TECHNIKA

Hledání uhlovodíků – metody

Ropa vzniká a většinou se nachází pod povrchem Země v hloubce několika desítek metrů až kilometrů. Nejhlubší ropný vrt zatím dosáhl hloubky přes 9 km. Ropa je „nasáknuta“ v propustných horninách a ložisko se vytvoří tam, kde jsou tyto kolektory utěsněny nepropustnými horninami tak, že ropa lehčí než voda už nemůže stoupat dál k povrchu.

 

Věda, která se touto problematikou zabývá je GEOLOGIE, naftoví geologové, v  týmech s geofyziky, paleontologů, geochemiky a dalšími odborníky, hledají ropo-plyno nadějné oblasti a provádějí průzkum, který jim poskytuje další informace o přítomnosti uhlovodíků a existenci ložiskových pastí.

 

Povrchové vývěry ropy nebo plynu signalizují, že oblast může skrývat ložiska. Horniny na zemském povrchu jsou utvářeny různými geologickými pochody jako např. eroze, tektonika, vrásnění či zvětrávání. Jen omezeně lze povrchovou geologickou stavbu přenést do hloubky. Pro poznání hlubší stavby zemské kůry se využívá geofyzikální měření. Geofyzikální metody, stejně jako vytvořené geologické modely (mapy a řezy) sice neposkytují definitivní důkaz o přítomnosti ložiska a nasycení uhlovodíky, ale dovolují zjistit existenci příznivých tektonických struktur.

 

Nalezení ropného nebo plynového ložiska je složitý proces, zvláště dnes, kdy většina ložisek v přístupných oblastech již byla objevena a uhlovodíky se musí vyhledávat v méně přístupných, geologicky složitějších a většinou hlubších oblastech.

 

Geofyzikální metody

Geofyzika je věda, která fyzikálními metodami zjišťuje vlastnosti a stavbu zemské kůry. Základními metodami při hledání ložisek uhlovodíků jsou gravimetrie, seismicka a také dálkový průzkum Země.

 

Gravimetrické měření

Gravimetrie je založena na studiu tíhového pole Země, jehož projevem je zemská přitažlivost. Pro geologickou interpretaci se využívají hustotní rozdíly mezi jednotlivými horninami, které se projevují odchylkou tíže od maximální hodnoty tzv. tíhová anomálie. Pomocí těchto interpretací lze najít oblasti, kde se horniny vyklenují či tvoří pánve (stará moře).

 

 

Seismický průzkum

Seismické měření je založeno na registraci vlnění, které se vyvolává výbuchem nebo vibrací. Rozdíly v elastických vlastnostech hornin způsobují, že se vlny na rozhraní různých prostředí lámou nebo odrážejí a tak se dostávají k povrchu, kde je můžeme registrovat. Reflexní metoda využívá vlny odražené, refrakční vlny lomené.

 

Odpaly náloží v mělkých vrtech nebo vibrace ze speciálních aut vyvolávají seismické vlny, které se šíří v horninách a odrážejí z jejich rozhranní. Na povrchu umístěné geofony tyto odražené záchvěvy registrují, přeměňují na elektrické signály, které se zapisují v apa-raturách měřících vozů. Z časových záznamů odražených vln lze odvodit hloubku a polohu vrstev v zemské kůře. Tak lze určit struktury (podpovrchové tvary vrstev), které mohou pravděpodobně vytvářet pasti = ložiska pro přírodní uhlovodíky.

Interpretace seismického měření

Interpretace vychází ze spojováním reflexů, které mají stejný charakter a představují stejnou vrstvu (horizont). Provádí se většinou na počítači interpretace spolu s různými úpravami vlnového  obrazu.  Vyznačením a digitalizací téhož horizontu na více profilech lze vytvořit (časovou) mapu seismického horizontu.

Geologické mapy

Geologové trojrozměrné informace o povrchové nebo podpovrchové stavbě Země zobrazují v geologických mapách. Jsou desítky různých geologických map.

Mezi základní patří povrchové geologické mapy, které zobrazují geologické jednotky na zemském povrchu, popř. odkryté geologické mapy, kdy nejsou zachyceny nejmladší (čtvrtohorní) geologické sedimenty, které na povrchu zpravidla převládají.

Důležitou kategorií jsou strukturní mapy, které zobrazují průběh vybrané vrstvy (horizontu) tak, že ukazují její hloubku od  pomyslné hladiny moře (0m). Takto bývá zobrazován i povrch roponosných (korektorských) vrstev. Tam, kde taková mapa ukazuje elevaci (kopec) může být ložisko ropy nebo plynu. Při zpracování seismického měření vznikají seismické (časové) mapy jednotlivých interpretovaných horizontů.

Geologické řezy

Zobrazení stavby zemského povrchu je nejlépe patrné na geologickém řezu. Pro jeho konstrukci se využívají jak informace z povrchových  měření (úklon a směr úklonu vrstev), tak  výsledky získané z vrtů (profily, statigrafické a litologické hranice, karotážní křivky). Podkladem mohou být i seismcké řezy. Každý geologický řez je jen částečným přiblížením ke skutečné stavbě Země.

Počítačová vizualizace

Dnes geologové používají počítače pro interpretaci seismických měření, zpracování a vyhodnocování karotážních měření, ale i pro sestavování geologických modelů (řezů a map). Je řada programů, které geologům při této práci slouží. Konečný model je možno zobrazit i prostově 3D vizualizací.

Při geologickém zpracování a vyhledávání vhodných ložiskových struktur se využívá i dálkový průzkum země, který se zabývá pořizováním leteckých a družicových snímků, jejich zpracováním a analýzou za účelem tvorby topografických tematických map. V současné době se pro pořizování družicových snímků používá mnoha různých družic (využívají elektromagnetické záření nebo více intervalů spektra-obrazová spektrometrie, vytváří se obrazové záznamy daného území ve velmi úzkých, na sebe navazujících intervalech spektra v oblasti viditelného, blízkého a středního infračerveného záření.

Výsledky leteckých či družicových snímkování se využívají pro geologické mapování (rozpoznávání jednotlivých minerálů a hornin, tektonických linií a strukturních prvků). Pomocí pasivního mikrovlnného snímání, kdy je měřena přirozená dlouhodobá energie vyzářená objekty na zemském povrchu se zjišťují charakteristiky svrchní vrstvy půdy, mapuje teplota půdy a půdní vlhkosti či    studuje minerální obsah půd.

Cílem práce naftových geologů je nalézt struktury, které mohou tvořit ložiskové pasti pro přírodní uhlovodíky. Takto definované struktury („leads“) je nutno ocenit. Na základě předpokládaných parametrů (mocnost a plocha sycené vrstvy, pórovitost a stupeň nasycení, množství rozpuštěných plynů v ropě, mechnismus předpokládané těžby a režim ložiska, vytěžitelnost a dalších se odhadují možné zásoby uhlovodíků ve struktuře. Odhaduje se i pravděpodobnost existence takto odhadnutých zásob a jejich nálezu.

Ještě asi před sto padesáti lety se ropa dobývala z vyhloubených studní. Práce to byla náročná a nebezpečná jednak v důsledku zavalování, ale také z  důvodu hromadění dusivého naftového plynu.Hloubka takových studní byla 2 až 60 i více metrů.

Vrty a vrtání

Nárazové vrtání, výstižnější označení „hloubení“ probíhá tak, že dláto je upevněno na konci lana (tzv. pensylvánské nárazové hloubení) nebo tyčích (tzv. kanadské nárazové hloubení), jímž je periodicky a soustavně zvedáno a pouštěno na dno vrtu (počvu), při čemž ostří dláta klepe do horniny, odštěpuje kousíček za kousíčkem, podobně jako sekáč vniká do zdi pod úderem kladiva na dláto. Je nutné čas od času hloubení přerušit a odstranit z počvy vrtného otvoru nashromážděné úlomky horniny. Takové úlomky byly odstraňovány speciální lžící – šapou.

 

Rotační (rotarové) vrtání se vyznačuje tím, že se vrtným nástrojem (dlátem nebo korunkou) se za řízeného přítlaku na horninu otáčí. Otáčení přenáší z „rotačního stolu“ soupravy trubky, kterými se současně do vrtu pumpuje výplach. Výplach je hustá kapalina v převaze složená z jílu a vody. Tato kapalina tryská z vrtného nástroje, který ochlazuje, ale především vynáší zpět k ústí vrtu rozdrcené horninové úlomky. Tak se rotační vrtný proces stává velmi efektivní, protože nemusí být přerušován kvůli čištění vrtu od horninové drti.

 Nejstarší vrtné nářadí používané k nárazovému vrtání

Vrtná souprava

Vrtné nářadí Kolona vrtného nářadí se skládá z jednotlivých vrtných trubek a z několika tlustostěnných trubek („zátěžek“). Zátěžky jsou mnohem těžší než vrtné trubky a jsou vždy používány na spodním konci kolony k tomu, aby vytvářely přítlak na dláto. Jsou totiž opřeny o horní konec dláta a tlačí ho před sebou do záběru s horninou.

Vrtné nástroje (dláta a korunky)

Vrtná dláta odštipují horninu v celém profilu, vrtné korunky jen ve mezikruží tak, aby se do vrtného nářadí zasouval válec horniny (jádro), který je následně s nářadím vytažen.

Vrtný proces

Konstrukce vrtu

Aby se stěny vyhloubeného otvoru nezavalovaly a vrt tak nebyl porušen, zabezpečují se stěny vrtu dle projektovaných hloubek ocelovými rourami – pažnicemi, které mají na koncích závity a objímky. Každý vrt má nakonec několik pažnicových kolon.

 

Úhybové a orientované vrtání

Běžně se vrtají vrty se stvoly vertikálními, protože takové vrtání vyžaduje méně prostředků a času.

Výhodnější je však často vrtat otvory usměrněné (zakřivené) často i horizontální. Takto je možno dosáhnout ložisek pod nepřístupnými místy (města) nebo těžit jedinou sondou roponosnou vrstvu mocnou jen několik metrů, když se provrtá v ropou sycené části v délce několika set metrů. Ekonomické důvody vrtání usměrněných vrtů nabírají na významu při vrtání z mořských plošin, kdy dochází k tzv. vrtání trsů.

Vrtným nástrojem je jádrovací korunka opatřená trhačem.

Jádrování

Při pohybu směrem nářadí vzhůru je jádro zachyceno trhačem a vyneseno s kolonou na povrch, tak s získá vzorek horniny ( „jádro“) pro další zkoumání.

Pažením a cementací se zamezuje vzájemnému spojení (komunikaci) propustných vrstev v různých hloubkách a také otvor ochraňuje proti zavalení stěn. Zapažený a zacementovaný vrt umožňuje hloubení hlubších částí nebo další dlouhodobé využití vrtu.Pažení a cementace

Slouží k zjišťování typu provrtaných vrstev a jejich nasycení. Měření probíhá tak, že se pomocí vrátku zapustí do vrtu karotážní sonda a geofyzikální měření je zaznamenáno formou křivek. Slouží k určování geologických profilu vrtu a dále k získání některých údajů o technickém stavu vrtu. Principy jednotlivých karotážních metod jsou většinou obdobou pozemních geofyzikálních metod. Nejrozšířenější je elektrická karotáž, následují radioaktivní a akustické metody. Určuje se litologicky profil vrtu, kolektorské vlastnosti jako je jílovitost, pórovitost, popřípadě propustnost a v naftově geologickém průzkumu nasycení uhlovodíky. Pro technické účely se provádí řada geofyzikálních měření jako inklinometrie pro zjištění zakřivení vrtu, kavernometrie pro určení průměru vrtu, teplotní a akustická měření pro zjištění hlavy a kvality cementu atd. Geofyzikální práce ve vrtech rovněž zahrnují odběr vzorků hornin ze stěn vrtu, perforování pažnic a torpedování vrtu.Karotážní měření

Sledování úlomků horniny:

Jedním z účinných nástrojů k určení přítomnosti uhlovodíků ve vrtu je právě sledování úlomků horniny, které vznikají při vrtání a jsou vynášeny výplachovou kapalinou na povrch. Technici geologické laboratoře „Geoservisu“ trpělivě sbírají vrtné úlomky na vibračních sítech a zkoumají je jednak pod mikroskopem, jednak je pozorují ve světle ultrafialové lampy (při tomto světle úlomky, obsahující v pórech přírodní uhlovodíky, specifickým způsobem září (ultrafialové světlo vyvolává luminiscenci přírodních uhlovodíků). V této mobilní laboratoři, která je umístěna na vrtu se pak zapisují další detailní informace o průběhu vrtání a poměrů ve vrtu stejně jako vyšetřování obsahu plynných uhlovodíků v odplynu z výplachu.

 

Havárie vrtů

Tlakový projev (erupce), který se nedá zvládnout protierupční armaturou namontovanou na ústí vrtu je vážnou havárií, zejména je-li doprovázena výbuchem či požárem. Zmáhání takových havárií je složité. Především je nutné zastavení nekontrolovaného výtoku média z vrtu a dosáhnout možnost proplachovat vrt a zaplnit těžkým výplachem (umrtvení sondy).

Při havárii vrtních dlát dochází k narušení celistvosti vrtního nástroje (dláta, korunky) – dochází k rozlomení válečku, ramena, případně uvolnění celého dláta. Havárie se likviduje použitím – magnetu, pavouka, jádrovnice, mechanického chytače, frézy, kalovky, apod.

Při uvíznutí vrtního nářadí ve vrtu se používají havarijní nůžky (pružné tyče způsobující otřesy), olejové výplachy, rozpojení nářadí ( torpédování ), apod.

Likvidace havárie při karotážním měření je vedena snahou zachránit zařízení vysoké hodnoty. Používá se speciálních chytačů – pavouk či harpuna (namotání lana).

 

Vrtání úhybů je poslední možností likvidace jakékoliv havárie, která neumožňuje v pokračování prací v původním vrtu. Technologie úhybu zahrnuje postavení cementového mostku nad nepřekonatelnou překážkou „fish“ a zavrtání nového vrtu . Na zavrtání úhybu se používaly tzv. úhybové klíny a v současnosti speciální ponorné motory. Usměrněných vrtů se dále používá k umrtvení vedlejších vrtů s erupcí.

Vrtné plošiny a vrtání na moři

Vrtání na moři se rozvíjí zejména v posledních desetiletích. Na počátku se vrtalo na plošinách, které byly umístěny ve velmi mělkém pobřežním pásmu moře. Nejčastěji se pro vrtání využívají tzv. šelfové oblasti moře, což je část moře o hloubce přibližně mezi 200 – 400 metry pod mořskou hladinou.

Vrtné plošiny jsou umístěny na 3 – 5 pilířích (ocelové, betonové), nad hladinou tak vysoko, aby odolaly i vysokým vlnám. Na vrtné plošině je vrtná věž, sklady s trubkami, vrtacími dláty, chemikáliemi pro výplach, pohonnými hmotami apod. dále je zde ubytování pro obsluhu, pro jejich stravování i zábavu, protože se pracuje obvykle ve 14-denních turnusech (několik měsíců – často 6-měsíční). Navíc vrtné plošiny bývají umístěny i několik desítek kilometrů od pobřeží. Součástí vrtné plošiny je i heliport pro přistávání vrtulníků.

Těžba uhlovodíků (ropy)

Těžební sondy a jejich vystrojení

Při hloubení a po dokončení vrtu se provádí čerpací zkoušky. Při hloubení vrtu se většinou využívá „testerů“ , které zjišťují jaké médium je v provrtaných vrstvách. Do vrtu se zapustí testerovací aparatura, prostor nad a někdy i pod zkoušeným obzorem se uzavře „pakry“ (roztahovací pryžové zátky) a otevře se vzorkovací komora. Mimo odběru vzorku kapaliny a plynu se zaznamenává tlak a teplota v obzoru.

Po zapažení vrtu se provádí krátkodobé a dlouhodobé čerpací zkoušky při kterých se vytěží část ropy nebo plynu ze zkoušeného obzoru. Při dlouhodobých čerpacích zkouškách z plynových obzorů se vytěžený plyn často spaluje a sleduje se pokles tlaku v obzoru při odtěžovaném množství plynu. Z těchto údajů je vypočítávají zásoby uhlovodíků v ložisku.

 

V těžební koloně a cementu, který ji izoluje, je nutno vytvořit otvory (A), kterými plyn nebo ropa z  nasycených vrstev (kolektoru) vtéká do sondy(C). Toto „otevření“ obzoru se provádí perforací (prostřelením otvorů) v pažnicích (C). Používá se několik typů perforátorů, kterými se vytvoří otvory nejen v pažnici a cementu, ale také se poruší přiléhající hornina (kolektor).

 

Někdy se hornina také štěpí vysokým tlakem média a do trhlin se natlačí písek, kterým ropa nebo plyn snáze proudí i z větší vzdálenosti od vrtu. Podobného efektu je možno dosáhnout i „kyselinováním“ – rozpuštěním vápnitého tmely mezi zrny kolektoru.

 

Těžba může probíhat i z nezapažené části vrtu a některé vrty se proto ve spodní části nepaží. Lze také zapustit již perforovanou kolonu, která se pak necementuje.

Vrt, který se využívá k těžbě se nazývá sonda. Sondy jsou zpravidla zapažené.

Osvojení vrtu

Po perforaci přitéká ropa nebo plyn do sondy, těžba však zpravidla neprobíhá v celém profilu pažnic. Do sondy se zapouští kolona maloprůměrových trubek – stupaček, kterými uhlovodíky vystupují na povrch. Stupačky jsou zpravidla zapuštěny tak, že mezikruží nad obzorem odděluje pakr a perforovaný interval může komunikovat pouze do stupaček.

Někdy se kolem perforovaných pažnic naplavují pískové filtry nebo zapouštějí jiné typy filtrů, které zabraňují pronikání materiálu (pískových zrn) z těženého kolektoru.

Po zapuštění stupaček je ústí sondy vystrojeno soustavou šoupátek – produkčním křížem. V horní části a na bočních ramenech jsou přes jehlové ventily umístěny kontrolní manometry pro sledování tlaků v ložisku a jednotlivých mezikružích.

Metody těžby

– Samotoková těžba

Po otevření nového ložiska velmi často nastává samotoková těžba. To proto, že tlak v ložisku se ustavuje na úrovni tlaku hydrostatického, kdežto sloupec ropy v sondě, kdy má ropa měrnou hmotnost menší než voda, tento tlak nevyrovná a ropa vytéká na povrchu pod tlakem. Také plyn rozpuštěný v ropě se s klesajícím tlakem uvolňuje a vynáší ropu k povrchu. K samotokové těžbě ropy se také využívá expanze plynu plynové čepice. Těžená ropa se dostává vzhůru a na ústí vrtu vtéká do trubek a odtud do připravených nádrží nebo ropovodů.

Aby se s ropou nebo plynem nevynášely na povrch částečky korektorské horniny, bývají perforované části pažnic nebo stupačky opatřeny filtry.

Při výtoku ropy stupačkami se především v důsledku poklesu teploty vydělují z ropy parafinické složky. Tento „parafin“ může často stupačky nebo dopravní potrubí ucpat a proto se musí periodicky čistit buď škrabáním nebo proplachem párou nebo horkou ropou.

– Těžba hlubinnými čerpadly

Při vytěžené části ropy a poklesu tlaku v ložisku hladina ropy v sondě poklesne a ropu je nutno čerpat hlubinnými čerpadly. Na povrchu čerpací kozlík zajišťuje proměnlivý pohyb táhlic s  čerpadlem. Tento pohyb je vyvozován pomocí elektromotoru, který přes převody, třmen a vahadlo předává na rameno kývající efekt. Na konci ramena jsou přes hlavu kozlíku upevněny táhlice, které dávají do pohybu mechanismus hlubinného čerpadla.

Hlubinné čerpadlo je vlastně čerpadlo pístové. Na koloně táhlic je zavěšen dutý píst „plunžer“ ve vrchní a spodní části čerpadla jsou kulové ventily. Při pohybu pístu nahoru se spodní sací ventil otevírá působením tlaku kapaliny zdola a kapalina vchází do válce čerpadla. Při zpětném pohybu pístu dolů se spodní sací ventil tlakem kapaliny, nacházející se pod pístem a větším než je tlak zdola, zavírá a horní ventil se otevírá a kapalina z válce prochází do prostoru nad pístem.

K těžbě ropy se může používat i jiných typů čerpadel (zubová, membránová), ale pro citlivost k cizorodým příměsím nejsou tak rozšířená jako pístová.

V současné době se odhaduje, že 90% všech ropných sond těží pomocí hlubinných čerpadel.

 

– Alternativní těžební metody

Primární těžební metody využívají přirozeného tlaku ložiska, často se zlepšují korektorské vlastnosti štěpením nebo kyselinováním nádržní horniny.

Těžba ropy může probíhat také pomocí stlačeného vzduchu (airlift) nebo stlačeným plynem (gasligft). Při tomto způsobu těžby se tlačí plyn jednou stupačkovou kolonou a ropa se těží mezikružím nebo druhou kolonou stupaček.

– Druhotné a terciární metody

Při použití prvotních metod těžby se vytěží 20-35% ropy, zbytek zůstává v pórech ložiskové horniny.

Druhotné těžební metody představují postupy, které udržují ložiskovou energii při těžbě co nejdéle na vysoké úrovni. Patří mezi ně zatláčení plynu do plynové čepice nebo vody do vodního zápolí ropného ložiska. Takto lze zvýšit vytěžitelnost na 50-60%.

Terciérní metody (fáze) těžby zahrnují různé speciální metody, např. zatláčení „neuhlovodíkových“ plynů do ložiska (např. CO2, dusíku, spalných plynů) LPG metodu (zkapalněný zemní plyn nebo propan), aplikace rozšířených zavodňovacích metod (zatláčení vody upravené povrchové aktivními látkami, polymery nebo jinými chemickými činidly) využití tepla pro snížení viskozity ropy (podzemní spalování, vtláčení páry nebo horké vody), využití metabolické činnosti anaerobních baktérií atd. Cílem je intenzifikace přítoku „zbytkové“ ropy, která nebyla vytěžena během primární nebo druhotné těžební fáze. Při dotěžování ložisek se vedle gravitačních principů využívá také generování mechanických otřesů v ložisku, které pomáhá uvolňovat ropu vázanou na povrchu zrn a v pórech kolektorů.. .

Primární úprava ropy a doprava ropy

Po vytěžení se ropa skladuje v nádržích, odstraňují se mechanické nečistoty a odvodňuje se jak za použití chemických příměsí, tak zahříváním. Ropa je následně transportována do rafinerií v cisternách po železnici nebo silnících či je využíváno dálkových ropovodů.