Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thiết bị làm mát dung dịch để thi công các giếng đan dày ở bể cửu long

76 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 62, Issue 3a (2021) 76 - 84 The effective application of mud cooler machine to operate the infill wells in Cuu Long basin Tuan Tran Nguyen 1,*, Son Hoang Nguyen Faculty of An Phong Oil and Gas ,Hanoi University of Mining and Geology, Hanoi, Vietnam Insulation Company, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 2nd May 2021 Accepted 1st Jun 2021 Available online 10th July 2021 This paper presents some studies on the application of mud cooler in Oil & Gas drilling in a high temperature, high pressure condition of Cuu Long reservoir The authors have proposed a method to study the theory of temperature effects on drilling fluid properties, that have been tested practically The authors have remarked on each type of drilling rig and installation location With these remarks, the authors give an option to install the "Mud cooler" on the rig at the appropriate location and method so that the temperature of the solution will be ensured to reduce to a safe level The effective application of this equipment has greatly assisted drilling process since the fluid temperature has been reduced sharply before returning to the mud tank This has helped cut down expenses significantly by prolonging eqipment's endurability, saving time for drilling, ship renting, drilling services and minimize the budget spent on buying the fluid and additives to recover it Thus, the drilling workers' working conditions have been facilitated The results of these studies have been proved scientifically and practically through the successful drilling of well ST-3P-ST This will make the way for other local wells and reservoirs which have the same conditions of temperature and pressure Keywords: Cuu Long basin, High temperature, High pressure Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: nguyentrantuan1102@gmail.com DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).09 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 3a (2021) 76 - 84 77 Nghiên cứu nâng cao hiệu thiết bị làm mát dung dịch để thi công giếng đan dày bể Cửu Long Nguyễn Trần Tuân 1,*, Nguyễn Hoàng Sơn Khoa Dầu khí, Cơng Trường Đại học Mỏ-Địa chất , Hà Nội , Việt Nam Ty Cách Nhiệt An Phong, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 2/5/2021 Chấp nhận 1/6/2021 Đăng online 10/7/2021 Bài báo trình bày số kết nghiên cứu ứng dụng thiết bị làm mát dung dịch cơng tác khoan dầu khí để thi công giếng đan dày điều kiện nhiệt độ áp suất cao bể Cửu Long Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết thử nghiệm thực tế ảnh hưởng nhiệt độ tới tính chất dung dịch khoan Tác giả phân tích đặc tính kỹ thuật loại giàn khoan đề xuất phương án lắp đặt thiết bị “Mud cooler” phù hợp để đảm bảo nhiệt độ dung dịch giảm tới mức an toàn Ứng dụng thiết bị “Mud cooler” đem lại hiệu việc thi công giếng khoan nhiệt độ dung dịch giảm mạnh trước hồi bể chứa, góp phần tăng tuổi thọ thiết bị, giảm thời gian khoan, thời gian thuê tàu, thuê dịch vụ khoan giảm thiểu chi phí sử dụng chất phụ gia để gia cơng phục hồi tính chất dung dịch khoan; cải thiện điều kiện làm việc cho người thợ khoan Kết nghiên cứu áp dụng thử nghiệm thành công giếng khoan ST-3P-ST bể Cửu Long Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tiền đề mở rộng cho việc thi công giếng khoan dầu khí có điều kiện nhiệt độ áp suất tương tự Từ khóa: Áp suất cao, Bể Cửu Long, Nhiệt độ cao © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Hiện nay, mỏ Sư Tử Trắng thuộc bể Cửu Long thi công giếng khoan đan dày nhằm tìm kiếm nâng cấp trữ lượng dầu khí Các giếng khoan đan dày mỏ Sư Tử Trắng giếng nhiệt độ áp suất cao Trong giếng nhiệt độ áp suất cao (HPHT), dung dịch khoan chịu _ *Tác giả liên hệ E - mail: nguyentrantuan1102@gmail.com DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).09 nhiệt tốt có giới hạn định Nếu vượt nhiệt độ áp suất giới hạn, dung dịch khoan bị phá vỡ cấu trúc, tính ổn định làm thay đổi thông số giảm độ nhớt, độ thải nước, dẫn đến phức tạp cố khoan Kết nghiên cứu lý thuyết thực tế cho thấy nhiệt độ 800C độ nhớt hầu hết loại 78 Nguyễn Trần Tuân Nguyễn Hồng Sơn /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 76 - 84 dung dịch khoan ~ 0,35 cp; điều ảnh hưởng nghiêm trọng tới cấu trúc dung dịch (Trần Đình Kiên, 2002); gây ổn định thành giếng (Trương Biên nnk., 2007) cố phức tạp khoan, địi hỏi chi phí nhiều thời gian thi cơng giếng chi phí hóa phẩm để gia công dung dịch, dẫn tới giá thành khoan giếng tăng Đồng thời, nhiệt độ dung dịch khoan tăng nhiệt độ cho phép ảnh hưởng đến khả làm việc tuổi thọ thiết bị khoan, đến khả làm việc dụng cụ khoan; tới mức độ xác thiết bị đo lường (MWD) thiết bị ghi (LWD) khoan Chúng dẫn đến hao mịn q mức chi tiết đàn hồi thiết bị đo MWD, LWD; làm hư hỏng vịng bịt kín cao su thiết bị chống phun (BOP), máy khuấy, máy ly tâm máy bơm dung dịch (Trần Đình Kiên, 2002; Trương Biên nnk., 2007) Ngoài ra, dung dịch khoan q nóng giải phóng khí độc từ hóa phẩm gia cơng dung dịch, gây ô nhiễm nguy hiểm đến môi trường làm việc người thợ khoan Phân tích tài liệu địa chất chế độ nhiệt giếng khoan bể Cửu Long, tác giả nhận thấy việc sử dụng phương tiện “Mud cooler” để làm mát giữ ổn định nhiệt độ cho phép dung dịch khoan hệ tuần hồn giếng việc khơng thể thiếu, có tính cần thiết đáp ứng kịp thời yêu cầu sản xuất giảm thiểu tác động không tốt nhiệt độ giếng khoan Chế độ phân bố nhiệt giếng khoan Trong trình khoan, dung dịch khoan bị làm nóng nhiều yếu tố kết hợp với kết hợp áp suất, nhiệt độ tự nhiên thành hệ giếng với ma sát học dụng cụ khoan làm việc Điều làm cho tính lưu biến dung dịch thay đổi; đặc biệt độ nhớt dung dịch giảm xuống mức cho phép chuyển động phân tử tăng lên (Hình 1), cấu trúc dung dịch bị phá vỡ, lực ma sát nội bị giảm Hiện tượng giải thích thuyết động học phân tử Để dịch chuyển tương đối lớp chất lỏng với cần tác dụng lực F1 đó, lực có giá trị lực ma sát nội tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tiếp xúc S lớp chất lỏng Mối liên quan lực tác dụng diện tích tiếp xúc biểu diễn công thức: y B y y v v B o v F A A Hình 1.Chuyển động lớp chất lỏng F1 = fS (1) Trong đó: f - ứng suất trượt (đặt đơn vị diện tích); S - diện tích lớp tiếp xúc Vận tốc chuyển động lớp thay đổi theo quy luật tuyến tính, nghĩa tỷ lệ với khoảng cách từ chúng tới mặt phẳng chuyển động B-B theo công thức: 𝑉1 𝑉 = (2) 𝑌1 𝑌2 Ứng suất trượt f tỷ lệ với biến thiên vận tốc theo hướng trục tung (y) phụ thuộc vào (y) theo quy luật tuyến tính Vì ta viết: 𝑉 𝑓 = 𝑦 (3) Trong đó:  - hệ số ma sát nội phụ thuộc vào tính chất chất lỏng, thay (3) vào (1) ta có: 𝑉 𝐹1 = S 𝑦 (4) Tổng quát hơn, ứng với thay đổi gradien vận tốc chiều dày đủ nhỏ lớp chất lỏng, ta có: 𝑑𝑣 𝐹 = S 𝑑𝑦 (5) Từ ta có: 𝐹𝑑𝑦  = 𝑆𝑑𝑣 (6) Về mặt ý nghĩa vật lý hệ số η lực tiếp tuyến cần thiết để làm dịch chuyển tương đối hai lớp chất lỏng có bề mặt tiếp xúc đơn vị diện tích, cách đơn vị độ dài với vận tốc đơn vị vận tốc Trong trình tuần hoàn dung dịch, trao đổi nhiệt từ đáy giếng lên bề mặt diễn suốt trình khoan Biên độ chênh lệch nhiệt độ đáy giếng vỉa phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc chuyển động dòng chảy dung dịch hệ tuần hoàn giếng khoan (Gilles nnk., 2014) Chế độ nhiệt suốt chiều dài thân giếng thay đổi phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố Graddien nhiệt độ giếng khoan không giống nhau; giếng khoan sâu, nhiệt độ thân giếng lớn (Hình 2), làm thay đổi Nguyễn Trần Tuân Nguyễn Hồng Sơn /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 76 - 84 Hình Đường biểu thị nhiệt độ giếng ST3P-ST mỏ Sư Tư Trắng tính chất lưu biến dung dịch Ngày nay, phần mềm máy tính MI-Swaco, Halliburton Baroid, Scomi, dễ dàng cung cấp số liệu có tính chất định tính, chi tiết cấu hình nhiệt độ giếng khoan; kết hợp với kết thu từ thiết bị đo MWD khoan, ta nhận biết xác nhiệt độ đáy giếng để đề xuất giải pháp xử lý phục hồi tính chất dung dịch khoan (Công ty liên doanh điều hành Cửu Long, 2018) Khảo sát lắp đặt thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” kết thử nghiệm 3.1 Lắp đặt thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” giàn khoan giếng ST-3P-ST 79 Trên sở nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị “Mud cooler” khảo sát thực tế, phân tích đặc thù loại giàn khoan vị trí lắp đặt; thấy lắp đặt thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud Cooler”trên giàn vị trí khơng phù hợp “nhiệt độ dung dịch khơng giảm tới mức an tồn để thi cơng” Nhiều thử nghiệm thực để kiểm tra tính thực tiễn việc lắp đặt hệ thống làm mát dung dịch cho thấy: lắp đặt thiết bị làm mát hợp lý, phù hợp với loại giàn khoan đem lại hiệu cao việc giảm nhiệt độ giếng, tăng tuổi thọ thiết bị khoan, kiểm soát tốt tính lưu biến dung dịch với sử dụng chất phụ gia, sử dụng hiệu thiết bị MWD Ưu điểm hệ thống thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud Cooler”: - Các phận hoạt động song song nối tiếp để phù hợp với hoạt động khoan; tỷ lệ lưu thông dung dịch giảm nhiệt độ theo yêu cầu nhà thầu thi cơng; - Theo dõi tình trạng hoạt động thiết bị đồng hồ đo áp suất nhiệt kế học tất dòng chảy qua thiết bị; - Khung khung trượt cấp chứng nâng hạ cho thiết bị hoạt động biển; - Đường chảy lớn để ngăn chặn tắc nghẽn trình thiết bị hoạt động; - Thiết bị dễ sử dụng lắp đặt dễ dàng giàn khoan thông qua đầu kết nối ống nhanh; - Tất chi tiết thiết bị chế tạo theo tiêu chuẩn Hiệp hội kỹ sư khí Mỹ (ASME) Viện dầu khí Mỹ (API); - Thiết kế nhỏ gọn cho phép dễ dàng vận chuyển xe tải bờ tàu dịch vụ biển, container giảm thiểu yêu cầu không gian boong để lắp đặt thiết bị Ngay từ đưa giàn khoan vào vị trí khoan biển; thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud Cooler” tiến hành lắp đặt song song với thiết bị khoan khác Khi khoan dịng dung dịch tuần hồn lên bề mặt chảy qua hệ thống thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud Cooler”trước chảy hệ thống bể chứa Với hoạt động hiệu hệ thống làm mát, nhiệt độ dung dịch giảm từ 10÷150C giúp cho hệ thống máy bơm, dụng cụ khoan giếng, thiết bị đo LWD/MWD đảm bảo hoạt động lâu dài hơn, giảm thời gian từ 1÷2 ngày phải kéo thả thay dụng cụ khoan Đặc biệt, với hệ thống làm mát dung dịch tính chất dung dịch bảo đảm 80 Nguyễn Trần Tuân Nguyễn Hồng Sơn /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 76 - 84 tốt hơn, không bị phá vỡ cấu trúc dung dịch, giảm giá thành dung dịch khơng phải thêm nhiều hóa chất phụ gia để bổ sung cho tính chất dung dịch Có phương pháp lắp đặt hệ thống thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud Cooler”trên giàn khoan: i) Phương pháp lắp đặt trực tiếp từ phòng máy bơm, đầu nối Mud Cooler lắp trực tiếp vào bể chứa dung dịch dòng hồi dung dịch làm mát chảy trực tiếp trở lại vào bể chứa dung dịch (Hình 3) Ii) Phương pháp lắp đặt bề mặt; đầu nối Mud Cooler nối trực tiếp vào bể lắng cát bên sàng rung dòng hồi dung dịch làm mát chảy đường hồi vào bể chứa dung dịch (Hình 4) Sau khảo sát giàn khoan jack-up PVD6, hệ thống Mud Cooler đề xuất lắp đặt sau (Hình 5): - Thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud Cooler”được lắp đặt mạn phải giàn khoan, bên sàn cantilever cạnh hệ thống máy bơm vữa xi măng Trọng lượng cụm Mud Cooler 6,1 tấn; cần diện tích bề mặt lắp đặt 13 m² (kích thước thiết bị dài 4,8 m x rộng 2,3 m x cao 2,05 m); - Thiết bị lọc (Strainer) lắp đặt cạnh mạn phải giàn khoan; trọng lượng thiết bị Strainer tấn; diện tích lắp đặt 2,1 m² (kích thước thiết bị rộng 0,99 m x dài 2,12 m x cao 1,1 m); - Máy bơm ly tâm (Centrifugal Pump) lắp đặt mạn phải giàn, khu vực sàng rung; - Máy bơm điện chìm (Submersible Pump) dự phịng để cung cấp nước biển làm mát thiết bị Mud Cooler trường hợp hệ thống bơm nước biển giàn khoan bị hư hỏng 3.2 Kết thử nghiệm thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” giếng khoan ST-3PST Giếng khoan ST-3P-ST thuộc mỏ Sư Tử Trắng Cửu Long JOC giếng nhiệt độ áp suất cao; nhiệt độ đáy giếng lên tới gần 1700C (Hình 1) (Cơng ty liên doanh điều hành Cửu Long, 2018) Giếng khoan thiết kế mở cửa sổ từ thân giếng cũ qua ống chống 131/8’’ chiều sâu 1.686 mMD Khoan 12 ¼” chống ống 5/8” tới chiều sâu 3.500 mMD/3.200 mTVD; sau khoan thân giếng đường kính ½” chống ống lửng 7” từ 3.400 mMD tới 4.298 mMD; đoạn cuối giếng khoan đường kính 6” chống ống lửng ½” từ 4.098 mMD tới 4.562 mMD Cấu trúc giếng khoan ST-3P-ST xem Hình (Công ty liên doanh điều hành Cửu Long, 2018) Giếng khoan ST-3P-ST thiết kế sử dụng hệ dung dịch khoan gốc dầu (SBM), với tính ức chế sét tốt Nhưng nhiệt độ giếng khoan cao, cấu trúc tính lưu biến dung dịch ln Hình Sơ đồ lắp đặt hệ thống Mud Cooler giàn khoan (từ phòng máy bơm) Nguyễn Trần Tuân Nguyễn Hồng Sơn /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 76 - 84 Hình Sơ đồ lắp đặt hệ thống Mud Cooler giàn khoan (trực tiếp vào bể lắng) Hình Sơ đồ lắp đặt Mud Cooler giàn khoan jack-up PVD6 81 82 Nguyễn Trần Tn Nguyễn Hồng Sơn /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 76 - 84 Hình Cấu trúc giếng ST-3P-ST thay đổi làm ảnh hưởng tới ổn định thành giếng khoan Hơn nữa, giếng sử dụng hệ dung dịch khoan gốc dầu cần phải trì nhiệt độ nhiệt độ tự bốc cháy bọt dầu để đảm bảo điều kiện an tồn cơng tác khoan Chính vậy, Cơng ty dầu khí Cửu Long định sử dụng thử nghiệm hệ thống làm mát dung dịch “Mud cooler” cho giếng ST-3P-ST Kết thử nghiệm cho thấy: nhiệt độ giếng khoan cao hiệu giảm nhiệt độ dung dịch qua hệ thống Mud cooler rõ ràng (Công ty liên doanh điều hành Cửu Long, 2018) Với kết nhiệt độ giảm Min-Mid-Max là: 100C – 170C – 200C chứng minh hiệu ứng dụng hệ thống làm mát dung dịch để hỗ trợ cho giếng khoan nhiệt độ áp suất cao (HPHT) Các kết thử nghiệm thiết bị làm mát Mud cooler giếng khoan ST-3P-ST trình bày Bảng Từ kết đạt ứng dụng thiết bị làm mát giếng ST-3P-ST; nghiên cứu tính tốn tiết kiệm chi phí cho cơng tác khoan từ nghiên cứu ứng dụng Nếu giảm lần kéo thả tiết kiệm ngày làm việc giàn khoan, từ giảm đáng kể giá thành khoan Kết tính tốn chi phí xem Bảng  ... Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 3a (2021) 76 - 84 77 Nghiên cứu nâng cao hiệu thi? ??t bị làm mát dung dịch để thi công giếng đan dày bể Cửu Long Nguyễn Trần Tuân 1,*, Nguyễn Hoàng Sơn Khoa Dầu... bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” kết thử nghiệm 3.1 Lắp đặt thi? ??t bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” giàn khoan giếng ST-3P-ST 79 Trên sở nghiên cứu nguyên lý làm việc thi? ??t bị “Mud... thuộc bể Cửu Long thi cơng giếng khoan đan dày nhằm tìm kiếm nâng cấp trữ lượng dầu khí Các giếng khoan đan dày mỏ Sư Tử Trắng giếng nhiệt độ áp suất cao Trong giếng nhiệt độ áp suất cao (HPHT), dung