Wiertnictwo;

Wiertnictwo;

Obciążanie płuczki wiertniczej

Obciążanie płuczki wiertniczej

Przygotował:

Albert

 

Złotkowski

Kraków, 

2010

Wstęp

Płuczka  wiertnicza  wywiera  istotny  wpływ  na 

wszystkie operacje technologiczne w czasie wiercenia 
otworów  i  dowiercania  złóż  ropy  naftowej  i  gazu 
ziemnego.  Płuczka  wiertnicza  w  otworze  powinna 
spełniać  obecnie  wiele  zadań,  mających  związek  z  jej 
określonymi 

właściwościami. 

Wyróżnia 

się 

następujące zadania płuczek:

Zadania płuczki wiertniczej

• Oczyszczanie dna otworu ze zwiercin i ich transport na 

powierzchnię,

• Równoważenie ciśnienia górotworu i kontrola ciśnienia 

złożowego,

• Utrzymywanie stałych komponentów płuczki i zwiercin w 

stanie zawieszenia w czasie przerw w krążeniu płuczki i 
łatwe oddzielanie zwiercin w systemie oczyszczania,

• Minimalizacja uszkodzenia przepuszczalności złóż 

produktywnych w strefie przyotworowej i zabezpieczenie 
prawidłowej ochrony złoża,

• Utrzymanie stabilności ściany otworu,

Zadania płuczki wiertniczej

• Chłodzenie, smarowanie i wpływ na obniżenie ciężaru 

przewodu wiertniczego,

• Przenoszenie energii hydraulicznej na świder,
• Kontrola korozji,
• Przyczynianie się do skutecznego cementowania oraz 

udostępnienia złoża,

• Minimalizowanie szkodliwego wpływu na środowisko 

naturalne.

Regulacja gęstości płuczki wiertniczej

Celem 

regulacji 

ciśnienia 

hydrostatycznego 

przeciwdziałającego 

ciśnieniu 

złożowemu 

i 

geostatycznemu  do  płuczki  wiertniczej  dodaje  się 
materiałów  obciążających.  Proces  ten  nazywa  się 
procesem 

regulacji gęstości płuczki wiertniczej

.

Podział materiałów obciążających

Gęstość  materiału  obciążającego  jest  jednym  z 

głównych  wskaźników  jego  jakości,  gdyż  od  wartości 
gęstości uzależniona jest zawartość fazy stałej w płuczce 
wiertniczej,  jej  właściwości  reologiczne  oraz  wskaźniki 
wiercenia otworu.

W zależności od gęstości, materiały obciążające dzielą 

się na 3 grupy:

Podział materiałów obciążających

a)materiały  o  małej  gęstości  (2,6  –  2,9  Mg/m

3

),  do  których 

należą  węglanowe  materiały  obciążające,  takie  jak:  wapień, 
kreda, margiel, marmur i inne;

b)materiały  o  średniej  gęstości  (3,8  –  5,0  Mg/m

3

),  do 

których zaliczane są: baryt, ilmenit, koncentraty rud żelaza o 
zawartości 

żelaza 

45 

– 

55%

i inne;

c)materiały  o  dużej  gęstości  (5,0  –  7,0  Mg/m

3

),  takie  jak: 

koncentraty rud ołowiowych, magnetyt i hematyt o zawartości 
żelaza ponad 70%, rudy żelazowo-arsenowe i inne.

Właściwości materiałów obciążających

Materiały  obciążające  o  niskiej  gęstości  (grupa  a) 

charakteryzują  się  stosunkowo  niewielkim  działaniem 
strukturotwórczym  na  płuczki  wiertnicze,  w  związku  z  czym 
ich  zawartość  w  płuczce  może  być  duża.  Przy  ich  dużej 
koncentracji zwiększa się jednak znacznie objętość obciążanej 
płuczki,  a  uzyskiwane  wartości  gęstości  nie  przekraczają
1,4 – 1,5 Mg/m

3

.

Materiały  zaliczane  do  drugiej  grupy  są  podstawowymi 

materiałami  obciążającymi,  umożliwiającymi  osiągnięcie 
gęstości płuczki do 2,2 – 2,3 Mg/m

3

. Większe wartości gęstości 

płuczki  wiertniczej  (w  granicach  2,5  –  2,6  Mg/m

3

)  mogą  być 

uzyskiwane 

tylko 

za 

pomocą 

materiałów

z grupy trzeciej, np. hematytu. 

Właściwości materiałów obciążających

Skład  chemiczny  materiału  obciążającego  warunkuje  jego 

obojętność  wobec  płuczki  wiertniczej.  Materiał  obciążający 
nie powinien ulegać rozpuszczeniu pod wpływem fazy wodnej 
płuczki, nawet w warunkach wysokich temperatury.

Chemiczna obojętność materiału obciążającego w stosunku 

do  płuczki  wiertniczej  uzależniona  jest  od  domieszek. 
Niepożądanymi  domieszkami  mogą  być  rozpuszczone  w 
wodzie  sole,  materiał  ilasty,  skały  węglanowe,  krzemionka  i 
inne nieodporne chemiczne i termiczne składniki, jak siarczki, 
węglany 

żelaza, 

manganu, 

wapnia, 

magnezu,

i inne. 

Charakterystyka materiałów obciążających

Tabela 1. Charakterystyka materiałów obciążających stosowanych do płuczek wiertniczych

MATERIAŁ OBCIĄŻAJĄCY

CHARAKTERYSTYKA

1. Baryt BaSO

4

Gęstość – 4,48 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 3,0 – 3,5

2. Sproszkowane rudy żelaza
a)Hematyt Fe

2

O

3

b)Magnetyt Fe

3

O

4

c)Syderyt FeCo

3

d)Ilmenit FeTiO

3

a) Gęstość – 5,3 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 5,5 – 6,0
b) Gęstość – 4,9 – 5,2 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 5,5 – 6,0
c) Gęstość – 3,9 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 3,5 – 4,5
d) Gęstość – 4,58 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 5,0 – 6,0

3. Galena PbS

Gęstość – 7,4 – 7,6 Mg/m

3

Twardość wg skali Mohsa – 2,0 – 3,0

4. Węglanowe materiały obciążające
a)Kreda
b)Wapień
c)Marmur
d)Dolomit

a) Gęstość – 2,7 Mg/m

3

b) Gęstość – 2,7 – 2,9 Mg/m

3

c) Gęstość – 3,0 Mg/m

3

d) Gęstość – 2,8 – 2,9 Mg/m

3

Zadanie 1

Baryt BaSO

4

Baryt jest najbardziej rozpowszechnionym materiałem 

stosowanym do obciążania płuczek wiertniczych. Jest on 
minerałem o budowie krystalicznej; występuje w przyrodzie 
jako bezwonny siarczan baru (BaSO

4

), najczęściej z różnymi 

domieszkami (krzemionka, łupek, dolomit i inne). W czystej 
postaci baryt ma gęstość 4,48 Mg/m

3

 

i twardość w skali Mohsa 3,0 – 3,5. Po zmieleniu 
otrzymywany jest proszek koloru białego, szarego, 
zielonkawego, czerwonego, brunatnego lub czarnego.

W zależności od warunków złożowych baryt wydobywany 

jest sposobem odkrywkowym (złoża barytowo-ilaste, 
barytowo-łupkowe, złoża warstwowe) lub metodami 
górnictwa podziemnego (złoża żyłowe). 

Baryt

Rudy 

barytowe 

poddawane 

są 

przeróbce 

mechanicznej 

w 

celu 

uzyskania 

materiału 

obciążającego  o  wysokiej  gęstości  i  wymaganym 
stopniu  rozdrobnienia.  Rudy  o  dużej  zawartości 
siarczanu baru (powyżej 80% BaSO

4

) są często mielone 

w  stanie  surowym,  bez  uprzedniego  wzbogacenia. 
Baryt mielony, surowy ma gęstość od 3,7 do 3,9 Mg/m

3

, 

rzadziej  4  Mg/m

3

.  Rudy  o  mniejszych  zawartościach 

siarczanu 

baru 

poddawane 

są 

wzbogacaniu 

grawitacyjnemu  w  celu  oddzielenia  skał  płonnych  i 
następnie mielone lub też są wzbogacane flotacyjnie. 

Baryt

W porównaniu z innymi materiałami obciążającymi, 

głównymi  zaletami  barytu  z  punktu  widzenia 
technologii 

płuczkowej 

są:

stosunkowo  duża  gęstość,  obojętność  chemiczna 
wobec  innych  składników  płuczki  wiertniczej,  mała 
abrazywność  w  odniesieniu  do  elementów  obiegu 
płuczkowego  (pompy  płuczkowe,  przewód  wiertniczy, 
łożyska  świdra  i  inne),  możliwość  przemiału  do 
wymaganego 

składu 

granulometrycznego, 

nieszkodliwość  dla  środowiska  przyrodniczego  i 
zdrowia człowieka, dostępność w kraju.

Baryt 

Baryt może być stosowany jako materiał obciążający

w  dowolnych  warunkach  geologicznych,  gdyż  jest  on 
odporny  na  wszelkie  skażenia  chemiczne,  a  także  na 
wysokie  temperatury.  Nie  reaguje  z  iłem  jak  również  z 
solami.

Wymagania odnoszące się do barytu przeznaczonego 

do  obciążania  płuczek  wiertniczych  określają  normy 
API  i  OCMA,  dotyczą  najczęściej  gęstości,  stopnia 
rozdrobnienia,  zawartości  części  rozpuszczalnych  w 
wodzie i niekiedy wodnej zawiesiny.

Sproszkowane rudy metali

Wprowadzenie  na  szeroką  skalę  barytu  do  technologii 

płuczek  wiertniczych  przyczyniło  się  do  spadku  znaczenia 
sproszkowanych 

tlenków 

żelaza 

jako 

materiałów 

obciążających.  Stosowanie  tlenków  żelaza  ogranicza  się  do 
przypadków,  gdy  płuczka  wiertnicza  narażona  jest  na 
działanie  siarkowodoru  i  istnieje  konieczność  jego 
neutralizacji  z  równoczesnym  zwiększaniem  gęstości.  W 
porównaniu  z  barytem,  rudy  żelaza  rozpatrywane  jako 
materiały  obciążające  do  płuczek  wiertniczych  mają  szereg 
wad. Podstawową wadą jest zwiększone działanie ścierne na 
dysze  świdrów,  rury  płuczkowe  i  inne  elementy  układu 
cyrkulacyjnego,  które  jest  spowodowane  dużą  twardością 
rud. 

Sproszkowane rudy metali

Twardość  magnetytu  i  hematytu  według  skali 

Mohsa  jest  1,5-2  razy  większa  od  twardości  barytu,  a 
mikrotwardość  4  razy  większa.  Wysoka  twardość  i 
mikrotwardość,  ostrokrawędziste  kształty  cząstek, 
bruzdkowana  ich  powierzchnia  powodują,  że  tlenki 
żelaza  szlifują  powierzchnie  metalowe  znacznie 
szybciej  od  innych  materiałów.  Działanie  ścierne 
zwiększa  się  w  miarę  wzrostu  wymiarów  cząstek
i ciśnienia między trącymi powierzchniami.

Hematyt Fe

2

O

3

Hematyt nazywany także błyszczem żelaza lub żelaziakiem 

czerwonym jest minerałem zawierającym w czystej postaci 70 
% 

Fe

i 30 % O. W rudach hematytowych zawartość żelaza waha się
w granicach 30-65 %. Hematyt zawiera różne domieszki, takie 
jak tytan, mangan, krzemionka, tlenek glinu, ił, woda i inne. W 
stanie  sproszkowanym  ma  kolor  czerwono-brunatny.  Gęstość 
„czystego”  hematytu  (bez  domieszek)  wynosi  5,3  Mg/m

3

. 

Domieszki  obniżają  gęstość  hematytu.  Twardość  według  skali 
Mohsa wynosi 5,5 - 6,0. Hematyt jest częściowo rozpuszczalny 
w  kwasie  solnym.  Przydatność  hematytu  do  obciążania 
płuczek wiertniczych określa norma API SPC 13A.

Magnetyt Fe

3

O

4

Magnetyt  nazywany  żelaziakiem  magnetycznym  jest  minerałem 

zawierającym  31  %  FeO  i  69  %  Fe

2

O

3

  oraz  liczne  domieszki

w  postaci  tlenków  tytanu,  chromu,  magnezu,  glinu  i  innych.
Ma  barwę  żelazno-czarną  o  połysku  metalicznym,  twardość  5,5  - 
6,0 i gęstość 4,9 - 5,2 Mg/m

3

. W stanie sproszkowanym rozpuszcza 

się
w  kwasie  solnym.  Mankamentem  magnetytu  jako  materiału 
obciążającego  są  jego  właściwości  magnetyczne,  które  są 
przyczyną 

powstawania 

„narostów” 

na 

powierzchni 

rur 

płuczkowych.

Syderyt FeCO

3

Syderyt  (szpat  żelazny)  zawiera  62,1  %  FeO,  37,9  % 

CO

2

  i  różne  domieszki,  jak:  SiO

2

,  CaO,  minerały  ilaste  i 

inne.  Ma  barwę  żółtawobiałą,  szarą  lub  brunatną.  Jest 
minerałem  kruchym  o  twardości  3,5  -  4,5  i  gęstości  3,9 
Mg/m

3

.  Syderyt  wyróżnia  się  tym,  że  można  go  łatwo 

usuwać  z  zakolmatowanej  strefy  przyotworowej  w 
warstwie  produktywnej,  dzięki  praktycznie  całkowitej 
rozpuszczalności w kwasie solnym (do 90 %). 

Za  pomocą  syderytu  można  praktycznie  uzyskiwać 

gęstość obciążanej płuczki wiertniczej do 1,8-1,9 Mg/m

3

. 

Syderyt  jest  tanim  materiałem  obciążającym,  jego  cena 
jest znacznie niższa od ceny barytu. 

Ilmenit FeTiO

3

Ilmenit 

(żelaziak 

tytanowy) 

jest 

minerałem 

zawierającym 
36,8 % Fe, 31,6 % Ti, 31,6 % O oraz domieszki magnezu, 
manganu 
i inne. Gęstość ilmenitu wynosi 4,72 Mg/m

3

, twardość 5-

6;  jest  słabo  magnetyczny  i  trudno  rozpuszczalny  w 
kwasach.

Ilmenit  jest  chemicznie  obojętny  i  może  być  używany 

do  obciążania  dowolnej  płuczki  wodnodyspersyjnej,  a 
także płuczek olejowodyspersyjnych. 

Galena PbS

Galena  nazywana  także  galenitem,  błyszczem  ołowiu, 

ołowianką,  zawiera  86,6  %  Pb,  13,4  %  S  i  liczne  domieszki. 
Gęstość 

galeny

w  czystej  postaci  wynosi  7,4  -  7,6  Mg/m

3

,  twardość  2-3. 

Amerykańskie  firmy  płuczkowe  stosują  galenę  sproszkowaną  do 
sporządzania  superciężkich  płuczek  wiertniczych,  używanych  do 
zatłaczania 

otworu

w  przypadku  erupcji  płynów  złożowych.  Wymienione  płuczki 
sporządzane  są  według  ustalonej  wcześniej  receptury  i  w 
zależności od wymaganej gęstości obciążane są łącznie barytem i 
galeną lub samą galeną.

Węglanowe materiały obciążające

Do  grupy  węglanowych  materiałów  obciążających 

zaliczane  są  materiały  otrzymywane  w  wyniku  przeróbki 
mechanicznej  takich  skał  jak:  kreda,  kalcyt,  wapień, 
marmur,  dolomit,  których  głównym  składnikiem  jest 
węglan  wapnia  CaCO

3

,  a  w  przypadku  dolomitu  węglan 

wapniowo-magnezowy CaMg(CO

3

)

2

. 

Poszczególne  odmiany  węglanów  wapniowych  różnią 

się  właściwościami,  zawartością  i  rodzajem  domieszek 
oraz pochodzeniem.

Kreda, Dolomit

Kreda  -  jest  odmianą  wapienia,  zbudowaną  głównie  z 

wapiennych  szczątków  drobnych  otwornic,  glonów  i 
innych  organizmów.  Jest  skałą  miękką,  charakteryzującą 
się  brakiem  uwarstwienia  i  słabym  scementowaniem,  w 
związku z czym łatwo dysperguje w płuczce wiertniczej do 
cząstek o bardzo małych wymiarach (2-10 μm). Głównymi 
składnikami kredy są: drobnoziarnisty kalcyt i kokolity. 

Dolomit 

- 

węglan 

wapniowo-magnezowy, 

jest 

minerałem  tworzącym  skały  osadowe  lub  powstałe  w 
wyniku dolomityzacji wapieni. Zawiera domieszki żelaza i 
niekiedy 

manganu. 

Dolomit 

jest 

skałą 

kruchą,

o twardości 3,5 - 4,0 i gęstości 2,8 - 2,9 Mg/m

3

.

Wapień, Marmur

Wapień  -  jest  skałą  osadową,  której  głównym 

składnikiem  jest  kalcyt  oraz  liczne  domieszki,  takie  jak: 
krzemionka  (piasek),  dolomit,  minerały  ilaste,  tlenki 
żelaza i inne. Wapień określany jest jako czysty wówczas, 
gdy zawartość domieszek jest mniejsza niż 10 %. Gęstość 
wapienia waha się w granicach 2,7-2,9 Mg/m

3

.

 

Marmur  -  jest  skałą  metamorficzną,  o  barwie 

najczęściej białej, zbudowaną z ziaren kalcytu. 

Zastosowanie materiałów węglanowych

Ze  względu  na  rozpuszczalność  w  kwasach, 

materiały  węglanowe  są  stosowane  przede  wszystkim 
do obciążania płuczek przeznaczonych do dowiercania 
złóż oraz cieczy roboczych.

Węglany  wapniowe  są  obojętne  chemicznie,  w 

związku  z  czym  ich  zawartość  w  płuczce  lub  innej 
cieczy  może  być  bardzo  duża.  Gęstość  płuczek 
osiągana  za  pomocą  węglanowych  materiałów 
obciążających  nie  przekracza  jednak  praktycznie 
wartości 1,4 - 1,5 Mg/m

3

.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

Jedną z najczęściej stosowanych płuczek wiertniczych 

obciążonych  jest  płuczka  solno-polimerowa,  której  fazę 
stanowi 

nasycony 

roztwór 

NaCl 

z 

dodatkiem 

odpowiedniego  polimeru,  a  jako  faza  stała  występuje 
drobnoziarnista  sól  kamienna.  W  zależności  od  ilości 
dodawanej  soli  powyżej  poziomu  rozpuszczalności  może 
ona  spełniać  rolę  materiału  obciążającego  lub  blokatora 
kolmatującego 

skałę 

zbiornikową 

w 

strefie 

przyotworowej  na  czas  wiercenia.  Po  zakończeniu 
wiercenia 

kolmatacja 

jest 

likwidowana 

poprzez 

przepłukanie otworu wodą lub solanką o małym stężeniu.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

Płuczka solno-polimerowa jest stosowana w coraz większym 

zakresie przede wszystkim do dowiercania złóż węglowodorów. 
Innym  kierunkiem  zastosowania  soli  nieorganicznych  jako 
materiałów  obciążających  są  tzw.  ciężkie  solanki,  stanowiące 
roztwory  wodne  soli,  nie  zawierające  fazy  stałej.  Ciężkie 
solanki  używane  są  głównie  podczas  prac  związanych  z 
udostępnianiem  złoża  oraz  prac  rekonstrukcyjnych  w 
odwiertach.  Za  pomocą  niektórych  soli  można  sporządzać 
ciecze o gęstości przekraczającej 2,0 Mg/m

3

.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

Najczęściej  stosowane  są  do  tego  celu:  chlorek  sodowy 

NaCl,  chlorek  potasowy  KCl,  chlorek  wapniowy  CaCl

2

, 

bromek  potasowy  KBr,  bromek  sodowy  NaBr,  bromek 
wapniowy CaBr

2

 i bromek cynkowy ZnBr

2

. Wymienione sole 

tworzą  roztwory  rzeczywiste,  które  nie  zawierają  w 
zasadzie cząstek stałych, mogących blokować pory skalne. 

Dobór  rodzaju  i  składu  soli  uzależniony  jest  od  takich 

czynników jak: wymagana gęstość, temperatura w otworze, 
rodzaj 

przewiercanych 

skał, 

występowanie 

gazów 

kwaśnych,  temperatura  otoczenia  na  powierzchni  ze 
względu 

na 

krystalizację 

soli

z roztworu, koszty i inne.

Sole nieorganiczne jako materiały obciążające

CaBr

2

/CaCl

2

ZnBr

2

/CaBr

2

NaBr

CaCl

2

MgCl

2

NaCl/KCl

NaCl

KCl

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

1,20

1,44

1,68

1,92

2,16

[ppm]

[Mg/m ]

3

Rys. 1. Maksymalne gęstości solanek sporządzonych z soli nieorganicznych

 

Regulacja gęstości solanki

Gęstość  solanki  może  być  regulowana  poprzez  rozcieńczanie 

wodą  lub  za  pomocą  dodatków  soli,  w  przypadku,  gdy  roztwór  nie 
osiągnął stanu nasycenia. Solanki można podzielić na dwie grupy. 

Do  pierwszej  grupy  należą  solanki  sporządzane  z  soli 

zawierających  jednowartościowe  kationy  metalu  (NaCl,  KCl,  KBr
i  NaBr).  Największa  osiągalna  gęstość  solanki  sporządzonej  przy 
użyciu wymienionych soli lub ich mieszanin wynosi 1,52 Mg/m

3

. 

Drugą  grupę  stanowią  solanki  sporządzane  z  soli  zawierających 

kationy dwuwartościowe (CaCl

2

, CaBr

2

, ZnBr

2

). Największą gęstość 

jaką  można  osiągnąć  za  pomocą  wymienionych  soli  wynosi
2,42 Mg/m

3

. 

Sole organiczne stosowane do obciążania 
płuczek wiertniczych

Coraz 

powszechniejsze 

w 

wiertnictwie 

jest 

zastosowanie  soli  alkalicznych  kwasu  mrówkowego 

(mrówczanów),  do  sporządzania  ciężkich  solanek.  Są  to 

następujące  sole:  mrówczan  sodowy  NaCOOH,  mrówczan 

potasowy KCOOH i mrówczan cezowy CsCOOH. 

Solanki mrówczanowe mogą być używane do wiercenia 

otworów,  w  tym  również  do  przewiercania  warstw  ilasto-

łupkowych  ze  względu  na  inhibitowanie  hydratacji  tych 

skał. 

 

W 

porównaniu

z 

solankami 

sporządzanymi 

z 

użyciem 

soli 

nieorganicznych,  toksyczność  mrówczanów  w  odniesieniu 

do 

różnych 

form 

życia

w  środowisku  przyrodniczym  jest  tak  mała,  że  uzyskały 

one  dopuszczenie  do  stosowania  przy  wierceniach 

wykonywanych

w norweskim sektorze Morza Północnego.