Wstęp

Zasadniczymi elementami, jakie zadecydowały o wręcz eksplozywnym rozwoju technologii wierceń kierunkowych i poziomych (WKP) na przełomie wieków były rosnące potrzeby energetyczne ludzkości, a z drugiej strony niezwykły postęp w zakresie inżynierii materiałowej, rozwój systemów pomiarowych geofizyki wiertniczej, analizy basenów, zaawansowanych technik informacyjnych dla wizualizacji i modelowania w trzech wymiarach ośrodka skalnego. Przemysł tworzący nowoczesne technologie wiertnicze dysponuje obecnie ogromnymi środkami, głównie pochodzącymi z eksploatacji węglowodorów i korzysta w wielu krajach ze wsparcia przez rządy, synergistycznie wykorzystując osiągnięcia z innych dziedzin techniki: kosmicznych, militarnych, nanotechnologii, a nawet mikrobiologii i biologii molekularnej.

Celem niniejszego raportu jest usystematyzowana prezentacja tych osiągnięć, w tym na konkretnych przykładach - analiza przydatności WKP dla penetracji wiertniczej konkretnych struktur geologiczno-złożowych na terenie naszego kraju. Jako uczestnicy projektu w ramach tematycznej sieci naukowej jesteśmy zobowiązani do propagowania i przyswajania polskiemu społeczeństwu najnowszych osiągnięć z tej dziedziny, na początek choćby poprzez przeglądowe, teoretyczne opracowania typu niniejszego studium.

I.1. Klasyfikacja technologii otworów kierunkowych i poziomych (technologia WKP)

Całą tę obszerną i szybko się rozwijającą grupę technologii wiertniczych można podzielić i sklasyfikować według: (1) geometrii wyrobisk otworowych (2) celów operacji wiertniczych, (3) obiektów penetrowanych wiertniczo oraz (4) technologii i oprzyrządowania (sprzęt wiertniczy, uzbrojenie geofizyczne, strategia opróbowania, pomiarów i geonawigacji).

Klasyfikacja pod względem geometrii obejmuje następujące podstawowe typy otworów : pojedyncze, dubletowe, wiązkowe lub miotlaste (wychodzące z jednego urządzenia/platformy, choinkowe (wychodzące z jednego otworu), nachylone, poziome, poziome wieloboczne (widlaste), wieloboczne, faliste-wężowe-spiralne, ciasnoskrętne, szerokoskrętne, normalnośrednicowe oraz małośrednicowe (mikrootwory).

Pod względem celu operacji wiertniczych wyróżnić można następujące typy odwiertów:

• geotechniczne: przewierty pod zabudową, ciekami, drogami, nasypami, przeciąganie przewodów transportujących media i kabli komunikacyjnych, energetycznych, podziemne systemy ogrzewania i chłodzenia za pomocą pomp ciepła;
• transportowe: mikrotunele, instalacje hydrotechniczne, odpływy wód z zapór, sztolnie i szyby transportowe w przemyśle wydobywczym, podziemne linie transportu pneumatycznego, etc;
• ratunkowe: otwory wielkośrednicowe-ewakuacyjne, komunikacyjno-wentylacyjne, inspekcyjne, dla gaszenia podziemnych pożarów węgla, otwory drążone z powierzchni i z wyrobisk kopalnianych;
• poszukiwawczo-rozpoznawcze: wgłębna sejsmika złożowa, rozpoznanie architektury górotworu, opróbowywanie skał i płynów złożowych, otwory parametryczno-strukturalne;
• drenujące: odgazowywanie (z metanu i ditlenku węgla) pokładów węgla wyprzedzające front eksploatacji, drenowanie szczelin i komór krasowych wypełnionych wodą, drenowanie z wód podziemnych złoża i nadkładu eksploatowanego podziemnie i odkrywkowo, drenowanie wysypisk śmieci z metanu i odcieków;
• eksploatacyjne: otwory eksploatujące płyny złożowe: węglowodory ciekłe i gazowe, wody podziemne pitne, mineralne i solanki, metan z pokładów węgla, media geotermalne: wody gorące, przegrzane i parę;
• iniekcyjno-magazynowe: zatłaczanie w uprzednio opróżniony z geofluidów lub nienaruszony górotwór solanek dołowych, odpadów płynnych: chemicznych i radioaktywnych, sekwestracja ditlenku węgla , przechowywanie gazu ziemnego i benzyn w zbiornikach typu porowatych kolektorów złożowych z uszczelnieniem (pułapek);
• iniekcyjno-eksploatacyjne: (zazwyczaj dublety) otwory eksploatujące ciężkie, zdegradowane węglowodory stałe i półstałe (złoża typu tar sands) oraz siarkę poprzez wytapianie (upłynniane) gorącą parą, ługowanie soli i rud metali (np. ługowanie kwasowe rud uranu), podziemne termiczne zgazowywanie węgla , zgazowywanie i eksploatacja hydratów metanu (podmorska i w wiecznej zmarzlinie) ;
• dublety hydrotermalne: zatłaczanie wystudzonego płynu jednym lub kilkoma otworami, odpompowywanie ogrzanego w uszczelinionym lub porowatym górotworze medium otworem eksploatacyjnym.

W miarę rozwoju technologii WKP zakres obiektów i ośrodków skalnych osiągalnych i penetrowanych wiertniczo systematycznie rozszerza się. W początkowym okresie uznawano, że tylko skały zwięzłe, masywne lub gruboławicowe mogą być penetrowane poziomymi wyrobiskami wiertniczymi, obecnie w zasadzie każdy obiekt podziemny w promieniu nawet 10 kilometrów od głowicy otworu może zostać osiągnięty i to z wielką precyzją, niezależnie od typu skały. Wiercenia WKP prowadzi się z powodzeniem i to w skali kilometrów w masywnych skałach magmowych, kwarcytach, a także w ośrodkach skalnych słabo zlityfikowanych, cienkoławicowych i pofałdowanych, skruszonych i uszczelinionych, a nawet w zupełnie luźnych, nieomal płynnych, współczesnych osadach dna morskiego.

Pod względem oprzyrządowania (podstawowe etapy rozwoju/generacje technologii WKP) wyróżnić można:

• klasyczne wiercenie obrotowe stołowe z przewodem sztywnym obrotowym; rurowanie i pomiary geofizyki otworowej tradycyjne, odrębne od operacji wiertniczych (od lat czterdziestych XX w.);
• przewód sztywny nieobrotowy z silnikiem wgłębnym i odchylaniem dynamicznym, posuw osiowy przewodem, rurowanie sztywne lub elastyczne (stosowane od lat siedemdziesiątych XX w.);
• przewód wiotki zwijany z silnikiem wgłębnym, odchylaniem dynamicznym i posuwem aktywnym, rurowanie elastyczne, zwijane rozprężne (od lat dziewięćdziesiątych XX w.).

Klasyfikacja pod względem nawigacji (geosteering) :

• nawigacja operacyjna, zapuszczanie klina odchylającego (trajektoria mierniczo-obliczeniowa);
• nawigacja wspomagana geofizyką otworową i/lub
• geofizyką nadążną (trajektoria częściowo kontrolowana);
• nawigacja wspomagana geofizycznie z lokalizacją zdalną (trajektoria w pełni kontrolowana w 3 wymiarach i w czasie rzeczywistym) , np. w najnowszej technologii Vision 475 firmy Schlumberger.

I.2. Źródła informacji o technologiach WKP i krajowe doniesienia wskazujące kierunek i stan rozwoju tej techniki w Polsce

Specyfiką piśmiennictwa dotyczącego WKP jest jego rozproszenie i dominacja materiałów typu raportów firmowych, czy ogólnikowych, choć starannie edytowanych folderów informacyjno-reklamowych, ale często bez sygnatury autora. Na konferencjach i sympozjach naukowych poświęconych problematyce geologii naftowej i wiertnictwa z roku na rok coraz więcej miejsca zajmują sesje tematyczne dotyczące WKP, zazwyczaj jednak jedynym śladem tych wystąpień dostępnym dla ogółu pozostają idące już w setki, ale lakoniczne abstrakty.

Bardziej rygorystyczne w formie opisy patentowe z tej dziedziny, dostępne w bazach danych, dotyczą rozwiązań szczegółowych, niekoniecznie wdrożonych i zastosowanych w praktyce i nie obejmują know-how. Wiedza praktyczna, realnie przydatna dla aplikacji jest zarezerwowana dla firm i specjalistów tworzących technologie i dystrybuowana w ograniczonym zakresie, według ściśle komercyjnych zasad. Komercyjne kursy, warsztaty i szkolenia, oprócz osobistego profesjonalnego doświadczenia są najistotniejszym źródłem kompetencji specjalistów w tej dziedzinie, wydawane są także skrypty dla kursów organizowanych przez AAPG (Fritz et al., 1991). Akademickie systemy edukacji oparte są w zasadzie na wiedzy ogólnie dostępnej, publikowanej, stąd w programach nauczania widać opóźnienie w stosunku do aktualnego stanu techniki światowej. Można zaryzykować stwierdzenie, że praktyka, zwłaszcza w Europie, wyprzedza w tym wypadku akademicką wiedzę teoretyczną. Warto wspomnieć, że na Wydziale Wiertniczo-Naftowym AGH organizowane są od niedawna tematyczne praktyki dla studentów w firmach krajowych i zagranicznych stosujących elementy technologii z zakresu WKP.