Ingegneria e sicurezza materie prime. Domande e risposte esame - Appunti lezioni

Parte prima: tecniche di perforazione

Domanda 11.1: Tecniche di perforazione per la produzione degli idrocarburi

La perforazione direzionata

Rotary: La rotazione deriva dalla tavola rotary in superficie. La batteria è tutta in rotazione.

Fratturazione idraulica

Un altro tipo di perforazione è quella mediante fraking. Tale tecnica viene utilizzata per strati porosi ma non permeabili. Tale condizione mi costringe a utilizzare la fratturazione idraulica. In questo caso parleremo di shale gas o shale oil e li andremo a individuare come idrocarburi non convenzionali. Il fluido si può disperdere, può creare problemi soprattutto in zone sismiche.

Motori di fondo pozzo

La rotazione avviene solamente nella porzione finale della batteria determinata dal fluido di perforazione (rotore + statore). Solitamente negli impianti in mare/direzionati (vanno a drenare su più aree di drenaggio, scostamento circa 2-3 km), maggior controllo, maggior complessità. Si distinguono due tipi di motori di fondo: le turbine e i motori PDM. Le turbine sono macchine fluidodinamiche rotanti e aperte, dotate di rotori e statori. I motori PDM sono macchine volumetriche rotanti e chiuse.

Domanda 1.2: Impianti per la perforazione a terra

Sistema di sollevamento

Il sistema di sollevamento è il complesso di attrezzature necessarie per manovrare qualsiasi materiale all'interno del pozzo, e in particolare è costituito dalla batteria di perforazione e dalle colonne di rivestimento. Argano è la macchina che trasmette la potenza per la manovra delle attrezzature in pozzo. Taglie: Il meccanismo della taglia, costituito da una parte fissa e una mobile, è un insieme di pulegge collegate da un cavo, manovrato dall'argano. La taglia fissa sostiene il carico applicato al gancio e ha la funzione di ridurre il tiro necessario a sollevare il materiale tubolare impiegato per la perforazione del pozzo. Essa è posta in cima alla torre ed è costituita da un insieme di pulegge appoggiate su un'intelaiatura di profilati metallici. La taglia mobile è costituita da un altro insieme di pulegge.

Sistema di rotazione

Il sistema di rotazione ha il compito di imprimere il moto rotatorio alla batteria di perforazione, ed è formato dalla tavola rotary, dall'asta motrice e dalla testa di iniezione oppure testa motrice, detta top drive, che sintetizza le funzioni delle tre attrezzature precedenti. La tavola rotary ha il compito di far ruotare la batteria e di sostenerne il peso durante le manovre. Asta motrice, o asta quadra, è un'asta a sezione quadrata o esagonale, che trasferisce il moto della tavola rotary alla batteria di perforazione. Testa di iniezione, sospesa al gancio per mezzo di una robusta maniglia in acciaio, segue i movimenti verticali del gancio e deve essere quindi collegata alla tubazione di mandata del fango con un tubo flessibile. L'utilizzo del top drive rispetto alla tavola rotary permette maggior controllo della perforazione e riduzione del tempo per la connessione delle aste.

Sistema di circolazione

Il sistema di circolazione è costituito dalle pompe fango, dalle condotte di distribuzione e dal sistema di pulizia e accumulo del fango. Si tratta di un circuito idraulico chiuso, all'interno della batteria di perforazione, e di qui di nuovo in superficie, nell'annulus tra batteria e foro. Il fango in uscita dal pozzo deve essere ripulito dai cutting. Le vasche attive contengono il fango che circola nel pozzo, quelle di riserva contengono il fango per fronteggiare eventuali perdite di circolazione, altre vasche contengono del fango pesante, per intervenire prontamente in caso di perdita del controllo idraulico del pozzo.

Sistema di generazione

Motori a gasolio, distinguendo gli impianti a trasmissione meccanica da quelli a trasmissione elettrica.

Domanda 1.3: Fluidi di perforazione

Funzioni

• Rimozione e trasporto a giorno dei cutting generati dallo scalpello.
• Bilanciamento della pressione di formazione. Ciò si ottiene mantenendo la pressione idrostatica della colonna di fango sempre più alta della pressione dei pori, regolando la densità del fango.
• Ostacolo al franamento delle pareti del pozzo. La pressione idrostatica del fango costituisce una sorta di sostegno temporaneo.
• Blocco della ricaduta dei cutting quando si arresta la circolazione. Deve gelificare rapidamente.
• Raffreddamento e lubrificazione in particolare dello scalpello e della batteria di perforazione.
• Fonte di informazioni geologiche e stratigrafiche. Il campionamento e l'analisi dei cutting separati al vibrovaglio.
• Far ruotare il rotore negli impianti a turbina.

Tipologie

• Fanghi a base d'acqua: acqua (dolce o salata), alla quale si aggiungono argille naturali del gruppo della bentonite - sospensione omogenea e viscosa. Vantaggi: basso costo, buona pulizia del foro, basso impatto ambientale. Svantaggi: l'interazione dell'acqua con le argille di strato, che si gonfiano e vanno diluite periodicamente.
• Fanghi a base d'olio: prodotti naturali o sintetici a base di idrocarburi + additivi chimici, d'appesantimento e viscosizzanti. Vantaggi: maggiore stabilità del foro (a causa della scarsa interazione con le argille). Svantaggi: alto costo, maggiore impatto ambientale in caso di versamenti.
• Fluidi a base gassosa, solitamente aria, sono caratterizzati da bassa densità e non sono in grado di controbilanciare le pressioni di strato, sono utilizzati per formazioni a basso gradiente dei pori.

Domanda 1.4: Calcolo delle perdite di carico nel circuito idraulico di un impianto di perforazione

Circuito idraulico: Il fango scende all'interno del pozzo e risale nell'anello tra foro e casing. Arriva alla testa pozzo e scede dagli ugelli (fori), raccoglie cutting e risale. Separazione e analisi del cutting separati nel vibrovaglio, vasche, pompe, da capo. La tensione interna deve essere maggiore di quella esterna per evitare risalite indesiderate del fluido di strato.

Potenza pompa P = Q * DP (/n)
Q = conosce sezioni anulari e velocità minima di risalita fango, considerando fluido incomprimibile. Q è costante.
DP = ? (Distribuite nella batterie - Concentrate nello scalpello.)

Formula di Poiseville:
Sono:

• Direttamente proporzionali a lunghezza, velocità (moto lam.), velocitಠ(moto turb.)
• Inversamente proporzionali a diametro² (moto lam.), diametro (moto turbo.)

Domanda 22.1: Composizione della batteria di perforazione ed accessori e scalpelli speciali per pozzi profondi

Analisi delle tensioni e calcolo dell'instabilità della batteria. La batteria di perforazione è un insieme di aste cave di sezione circolare, dalla superficie fino a fondo pozzo. Funzioni: porta a fondo foro lo scalpello trasmettendogli rotazione e carico verticale, permette la circolazione del fluido di perforazione, guida e controlla la traiettoria del foro. Composta da aste normali, aste intermedie, aste pesanti e da alcune attrezzature accessorie.

Come opera: la parte superiore della batteria è in trazione (sostenuta dal gancio), quella inferiore è in compressione; le aste normali non resistono a compressione, serve quindi il tratto inferiore con aste più robuste: le aste pesanti sono aste a parete spessa, ricavate da barre d'acciaio piene. L'uso delle aste intermedie permette la connessione tra le precedenti senza brusche variazioni di diametro. Il foro è lungo e stretto dunque instabilità, si risolve con Trazione/Compressione come sopra descritto (asse neutro) + suddivisione aste normali/intermedie/pesanti + accessori.

Accessori

• Gli stabilizzatori delle aste pesanti, anelli che si appoggiano alle pareti del foro per rendere la batteria più rigida, fondamentali per il controllo della traiettoria (ogni 100-200 mt).
• L'ammortizzatore è un dispositivo posto sopra lo scalpello per ridurre le vibrazioni assiali.

Scalpello

È l'utensile che perfora la roccia, trasformandola in frammenti (cuttings) che sono poi trasportati in superficie dal fluido di perforazione. La scelta del tipo di scalpello dipende dalla durezza, dall'abrasività e dalla perforabilità della formazione rocciosa.

• Lo scalpello tri-cono perfora la roccia mediante un'azione di compressione e urto, combinata a taglio e strisciamento, e si adatta bene anche alla perforazione di rocce dure, è costituito da tre corpi e tre rulli taglienti.
• Gli scalpelli a diamanti naturali per turbine di fondo foro, non possedendo parti in movimento, possono funzionare anche ad alto numero di giri.
• Scalpelli impregnati questo tipo di scalpello è stato progettato per perforare formazioni particolarmente dure e abrasive.

Il numero di giri è quello che, in funzione del peso batteria, permette la velocità di avanzamento ottimale. Ciclicamente lo scalpello è da sostituire per usura, è necessario estrarre tutta la batteria, molto tempo, costo.

Carotiere

Procura la carota per analizzare porosità e permeabilità.

Testa di pozzo

La testa pozzo e le apparecchiature di sicurezza sono dei dispositivi muniti di valvole che permettono di isolare il pozzo dall'ambiente esterno. In questo modo è possibile controllare in maniera efficace e sicura le pressioni che si sviluppano all'interno del pozzo.

Domanda 33.1: Gradienti di pressione in foro

Pressione di formazione: formazioni a pressione normale e in sovrappressione

I fluidi contenuti nei pori della roccia esercitano delle pressioni, indicate come pressioni dei pori o di strato o di formazione, che è necessario conoscere e contrastare in fase di perforazione. La pressione normale è quella che si individua ad una certa profondità, ipotizzando che sia in comunicazione con la superficie e con il terreno saturo d'acqua. Per strati isolati si possono trovare pressioni anomale (sovrapressioni).

La pressione di fratturazione è la pressione che, applicata all'interno del foro, provoca la fratturazione della roccia, dando così origine a severi problemi di pozzo, soprattutto in zone sismiche. Per strati con gradienti di pressione diversi devo usare tubing (tubi di produzione) distinti all'interno del casing perché il fluido dello strato superiore non venga risucchiato da quelli inferiori.

Domanda 3.2: Il controllo idraulico del pozzo

Sicurezza del cantiere e tecniche di controllo primario e secondario per la prevenzione delle eruzioni

Per blow out si intende una fuoriuscita incontrollata di fluido di strato, fondo/intermedia/superficie. Generalmente si può controllare l'avvenimento monitorando il livello delle vasche del fluido di perforazione, il livello non dovrebbe mai aumentare.

Barriere primarie: Fluido di perforazione dovrebbe evitare la risalita di fluidi. Il pozzo è sotto controllo idraulico quando la pressione del fango è maggiore della pressione di strato esercitata dai fluidi contenuti nelle formazioni porose e permeabili perforate. Come primo intervento vi sono le vasche di riserva che contengono il fango per fronteggiare eventuali perdite di circolazione, mentre altre vasche contengono del fango pesante, per intervenire prontamente in caso di perdita del controllo idraulico del pozzo.

Barriere secondarie: Le apparecchiature di sicurezza, dette anche BOP, sono grosse valvole collocate sulla testa pozzo e/o altre posizioni durante le operazioni di perforazione. Sono in grado di chiudere completamente il pozzo in poche decine di secondi e in qualsiasi condizione operativa. In mare è possibile installare un pozzo di relief, una nave secondaria è connessa al pozzo e può intervenire iniettando addensanti in caso di emergenza.