných náročných požadavků v hlubinném vrtání firmou Huisman Equipment BV. Je konstruována pro aplikace v kategorii středně těžkých a těžkých souprav s hloubkovým dosahem 6.000 m. Technologie vrtání pažnicemi - CWD umožňuje vrtání s pažnicemi průměru od 4 ½“ do 18 5/8“ s nosnou kapacitou 3170 kN a maximálním krouticím momentem 61100 Nm.

Konstrukce soupravy LOC 400 má tuto koncepční charakteristiku:

• komplexní konstrukční řešení pro konvenční vrtání a technologii CWD,
• kontejnerová konstrukce (obr 59),
• aplikace prvků automatizace v procesu vrtání,
• ucelená konstrukce,
• pohonná jednotka konstruovaná pracovat v sestavě s generátorem nebo místní sítí.

Automatizace procesu vrtání je řešena dvěma aspekty. Jednak automatickou manipulací s trubním materiálem (obr. 60) a jednak automatizací samotného vrtného procesu.

Vrtná souprava je vybavena automatickou manipulací s trubním materiálem, umožňujícím bezpečnou manipulaci jak s pažnicemi, tak i s vrtnými trubkami, které je zcela jiné konstrukce než v předchozím případě. Manipulační zařízení vyzvedne trubku z horizontálního stojanu a umístí ji vertikálně přímo na střed vrtu, kde ji převezme Top Drive s upínacím pažnicovým zařízením CDS (obr. 61). Automatické manipulační zařízení pracuje s maximální hmotností trubního materiálu 3 t a maximální délkou 14,3 m. K rotaci a zašroubování trubky je použitý Top Drive nebo speciální šroubovací kleště. Celý proces je řízený z kabiny vrtaře (obr 62), což eliminuje přítomnost vrtného personálu na pracovní plošině. Manipulace s pažnicemi je stejná jako s vrtnými trubkami.

1.8.6 Možnosti použití vrtání pažnicemi při usměrněném vrtání

Většina aplikací vrtání s pažnicemi je zaměřena na vrtání vertikálních vrtů nebo vertikálních intervalů vrtů. Avšak jak se procesy vrtání přímých vrtů pažnicemi v praktických podmínkách staly realizovatelnými, je pro to dostupné vhodné nářadí a byl zjištěn prokazatelný přínos z vrtání pažnicemi, zájem o vrtání s pažnicemi v usměrněných vrtech se zvyšuje.

Vrtání usměrněných vrtů pažnicemi vyžaduje těžitelný systém spodní části kolony z důvodu nutnosti vytěžení drahého usměrňovacího a vodícího nářadí z vrtu, potřeby nahradit poškozené zařízení před dosáhnutím hloubky usazení pažnic a nákladově efektivnějšímu přístupu k horninové formaci pod pažnicovou patou. Těžitelná vrtná sestava spodní části kolony systémem wireline, umístěná na spodním konci pažnic, nahrazuje usměrňovací nářadí používané u konvenční spodní části sestavy kolony. Pažnicemi může být pohybováno a udržovaná cirkulace při těžení nebo zapouštění těžitelného nářadí pro zajištění, aby pažnicová kolona nedostala příchvat.

Systém usměrněného vrtání byl již ověřen i komerčně využit s pažnicemi průměru 5 ½“, 7“, 9 5/8“ a 13 3/8“ pro vrtání úklonných vrtů s relativně malými úklony. Systém byl také použit pro vrtání několika zkušebních vrtů s pažnicemi průměru 5 ½“ a 7“ pro vrtání s úklony, které se přiblížily horizontále.

1.9 Technologie podrovnovážného vrtání – systém Underbalanced Drilling - UBD

Podrovnovážné vrtání (Under Balanced Drilling - UBD) je moderní, rychle se rozšiřující technologie používaná při vrtání na ropu a zemní plyn. Většina vrtů na ropu a zemní plyn je v současné době vrtána rotační způsobem, při použití rotačního stolu a vrtného dláta. Základní a nejdůležitější funkcí používaného výplachu při cirkulaci ve vrtu je vynášení úlomků hornin z počvy vrtu na povrch a kontrola nad ložiskovými médii. Tato funkce je zabezpečena a řízena pomocí hydrostatického tlaku vyvolaného sloupcem kapaliny ve vrtu. Pokud jsou tlaky ve vrtu a v ložisku vyrovnány lze říci, že vrt je v rovnováze. Při této situaci neexistuje proudění tekutin z ložiska do vrtu a naopak. Tento stav ve vrtu je však po technické stránce velmi složitě proveditelný. Kromě toho musí výplach splňovat další funkce jako je stabilizace stěn vrtu, chlazení vrtného nástroje atd.

Při konvenčním vrtání jsou vlastnosti výplachu voleny tak, aby zabezpečily stav, kdy tlak ve vrtu převyšuje tlak v ložisku. Při této nadrovnovážné situaci při vrtání vrtný výplach zabraňuje vniknutí ložiskového média z okolních hornin do vrtu (obr. 63). V důsledku nerovnováhy tu však existuje proudění výplachu z vrtu do horninového prostředí v okolí vrtu. Aby se omezilo toto proudění, přidávají se do vrtného výplachu aditiva, která vytváří na stěně vrtu, v pórech a trhlinách přilehlých k vrtu tenký, nízko-propustný filtr.

Při UBD je tlak výplachu v otevřené části vrtu záměrně udržován pod hodnotou ložiskového tlaku, což má za následek, vnikání ložiskového média do vrtu po celou dobu provrtávání propustné formace (obr. 63). Podle API RP 53, článku 13 je UBD vrtná operace, při které je umožněn přítok vrstevního média do vrtu. Existují studie, které ukazují, že mnohé vrtné operace s tlakem nižším než je tlak ložiskový jsou ve skutečnosti vyvážené operace – Balanced Drilling, anebo s tlakem málo nižším jak vrstevní tlak a nemusí mít přítok do vrtu. Největší výhodou podrovnovážného vrtání je ekonomický přínos spojený s minimálním poškozením ložiska výplachovou tekutinou.

1.9.1 Účel technologie UBD

Cíle technologie UBD mohou být rozděleny do dvou hlavních kategorií:

1. maximalizace vytěžitelnosti ložiskového media z vrtu,
2. minimalizace problémů při vrtání.

Specifické výhody a nevýhody UBD mohou být shrnuty následovně:

a) výhody UBD:

• zvýšení rychlosti vrtání,
• snížení kolmatace (poškození kolektoru v přípočvové zóně vrtu) výplachem,
• zvýšení produktivity vrtu,
• snížení rizika uchycení vrtného nářadí ve vrtu (příchvat v důsledku diferenciálního tlaku),
• omezení rizika ztráty výplachu během vrtání,
• menší přítlak na vrtné dláto a zvýšení životnosti vrtného dláta,
• možné snížení problémů se svíráním vrtu;

b) nevýhody UBD:

• možné snížení stability vrtu,
• zvýšení ceny vrtu (závislé na použitém systému),
• omezená slučitelnost s konvenční technikou pro usměrněné vrtání (ponorné motory - PM, systémy měření v průběhu vrtání - MWD),
• možné mechanické poškození okolí vrtu, strhávání částeček okolní horniny (pravděpodobnost nadměrné eroze vrtu),
• přerušované podrovnovážné podmínky,
• tíha kolony je zvětšená kvůli zmenšenému vztlaku,
• vysoké nároky na rozměr plochy vrtného pracoviště,
• vysoké nároky na zdroj plynu,
• vysoké nároky na projektování práce,
• všeobecně vyšší ohrožení s větším množstvím základních problémů, které je třeba řešit (například řízení deprese na ložisko ve vztahu k dostatečné výnosové schopnosti výplachu).