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1.12 ANDRILL – La tecnologia di Perforazione e Carotaggio | Progetto Smilla
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1.12 ANDRILL – La tecnologia di Perforazione e Carotaggio

Proviamo a passare in rassegna i principali componenti del sistema di perforazione. Di ognuno cercheremo di capire com’è fatto e cosa fa.

Altre risorse indispensabili per capire meglio il testo sono le seguenti:

Foto. Galleria fotografica n°20

Video. nella sezione video di progettosmilla.it e su Project Iceberg il video initolato “Drll Rig” (con sottotitoli in italiano).

Documenti. La Guida-Brochure del progetto (in italiano)

schema semplificato della disposizione degli elementi principali del sistema di perforazione ANDRILL (disegno non in scala)

La Torre di trivellazione

E’ alta 17 metri e come hai potuto dalle foto non poggia direttamente sulla piattaforma di ghiaccio ma su un piedistallo che è rialzato rispetto ad essa di circa 3 metri. In questo spazio sottostante è ricavato un locale che ospita il sistema di compensazione della marea.

Lo scopo della torre di trivellazione è quello di trasmettere alle aste di perforazione i movimenti necessari per perforare che sono due: pressione (in giù) e rotazione delle aste su se stesse.

Tutta la torre è avvolta in un telo che serve per non disperdere troppo il calore, ed evitare che uomini (che ci lavorano 24h su 24 e 7 giorni su 7) e strumenti siano esposti alle rigide temperature esterne.

Su un lato della piattaforma c’è una rampa attraverso cui vengono fatte passare le aste di perforazione .

Tutta la struttura (sia la torre che la rampa) poggia su slitte ed è smontabile e trasportabile su ghiaccio e poi via nave.

E’ stata costruita dalle ditte Opus e Goughs di Christchurch in Nuova Zelanda anche sulla base dei progetti di ricerca antecedenti ANDRILL e denominati “Cape Robert Projects” svoltisi nel periodo 1997-1999

Il sea riser

E’ un tubo di 6 pollici (15,2cm) di diametro che non è direttamente coinvolto nella perforazione vera e propria. E’ fatto di acciaio del tipo a bassa temperatura e prodotto in Germania dalla Vallourec & Mannesman.

Un solo metro di questo tubo pesa ben 28 Kg. Questo significa che quando arriva sul fondale in tutta la sua lugnhezza di 900 m circa e vi si appoggia pesa (senza considerare la pesa idrostatica) 24.000 Kg, cioè 24 tonnellate. Tanto quanto un vagone ferroviario.

Non ha lo scopo principale di affondare nelle rocce per intederci ma quello di proteggere le aste di perforazione, che scorrono al suo interno e che sono quelle che scavano per davvero. Il bordo superiore del sea riser è nel locale del “Sistema di Compensazione della Marea” sottostante alla torre di perforazione mentre quello inferiore è attualmente infisso nel fondale marino per 17 metri.


Il sea riser è stato cementato al fondale con un materiale speciale anch’esso studiato e testato appositamente (come i fanghi) per ridurre al minimo l’impatto ambientale. Ma c’è un problema da risolvere: tutta la piattaforma di Ross, su cui si trova la torre di perforazione, si sposta in direzione dell’oceano di circa 0,5m al giorno. Quindi dal momento della cementazione tutto il sea riser inizia a inclinarsi perchè l’estremità sul fondale è fissa ma quella sulla piattaforma si muove orizzontalmente. Gli ingenieri hanno calcolato che questa inclinazione può essere al massimo di 50 metri che equivalgono a 100 giorni di tempo. Entro 100 giorni, quindi, tutto il sistema deve essere smontato.

Oltre a questo movimento, il sea riser deve anche sostenere il movimento verticale della piattaforma determinato dalle maree.

Sistema di compensazione dell’escursione di marea

E’ situato nel locale sotto alla piattaforma della torre di trivellazione e ha lo scopo di assecondare le escursioni di marea.

Il sea riser dal momento in cui viene cementato al fondale, non è più libero di muoversi ma è fisso rispetto alla piattaforma di ghiaccio che oscilla in su e in giù seguendo le maree. Siccome sul ghiaccio poggia la torre di trivellazione, è necessario che i due (sea riser e torre) siano indipendenti reciprocamente nei loro movimenti. Grazie al sistema di compensazione la torre si muove in su e in giu seguendo la marea, mentre il sea riser rimane ancorato al fondale.

Il sistema è formato da una morsa enorme e fortissima che tiene saldamente l’estremità superiore del sea riser. Questa morsa è collegata ad un sistema di cavi di acciaio e pulegge che compensa le oscillazioni verticali di tutta la piattaforma.

Le oscillazioni di marea avvengono 4 volte al giorno e alternate (alta-bassa-alta-bassa) a distanza di circa 6 ore una dall’altra. Sia l’ora esatta a cui avviene l’alta e la bassa marea che l’entità dell’escursione variano di volta in volta. Quest’ultima comunque è al massimo di 1,5 m

Le maree determinano alcuni dei problemi più gravi che i tecnici hanno dovuto affrontare, non solo per le oscillazioni della piattaforma ma anche per le correnti di marea sottostanti che hanno danneggiato il sea riser, piegandolo in alcuni punti.

La navicella riscaldante


I problemi da risolvere non sono finiti, perchè attorno al sea riser c’è il ghiaccio della piattaforma e per i primi 80 metri di profondità. Lì le temperature sono diversi gradi sotto allo zero e il sea riser appena messo, verrebbe avvolto immediatamente dal ghiaccio. Ma noi, come detto prima, abbiamo la necessità di tenere il sea riser libero di muoversi: quindi non vogliamo che il ghiaccio blocchi il sea riser. Ecco allora che attorno ad esso c’è una navicella esterna (vedi foto a fianco) dentro cui viene fatta circolare acqua calda. La navicella è tenuta in movimento continuo (alto-basso) attorno al sea riser, per impedire che il ghiaccio si riformi. L’acqua che circola al suo interno è acqua di mare riscaldata (a 80°C) e sottopressione che viene prodotta in un locale apposito collocato alla base della torre di trivellazione. Pensate che gli scambiatori di calore che permettono il riscaldamento dell’acqua sono in titanio per resistere alll’azione corrosiva che l’acqua di mare a quelle temperature esercita.

Le aste di perforazione

Sono aste di 6 metri di lunghezza l’una e 13 cm di diametro che vengono fissate, avvitandole, una dopo l’altra affondandole nel fondale marino. Assolvono il ruolo di perforazione in senso stretto.

Affondano nel fondale grazie a un movimento di pressione e di rotazione su se stesse che viene trasmesso da un motore di oltre 315 cavalli di potenza e dedicato esclusivamente a questo scopo. Il 70% di questa potenza è impiegato nel movimento rotatorio delle aste attorno al loro asse longitudinale, il restante 30% viene espresso come pressione verso il basso. Bisogna dire però che quest’ultima è accresciuta dal peso stesso delle aste che pur essendo sicuramente minore di quello del sea riser (24 tonnellate) è pur sempre di questo ordine di grandezza.

Le altre necessità di energia del sito come quelle dei laboratori e degli alloggi vengono soddisfatte da un altro generatore.


La parte terminale delle aste di perforazione si chiama “Testa” e porta un utensile per lo scavo. Gli utensili che la testa può montare sono molto differenti tra loro a seconda del tipo di sedimento/roccia che viene scavata. Il bordo della testa, quello che scava nel vero senso della parola è di carburo di Tungsteno (detto anche widia) e Cobalto di eccezionale durezza che viene ulteriormente aumentata dalla presenza di diamanti sintetici (anche se, come potete vedere dal video su progettosmilla.it , a volte non basta proprio).

Per darvi una idea della durezza dei materiali che compongono la testa di perforazione vi segnaliamo che il WIDIA, il carburo di tungsteno di cui sopra, è il materiale di cui son fatte le punte degli utensili del tornio e svolgono il compito di asportare porzioni (trucioli) di acciaio dal pezzo in rotazione. (per maggiori informazioni vedi anche la voce Tornio su Wikipedia)

Ogni volta che si deve cambiare l’utensile della testa bisogna tirare su tutte le aste una per una. Per darti una idea di cosa vuol dire, immagina che quando la perforazione era all’inizio, cioè in prossimità del fondale, a -900m dalla superficie, l’operazione complessiva (cioè tirar su tutte le aste, cambiare l’utensile della testa e rimetterle ancora tutte una dopo l’altra dentro al sea riser fino al fondale) durava circa 6 ore. Considera che mano a mano che si scende di profondità, il tempo impiegato per fare tutta questa operazione dura sempre di più..

Il carotatore

E’ un tubo di 3 metri di lughezza che si trova all’interno delle aste ma solo nei metri terminali. Quindi affonda insieme alle aste nel sedimento. Mano a mano che le aste affondano, il carotatore ospita la carota che si produce. Al suo interno il carotatore contiene un cilindro di plexiglass (“Custodia della carota”) che è quello che sta immediatamente a contatto con la carota.

Però c’è un problema: dopo che le aste sono affondate di 3 metri, bisogna riportar su il carotatore con il suo prezioso carico..come fare? Devi sapere che la parte più alta di questo pezzo importantissimo porta una specie di gancio-cuneo. Dalla piattaforma gli operatori calano un cavo di acciaio che porta alla sua estremità un altro gancio che quando arriva a quello del carotatore vi si attacca saldamente . A questo punto il cavo viene recuperato tirando verso l’alto il carotiere. Ma come la fa carota a non sfilarsi dalla custodia? Come fare per tagliarla alla base? Con la “Trappola della carota”!

L’estremità inferiore del carotatore porta una specie di cestellino fatto da alcune lamelle, disposte a ventaglio, come una specie di otturatore della macchina fotografica. Queste lamelle sono orientate in modo che quando il carotatore viene tirato all’insu, le lamelle si chiudono e non solo impediscono alla carota di sfilarsi, ma la tranciano di netto nella parte più bassa. In questo modo la carota è tagliata dal resto della roccia in cui giaceva e libera di tornare in superficie protetta all’interno della Custodia dentro al carotatore che viaggia pian pianino verso la superficie. Il viaggio dura circa un’ora.

E’ previsto che durante la perforazione vengano usati carotatori di 3 diamteri differenti e decrescente man mano che si scende i profondità. All’inizio il carotatore (e le carote ottenute) usato era di 8 cm di diametro, mente alla fine sarà di solo 4 cm.

All’inizio della perforazione quando si era nei primi metri il fondale era molto soffice e si sono utilizzati dei tipi di carotatori molto differenti rispetto a quelli usati per il sediemento molto consistente. Appartengono alla famiglia dei cosiddetti “Strumenti per sedimenti soffici” , comprende una varietà sterminata sia in termini di forma che di principio di funzionamento. Ad esempio, ve ne sono alcuni molto semplici che funzionano per gravità, cioè vengono lasciati cadere liberamente nel sedimento. Ma ve ne sono anche altri idraulici, in grado cioè di essere letteralmente sparati (con forza di diverse centinaia di quintali) all’interno del sedimento grazie a una pressione idraulica.

I fluidi di perforazione

Sono dei fluidi ottenuti sciogliendo questi 3 ingredienti in acqua marina: il Cloruro di Potassio (KCl) e due distinti polimeri naturali denominati Barazan D (un polimero organico) e PAC-L (una cellulosa polianionica)

I fanghi svolgono diversi ruoli e tutti importanti primo fra tutti quello di lubrificare le superfici di contatto (testa dell’asta e rocce) e diminuire così l’attrito ma anche di abbassare il punto di congelamento e impedire che si formi del ghiaccio, infine anche quello di rimuovere i detriti che si formano durante la perforazione. Vediamoli nel dettaglio:

  • Il KCl abbassa il punto di congelamento e aumenta la densità del fluido e impedisce che si formino dei precipitati all’interno del fluido di perforazione, che aumentarebbero ulteriormente la quantità di solidi presenti in esso;
  • Il Barazan D ha lo scopo di aumentare la viscosità del fluido ed è un compito molto importante perchè questo aumenta la facilità con cui i frammenti che si formano durante il taglio si mescolano con il liquido stesso, evitando che si sedimentino e depositino
  • Il PAC-L ha lo scopo di otturare, chiudere i vuoti che si formano sulla parete del pozzo aumentandone la stabilità ed evitando che si frantumi creando delle lacune laterali

Durante la perforazione i fanghi vengono prodotti all’interno di cisterne-miscelatrici che si trovano alla base della torre. Subito dopo vengono immessi nel circuito che normalmente è chiuso: vanno nel pozzo di perforazione fino alla base, dove si trova la testa delle aste quindi, ritornano alle cisterne di miscelazione dove vengono filtrati e reimmessi. Normalmente il fango che viene immesso nel circuito ritorna tutto e quindi non ci sono perdite del sistema ma non sono rari i casi in cui le perdite si verificano. Per questa ragione, gli ingredienti utilizzati per produrre i fanghi hanno subito dei test e controlli molto severi per garantire che, in caso di immissione accidentale nell’ambiente, non lo danneggino.

Stanare idee per le scienze a scuola. Fino ai poli