ŤAŽOBNÁ TECHNOLÓGIA
Frézovanie a vŕtanie
elektrickou plazmou Ťažba ropy a zemného plynu bude onedlho úzko previazaná s nasadením nových technológií. Slovenskú spoločnosť GA Drilling považujú za svetový unikát, pretože sa pustila do vývoja prelomovej technológie pre ťažobný priemysel, založenej na vlastnostiach elektrickej plazmy. ČO HOVORÍ WIKIPÉDIA: PLAZMA Plazma je vysoko ionizovaný plyn zložený z iónov, elektrónov (prípadne neutrálnych atómov a molekúl). Vzniká odtrhnutím elektrónov z elektrónového obalu atómov plynu alebo roztrhnutím molekúl (ionizáciou). Plazma sa zvyčajne považuje za ďalšie skupenstvo hmoty. Pretože obsahuje veľké množstvo ionizovaných častíc, je elektricky vodivá. Prvýkrát ju popísal anglický chemik a fyzik William Crookes v roku 1879. Plazma existuje vo vesmíre v rôznych, často veľmi odlišných formách. Môžeme sa s ňou stretnúť napríklad vo forme blesku, polárnej žiary, vnútri žiaroviek, plazmových lámp a tzv. neónov. Tvorí tiež konvenčné hviezdy, slnečný vietor alebo hmloviny. Elektrická plazma rozrušuje materiál bez ohľadu na jeho mechanické vlastnosti, vytvára pulzy pre jeho ešte intenzívnejšie rozrušovanie, a pritom umožňuje získavať údaje o rozrušovanom materiáli v reálnom čase. Okrem toho, pomáha rýchlej korózii, ak potrebujeme rozrušiť kovové materiály.
ODSTAVENIE ROPNÝCH VRTOV Nízke ceny ropy na svetových trhoch majú drastický dopad na svetové ropné spoločnosti, a tak sa vynárajú reálne obavy, či budú ochotné plniť svoje záväzky ohľadom životného prostredia. Ich najzraniteľnejším miestom sú vyťažené vrty, ktoré už viac neprodukujú. Treba ich odstaviť, pričom sa zaplombujú v rámci operácie P&A (umiestnenie zátky a zanechanie vrtu, skratka z pôvodného výrazu Plug & Abandonment), čo vôbec nie je jednoduché. Pri tejto operácii sa zvnútra odfrézuje stabilizačná pažnica, dutá rúra, ktorá slúži aj ako výstuž vrtu. Pažnica pozostáva z trojvrstvy oceľ-cementoceľ. Operácia P&A sa vykonáva v hĺbkach niekoľkých kilometrov a vzniknutá cylindrická diera sa spravidla po mechanickom frézovaní zaštupľuje naliatím betónu. Táto drahá procedúra na jednom vrte môže trvať aj niekoľko týždňov, čo v súčasnej nelichotivej situácii ropným operátorom a servisným spoločnostiam spôsobuje problémy. 46
marec 2015 I Quark
PLAZMOVÉ FRÉZOVANIE Slovenská spoločnosť GA Drilling dokáže odstrániť nepoužívané pažnice podstatne lacnejšie, a to pomocou vysokoteplotného a energetického plazmového toku. Bezkontaktná frézovacia aplikácia PLASMABIT Milling pretaví oceľ oblúkovou plaz-
Vizualizácia aplikácie PLASMABIT Milling – odfrézovanie pažnice
Test aplikácie PLASMABIT Milling vo vodnom prostredí, keďže sa predpokladá jej využitie pri odstavovaní morských ťažobných vrtov.
mou pri teplotách až do 3 000 °C, pričom pri zohriatí dochádza k oxidácii ocele. Uvoľnená energia zintenzívni vlastnosti plazmového toku, oceľ sa rýchlo rozpadne na špony, stružliny menšie než milimeter, ktoré nie je potom problém z miesta jednoducho odsať. Ako to vlastne funguje? Do pažnice sa vloží valcovitý generátor plazmy. Pažnica sa pripojí na anódu, vonkajšiu elektródu plazmového generátora. Preto sa plazmový tok vychýli smerom k stene pažnice, anódový koniec oblúkovej plazmy sa pripája na pažnicu a pôsobí len v požadovanom smere. Takto celá intenzita elektrického prúdu prechádza iba pažnicou a anóda plazmového generátora jej už nie je vystavená. To je jednou z najdôležitejších zložiek unikátnej špeciálnej magnetickej dýzy. Magnetická dýza sa skladá zo série neodýmových úsekov, vytvárajúcich premenlivé magnetické pole. Štruktúra magnetov ovplyvňuje dráhu oblúkovej plazmy a umožňuje rotáciu plazmového toku okolo vnútornej steny pažnice. Nová metóda tak odstránila najslabšiu stránku súčasných frézovacích technológií – používanie rotačných mechanických súčiastok. Plazmový generátor vložený do pažnice vytvára pulzné
ŤAŽOBNÁ TECHNOLÓGIA
GA Drilling je slovenská high-tech spoločnosť, vyvíjajúca technologickú platformu PLASMABIT pre potreby ťažobného priemyslu (ropa a zemný plyn) aj iných energetických odvetví.
tlakové vlny, odlupujúce z pažnice rozžeravené častice kovu. Odrazené tlakové vlny ich stlačia dolu a len malé množstvo menších častíc vystrelia von z interakčnej zóny. Po odstránení oceľovej rúry proces pokra-
jej využitia. Vyvíjaný proces plazmového vŕtania môže znamenať dlho očakávanú skokovú zmenu v hĺbení vrtov, a tým spôsobiť revolúciu v ťažbe ropy, zemného plynu a získavania geotermálnej energie. Ako to funguje? V prvej fáze sa rozrušuje povrchová vrstva horniny vrtnou hlavicou, z ústia ktorej prúdi plazma. Počas vŕtania sa súbežne aj čistí povrch od jemného prášku horniny, prípadne tenkej vrstvy taveniny. V niektorých prípadoch pri vhodnom nastavení plazma niekoľkonásobne rýchlejšie preniká vŕtaným povrchom v porovnaní s mechanickým vŕtaním, napríklad v kremenci (najtvrdšej hornine na Slovensku). Výsledkom plazmového vŕtania sú jemné čiastočky horniny. Aktuálny výskum GA Drilling ukázal, že pulzný režim plazmového vŕtania dokáže lepšie využívať mechanizmy na rozrušenie horniny
HLBINNÉ VŔTANIE
Spôsob vŕtania do zemskej kôry sa nezmenil už viac ako tisícročie. Od prvých čínskych vrtákov na bambusových tyčiach zo 4. storočia až po dnešné moderné vrtné hlavy so syntetickými diamantmi na oceľoVýsledkom pulzného plazmového vŕtania vých tyčiach ide stású ešte jemnejšie čiastočky ako v prípade le o to isté: tlak zhora pôsobí na vrták, plynulého plazmového vŕtania. ktorý svojou rotáciou mechanicky odlamuje horninu. čuje rozrušením cementovej vrstvy, pri Horniny tvorí nehomogénna kombináktorej sa využíva vlastnosť cementu: sprácia rozdielnych minerálov s rôznou veľvať sa ako vodič, keď je teplota vyššia než kosťou. Majú vnútorné chyby, najmä trhliteplota jeho tavenia. Vďaka tomuto priny a póry od mikroveľkosti až po zreteľné. rodzenému javu natavená cementová Práve štruktúra hornín určuje ich fyzikálvrstva slúži ako ďalšia elektróda s kladným ne vlastnosti. Bežné mechanické vŕtanie potenciálom oceľovej pažnice. Zvýšená využíva okrem toho najmä ich relatívne vnútorná energia v cemente tak vyvolá nízku pevnosť v tlaku a skutočnosť, že pri rýchle vyparenie molekúl vody, a preto používanom zaťažení sa poškodzujú najsa materiál okamžite rozpadá. Takto namä krehkým lomom. vzájom prepojené procesy dokážu efekPLAZMOVÉ VŔTANIE tívne odstrániť pažnicovú trojvrstvu oceľNovú technológiu hlbinného vŕtania vycement-oceľ, s ktorou často zápasia užitím plazmy prináša ďalšia slovenská ťažobné spoločnosti pri odstávke vrtov. aplikácia PLASMABIT Drilling. Samotný proces plazmového vŕtania tiež vychádza z typických vlastností hornín, charakteristiky elektrického oblúka a plazmy (najmä vysoká teplota a intenzita tepelného toku) však výrazne rozširujú paletu možností
Drilling Aplikácia PLASMABIT Drilling – vŕtanie pôsobením elektrickej plazmy
Aplikácia PLASMABIT Drilling v akcii – vŕtanie do kremenca
nezávisle od toho, o akú horninu ide. Za určitých podmienok vznikajú ešte jemnejšie čiastočky ako v prípade kontinuálneho plazmového vŕtania. Napokon, charakteristické vlastnosti elektrickej plazmy umožňujú efektívne hlbinné vŕtanie a účinné rozrušovanie rôznych materiálov. Väčšie využitie technológií založených na potenciáli elektrickej plazmy by teda mohlo v budúcnosti zabrániť opakujúcim sa energetickým problémom, s ktorými zápasí dnešné ľudstvo.
RNDr. Gabriel Horváth, PhD., GA Drilling, a.s. Ing. Marek Gebura, PhD., GA Drilling, a.s. Ing. Veronika Gajdošová, CELIM Slovakia Mgr. Marek Kučera, PhD., Ecoland s.r.o. Foto GA Drilling
Článok vznikol vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a vývoj pre projekt Centrum excelentnosti pre plazmové vysokoproduktívne spracovanie materiálov a aditívne vytváranie štruktúr, kód ITMS 26240120036, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja. Quark I marec 2015
47