Tiểu luận lý thuyết phá hủy đá cấu tạo, phân loại, nguyên tắc phá hủy, phạm vi ứng dụng của choòng pdc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN LÝ THUYẾT PHÁ HỦY ĐÁ CẤU TẠO, PHÂN LOẠI, NGUYÊN TẮC PHÁ HỦY, PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA CHOÒNG PDC - Học viên thực hiện: Lương Đức Đàm, Kỹ thuật Dầu Khí K44 - Mã số học viên: 2218108022 Mỏ Đại Hùng, Ngày 18 tháng năm 2022 Giới thiệu Chng khoan cơng cụ chí́nh yếu công tác khoan, công cụ mà Kỹ̃ sư khoan sử dụng Lựa chọn choòng tốt điều kiện làm việc choòng vấn đề cầ̀n phải nắm rõ Choòng khoan thiết kế với thời gian làm việc kéo dài hàng chục hàng trăm Choòng khoan thường làm việc sâu lòng đất, qua địa tầ̀ng khơng biết trước Các phép tí́nh lý thuyết để thiết kế đánh giá choòng khó khăn Chng PDC trịn khoan sử dụng rộng rãi cơng nghiệp khoan dàu khí́ từ năm 1976 tới Cấu tạo, đặc tính chng khoan PDC Choòng kim cương đa tinh thể (PDC – polycrystalline diamond bits) loại chng có lưỡi cắt cố định gắn kim cương Những thuậ̣n lợi choòng lưỡi cắt cố định so với chng chóp xoay sau: + Khơng có phậ̣n quay, điều quan trọng giếng khoan có đường kí́nh nhỏ, nơi mà khoảng trống đủ để quay lưỡi cắt chóp xoay khơng có + Chúng làm liền khối chắn nên í́t có hội bị hư hỏng để lại mảnh vỡ (junk) giếng - Khoan tốt địa tầ̀ng mềm, chắc, nửa cứng khơng ăn mịn, khơng dí́nh - Lấp nhét (bit balling) vấn đề nghiêm trọng khoan địa tầ̀ng mềm, dí́nh Sự mịn lưỡi cắt nhanh nứt vỡ vấn đề nghiêm trọng khoan địa tầ̀ng cứng, mài mòn - Thuỷ lực nhân tố quan trọng việc giảm lấp nhét - Hình dạng đầ̀u chng (crown profile) + Đỉnh chóp kép (double cone profile) * Kéo dài tuổi thọ có nhiều lưỡi cắt * Khoan giếng thẳng * Mòn phầ̀n xảy đỉnh + Đỉnh chóp nơng (shallow cone profile) * Dễ dàng loại bỏ mùn khoan * Tốc độ khoan cao í́t lưỡi cắt * Khoan định hướng dễ calip ngắn + Đỉnh hình parabol * Thí́ch hợp với tốc độ cao (RPM) nhiều lưỡi cắt bề mặt vành choòng (tapered surface) * Khoan giếng thẳng đứng calip dài - Số lượng lưỡi cắt Khi số lượng lưỡi cắt tăng lên, tuổi thọ chng tăng tải trọng giảm lưỡi cắt Nhưng tốc độ khoan không tăng - Hướng lưỡi cắt Góc back rake góc side rake nhỏ gây ROP cao độ ăn mòn lưỡi cắt nhanh + Góc back rack Góc lớn dùng cho địa tầ̀ng cứng Góc nhỏ dùng cho địa tầ̀ng mềm + Góc side rake Góc side rake hỗ trợ làm giếng khoan - Hướng dòng chảy + Dòng chảy mở (open flow) + Vịi phun thơng thường (Conventional nozzles) + Vòi phun chuyên dụng (Dedicated jet) + Bulk transport - Vậ̣t liệu thân choòng (Body material) + Thân thép + Thân khn cối (Matrix body) - Bố trí́ kim cương: a) hướng tâm; b) xoắn; c) hướng tâm cánh cắt; d) đồng tâm Với mũi khoan thấm nhiễm (còn gọi thẩm thấu hay tản đều) sử dụng kim cương có độ hạt bé (tới 1000 hạt/cara) phân bố khuôn đấu với chiều sâu 5-6mm Mũi khoan thấm nhiễm chịu va đậ̣p nên sử dụng tốt để khoan đá cứng nứt nẻ, sạn kết, cuội kết Về kim cương nhân tạo nhờ tí́nh ưu việt vượt trội độ bền chịu mài mòn nên phù hợp với nhóm mũi khoan cắt - vỡ - mài, tạo suất khoan cao Viện vậ̣t liệu siêu cứng Nga vậ̣n dụng để chế tạo loại mũi khoan ISM có chế phá hủy đá cứng kim cương nhân tạo theo nguyên tắc mài, vi cắt, đất đá mềm phá hủy cắt - vỡ hợp kim cứng dạng hình trụ Răng Strataparce đặc trưng cho kết cấu kim cương nhân tạo, gồm khuôn đấu mỏng trịn đường kí́nh 13mm, dày 3mm, bề mặt lớp kim cương nhân tạo đa tinh thể dày 0,5-0,7mm, lại hợp kim cứng với độ bền uốn cao kim cương 70% Bản mỏng hàn khuếch tán vào mặt trước thân hợp kim cứng với góc nghiêng 200 - Ưu nhược điểm choòng khoan PDC: Ưu điểm: + Thời gian khoan dài + Không hư hỏng (trừ PDC bị vỡ nhiệt có mảnh vỡ giếng) + Tốc độ khoan cao, choòng phù hợp với địa tầ̀ng + Giá ban đầ̀u cao + Dễ bị hư hỏng mảnh vỡ lấp nhét, trừ choòng phù hợp với địa tầ̀ng chế độ thuỷ lực đầ̀y đủ Phân loại số choòng PDC: Choòng Kymera: Chng Kymera kiểu chng lai tạo, lưỡng tí́nh cách kết hợp chng PDC có lưỡi cắt (răng) cố định chng chóp xoay có ấn đậ̣p Do đó, chng Kymera thừa hưởng kết hợp ưu điểm hai loại choòng khả khoan mạnh mẽ, tốc độ cao choòng PDC đậ̣p phá đá cứng, khoan trơn mượt, í́t chịu momen xoắn chng chóp xoay Các đí́nh chóp xoay đậ̣p phá đất đá, đồng thời làm rạn nứt khối đá tạo điều kiện cho cắt cố định choòng PDC phá hủy đất đá dễ dàng Ngược lại, cố định chng PDC có khả chống đỡ tải trọng lên chng tốt nên giảm nguy gây hỏng hóc chóp xoay Tuy nhiên, chng Kymera ngồi ưu điểm tồn yếu điểm lắp thêm chóp xoay nên cánh choòng PDC mỏng, yếu đi, có phậ̣n xoay dẫn đến tuổi thọ chng khơng cao Chng Sting Blade: Để có phá hủy đá cứng chế ấn dậ̣p khơng có chóp xoay khơng gây mỏng, yếu cánh chng chng Kymera nhà cơng nghệ hãng Smith sáng tạo loại choòng Sting Blade Thực chất choòng PDC gắn thêm ấn đậ̣p (người ta gọi đục) bên cạnh cắt Tải trọng chiều trục truyền cho đục phá hủy đá cứng, momen quay tạo tác dụng cắt phá cho cắt Răng đục phá vỡ đá cứng đồng thời gây rạn nứt khối đá tạo tiền đề phá hủy dễ dàng cho cắt Ngoài ra, đục có độ kháng nén cao đặt cạnh cắt cánh choòng giảm mài mòn ảnh hưởng khác cắt Do cánh chng dạng PDC cứng vững khơng có phậ̣n xoay nên chắn Choòng Sting Blade sử dụng có hiệu khoan vào địa tầ̀ng cứng mềm xen kẹp Như vậ̣y, từ kiểu chng PDC người ta cải tiến, hốn cải, sáng tạo thành hàng loạt loại choòng lai tạo khác nhau, tất với mục đí́ch tăng suất khoan tuổi thọ choòng khoan Song trạng thái tồn đất đá đa dạng nên chưa loại chng thỏa mãn tồn diện Với tiến không ngừng công nghệ khoan với phát triển kim cương đa tinh, lĩnh vực dầ̀u khí́, chắn cịn liên tục xuất dòng choòng khoan kim cương đời có thêm đặc tí́nh kỹ̃ thuậ̣t khác Chng FuseTek: Chng để khoan đá móng Phầ̀n lớn đá móng đá magma tồn tí́nh với đai mạch diabaz porfia basan, andehit, đặc trưng mức độ không đồng cao thành phầ̀n hàm lượng thạch học Đa phầ̀n đá thuộc nhóm granitoit nguyên khối bị phong hóa, nứt nẻ mức độ khác Đặc trưng đá granit, granodiorit hàm chứa khoáng vậ̣t thạch anh, plagiocla, fenspat kali, biotit, muscovit amphibon Trong khe nứt lấp đầ̀y canxit zeolite Với trạng thái thành phầ̀n đá móng vậ̣y nên biểu đa dạng tí́nh chất học Chng FuseTek loại choòng kết hợp choòng PDC choòng kim cương thấm nhiễm cách gia cố thêm phầ̀n kim cương thấm nhiễm lên cánh PDC Trên chng FuseTek số cắt PDC bố trí́ lùi thấp để lộ phầ̀n kim cương thấm nhiễm Phân bố choòng vậ̣y nhằm mục đí́ch phá hủy nhiều loại đất đá tầ̀ng móng, đồng thời tăng tuổi thọ chng theo chế phá hủy đất đá với hai hình thức: Với đất đá mà cắt PDC phá hủy tốt phát huy cho tốc độ khoan nhanh Đồng thời phầ̀n kim cương thấm nhiễm lộ tham gia phá hủy đất đá thêm; Khi chí́nh chng PDC bị mịn từ 1/3 đến nửa đất đá chủ yếu phá hủy kim cương thấm nhiễm theo chế mài, vi cắt, đồng thời PDC bố trí́ lùi thấp lúc nhơ lên tham gia phá hủy nhờ nên tốc độ học khoan trì Cơ chế phá́ hủy đất đá́ và̀ phạm vi ứng dụng - Choòng PDC phá huỷ đất đá chế nêm & cắt Cơ chế cắt: Quỹ̃ đạo cắt phá rãnh phẳng phiu, tiết diện í́t thay đổi Độ dẻo đất đá cao tiết diện rãnh cắt ổn định Chng PDC dùng khoan phá toàn đáy, sử dụng khoan giếng khai thác, giếng bơm ép, giếng quan trắc kỹ̃ thuậ̣t dầ̀u khí́; khoan giếng thăm dị khảo sát địa chất Các loại choòng PDC (Polycrystalline Diamond Compact) dùng phổ biến để khoan giếng dầ̀u khí́ tầ̀ng Miocen Oligocen cho suất khoan cao Khi khoan, chuyển động theo hướng v0, lớp kim cương phá hủy đất đá phí́a trước kim cương ép chặt vào khn đấu thân Thân hợp kim chịu uốn, chịu xoắn tốt, cắm chặt vào choòng nên tạo cho chịu phản lực phát sinh khoan Nhờ vậ̣y, kim cương nhân tạo tậ̣p hợp tí́nh ưu việt cứng, bền uốn, bền mòn Dạng kim cương nhân tạo ứng dụng nhiều để chế tạo loại mũi khoan kim cương khác Nói chung, loại mũi khoan chế tạo loại kim cương nhân tạo chủ yếu để khoan đất đá cứng trung bình, khơng dùng cho đất đá nứt nẻ - Khoan tốt địa tầ̀ng mềm, chắc, nửa cứng khơng ăn mịn, khơng dí́nh Tuy độ cứng đất đá từ trung bình trở xuống, song trạng thái lý khác nhau, đa dạng, chng PDC chế tạo thành nhiều chủng loại khác tương thí́ch với đất đá, kí́ch thước kim cương nhân tạo thiết kế cỡ 3/8, 1/2, 1¼ inch, mang nhãn mác ATJ22, BB457, PDS1, RSX616A20, RSX616-B23, TD13MDBS, TP2050,… Các loại choòng PDC nhờ gắn dạng kim cương nhân tạo Strataparce có ưu điểm cắt phá cho suất khoan cao đất đá cứng trung bình trở xuống Cơ chế phá hủy cho địa tầng: Địa tầ̀ng Không chắn Mềm Thủy lực Cắt, Khoét, Nạo Cứng Đục, Nêm, Xới, Mài Nghiến Đánh giá độ mài mòn choòng: Đánh giá độ mòn chng sau sử dụng có í́ch lý sau: - Cải thiện lựa chọn loại chng - Chỉ ảnh hưởng thơng số khoan - Thu kinh nghiệm tuổi thọ choòng - Đánh giá hiệu suất choòng … Rock bits Diamond and PDC bits Nominal bit size Tolerance Nominal bit size Tolerance (in) (in) (in) (in) 3/8 - 13 3/4 -0, + 1/32 up to 1/4 +0, -0.015 14 - 17 1/2 -0, + 1/16 25/32 -9 +0, -0.020 17 5/8 and larger -0, + 3/32 1/32 - 13 3/4 +0, -0.030 13 25/32 and larger Mơ mức độ mài mịn chng PDC +0, -0.045 Bảng thống kê tốc độ khoan áp dụng choòng khoang PDC mỏ Hải Thạch Tài liệu tham khảo: Tài liệu thảo luận lựa chọn choong khoan PIDC 2005 Petroleum Engineering Handbook Vol Drilling Engineering -Robert F Mitchell_ 2007 Nguyên lý phá hủy đá Nhà xuất KHKT TS Nguyễn Thế Hùng Bài giảng lý thuyết phương pháp khoan ĐH Mỏ Địa Chất HN Tạp chí dầu khí số 2-2019 trang 25-34  ... nhiễm Phân bố chng vậ̣y nhằm mục đí́ch phá hủy nhiều loại đất đá tầ̀ng móng, đồng thời tăng tuổi thọ choòng theo chế phá hủy đất đá với hai hình thức: Với đất đá mà cắt PDC phá hủy tốt phát huy... khoan trì Cơ chế phá? ? hủy đất đá? ? và̀ phạm vi ứng dụng - Choòng PDC phá huỷ đất đá chế nêm & cắt Cơ chế cắt: Quỹ̃ đạo cắt phá rãnh phẳng phiu, tiết diện í́t thay đổi Độ dẻo đất đá cao tiết diện... gia phá hủy đất đá thêm; Khi chí́nh chng PDC bị mịn từ 1/3 đến nửa đất đá chủ yếu phá hủy kim cương thấm nhiễm theo chế mài, vi cắt, đồng thời PDC bố trí́ lùi thấp lúc nhơ lên tham gia phá hủy