Tubo di perforazione petrolifera contro asta di perforazione DTH: sembrano simili, ma non sono affatto correlati.
Un nuovo arrivato in una squadra di minatori prese quella che credeva essere un'asta di perforazione di ricambio e provò a usarla con un martello perforatore DTH. L'asta entrava nel mandrino, più o meno. Le filettature si incastravano, più o meno. Il compressore si avviò, il martello iniziò a girare e, nel giro di una ventina di minuti, l'asta si attorcigliò a spirale in corrispondenza del primo punto di connessione filettato. L'asta non era difettosa. Era un tubo di perforazione petrolifera, progettato per la rotazione, non per la percussione, e gli era stato chiesto di svolgere un lavoro per cui non era stato costruito.
Se lavorate nel settore minerario e in quello petrolifero e del gas, o se vi occupate degli acquisti di attrezzature per diversi cantieri, probabilmente avrete visto aste di perforazione petrolifera e aste di perforazione DTH nello stesso piazzale e vi sarete chiesti se siano intercambiabili. La risposta è no. Ecco quattro motivi per cui sono completamente diverse.
Prima differenza: a cosa servono realmente
Il tubo di perforazione petrolifera ha un unico scopo: portare la punta di trivellazione sul fondo di un pozzo, che può raggiungere diverse migliaia di metri di profondità, imprimere una rotazione sufficiente a far girare la punta e pompare il fluido di perforazione al suo interno per trasportare i detriti verso l'alto. Tutto qui. La sua progettazione è dettata dalla realtà di operare in pozzi profondi e ad alta pressione, dove i principali nemici sono la corrosione interna causata dal fango di perforazione, l'usura esterna dovuta allo sfregamento contro il rivestimento e la fatica generata dai cicli di carico dovuti alle operazioni di estrazione e reinserimento.
Le aste di perforazione DTH vivono in un mondo completamente diverso. Il loro compito è quello di posizionarsi tra il martello DTH e la perforatrice, trasmettendo la rotazione e la pressione di avanzamento al martello, convogliando al contempo aria ad alta pressione al centro per alimentare il pistone del martello ed espellere i detriti dal foro. Non generano l'impatto – quello lo fa il martello – ma devono resistere all'ambiente vibrante e abrasivo proprio sopra il martello, dove ogni colpo invia un'onda d'urto lungo l'acciaio e i frammenti di roccia sfrecciano a velocità prossime a quella del suono.
Tubi di perforazione petrolifera: migliaia di metri, rotazione, circolazione del fango. Aste di perforazione DTH: da decine a centinaia di metri, rotazione più vibrazione, aria compressa. Mondi diversi.
Seconda differenza: il loro aspetto da vicino
Prendendo in mano un tubo di perforazione petrolifera, la prima cosa che si nota è il peso. Si tratta di un tubo d'acciaio senza saldatura, solitamente con uno spessore della parete compreso tra 9 e 11 millimetri, e una sezione trasversale circolare e liscia da un'estremità all'altra. Le estremità terminano con raccordi filettati conformi alle specifiche API (IF, FH, NC o designazioni simili che si riferiscono a profili di filettatura standardizzati nell'industria petrolifera). Le filettature sono realizzate con tolleranze ristrette perché devono resistere a migliaia di PSI di pressione interna del fango, trasmettendo al contempo decine di migliaia di libbre-piede di coppia.
Ora prendete in mano un'asta di perforazione DTH. È più leggera a parità di lunghezza e, invece di un tubo liscio e rotondo, la maggior parte ha una sezione esagonale. La forma esagonale non è solo estetica: fornisce superfici piane per la chiave di svitamento dell'impianto di perforazione, che permette una presa migliore durante la sostituzione dell'asta, e conferisce all'asta una maggiore rigidità flessionale nelle direzioni che contano durante la perforazione a percussione. Il foro centrale è per l'aria compressa, non per il fango di perforazione, quindi il diametro interno è dimensionato per il volume d'aria piuttosto che per il flusso del fluido. Le connessioni terminali hanno in genere un design con spallamento e superficie piana che trasmette l'energia d'impatto dal martello all'asta senza concentrare lo stress sulle filettature, a differenza dei profili di filettatura API dei tubi petroliferi.
Se vi trovate in un cortile e cercate di distinguerli, osservate il corpo esagonale. Rotondo, pesante, con filettature coniche di precisione? Tubo per olio. Esagonale, più leggero al metro, con raccordi a faccia piana? Asta DTH. Ecco la risposta.
Terza differenza: come funzionano sotto carico
Questa è la distinzione che spiega perché non si può mai sostituire l'uno con l'altro.
Un tubo di perforazione petrolifera trascorre l'intera vita operativa in rotazione. Il top drive o tavola rotante fa girare l'intera colonna di perforazione e il compito del tubo è quello di trasmettere la coppia in modo efficiente senza torcersi. Il carico è principalmente di taglio torsionale, con una certa tensione dovuta al peso della colonna sottostante. Non c'è alcun carico d'urto. Assolutamente nessuno. Il tubo ruota in modo fluido, o almeno il più fluido possibile in base alle condizioni del pozzo, ed è progettato per sopportare milioni di cicli di rotazione durante la sua vita utile.
Un'asta di perforazione DTH opera in un regime di carico completamente diverso. Il martello all'estremità inferiore della colonna di perforazione colpisce la punta decine di volte al secondo: ogni colpo è uno shock percussivo che genera un'onda di compressione che si propaga lungo l'asta. Oltre a ciò, l'impianto applica una rotazione (molto più lenta rispetto a una piattaforma petrolifera, solitamente da 20 a 60 giri al minuto) e una pressione di avanzamento. L'asta è soggetta simultaneamente a torsione, compressione assiale e vibrazioni ad alta frequenza, oltre all'usura abrasiva causata dai detriti di roccia che sfrecciano sulla superficie esterna nello spazio anulare.
Se si utilizza un tubo di perforazione petrolifera in un'applicazione DTH, i raccordi filettati, progettati per una rotazione fluida, si creperanno per fatica a causa delle vibrazioni percussive già al primo turno. Il corpo del tubo, progettato per la torsione, si deformerà sotto la compressione e le vibrazioni combinate. Inoltre, la superficie esterna liscia e arrotondata, priva di superfici piane di presa, scivolerà nella chiave di svitamento, rendendo difficile ogni cambio di asta.
Se si inserisce un'asta DTH in un pozzo petrolifero, il corpo esagonale causerà turbolenza nel fango di perforazione, le connessioni a faccia piana non garantiranno la tenuta contro la pressione della formazione e l'asta, non essendo stata progettata per migliaia di metri di rotazione, si spezzerà con una frazione della coppia che un tubo petrolifero sopporta abitualmente.
Quarta differenza: di cosa sono fatti e come vengono classificati
I tubi per la perforazione petrolifera sono specificati in base al grado dell'acciaio: E75, X95, G105, S135, dove il numero rappresenta la resistenza allo snervamento minima in migliaia di PSI. I tubi in acciaio S135 hanno una resistenza allo snervamento di 135.000 PSI. Si tratta di acciai ad alta resistenza e tenacità, legati con cromo e molibdeno per resistere alla corrosione causata dai fluidi di perforazione e dai fluidi di formazione. Il trattamento termico consiste in tempra e rinvenimento, che produce una microstruttura uniforme in tutto lo spessore della parete, in grado di sopportare elevate torsioni senza rottura fragile.
Le aste di perforazione DTH sono realizzate con diverse leghe con priorità differenti. L'acciaio deve avere un'elevata durezza superficiale per resistere all'usura abrasiva causata dai detriti di perforazione, ottenuta in genere tramite cementazione o tempra a induzione della superficie esterna, ma il nucleo deve rimanere tenace per assorbire gli urti senza incrinarsi. Questa struttura cementata è fondamentalmente diversa dalla struttura temprata a cuore dei tubi petroliferi. Il contenuto di lega è in genere inferiore in nichel e superiore in manganese e silicio, ottimizzato per la resistenza all'usura piuttosto che per la resistenza alla corrosione in pozzi profondi.
Anche i sistemi di classificazione sono diversi. Le tubazioni petrolifere seguono le specifiche API con numeri di grado ben definiti. Le aste DTH sono in genere specificate dal sistema di classificazione del produttore, legato alle condizioni della roccia e alla compatibilità con il martello. Non si acquista un'asta DTH "grade S135", bensì un'asta specificata per una determinata dimensione del martello e classe di abrasività della roccia.
Il punto chiave
Le aste di perforazione petrolifera e le aste di perforazione DTH si assomigliano vagamente, un po' come un camion da autostrada e una jeep da fuoristrada hanno entrambi quattro ruote. Sono entrambe lunghe aste cave in acciaio collegate alle attrezzature di perforazione. Ma la somiglianza finisce qui.
Se state allestendo un cantiere minerario o edile, avete bisogno di aste DTH: a corpo esagonale, cementate, progettate per resistere a percussioni e abrasioni. Se per sbaglio vi capita di trovare un tubo petrolifero in cantiere, non usatelo. Il risultato sarà una rottura per torsione e fatica, con la squadra costretta a guardare l'impianto fermo. Lo strumento giusto per il lavoro giusto non è un suggerimento: nella perforazione, fa la differenza tra fare un buco e produrre rottami.
