Ropný vrt

Komentované schéma ropného vrtu ve fázi vrtání

Vrta se vytvoří vyvrtáním otvoru o průměru 12 cm až 1 metr do země pomocí vrtné soupravy, která otáčí vrtnou strunou s připojeným vrtákem. Po vyvrtání otvoru se do něj umístí úseky ocelové trubky (pažnice) o něco menšího průměru, než je průměr vrtu. Mezi vnější stranou pažnice a vrtem může být umístěn cement, tzv. mezikruží. Plášť zajišťuje strukturální integritu nově vyvrtaného vrtu a navíc izoluje potenciálně nebezpečné vysokotlaké zóny od sebe navzájem a od povrchu.

Pokud jsou tyto zóny bezpečně izolovány a formace chráněna pláštěm, lze vrtat hlouběji (do potenciálně nestabilnějších a násilných formací) s menším vrtákem a také jej opláštit pláštěm menší velikosti. Moderní vrty mají často dvě až pět sad následně menších velikostí otvorů vyvrtaných uvnitř sebe, z nichž každá je stmelena pažnicí.

K vyvrtání vrtu

Plášť vrtu

• Vrták se za pomoci váhy vrtné soupravy nad ním zařezává do horniny. Existují různé typy vrtáků; některé způsobují rozpad horniny tlakovým porušením, zatímco jiné při otáčení vrtáku smykem odřezávají plátky horniny.
• Vrtná kapalina, tzv. bahno, je čerpána dovnitř vrtné trubky a vystupuje u vrtáku. Hlavními složkami vrtné kapaliny jsou obvykle voda a jíl, ale obvykle obsahuje také složitou směs kapalin, pevných látek a chemických látek, které musí být pečlivě přizpůsobeny tak, aby poskytovaly správné fyzikální a chemické vlastnosti potřebné k bezpečnému vyvrtání vrtu. Mezi konkrétní funkce vrtného kalu patří chlazení vrtáku, vynášení horninových odřezků na povrch, prevence destabilizace horniny ve stěnách vrtu a překonávání tlaku kapalin uvnitř horniny, aby se tyto kapaliny nedostaly do vrtu. Některé ropné vrty se vrtají se vzduchem nebo pěnou jako vrtnou kapalinou.

Bahenní protokol v procesu, běžný způsob studia litologie při vrtání ropných vrtů

• Vytvořený horninový „odřez“ je při cirkulaci vrtné kapaliny zpět na povrch mimo vrtnou trubku rozmetán. Kapalina pak prochází „vytřásadly“, která třídí odřezky od dobré kapaliny, jež se vrací do jámy. Sledování abnormalit ve vracených odřezcích a monitorování objemu jímky nebo rychlosti vracené kapaliny je nezbytné pro včasné zachycení „kopanců“. „Kick“ nastává, když je tlak v útvaru v hloubce vrtáku větší než hydrostatický tlak bahna nad ním, což by v případě, že by nebyl dočasně kontrolován uzavřením pojistek proti vyfukování a nakonec zvýšením hustoty vrtné kapaliny, umožnilo nekontrolovatelný výstup útvarových kapalin a bahna skrz mezikruží.
• Potrubí nebo vrtná šňůra, ke které je vrták připojen, se postupně prodlužuje, jak se vrt dostává hlouběji, a to šroubováním dalších 9 m (30 stop) úseků nebo „spojů“ potrubí pod kelly nebo topdrive na povrchu. Tento proces se nazývá vytváření spojení. Proces zvaný „zakopávání“ spočívá v tom, že se vrták vytáhne z vrtu, aby se vyměnil (zakopávání ven), a naběhne se zpět s novým vrtákem (zakopávání dovnitř). Spoje lze pro efektivnější zakopávání při vytahování z otvoru kombinovat vytvořením stojanů z více spojů. Například běžná trojice by vytáhla potrubí z otvoru po třech kloubech a naskládala je na sebe ve výtahu. Mnoho moderních vrtných souprav, nazývaných „super singly“, vyprošťuje potrubí po jednom a ukládá je na stojany za chodu.

Tento proces usnadňuje vrtná souprava, která obsahuje veškeré potřebné vybavení pro cirkulaci vrtné kapaliny, zvedání a otáčení potrubí, kontrolu v otvoru, odstraňování odřezků z vrtné kapaliny a výrobu energie na místě pro tyto operace.

CompletionEdit

Moderní vrtná souprava v Argentině

Po vyvrtání a vystrojení vrtu je třeba jej „dokončit“. Dokončení je proces, při kterém je vrtu umožněna těžba ropy nebo zemního plynu.

Při dokončení vrtu se v části pažnice, která prošla těžební zónou, vytvoří malé otvory zvané perforace, které zajistí cestu pro proudění ropy z okolní horniny do těžební trubky. Při dokončování v otevřeném otvoru se v posledním vyvrtaném, nezapláštěném úseku ložiska často instalují „písková síta“ nebo „štěrkový obal“. Ty udržují strukturální integritu vrtu při absenci pažnice a zároveň umožňují proudění z ložiska do vrtu. Stínění také kontroluje migraci písků z formace do těžebních trubek a povrchových zařízení, což může způsobit vyplavování a další problémy, zejména z nekonsolidovaných pískových formací mořských polí.

Po vytvoření průtočné cesty mohou být do vrtu vháněny kyseliny a štěpné kapaliny, které štěpí, čistí nebo jinak připravují a stimulují horninu ložiska k optimální produkci uhlovodíků do vrtu. Nakonec se oblast nad ložiskovou částí vrtu uzavře uvnitř pažnice a spojí se s povrchem pomocí potrubí menšího průměru, kterému se říká tubing. Toto uspořádání poskytuje nadbytečnou bariéru proti úniku uhlovodíků a zároveň umožňuje výměnu poškozených úseků. Díky menšímu průřezu trubky se také zásobní kapaliny dostávají zvýšenou rychlostí, aby se minimalizoval zpětný pokles kapaliny, který by vytvořil další protitlak, a chrání plášť před korozivními kapalinami z vrtu.

V mnoha vrtech je přirozený tlak v podpovrchovém ložisku dostatečně vysoký na to, aby ropa nebo plyn mohly proudit na povrch. Ne vždy tomu tak však je, zejména ve vyčerpaných polích, kde byl tlak snížen jinými těžebními vrty, nebo v málo propustných ropných ložiscích. K podpoře těžby může stačit instalace potrubí s menším průměrem, ale mohou být zapotřebí i metody umělého zdvihu. Mezi běžná řešení patří hlubinná čerpadla, plynový výtah nebo povrchové zvedáky. V posledních deseti letech bylo zavedeno mnoho nových systémů pro dokončování vrtů. Systémy vícenásobného pěchování s frakčními porty nebo portovými límci v systému „vše v jednom“ snížily náklady na dokončení a zlepšily produkci, zejména v případě horizontálních vrtů. Tyto nové systémy umožňují, aby pažnice procházely do boční zóny se správným umístěním packerů/frac portů pro optimální těžbu uhlovodíků.

ProductionEdit

Schéma typického ropného vrtu, z něhož se těží pomocí čerpacího zařízení, které se používá k těžbě zbývající vytěžitelné ropy poté, co přirozený tlak již nestačí k vyzdvižení ropy na povrch

Těžební fáze je nejdůležitější fází životnosti vrtu; kdy se těží ropa a plyn. V této době se ropné plošiny a vrtné soupravy používané k vrtání a dokončování vrtu přesunou mimo vrt a na jeho vrcholu je obvykle umístěn soubor ventilů nazývaný vánoční strom nebo produkční strom. Tyto ventily regulují tlaky, řídí průtoky a umožňují přístup k vrtu v případě potřeby dalších dokončovacích prací. Z výstupního ventilu těžebního stromu může být proud napojen na distribuční síť potrubí a nádrží, které dodávají produkt do rafinerií, kompresorových stanic zemního plynu nebo terminálů pro vývoz ropy.

Pokud je tlak v ložisku dostatečně vysoký, stačí k těžbě ve vrtu těžební strom. Pokud se tlak sníží a je to považováno za ekonomicky výhodné, lze použít metodu umělého zdvihu uvedenou v části o dokončovacích pracích.

Umělé zdvihy jsou často nutné u starších vrtů, které mohou vyžadovat menší průměr trubek, odstranění okují nebo parafínu, práce s kyselou matricí nebo dokončení nových zájmových zón v mělčím ložisku. Takové sanační práce lze provádět pomocí vrtných souprav – známých také jako tažné jednotky, kompletační soupravy nebo „servisní soupravy“ – k vytahování a výměně trubek nebo pomocí zásahových technik využívajících navinuté trubky. V závislosti na typu výtahového systému a ústí vrtu lze k výměně čerpadla bez vytažení potrubí použít tyčovou soupravu nebo proplachovací soupravu.

Pro zvýšení tlaku v ložisku a zajištění „zametacího“ efektu k vytlačení uhlovodíků z ložiska lze použít metody zesíleného zotavení, jako je zaplavení vodou, zaplavení párou nebo zaplavení CO2. Tyto metody vyžadují použití vtláčecích vrtů (často vybraných ze starých těžebních vrtů v pečlivě stanoveném schématu) a používají se při problémech s vyčerpáním tlaku v ložisku, vysokou viskozitou ropy nebo je lze použít i na počátku životnosti ložiska. V některých případech – v závislosti na geomechanických vlastnostech ložiska – mohou inženýři zjistit, že konečnou vytěžitelnost ropy lze zvýšit použitím strategie zvodnění na počátku vývoje ložiska spíše než později. Takové techniky zvýšené těžby se často nazývají „terciární těžba“.

AbandonmentEdit

Říká se, že vrt dosáhne „ekonomického limitu“, když jeho nejefektivnější míra těžby nepokryje provozní náklady včetně daní.

Ekonomický limit pro ropné a plynové vrty lze vyjádřit pomocí těchto vzorců:

Na ropných polích:
E L o i l = W I × L O E N R I × ( 1 – T ) {\displaystyle {EL}_{oil}={\frac {{WI}\times {LOE}}{{NRI}\times (1-{T})}}}}.

Pole plynu:
E L g a s = W I × L O E N R I × ( 1 – T ) {\displaystyle {EL}_{plyn}={\frac {{WI}\časy {LOE}}{{NRI}\časy (1-{T})}}})

Kde:
E L o i l {\displaystyle {EL}_{oil}}

je ekonomický limit ropného vrtu v barelech ropy za měsíc (bbls/měsíc)
E L g a s {\displaystyle {EL}_{gas}}.

is a gas well’s economic limit in thousand standard cubic feet per month (MSCF/month).
P o , P g {\displaystyle {P}_{o},{P}_{g}}

are the current prices of oil and gas in dollars per barrels and dollars per MSCF respectively.
L O E {\displaystyle {LOE}}

is the lease operating expenses in dollars per well per month.
W I {\displaystyle {WI}}

working interest, as a fraction.
N R I {\displaystyle {NRI}}

net revenue interest, as a fraction.
G O R {\displaystyle {GOR}}

gas/oil ratio as SCF/bbl.
Y {\displaystyle {Y}}

condensate yield as barrel/million standard cubic feet.
T {\displaystyle {T}}

těžební a odbytné daně jako zlomek.

Při zvýšení ekonomického limitu se zkracuje životnost vrtu a dochází ke ztrátě prokázaných zásob ropy. Naopak, když se ekonomický limit sníží, životnost vrtu se prodlouží.

Pokud je dosaženo ekonomického limitu, vrt se stává závazkem a je opuštěn. Některé opuštěné vrty jsou následně zasypány a místo je rekultivováno; náklady na takové úsilí se však mohou pohybovat v milionech dolarů. Při tomto procesu se z vrtu odstraní potrubí a části vrtu se vyplní betonem, aby se izolovala cesta proudění mezi plynovou a vodní zónou od sebe navzájem i od povrchu. Povrch kolem ústí vrtu se poté vyhloubí, ústí vrtu a pažnice se odříznou, na místo se přivaří uzávěr a poté se zasypou.

Na ekonomické hranici se v ložisku často nachází ještě značné množství nevytěžitelné ropy. Může být lákavé odložit fyzické ukončení těžby na delší dobu v naději, že cena ropy vzroste nebo že budou zdokonaleny nové techniky doplňkové těžby. V těchto případech se do vrtu umístí dočasné zátky a na ústí vrtu se připevní zámky, aby se zabránilo manipulaci. Po celé Severní Americe jsou tisíce „opuštěných“ vrtů, které čekají na to, co udělá trh, než dojde k jejich trvalému opuštění. Ustanovení nájemní smlouvy a vládní předpisy často vyžadují rychlé opuštění vrtu.

Teoreticky lze do opuštěného vrtu znovu vstoupit a obnovit jeho těžbu (nebo jej převést do režimu injektáže pro dodatečnou těžbu nebo pro skladování uhlovodíků ve vrtu), ale často se ukáže, že opětovný vstup do vrtu je mechanicky obtížný a nákladný. Tradičně se s různou mírou úspěšnosti a spolehlivosti používají elastomerové a cementové zátky. V průběhu času může dojít k jejich poškození, zejména v korozivním prostředí, a to v důsledku materiálů, z nichž jsou vyrobeny. Běžné můstkové zátky mají také velmi malé expanzní poměry, což omezuje jejich použití ve vrtech s omezeními. Alternativou jsou zátky s vysokou expanzí, jako jsou nafukovací pakry, které nemají diferenční tlakové schopnosti vyžadované pro mnoho likvidací vrtů, ani nezajišťují plynotěsné utěsnění. Byly vyvinuty nové nástroje, které usnadňují znovuzprovoznění, tyto nástroje nabízejí vyšší expanzní poměry než konvenční můstkové zátky a vyšší hodnoty diferenčního tlaku než nafukovací packery, to vše při zajištění plynotěsného těsnění se stupněm V0, které cement nemůže zajistit.