Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật dầu khí: Ứng dụng mô hình mô phỏng nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan cho giếng khoan ngang X, mỏ Y, thềm lục địa Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

TRƯƠNG TRỌNG TUẤN ĐẠT

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN CHO GIẾNG KHOAN NGANG X, MỎ Y, THỀM LỤC

ĐỊA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Dầu khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 06/2019

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Đỗ Quang Khánh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trương Trọng Tuấn Đạt MSHV: 1670264

Chuyên ngành: Kỹ thuật dầu khí Mã số: 60520604

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ

VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN CHO GIẾNG KHOAN NGANG X MỎ Y THỀM LỤC ĐỊA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ:

- Ứng dụng mô hình mô phỏng nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan cho giếng X mỏ Y tại thềm lục địa Việt Nam

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

1 TS Đỗ Quang Khánh 2

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu tận tình của các thầy, của đồng nghiệp và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh và các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí đã tạo điều kiện và tận tâm truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường

Thầy TS Đỗ Quang Khánh và đã hết lòng giúp đỡ, chỉ dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro (VSP), lãnh đạo công ty và các anh chị em đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong Hội đồng đánh giá luận văn đã cho em những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 95 trang bao gồm phần mở đầu, 04 chương chính, 60 hình vẽ minh họa, 21 biểu bảng số liệu, phần kết luận - kiến nghị và danh mục tài liệu tham khảo Nội dung chính của luận văn được diễn giải như sau:

Phần mở đầu của luận văn đề cập đến tính cấp thiết của đề tài, xác mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu; đồng thời nêu ra ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Nội dung của luận án tập trung trong 04 chương

Chương 1 giới thiệu tổng quan về các vấn đề đối với việc vận chuyển mùn khoan

và hệ thống các phương pháp nghiên cứu về vấn đề này trên thế giới và trong nước

Chương 2 và chương 3 đề cập về cơ sở lý thuyết của việc vận chuyển mùn khoan

và các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển mùn khoan, các thông số khoan được ứng dụng vào các mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini;trong chương 3, các mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini được giới thiệu một cách chi tiết

Chương 4 tính toán, phân tích và đánh giá mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini áp dụng vào giếng X mỏ Y ngoài khơi Việt Nam Sau đó đề xuất một số giải pháp trong việc ứng dụng các thiết bị để tăng lưu lượng dòng chảy trong quá trình vận chuyển mùn khoan, mô phỏng nguyên lý hoạt động của các thiết bị và quá trình vận

chuyển mùn khoan sử dụng phần mềm Solid work flow stimulation, Ansys

Từ kết quả của hai mô hình thực nghiệm ta có thể xác định được tốc độ dòng chảy cần thiết trong khoảng không vành xuyến để giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng và di chuyển hướng lên bề mặt giếng khoan Qua đó có thể so sánh, đối chiếu với tốc độ dòng chảy dự kiến theo thiết kế GTN của giếng khoan; chứng minh được ảnh hưởng của các thông số khoan, từ đó đưa ra nhận định về hiệu quả của quá trình vận chuyển mùn khoan và làm sạch giếng tại giếng X mỏ Y

Trong thời gian tới, mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini áp dụng cho những giếng khoan thực tế sẽ được cập nhật dựa trên những số liệu mới có đầy đủ các thông số ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển mùn khoan thác nhằm hoàn thiện mô hình hơn, từ đó sẽ đưa ra các dự báo vận tốc dòng chảy dung dịch được chính xác hơn Đồng thời cải tiến mô hình chi tiết hoàn chỉnh của thiết bị và lòng giếng có đầy đủ các thông số

khoan và thiết kế của bộ khoan cụ để có thể quan sát được vận tốc dòng chảy dung dịch trong giếng và đồng thời đánh giá đầy đủ tác động của dòng chảy dung dịch đối với quá trình vận chuyển mùn khoan

ABSTRACT

This thesis is presented within 95 pages including introduction, 04 main chapters, 60 illustrations, 21 tables of data, conclusion - recommendations and list of references The main content of the thesis is composed as follows:

The introduction of the thesis refers to the urgency of the topic, identifying the target, the object and the scope of the research; as well as raising the scientific meaning and practical significance of the thesis

The content of the thesis focuses on 04 chapters

Chapter 1 provides an overview of the problems with the cuttings transport and

the system of research methods on this issue both worldwide and within national context

Chapter 2 and Chapter 3 discuss the theoretical basis of the cuttings transport

and the parameters that directly affect the drilling process, the drilling parameters applied to Larsen's and Rubiandini’s experimental models In chapter 3, experimental models of Larsen and Rubiandini are examined in detail

Chapter 4 calculates, analyzes and evaluates empirical models of Larsen and

Rubiandini applied to the well X of the Y field offshore Vietnam Then, some solutions invovling in the application of equipment to increase the flow rate in the process of cuttings transport, simulating the operating principle of equipment and the process of cuttings transport using Solidwork flow stimulation, Ansys software are proposed in this chapter

From the results of the two experimental models, it is possible to determine the required flow rate in the annulus to keep cuttings in suspended state and direct them to the surface of the well through which it can be compared, collated with the expected flow rate according to the GTN design of the well and demonstrate the impact of drilling parameters, thus making comments on the efficiency of the process of cuttings transport and cleaning wells at well X well X at the Y field

In the coming time, the experimental model of Larsen and Rubiandini applied to the actual drilled wells will be updated based on new data with all parameters affecting the process of cuttings transport, which will make predictions of fluid flow velocity more accurately Meanwhile, improving the complete detailed model of equipment and wells with full drilling parameters and the design of the drilling tools to be able to observe the flow rate of the drilling fluid in the well and at the same time to fully assess enough impacts of the flow to the cuttings transport process

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và phương pháp khoa học cụ thể trên số liệu thực tế Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tp HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2019

Học viên thực hiện

Trương Trọng Tuấn Đạt

MỤC LỤC

Nhiêm vụ luận văn 3

Lời cảm ơn 4

Tóm tắt 5

Lời cam đoan 7

Mục lục 8

Mở đầu 16

Chương I: Giới thiệu và hệ thống các phương pháp nghiên cứu 20

1.1 Giới thiệu tổng quan 20

1.2 Hệ thống các phương pháp nghiên cứu 22

Chương II: Cơ sở lý thuyết của việc vận chuyển mùn khoan và các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển mùn khoan 26

2.1 Cơ sở lý thuyết của việc vận chuyển mùn khoan 26

2.1.1 Tính chất lưu biến của dung dịch 26

2.1.1.1 Ứng suất tiếp tuyến (Ứng suất trượt) 26

2.1.1.2 Hệ số tiếp tuyến 27

2.1.1.3 Đô nhớt 28

2.1.1.4 Chất lưu Newton và phi Newton 28

2.1.1.4.1 Mô hình chất lưu Newton 29

2.1.1.4.2 Mô hình lưu biến 29

2.1.2 Những định luật vật lý liên quan đến quá trình vận chuyển mùn khoan 35

2.2.2 Tốc độ quay của cột cần khoan (RPM) 43

2.2.3 Tốc độ dòng chảy dung dịch trong khoảng không vành xuyến 45

2.2.3.1 Vận tốc dung dịch trong khoảng không vành xuyến 45

2.2.3.2 Vận tốc vận chuyển mùn khoan 46

2.2.3.3 Tỉ lệ vận chuyển mùn khoan 46

2.2.4 Độ lệch tâm của cột cần khoan 47

2.2.5 Thông số dung dịch khoan 49

3.1.1 Thiết lập dữ liệu thực nghiệm 54

3.1.2 Vận tốc trượt tương đương và vận tốc vận chuyển dung dịch tới hạn của Larsen 54

3.1.3 Sự tích tụ mùn khoan ước tính của Larsen trong khoảng không vành xuyến 55

3.1.4 Hệ số hiệu chỉnh độ nghiêng của Larsen 56

3.1.5 Hệ số hiệu chỉnh cho kích thước hạt mùn của Larsen 57

3.1.6 Hệ số hiệu chỉnh khối lượng riêng của dung dịch 58

3.1.7 Hệ số hiệu chỉnh cho dòng chảy dung dịch dưới mức tới hạn của Larsen 59

3.1.8 Mô hình Larsen theo dạng sơ đồ 62

3.2 Mô hình Rubiandini 63

3.2.1 Phương trình mô tả sự nâng mùn khoan của Rubiandini 63

3.2.2 Mô hình Rubiandini theo dạng sơ đồ 65

Chương IV: Ứng dụng các mô hình nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan cho giếng khoan ngang tại giếng X mỏ Y trên thềm lục địa Việt Nam 66

4.1 Tính toán, phân tích và đánh giá các mô hình thực nghiệm áp dụng vào giếng khoan thực tế 66

4.2 Một số giải pháp đề nghị trong việc ứng dụng mô hình hình học của hệ thống hydroclean và một số mô hình khác để tăng lưu lượng dòng chảy trong quá trình vận chuyển mùn khoan 82

4.2.1 Phân tích cấu hình thiết bị Hydroclean System 82

4.2.1.1 Nguyên lý cấu tạo và tác dụng của nguyên mẫu 83

4.2.1.2 Ảnh hưởng đối với dòng chảy dung dịch và hạt mùn 85

4.2.2 Mô hình cần nối dài JST 87

4.2.3 Ứng dụng phần mềm Solidworks Simulation và Ansys để lập mô hình mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị trong một đoạn giếng ngang 88

Kết luận và kiến nghị 91 Tài liệu tham khảo 93 Lý lịch trích ngang 95

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Minh họa về sự hình thành những ổ lắng đọng mùn khoan trong giếng

khoan định hướng 20

Hình 2.1 - Mô tả ứng suất tiếp tuyến 27

Hình 2.2 - Mô tả ứng xử của các hệ lưu biến 29

Hình 2.3 - Mô hình chất lỏng Newton 29

Hình 2.4 - Mô hình dẻo Bingham 30

Hình 2.5 - Mô hình dẻo Bingham không mô tả ứng xử dòng chảy của chất lưu dẻo Bingham ở miền tốc độ trượt thấp 31

Hình 2.6 - Mô hình Power Law 32

Hình 2.7 - Đồ thị log-log của mô hình hàm mũ Power Law 32

Hình 2.8 - Phân vùng tính toán giữa mô hình hàm mũ Power Law và mô hình Bingham 33

Hình 2.9 - Phân loại chất lưu theo giá trị n 33

Hình 2.10 - Mô hình Herchel-Bulkley 34

Hình 2.11 - So sánh các mô hình 34

Hình 2.12 - So sánh đường log các mô hình 34

Hình 2.13 - Những lực tác động lên một hạt mùn khoan đơn lẻ trên bề mặt những ổ lắng đọng mùn khoan 35

Hình 2.14a - Mùn khoan trong trạng thái lơ lửng và lắng đọng 36

Hình 2.14b - Những lực tác dụng lên hạt mùn khoan trong trạng thái lơ lửng 36

Hình 2.15a - Cơ chế vận chuyển mùn khoan trong giếng ở từng góc nghiêng khác nhau 37

Hình 2.15b - Cơ chế vận chuyển mùn khoan trong giếng ở từng góc nghiêng khác nhau 37

Hình 2.16 - Hình dạng hình học tổng quát của lòng giếng và lớp mùn lắng đọng qua một mặt cắt ngang 38

Hình 2.17 - Lực kéo tác động lên hạt rắn lơ lửng trong dung dịch 39

Hình 2.18 - Hệ số kéo và Số Reynolds 41

Hình 2.19 - Sự hình thành ô lắng đọng mùn khoan ở góc nghiêng từ 0o-35o Hình 2.20 - Sự hình thành và tích tụ mùn khoan 43

Hình 2.21 - Tác động của thông số RPM lên sự lắng đọng hạt rắn trong khoảng không vành xuyến (Bassal, 1995) 44 Hình 2.22 - Tác động của thông số RPM lên sự lắng đọng hạt rắn trong khoảng

không vành xuyến (Bassal, 1995) 45 Hình 2.23 - Tác động của tốc độ dòng chảy và góc nghiêng lên việc vận chuyển mùn khoan trong khoảng không vành xuyến (Tomren, 1979) 46 Hình 2.24 - Giếng đồng tâm và giếng lệch tâm 47 Hình 2.25 - Tác động của độ lệch tâm lên tốc độ dòng chảy 48 Hình 2.26 - Ảnh hưởng của sự lệch cần khoan đối với sự tích tụ hạt mùn trong

khoảng không vành xuyến 48 Hình 2.27 - Tác động của độ nhớt đối với sự lắng đọng hạt mùn (Tomren, 1979) 49 Hình 2.28 - Tác động của tỷ trọng dung dịch đối với sự lắng đọng hạt mùn

(Tomren, 1979) 50 Hình 2.29 - Tác động của kích thước hạt đối với sự lắng đọng mùn khoan (Parker

1987) 51 Hình 2.30 - Tương quan giữa tốc độ khoan cơ học và lưu lượng dòng chảy dung

dịch khoan với những góc nghiêng khác nhau 51 Hình 2.31 - Tương quan giữa tốc độ khoan cơ học và lưu lượng dòng chảy dung

dịch khoan với những góc nghiêng khác nhau 52 Hình 3.1 - Tương quan giữa độ lắng đọng mùn khoan trong khoảng không vành

xuyến và tốc độ khoan cơ học (ROP) 56 Hình 3.2 - Hệ số hiệu chỉnh độ nghiêng cho góc từ 55o đến 90o 57 Hình 3.3 - Tương quan giữa hệ số hiệu chỉnh kích thước hạt mùn và kích thước

hạt mùn 58 Hình 3.4 - Tương quan giữa hệ số hiệu chỉnh khối lượng dung dịch và khối lượng

riêng của dung dịch đó 59 Hình 3.5 - Hệ số hiệu chỉnh cho sự tích tụ mùn khoan với tốc độ dòng chảy dưới

mức tới hạn 60 Hình 4.1 - Profile giếng khoan ngang ở thềm lục địa Việt Nam 67 Hình 4.2 - Bản thiết kế các cấp ống chống và thông số khoan củ giếng X 68 Hình 4.3 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với trọng lượng

dung dịch là biến số chính theo mô hình Larsen 70

Hình 4.4 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với trọng lượng

dung dịch là biến số chính theo mô hình Rubiandini 71

Hình 4.5 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với tốc độ khoan cơ học là biến số chính theo mô hình Larsen 73

Hình 4.6 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với tốc độ khoan cơ học là biến số chính theo mô hình Rubiandini 74

Hình 4.7 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với thông số lưu biến dung dịch là biến số chính theo mô hình Larsen 75

Hình 4.8 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với thông số lưu biến dung dịch là biến số chính theo mô hình Rubiandini 76

Hình 4.9 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với kích thước hạt mùn khoan là biến số chính theo mô hình Larsen 77

Hình 4.10 - Tương quan giữa góc nghiêng và tốc độ dòng chảy với thông số RPM là biến số chính theo mô hình Rubiandini 79

Hình 4.11 - Các mẫu cần khoan Hydroclean 82

Hình 4.12 - Nguyên lý hoạt động của cần Hydroclean 83

Hình 4.13 - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nguyên mẫu thiết bị 84

Hình 4.14 - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nguyên mẫu thiết bị 86

Hình 4.15 - Mô hình hình học của thiết bị 87

Hình 4.16 - Mô hình cần nối dài (JST) 87

Hình 4.17 - Mô hình mặt cắt cần nối dài (JST) 88

Hình 4.18 - Mô hình mô phỏng dựng bằng Solidworks stimulation 88

Hình 4.19 - Mô hình đoạn giếng ngang được mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng Ansys 89

Hình 4.20 - Mô hình dòng chảy qua nguyên mẫu thiết bị 90

Hình 4.21 - Mô hình thân giếng ngang – Chuyển động của dòng chảy dung dịch ( 1 – trước 2 - trong 3 – sau khi chảy qua các mô hình thiết bị mẫu) 90

Bảng 1.1 - Những thông số tác động lên việc làm sạch và vận chuyển mùn

khoan 21

Bảng 3.1 - Kích thước hạt mùn và độ rỗng ổ lắng đọng 57

Bảng 3.2 - 05 loại dung dịch khoan được sử dụng trong thí nghiệm Larsen 58

Bảng 4.1 - Cấu tạo cột địa tầng địa chất giếng khoan 69

Bảng 4.2 - Giá trị các thông số tác động lên quá trình vận chuyển mùn khoan 70

Bảng 4.3 - Trọng lượng dung dịch khoan là biến số chính 70

Bảng 4.4 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với trọng lượng dung dịch là biến số chính 71

Bảng 4.5 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với trọng lượng dung dịch là biến số chính 72

Bảng 4.6 - So sánh kết quả nhận được từ mô hình của Larsen và Rubiandini tại góc nghiêng 75o 72

Bảng 4.7 - Tốc độ khoan cơ học (ROP) là biến số chính 72

Bảng 4.8 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với tốc độ khoan cơ học là biến số chính 73

Bảng 4.9 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với tốc độ khoan cơ học là biến số chính 74

Bảng 4.10 - So sánh kết quả nhận được từ mô hình của Larsen và Rubiandini tại góc nghiêng 75o 75

Bảng 4.11 - Lưu biến dung dịch là biến số chính 75

Bảng 4.12 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với tính lưu biến của dung dịch là biến số chính 75

Bảng 4.13 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với tính lưu biến của dung dịch là biến số chính 76

Bảng 4.14 - So sánh kết quả nhận được từ mô hình của Larsen và Rubiandini tại góc nghiêng 75o 77

Bảng 4.15 - Kích thước hạt mùn là biến số chính 77

Bảng 4.16 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với kích thước hạt mùn là biến số chính 78

Bảng 4.17 - Số vòng quay của cột cần khoan 78

Bảng 4.18 - Lưu lượng dòng chảy tại từng góc nghiêng khác nhau với số vòng quay của cột cần khoan là biến số chính 79

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Nguồn dự trữ hydrocarbon ngày càng giảm và nhu cầu ngày càng tăng đẩy các công ty dầu khí phải thăm dò ở các khu vực có rủi ro kinh tế cao và các vấn đề kỹ thuật phức tạp Đây là thực trạng chung không thể thay đổi được, vì thế việc phát triển và cải tiến công nghệ hiện tại là điều kiện tiên quyết để giảm thiểu khó khăn khi khoan vào những môi trường giới hạn này

Ngày nay, hầu hết các giếng khoan đều là giếng khoan xiên, giếng khoan định hướng hoặc giếng khoan ngang Làm sạch lòng giếng và vận chuyển mùn khoan một cách hiệu quả trong những giếng khoan này là một trong những mối quan tâm hàng đầu và cần phải được kiểm soát chặt chẽ trong suốt quá trình khoan Từ đó có thể phòng tránh và giảm thiểu các sự cố có thể xảy ra trong suốt quá trình khoan giếng, tạo tiền đề để khoan tới chiều sâu thiết kế của giếng trong thời gian ngắn nhất Bằng cách dựng một mô hình mô phỏng, luận văn này sẽ giới thiệu một cách tổng quan tác động của các thông số khoan và cách chúng tác động lên tốc độ dòng chảy trong lòng giếng

2 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

Mục tiêu của đề tài:

Mục tiêu của luận văn này là:

Ứng dụng mô hình mô phỏng nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan cho giếng ngang X mỏ Y thềm lục địa Việt Nam

Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Tính toán, so sánh, phân tích và đánh giá mô hình thực

nghiệm của Larsen và Rubiandini với điều kiện khoan thực tế một giếng khoan X ở thềm lục địa Việt Nam

Một số giải pháp đề nghị trong việc ứng dụng những thiết bị để tăng lưu lượng dòng chảy trong quá trình vận chuyển mùn khoan, mô phỏng nguyên lý hoạt động vào quá trình vận chuyển mùn khoan và làm sạch đáy giếng

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Giếng khoan ngang ở thềm lục địa Việt Nam Nội dung nghiên cứu

1 Tổng quan lịch sử phát triển, hệ thống các phương pháp nghiên cứu; bản chất của quá trình vận chuyển mùn khoan;

2 Tổng quan cơ sở lý thuyết của việc vận chuyển mùn khoan và các thông số ảnh

3 Khảo sát đánh giá và phân tích mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini;

4 Tính toán, phân tích và đánh giá các mô hình thực nghiệm áp dụng vào giếng khoan thực tế Một số giải pháp đề nghị trong việc ứng dụng các thiết bị để tăng lưu lượng dòng chảy trong quá trình vận chuyển mùn khoan , mô phỏng nguyên lý hoạt động của các thiết bị và quá trình vận chuyển mùn khoan sử dụng phần mềm solid work flow stimulation, ansys

Luận văn sử dụng hai mô hình được phát triển theo phương pháp thực nghiệm, cụ thể là mô hình của Larsen và mô hình của Rubiandini để mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển mùn khoan và làm sạch đáy giếng của một giếng khoan ngoài khơi Việt Nam Các tính toán của hai mô hình thực nghiệm cho thấy cả hai mô hình đều thể hiện chung một xu hướng cho tốc độ dòng chảy và lưu lượng dòng chảy cần thiết để vận chuyển mùn khoan khi thay đổi các thông số khoan như tỉ trọng dung dịch, tính lưu biến của dung dịch, tốc độ khoan cơ học (ROP- Rate of Penetration) Đối với các trường hợp giếng khoan thẳng và giếng khoan xiên, có thể quan sát thấy cả hai mô hình của Larsen và Rubiandini đều dự đoán tốc độ dòng chảy gần tương ứng với tốc độ dòng chảy thường thấy trong hoạt động khoan thực tế Đối với trường hợp giếng khoan ngang, tốc độ dòng chảy dự đoán không tương ứng ( trùng khớp ) với thực tế

Giới thiệu, xây dựng một mô hình mô phỏng hoạt động của thiết bị gia tăng hiệu quả quá trình vận chuyển mùn khoan

Phương pháp nghiên cứu:

Để thự hiện nội dung nghiên cứu trên, luận văn đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

1 Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết: Sử dụng một số giả thiết, định luật,

các công thức toán học và các mô hình thực nghiệm để nghiên cứu sự chuyển động của mùn khoan trong lòng giếng và khoảng không vành xuyến

2 Phương pháp phân tích ảnh hưởng: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình vận chuyển mùn khoan (tốc độ khoan cơ học (ROP- Rate of Penetration), trọng lượng dung dịch, tính lưu biến học, kích thước hạt mùn khoan…) thông qua các mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini và mô hình mô phỏng thiết bị

3 Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: sử dụng phần mềm tương

thích (Mathlab, Solid Work, Flow Stimulation…) để mô hình hóa v à mô phỏng đối tượng nghiên cứu

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu sẽ có những đóng góp nhất định và là cơ sở cho

việc lựa chọn công nghệ, thiết bị trong quá trình khoan các giếng khoan xiên, khoan định hướng và khoan ngang

Đưa ra một mô hình và chương trình tính toán mô phỏng quá trình vận chuyển mùn khoan, từ đó có thể dễ dàng đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình vận chuyển mùn khoan

Ý nghĩa thực tiễn: Nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan và làm sạch lòng giếng,

phòng tránh và loại bỏ được những sự cố trong quá trình khoan

5 Tài liệu cơ sở của luận văn:

Luận văn được xây dựng trên cơ sở các tài liệu tham khảo sau:

Tài liệu, báo cáo tổng hợp giếng khoan, các sách, bài báo liên quan đến luận văn… đã được công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước

6 Cấu trúc luận văn:

Luận văn gồm những nội dung chính sau:

Mở đầu: Trình bày về tính cấp thiết của đề tài, mục đích đối tượng và phạm vi nghiên

cứu của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, tài liệu cơ sở của luận văn

Chương 1: Giới thiệu tổng quan quá trình vận chuyển mùn khoan, lịch sử các nghiên cứu quá trình vận chuyển mùn khoan và hệ thống các phương pháp nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và ảnh hưởng của các thông số cơ bản trong quá trình khoan tác động đến việc vận chuyển mùn khoan và làm sạch lòng giếng

Chương 3: Khảo sát, nghiên cứu các mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini

Chương 4: Tính toán, phân tích và đánh giá mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini áp dụng vào giếng X mỏ Y ngoài khơi Việt Nam

Một số giải pháp đề nghị trong việc ứng dụng các thiết bị để tăng lưu lượng dòng chảy trong quá trình vận chuyển mùn khoan, mô phỏng nguyên lý hoạt động của

các thiết bị và quá trình vận chuyển mùn khoan sử dụng phần mềm Solid work flow stimulation, Ansys

Kết luận và kiến nghị: Tóm lược các kết quả phân tích đã đạt được và đưa ra những kiến

nghị nhằm hoàn chỉnh hơn đề tài nghiên cứu cũng như mở rộng phạm vi áp dụng của đề

tài

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN, LỊCH SỬ CÁC NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN VÀ HỆ THỐNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu tổng quan quá trình vận chuyển mùn khoan lịch sử các nghiên cứu

Trong quá trình khoan định hướng hoặc khoan ngang, làm sạch và vận chuyển mùn khoan là vấn đề thường xuyên và tốn kém, là yếu tố quan trọng để đánh giá một chương trình khoan tốt Việc loại bỏ mùn khoan kém hiệu quả có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực dẫn đến việc kéo dài thời gian khoan và làm tăng chi phí khoan Một số hậu quả liên quan đến việc vận chuyển mùn khoan kém là:

Sự hình thành những ổ tích tụ mùn khoan xuất hiện khi góc nghiêng tăng dần từ thẳng đứng sang nằm ngang và đồng thời tốc độ dòng chảy không đủ để làm sạch hoàn toàn Vấn đề vận chuyển mùn khoan kém là vấn đề phổ biến trong khoan định hướng và khoan ngang như minh họa trong hình 1.2

Hình 1.1 - Minh họa về sự hình thành những ổ lắng đọng mùn khoan trong giếng khoan

định hướng

Làm sạch và vận chuyển mùn khoan là một quá trình phức tạp, được kiểm soát bởi nhiều thông số khác nhau Theo bảng 1.1, những thông số này có thể được phân chia thành 3 nhóm chính: thông số về dung dịch, thông số về hạt mùn khoan và thông số chung về vận hành giếng

Thông số dung dịch

khoan Thông số hạt mùn khoan Tính chất lòng giếng và các thông số khoan

Tỷ trọng dung dịch Mật độ các hạt mùn Góc nghiêng

Tính lưu biến Kích thước các hạt mùn Sự quay cần khoan

Loại dung dịch Hình dạng hạt mùn Tốc độ khoan cơ học (ROP)

Sự lắng đọng của hạt mùn Độ lệch tâm Độ rỗng của những ổ lắng

Độ thấm của các ổ lắng đọng mùn khoan

Đường kính lòng giếng và đường kính ống chống Bảng 1.1 - Những thông số tác động lên việc làm sạch và vận chuyển mùn khoan

Trong vòng 30 năm trở lại đây, đã có rất nhiều nghiên cứu và báo cáo khoa học được công bố nhằm thảo luận và giải quyết vấn đề này Các nghiên cứu hướng trọng tâm đến nhiều thông số khác nhau có tác động lên quá trình vận chuyển mùn khoan nhằm thiết lập, xây dựng các mô hình tương quan cho các mục đích dự đoán có thể được sử dụng trong hoạt động khoan

Ngày nay, người ta phân loại thành hai phương pháp chính: là phương pháp thực nghiệm hoặc mô hình cơ học (lý thuyết) Peden et al (1990) và Larsen et al (1993) [2] phát triển các mô hình thực nghiệm, Gavignet và Sobey (1989), Kamp and Rivero (1999) sử dụng phương pháp cơ học phát triển một mô hình 2 lớp Sau đó, Rubiandini (1999) [3] dựa vào mô hình vận tốc trượt thẳng đứng (VSV- vertical slip-velocity) của Moore, mô hình thực

tối dòng chảy tối thiểu trong các giếng khoan thẳng và giếng khoan ngang Những công trình này chủ yếu là nghiên cứu định tính và thực nghiệm, và một số công trình về các mô hình và hiệu chỉnh khác

Nghiên cứu trong luận văn này tập trung chủ yếu vào những mô hình thực nghiệm cho giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang Mục tiêu của luận án này là:

1 Tổng quan về đề tài và lịch sử phát triển, hệ thống các phương pháp nghiên cứu; bản chất của quá trình vận chuyển mùn khoan;

2 Tổng quan cơ sở lý thuyết của việc vận chuyển mùn khoan và các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển mùn khoan.và làm sạch giếng;

3 Khảo sát đánh giá và phân tích mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini; 4 Tính toán, phân tích và đánh giá các mô hình thực nghiệm áp dụng vào giếng

khoan thực tế.;

5 Giới thiệu một số giải pháp đề nghị trong việc ứng dụng mô hình hình học của hệ

thống hydroclean và một số mô hình khác để tăng lưu lượng dòng chảy trong quá trình vận chuyển mùn khoan;

1.2 Hệ thống các phương pháp nghiên cứu

Tổng quan tài liệu này bao gồm các nghiên cứu và phân tích về vận chuyển mùn khoan cho giếng khoan thẳng, giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang trong vòng 30 năm trở lại đây Hầu hết tất cả những nghiên cứu về vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang được bắt đầu từ những năm thập niên 80 của thế kỷ trước Tuy nhiên nhưng phương trình và mô hình hiện có để giải quyết những thách thức về việc vận chuyển mùn khoan và làm sạch giếng đều không hiệu quả Vì vậy những mô hình và công nghệ mới đã được phát triển trong những năm gần đây

-Trên thế giới:

Từ đầu những năm 1980, nghiên cứu về vận chuyển mùn khoan đã tập trung vào những giếng khoan định hướng và những nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành (Tomren, 1979, Zarrough, 1991 và Iyoho, 1980) [7] Một số bài báo tổng hợp việc vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang (Pilehvari et al 1999, Azar et al 1997, Kelessidis et al 2002, Nazari et al 2010, Kamyab et al 2012, Wang et al 2013 and Shah et al 2014) Một số nghiên cứu tập trung vào việc xác định vận tốc lắng đọng tới hạn (critical deposition velocity – CDV) ở trên mà không có hình

dạng ổ lắng cố định (Zarrough 1991, Brown et al 1989, Ford et al 1990, Peden et al 1990, Larsen 1990, Jalukar 1993, Hemphill et al 1996, Mirhaj et al 2007, Duan et al 2009, Ranjbar 2010, Ozbayoglu et al 2010, Agwu 2012, Bizhani 2013, Corredor 2013) Do giới hạn của tốc độ bơm, vận tốc của dung dịch trong khoảng không vành xuyến thường thấp hơn CDV Kết quả là hình thành nên những đụn lắng đọng chất rắn trong những giếng khoan có độ lệch cao Một trong những mục tiêu chính của những nghiên cứu về vận chuyển mùn khoan là để đánh giá sự tập trung của các hạt mùn khoan dọc theo thân giếng trong khi cần khoan đang chạy trong giếng (run in the hole – RIH) trong những điều kiện nhất định Khi RIH chấm dứt, nghiên cứu tập trung vào việc dự đoán thời gian để đưa mùn khoan lên bề mặt

Tomren (1979) va Iyoho (1980) [7] đã tiến hành những kiểm tra thực nghiệm để thu thập dữ liệu về sự tích tụ mùn khoan và chiều cao của những đụn lắng đọng (bedding) tại những góc lệch khác nhau Becker (1982) nghiên cứu ảnh hưởng của trọng lượng dung dịch và kích thước lòng giếng tác động lên sự tích tụ của mùn khoan và chiều cao của những ụ lắng đọng Parker (1987) đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc rửa lòng giếng (hole washout) và kích thước hạt lên sự tích tụ của mùn khoan Sifferman và cộng sự (1992) đã tiến hành những kiểm tra thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của những thông số khác nhau tác động lên việc làm sạch giếng trong những giếng định hướng có độ lệch từ 45o

đến 90o Hareland và cộng sự (1993) nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch gốc dầu tác động lên sự tích tụ của mùn khoan Bassal (1995) và Eddy (1996) tiến hành những nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của sự quay cần khoan đối với quá trình vận chuyển mùn khoan và làm sạch giếng Yu và cộng sự (2007) xác định sự tích tụ mùn khoan bằng cách mô phỏng điều kiện đáy giếng Ahmed và cộng sự (2010) nghiên cứu ảnh hưởng của các thiết bị cơ khí tác động lên sự tích tụ mùn khoan Effiong (2013) sử dụng một mô hình mô phỏng (Flow Loop) để xác định chiều cao đụn lắng đọng trong giếng khoan ngang và Jacob (2013) dự đoán chiều cao đụn lắng trong vùng rửa lòng giếng (wellbore washout section)

Vieira (2002) đã tiến hành những kiểm tra thực nghiệm để thu thập thập dữ liệu về sự tích tụ mùn khoan và chiều cao của những đụn lắng đọng cho dung dịch ngậm khí Mendez (2002) nghiên cứu sự tích tụ mùn khoan và tốc độ tới hạn của dung dịch (fluid critical velocity) trong điều kiện dòng chảy khí-lỏng (gas-liquid flow conditions) trong giếng khoan ngang Ngoài ra Mendez còn nghiên cứu ảnh hưởng của sự quay của cột cần

khoan Naganawa và cộng sự (2002) thực hiện thí nghiệm liên quan đến hơn 300 điều kiện dòng chảy khác nhau với dung dịch ngậm khí để thu thập dự liệu về sự tích tụ của vật chất rắn Pereira (2003) nghiên cứu sự tích tụ của mùn khoan và tốc độ tới hạn của dung dịch trong điều kiện dòng chảy khí lỏng trong giếng định hướng có góc nghiêng từ 30o đến 60o Osgouei (2010) xác định sự tích tụ mùn khoan với dung dịch ngậm khí trong giếng khoan ngang Zhou (2004) sử dụng một mô hình tuần hoàn (Flow Loop) nhiệt độ cao và áp suất cao để thu thập dữ liệu tích tụ mùn khoan với dung dịch ngậm khí trong khoảng không vành xuyến của giếng khoan ngang

Okpobiri (1982) trình bày một phương pháp hiệu chỉnh bán thực nghiệm để xác định tổn thất áp suất do ma sát và thể tích dòng chảy yêu cầu tối thiểu khi vật chất rắn được chuyển lên bề mặt bằng dung dịch bọt foam Martins và cộng sự (2001), Ozbayoglu (2002) and Capo et al (2006) thu thập dữ liệu vệ sự tích tụ của mùn khoan và chiều cao của những ổ lắng đọng với dung dịch bọt foam Chen và cộng sự (2007), Duan (2008) và Xu (2010) thu thập dữ liệu vệ sự tích tụ của mùn khoan và chiều cao của những đụn lắng đọng với dung dịch bọt trong điều kiện đáy giếng mô phỏng

Sanchez và cộng sự (1997), Adari (2000), Valluri và cộng sự (2006) và Khan (2008) tiến hành những bài kiểm tra sự bào mòn của mùn khoan để ước tính thời gian làm sạch giếng Sapru (2001) nghiên cứu ảnh hưởng của sự qauay của cột cần khoan đến độ bào mòn của những ổ lắng đọng mùn khoan Martins và cộng sự (2002) và Lourenco (2006) đã đánh giá thời gian trở lại của hạt mùn rắn trong quá trình khoan với dung dịnh ngậm khí với một cơ sở thử nghiệm toàn diện và Nguyen (2007) đã nghiên cứu hiệu quả làm sạch giếng với một dung dịch bề mặt đặc biệt

Li và cộng sự (1999 đến 2013) và Walker cùng cộng sự (2000, 2001) đã tiến hành một chương trình nghiên cứu toàn diện trong hơn một thập kỷ liên quan đến vấn đề làm sạch giếng cho những ứng dụng CT Hơn 10000 bài kiểm tra về sự phân bố của hạt mùn rắn và làm sạch giếng đã được thu thập tại những điều kiện dòng chảy khác nhau Những kết quả này cho thấy rằng thời gian tích tụ của những hạt cát và thời gian làm sạch giếng có thể hiệu chỉnh được bằng phương pháp thực nghiệm với một số hữu hạn của những thông số chính đã được đề cập trong nghiên cứu của Li (1999, 2002) [7]

-Trong nước:

Năm 2012, tác giả Phạm Đức Thiên đã bảo vệ thành công luận văn tiến sĩ với đề tài “ Nghiên cứu dòng chất lưu trong giếng để nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan”

(Trường đại học Mỏ - Địa chất) Các nội dung nghiên cứu gồm : Nghiên cứu sự chuyển động của các loại chất lỏng khoan Newton và phi Newton chảy trong cột cần khoan và khoảng không vành xuyến Sự chuyển động của các chất lỏng khoan sử dụng các giếng khoan bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long Nghiên cứu sự vận chuyển mùn khoan và các thông số ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển mùn khoan ở trong khoảng không vành xuyến của giếng thân đứng Nghiên cứu làm sạch đáy giếng trên cơ sở tối ưu thủy lực qua choòng khoan dựa trên chỉ tiêu là công suất thủy lực tối ưu và lực va đập đáy tối ưu [15]

Hiện tại, ở trong nước, những công trình nghiên cứu về vấn đề nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan chủ yếu tập trung vào việc cải thiện chất lượng dung dịch khoan Các công trình nghiên cứu về thủy lực khoan và dòng chất lưu là tương đối hạn chế, hầu như rất ít các bài báo khoa học đề cập đến vấn đề này và chỉ mới dừng lại ở những giếng thân đứng Qua luận văn, tác giả đưa ra một cái nhìn tổng quát vấn đề vận chuyển mùn khoan và làm sạch những thân giếng có góc nghiêng lớn hoặc ngang và cập nhật những

thông tin mới nhất về những nghiên cứu liên quan đến vấn đề này

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN VÀ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG TRỰC TIẾP ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN

II.1 Cơ sở lý thuyết của việc vận chuyển mùn khoan

Trong quá trình tiến hành thi công các giếng khoan, dung dịch khoan giữ một vai trò rất quan trọng, và là một thành phần không thể thiếu trong thi công khoan, vì nó đảm nhận các chức năng chính sau:

- Rửa sạch đáy giếng khoan và vận chuyển mùn khoan - Giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn - Gia cố thành giếng khoan

- Khống chế sự xâm nhập của các chất lỏng và khí từ vỉa vào giếng - Làm mát và bôi trơn bộ khoan cụ

Trong chương này ta tiến hành xem xét chi tiết những thông số lưu biến của dung dịch khoan như: tỷ trọng, độ nhớt, ứng suất tiếp tuyến, hệ số tiếp tuyến, chế độ dòng chảy, và một số mô hình dẻo Bingham, Power law, Herschel-Bulkley… của chất lỏng Newtonian hoặc Non-Newtonian Cũng như những định luật vật lý liên quan đến quá trình vận chuyện mùn khoan

II.1.1 Tính chất lưu biến của dung dịch II.1.1.1 Ứng suất tiếp tuyến (Ứng suất trượt)

Ứng suất tiếp tuyến là lực cần thiết để duy trì tốc độ của dòng chảy cụ thể và được đo bằng lực tác dụng lên một đơn vị diện tích (Hình 2.1)

Hình 2.1 – Mô tả ứng suất tiếp tuyến

Và được biểu diễn bằng công thức sau: 𝝉 =𝑭

Trong đó: τw - Ứng suất tiếp tuyến trong khoảng không vành xuyến

II.1.1.2 Hệ số tiếp tuyến

Hệ số tiếp tuyến được định nghĩa như là gradient vận tốc được đo trên đường kính của khoảng không vành xuyến và đặc trưng cho độ nhanh chậm của sự biến đổi vận tốc theo hướng của pháp tuyến với mặt tiếp xúc của chất lưu (trong trường hợp này là khoảng cách giữa giếng và thành ống) Hệ số tiếp tuyến được biểu diễn bằng công thức sau:

𝜸 =∆𝒗

Hệ số tiếp tuyến trong khoảng không vành xuyến cho chất lưu Newtonian được biểu diễn bằng công thức sau:

𝝁𝒂 = 𝒑𝒗 +𝟓𝒀𝑷(𝑫𝒉𝒐𝒍𝒆−𝑫𝒑𝒊𝒑𝒆)

Trong thực tế độ nhớt biểu kiến thường được đo bằng nhớt kế Marsh Nguyên lý hoạt động của dụng cụ là đo thời gian một thể tích dung dịch xác định chảy qua lỗ định cỡ của phễu

II.1.1.4 Chất lưu Newton và phi Newton

Chất lưu được phân chia thành 2 loại là chất lưu Newtonian và Non-Newtonian Mô hình lưu biến của chất lưu Non-Newtonian bao gồm Bingham Plastic, Power Law, Herschel-Bulkley…Ứng xử lưu biến cơ bản của hệ thống chất lưu được mô tả như hình 3.1

Hình 2.2 - Mô tả ứng xử của các hệ lưu biến

II.1.1.4.1 Mô hình chất lưu Newton

Chất lưu Newton là chất lỏng có hệ số nhớt (µ) là hằng số không phụ thuộc vào

lực tác dụng lên nó tại một nhiệt độ và áp suất nhất định Phương trình mô tả chất lưu Newtonian như sau:

Trong đó ứng suất trượt (τ) của chất lưu Newton được biểu diễn theo hệ số trượt (γ) trong hệ tọa độ vuông góc Hệ số nhớt Newton (µ) là đường chéo trong hệ tọa độ này

Hình 2.3 - Mô hình chất lỏng Newton [12]

II.1.1.4.2 Mô hình lưu biến

Việc xác định các thông số của dung dịch khoan là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về việc vận chuyển và làm sạch giếng một cách hiệu quả Chúng ta có thể dùng mô hình lưu biến để dự đoán ứng xử của dòng chất lưu dưới sự thay đổi của các thông số điều kiện bao gồm áp suất, nhiệt độ và tốc độ trượt

phải được tính đến Ở nhiệt độ cao (ví dụ: 50 ° C), độ nhớt của dung dịch khoan giảm và ở nhiệt độ thấp (ví dụ: 21 ° C), độ nhớt của dung dịch khoan tăng lên Mặt khác, áp suất tăng dẫn đến độ nhớt của dung dịch khoan tăng Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên độ nhớt của dung dịch khoan là phi tuyến tính

Trong thực tế, phần lớn các chất lưu xuất hiện trong ngành công nghiệp dầu khí là chất lưu phi Newton, nghĩa là chúng không biểu diễn tính chất tuyến tính giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt Vì vậy, ta thường sử dụng các mô hình lưu biến phi Newton để giải quyết các bài toán về những loại chất lưu này

Mô hình dẻo Bingham

Mô hình Bingham được sử dụng khá thông dụng trong tính toán các dung dịch khoan Mô hình này sử dụng với chất lưu mà ta cần một lực nhất định để bắt đầu dòng chảy (gọi là ứng lực cắt động, YP) và cho ta một hằng số độ nhớt khi tăng tốc độ trượt

Ở chất lưu dẻo Bingham, công thức cho chất lưu Newton cần được điều chỉnh

bằng cách thêm độ nhớt hiệu dụng để tính toán độ nhớt dẻo (PV) và ứng lực cắt động (YP)

Mô hình Bingham mô tả dòng chảy tầng với phương trình toán học cơ bản sau:

γ: tốc độ cắt (hệ số tiếp tuyến) (sec-1)

Hình 2.4 - Mô hình dẻo Bingham [12]

Mô hình dẻo Bingham là 1 mô hình tuyến tính nên nó không mô tả chính xác ứng xử dòng chảy của chất lỏng dẻo Bingham ở miền tốc độ trượt thấp Loại chất lưu này có thông số ứng lực cắt động τy cao hơn độ bền gel τs của chất lưu Chất lưu có độ bền gel nên ta cần tác động một lực để phá vỡ cấu trúc gel để tạo dòng chảy Khi tốc độ trượt còn thấp, lực sẽ được tăng từ từ và dạng đồ thị là đường cong chứ không phải đường thẳng tuyến tính Khi tốc độ trượt đủ cao, dòng chảy chuyển sang chế độ chảy dẻo với hệ số góc không thay đổi

Hình 2.5 - Mô hình dẻo Bingham không mô tả ứng xử dòng chảy của chất lưu dẻo Bingham ở miền tốc độ trượt thấp [13]

Mô hình Power Law (Mô hình hàm mũ)

Mô hình hàm mũ Power Law được sử dụng khi tất cả chất lưu được xem xét có tính chất giả dẻo tự nhiên và có dạng như sau:

Hình 2.6 - Mô hình Power Law [13]

Hệ số “n” được gọi là hệ số đặc trưng cho ứng xử của dòng chảy, hệ số này chính

là hệ số góc của đồ thị log-log như hình 2.7 và hệ số “n” không có đơn vị Giá trị của n

cho ta biết ứng xử phi Newton của chất lưu trong một khoảng tốc độ trượt nhất định Nếu “n”=1, chất lưu được coi là chất lưu Newton Giá trị “n” càng giảm thì chất lưu càng có tính chất phi Newton, độ nhớt tăng cùng với tốc độ cắt

Hình 2.7 - Đồ thị log-log của mô hình hàm mũ Power Law [13]

Hệ số “K” được gọi là hệ số độ sệt (hệ số phụ thuộc vào độ dày của lớp bùn) “K” được định nghĩa là ứng suất cắt tại một tốc độ cắt bất kỳ trong sec-1 Trên đồ thị log-log, “K” là giá trị của log ứng suất trượt khi log tốc độ cắt bằng 0 Khi “K” tăng tức là hiệu quả làm sạch giếng nói chung tăng Đơn vị của “K” có thể là lbs/100ft2, dynes-sec hoặc N/m2 [1]

Mô hình hàm mũ Power Law phức tạp hơn mô hình Bingham vì nó không cho ta

P o w e r L a w sẽ khắc phục được những nhược điểm của mô hình Bingham tại vùng tốc độ trượt thấp [1]

Hình 2.8 - Phân vùng tính toán giữa mô hình hàm mũ Power Law và mô hình Bingham [13]

Mô hình hàm mũ Power Law có thể mô tả ba dạng chất lưu khác nhau, dựa vào giá trị của ‘n’:

i) n=1: chất lưu Newton ii) n<1: chất lưu phi Newton

iii) n>1: chất lưu trương nở (Dilatant) Giá trị của “n” không thể bằng 0

Hình 2.9 - Phân loại chất lưu theo giá trị n [13]

Mô hình Herschel-Bulkley (Mô hình hàm mũ Power Law hiệu chỉnh)

API đã chọn mô hình hàm mũ Power Law là một mô hình chuẩn, tuy nhiên mô hình hàm mũ Power Law lại không thể mô tả đầy đủ và chi tiết về dung dịch khoan

Công thức toán học của mô hình Herschel-Bulkley (mô hình hàm mũ hiệu chỉnh):

Hình 2.12 - So sánh đường log các mô hình [13]

Hai hình 2.11 và 2.12 cho thấy sự khác biệt giữa mô hình Bingham, mô hình hàm mũ Power Law và mô hình hàm mũ hiệu chỉnh Herschel-Bulkley

Mô hình Herschel-Bulkley trở thành mô hình dẻo Bingham khi n=1 và trở thành mô hình hàm mũ Power Law khi τy=0 Các bài toán sử dụng mô hình này rất phức tạp và cần có tối thiểu ba số đo ứng suất cắt/tốc độ cắt để có thể giải

II.1.2 Những định luật vật lý liên quan đến quá trình vận chuyển mùn khoan II.1.2.1 Những lực tác động lên hạt mùn

Theo quan điểm cơ học, cơ chế vận chuyển, lắng đọng hoặc lơ lửng của mùn khoan được xác định bởi các lực tác động lên một hạt cụ thể được minh họa trong hình 2.13 Khi vận chuyển mùn khoan trong khoảng không vành xuyến, những lực tác động có thể kể đến như thủy động lực (hydrodynamic forces), tĩnh lực (static forces) và lực keo (colloidal forces), trong một số trường hợp còn có lực kết dính do sự ứ đọng của dung dịch khoan Theo Duan (2009), những lực tác dụng lên mùn khoan bao gồm:

- Trọng lực (Fg), lực nổi (Fb) là những tĩnh lực xuất hiện do tính chất của hạt mùn và môi trường chất lỏng bao quanh nó, không phụ thuộc vào dòng chảy chất lỏng

- Lực kéo (Fd), và lực nâng (Fl) là những thủy động lực sinh ra bởi dòng chảy chất lỏng

- Lực Van der Waals (Fvan) là lực kết dính tồn tại giữa những hạt lân cận bất kỳ

Hình 2.13 - Những lực tác động lên một hạt mùn khoan đơn lẻ trên bề mặt những ổ lắng đọng mùn khoan [10]

Hình 2.14a minh họa trạng thái lơ lửng và lắng đọng của những hạt mùn khoan Hình 2.14b minh họa những lực tác động lên hạt mùn khoan và tác động của chuyển động quay cần khoan lên việc thay đổi vận tốc phân bố hạt mùn

Hình 2.14a - Mùn khoan trong trạng thái lơ lửng và lắng đọng

Hình 2.14b - Những lực tác dụng lên hạt mùn khoan trong trạng thái lơ lửng

Do tác động của trọng lực, những hạt mùn trong giếng khoan định hướng có khuynh hướng lắng xuống và hình thành nên những ổ lắng đọng mùn khoan ở mặt dưới thành giếng Những hạt mùn khoan này được vận chuyển lên bề mặt dưới dạng một dải lắng đọng di chuyển liên tục hoặc thành những ổ/ đụn mùn riêng biệt Hình 2.15a và 2.15b là sơ đồ biểu diễn cơ chế vận chuyển mùn khoan cho một loạt các góc nghiêng khác nhau của giếng khoan

Hình 2.15a - Cơ chế vận chuyển mùn khoan trong giếng ở từng góc nghiêng khác nhau

Hình 2.15b - Cơ chế vận chuyển mùn khoan trong giếng ở từng góc nghiêng khác nhau [14]

Diễn giải:

A Zone 1 – Làm sạch lỗ hiệu quả

C Zone 2 – Làm sạch lỗ chậm hơn và tương đối tốt, bắt đầu hình thành những đụn mùn khoan

D Zone 4 – Làm sạch lỗ khoan không hiệu quả, hình thành những ổ lắng đọng mùn khoan

E Zone 5 – Không thể vận chuyển mùn khoan lên bề mặt

Như mô tả trong hình vẽ, trong giếng có góc nghiêng nhỏ hơn 30o, người ta có thể quan sát thấy mùn khoan có thể được giữ ở trạng thái lơ lửng một cách hiệu quả bởi dung dịch khoan và những ổ lắng đọng mùn khoan không hình thành (Zone 1 và 3) Với góc nghiêng trên 30o, mùn khoan có thể lắng đọng và bắt đầu hình thành những ổ lắng đọng Và những ổ lắng đọng này có thể trượt xuống ngược lại giếng khoa (Zone 4) Cần khoan xoay làm xáo trộn những ổ lắng đọng mùn khoan, hạt mùn sau đó có thể theo dòng dung dịch khoan di chuyển lên bề mặt

II.1.2.2 Tiết diện lòng giếng và lớp mùn lắng đọng

Chiều cao lớp mùn lắng đọng h được tính toán dựa trên các quan hệ lượng giác cơ

bản Dựa vào chiều cao lớp mùn lắng đọng, vùng dòng chảy mà từ đó có thể tính toán được lớp mùn lắng đọng đã được phát triển (Hình 2.16)

Hình 2.16 - Hình dạng hình học tổng quát của lòng giếng và lớp mùn lắng đọng qua một mặt cắt ngang [10]

Ba trường hợp sau đây giải thích cho tất cả những hình dạng hình học có thể có của lòng giếng qua mặt cắt ngang:

Trường hợp 1: h ≥ hhigh

𝑨𝒇 = 𝑹𝟐𝐚𝐫𝐜𝐜𝐨𝐬 (𝒉−𝑹

II.1.2.3 Vận tốc trượt và vận tốc lắng của hạt

Vận tốc trượt của hạt mùn khoan là một thông số quan trọng Nó được định nghĩa là vận tốc mà một hạt mùn có xu hướng lắng xuống trong dung dịch gây ra bởi chính trọng lượng của hạt mùn đó Vận tốc trượt phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của hạt mùn, mật độ của nó và tính chất lưu biến của dung dịch Khả năng vận chuyển của dung dịch cũng bị ảnh hưởng bởi tập hợp vận tốc trong khoảng không vành xuyến

Lực theo hướng dòng chảy gây ra bởi chất lỏng lên vật thể rắn gọi là lực kéo Hình 3.7 cho thấy một khối cầu trơn có đường kính Dp cố định trong một dòng chất lỏng có vận tốc cách xa khối cầu

Hình 2.17 - Lực kéo tác động lên hạt rắn lơ lửng trong dung dịch

Nếu vận tốc dòng chảy trong khoảng không vành xuyến không vượt quá vận tốc trượt, điều này thường dẫn đến những vấn đề liên quan đến việc tích tụ mùn khoan Để

tốc trượt để xác định tốc độ dòng chảy thích hợp nhất cho hoạt động làm sạch giếng khoan

Vận tốc trượt được giả thiết là bằng vận tốc lắng cuối cùng của hạt mùn trong chất lỏng tĩnh Tuy nhiên, giả định là có vấn đề bởi vì chuyển động phức tạp của hạt trong khoảng không vành xuyến:

Lực hấp dẫn: Đây là trọng lượng biểu kiến của hạt

Với: Vs là vận tốc Patrice của hạt rắn

CD là hệ số kéo = f (Số Reynolds của hạt, sự sắp xếp hạt) Hệ số kéo được mô tả trong hình 3.8

Đối với vận tốc lắng cuối cùng, cân bằng giữa lực kéo và lực hấp dẫn, ta có vận tốc lắng như sau:

FD=Fg; 𝒗𝒔 = (𝟒.𝒈𝒅𝒑(𝝆𝒑−𝝆𝒇)𝟑𝝆𝒇.𝑪𝑫 )

Với: µ là độ nhớt dung dịch

Trường hợp 1: Với 1<NRe<105 thì: 𝑪𝑫 ≈ 𝟐𝟒

Trường hợp 2: Với giá trị NRe>105, CD ≈ 0.1

Trường hợp 3: Đối với các hạt đủ nhỏ, NRe<1, hệ số kéo khoảng: 𝑪𝑫 ≈ 𝟐𝟒

Từ đó ta có vận tốc lắng: