Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật dầu khí: Ứng dụng mô hình địa cơ học trong thiết kế ổn định giếng khoan phát triển TL-5P

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM VĂN THÀNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN PHÁT TRIỂN TL-5P Chuyên ngành: Kỹ Thuật Dầu Khí Mã số: 60520604 LUẬN VĂN T

Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghiệp dầu khí Việt nam phát triển từ năm 1986 khi tấn dầu khí đầu tiên được khai thác từ mỏ Bạch Hổ Từ đó đến nay, công nghiệp dầu khí đã có những bước phát triển vượt bậc, dầu khí trở thành một trong những ngành quan trọng đóng góp vào sự phát triển của đất nước Song song đó, lý thuyết xây dựng giếng khoan và kinh nghiệm khoan thực tế của các công ty dầu khí trong/ngoài nước đã có những tiến triển vượt bậc trong gần 30 năm qua

Nghiên cứu thiết kế giếng khoan khi tiến hành khoan một giếng mới (thăm dò, thẩm lượng, khai thác, phát triển mỏ…) là một công tác hết sức quan trọng và đòi hỏi rất nhiều công việc, công đoạn của các bộ phận chuyên môn khác nhau, từ nhà địa chất, địa vật lý, công nghệ mỏ, kỹ sư khoan Tùy vào loại giếng khoan mà công tác thiết kế giếng khoan có những khác nhau riêng biệt Thiết kế giếng khoan phải đạt đến mục tiêu cần khoan và đáp ứng những yêu cầu cao về công nghệ khoan, an toàn sức khỏe môi trường cũng như chi phí khoan giếng

Với các giếng khoan thăm dò, hầu hết là giếng khoan thẳng đứng trong điều kiện hạn chế thông tin về địa chất nên có những rủi ro tiềm tàng trong việc xác định đúng địa tầng khoan Với các giếng khoan thẩm lượng, phát triển mỏ hay khai thác, cấu trúc địa chất, địa tầng có nhiều thông tin hơn từ việc tham chiếu những giếng khoan thăm dò trước đó, và hiện nay hầu hết đó là những giếng khoan định hướng và khoan ngang.Qua quá trình khoan giếng phát triển tại mỏ TL-DD bồn trũng Cửu Long cho thấy việc thi công các giếng khoan tại khu vực này cực kỳ phức tạp, do đó sự cố thường xảy ra trong quá trình thi công khoan như: sập lở thành giếng khoan, mất tuần hoàn dung dịch, hiện tượng kick, kẹt cần khoan, ống chống…nên tác động lớn và ảnh hưởng rất nhiều đến yếu tố kinh tế, kỹ thuật của dự án Để giảm thiểu rủi ro trong công tác thiết kế giếng khoan, tác giả nhận thấy việc ứng dụng mô hình địa cơ học để kiểm tra phân tích tính ổn định của thành giếng khoan, xây dựng quỹ đạo giếng khoan, xác định tỷ trọng dung dịch khoan và độ sâu đặt chân đế ống chống đóng một vai trò đặc biệt quan trọng và mang tính

2 quyết định đến khả năng thành bại của giếng khoan cũng như tổng thể dự án khoan/phát triển mỏ

Xuất phát từ ý tưởng trên, tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài “Ứng dụng mô hình địa cơ học trong thiết kế ổn định giếng khoan phát triển TL-5P” làm luận văn thạc sỹ của mình.

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích: Ứng dụng mô hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan Đối tượng nghiên cứu: Giếng khoan phát triển TL-5P tại mỏ TL-DD bồn trũng Cửu Long

Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng mô hình địa cơ học áp dụng cho giếng khoan TL-5P tại mỏ TL-DD bồn trũng Cửu Long để tính toán: Chiều sâu đặt cột ống chống; Tỷ trọng dung dịch khoan và Quỹ đạo khoan.

Các luận điểm bảo vệ

Nghiên cứu lý thuyết chung về xây dựng mô hình địa cơ học, lý thuyết về xây dựng giếng khoan cho các thông số: chiều sâu ống chống, tỷ trọng dung dịch khoan, quỹ đạo giếng khoan

Dựa trên mô hình địa cơ học bằng phần mềm GMI Wellcheck tính toán chiều sâu ống chống, tỷ trọng dung dịch khoan và quỹ đạo khoan cho giếng khoan TL-5P tại mỏ TL-DD bồn trũng Cửu long.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hệ thống hóa được lý thuyết xây dựng giếng khoan, mô hình địa cơ học trong xác định các thông số khoan Qua đó ứng dụng xác định các thông số khoan cho giếng khoan phát triển TL-5P tại mỏ TL-DD, bồn trũng Cửu long, góp phần hoàn thiện công nghệ khoan cho những giếng khoan phát triển có điều kiện địa chất địa tầng tương tự

TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN PHÁT TRIỂN

Ứng dụng mô hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan GC-1P tại bồn trũng

Tại Bồn trũng Nam Côn Sơn, Công ty Côn Sơn JOC đã thực hiện nghiên cứu phân tích ổn định thành giếng để khoan thẩm lượng các giếng khoan tại mỏ Gấu chúa và Cá Chó, ngoài khơi Việt nam Nghiên cứu được thực hiện bởi Công ty Baker Hughes vào năm 2013 bằng sử dụng phần mềm cơ sở GMI Wellcheck và lý thuyết về mô hình địa cơ học

Xây dựng một mô hình địa cơ học cụ thể dựa trên dữ liệu từ năm giếng khoan thăm dò CC-2X, CC-2XST, GC-1X, GC-1XST và GC-2X

Dự đoán cơ chế gây ra những vấn đề không ổn định bằng cách xem xét các giếng đã khoan dựa trên mô hình địa cơ học này

Tiến hành phân tích sự ổn định thành giếng cho giếng khoan thẩm lượng GC-

1P với mục đích: o Xác định cửa sổ dung dịch khoan để hạn chế sập lở thành giếng khoan, tránh hiện tượng kick do tỷ trọng dung dịch thấp o Nghiên cứu sâu về ứng suất đứng tại khoảng độ sâu từ 2000mMD đến tầng móng

Mỏ Gấu Chúa và Cá Chó có trường ứng suất bình thường: S hmin < S Hmax < S V

(hình 1.1) Góc phương vị của S Hmax là 12 0 N tới 20 0 N Trong đó ứng suất đứng S V được xác định bằng sử dụng dữ liệu tỷ trọng Ứng suất ngang nhỏ nhất Shmin xác định từ dữ liệu Leak-off Test Ứng suất ngang lớn nhất S Hmax được tính toán từ dữ liệu thu thập từ minh giải ảnh của giếng khoan GC-2X Áp suất lỗ rỗng bình thường, tuân theo mực thủy tĩnh với tỷ trọng chất lưu <

8.9 ppg Giếng khoan GC-1P được xây dựng với mô hình áp suất thủy tĩnh, tương tự như giếng khoan CC-2X

Hình 1.1: Trường ứng suất của mỏ GC & CC

Cửa sổ dung dịch khoan theo tính toán cho giếng GC-1P như bảng 1.1 với dung dịch khoan gốc nước Dung dịch khoan gốc dầu sẽ cải thiện hơn tính chất thành hệ khoan qua cũng có thể được xem xét sử dụng trong tính toán dung dịch khoan Tỷ trọng dung dịch lớn nhất được giới hạn bởi gradient vỡ vỉa tại chân đế cột ống chống trước đó Độ sâu (MDm) Tỷ trọng dung dịch nhỏ nhất (ppg)

Tỷ trọng dung dịch lớn nhất (ppg)

Bảng 1.1: Cửa sổ dung dịch khoan thiết kế cho giếng GC-1P

1.1.3 Trình tự công việc xây dựng mô hình cơ học đá:

Hình 1.2: Các bước xây dựng mô hình cơ học đá cho giếng GC-1P

Các bước xây dựng mô hình cơ học đá cho giếng GC-1P như trình bày trên hình 1.2 Từ việc sử dụng tài liệu mẫu lõi, địa vật lý, dữ liệu khoan và kinh nghiệm để xây dựng mô hình cơ học đất đá đặc trưng cho ứng suất tại chỗ, áp lực lỗ rỗng, tính chất cơ học đá của lớp phủ và vỉa Từ đó, rút ra được vấn đề về sự không ổn định của các lỗ khoan là do sự phá huỷ của các thớ lớp phẳng yếu và sức bền của lớp đá dị hướng trong tập đá phiến sét xen kẹp với cát kết Để kiểm soát thớ lớp yếu và sự phá huỷ của tập đá dị hướng thì cần phải tăng tỉ trọng dung dịch khoan từ kế hoạch ban đầu Trong khi đó, tỉ trọng dung dịch cần thiết cho việc duy trì sự ổn định thành giếng thay đổi tùy thuộc vào quỹ đạo thân giếng và đặc tính lớp đất đá Nếu tỉ trọng dung dịch cao có thể gây nhiễm bẩn thành hệ và nguy cơ nứt vỡ vỉa

Các thành phần chính của mô hình địa cơ học bao gồm ba ứng suất chính (ứng suất thẳng đứng: S v , ứng suất ngang tối đa: S Hmax và ứng suất ngang tối thiểu: S hmin ),

6 áp lực lỗ rỗng (Pp) và tính chất cơ học đất đá, độ bền nén đơn trục (UCS) và góc ma sát trong Các thành phần này có thể xác định bằng dữ liệu lỗ khoan của một vài giếng đại diện trong khu mỏ

Khi ứng suất ngang không bằng nhau, một ứng suất bất đẳng hướng tạo ra và gây nên sự không ổn định thành giếng

Các thông tin ứng suất khu vực, các tài liệu đo mật độ logs, đo áp lực lỗ rỗng, dữ liệu nứt vỉa thuỷ lực (LOT – leak-off test), và độ bền đất đá lấy từ log được sử dụng để xây dựng mô hình địa cơ học

Trừ các góc phương vị và độ lớn của S Hmax , các thành phần khác của mô hình địa cơ học có thể được xác định từ dữ liệu lỗ khoan bằng cách xem một vài giếng đại diện trong khu vực Đá thí nghiệm là cát kết Log hiệu chuẩn UCS và các thông số cơ học khác của đá được sử dụng Áp suất lỗ rỗng cũng vậy, các đường log siêu âm, mật độ và điện trở được sử dụng để ước tính áp suất lỗ rỗng, và đã được điều chỉnh bằng cách sử dụng dữ liệu đo lường trực tiếp và kinh nghiệm khoan Dữ liệu cho thấy thành hệ gây áp lực lên vỉa là bình thường Ứng suất thẳng đứng được tính bằng tích hợp mật độ thành hệ, và thu được từ các tài liệu wireline logs Độ lớn của

S v trong mỏ tương tự như trong khu vực vì đáy biển tương đối phẳng và mật độ đất đá ít thay đổi theo chiều ngang Ứng suất ngang tối thiểu (S hmin ) ở độ sâu nhất định có thể được ước tính trực tiếp từ các dữ liệu vỡ vỉa (XLOT – extended leak-off test), dữ liệu nứt vỉa thuỷ lực (LOT – leak-off test) hoặc mini-frac test Hình 1.3 thể hiện đồ thị nứt vỉa thủy lực tại giếng GC-2X ở độ sâu 1817mTVD Trong quá trình thử vỉa, tỷ trọng dung dịch khoan là 9.2 ppg, áp suất leak-off tại 1115 psi

Góc phương vị và độ lớn của ứng suất ngang tối đa (SHmax) có thể được ước tính thông qua việc phân tích các phá huỷ thân giếng như breakout và các vết nứt kéo Phân tích ứng suất cho phép xác định hướng phá huỷ thân giếng và độ lớn của S Hmax vì sự phá huỷ thân giếng gây ra bởi ứng suất hoạt động xung quanh thân giếng khi khoan

Trong giếng có góc lệch thấp (gần thẳng đứng), breakout thường phát triển theo hướng Shmin Góc phương vị của SHmax được chấp nhận là ~12 0 N- 20 0 N trong

7 mỏ dựa trên breakout thân giếng giải thích từ các dữ liệu hình ảnh đo điện Quan trắc này là phù hợp với ứng suất định hướng trong khu vực (Hình 1.4)

Hình 1.3: Thí nghiệm LOT tại giếng GC-2X ở độ sâu 1817mTVD

Hình 1.4: Ứng suất ngang lớn nhất trong khu vực

Hình 1.5 là phân tích Caliper trong giếng GC-2X ở độ sâu 2438-3528m Dữ

8 liệu đo Caliper cho thấy sự xuất hiện của hướng phá hủy lỗ khoan dựa theo hướng của Break out Góc phương vị trung bình của Break out trong thành hệ đứng ( S V > S hmin Hướng của ứng suất ngang lớn nhất SHmax là 152 0 N

Chương trình phát triển mỏ Rạng Đông thiết kế các giếng với góc lệch cao, giếng khoan ngang, nên gặp phải nhiều khó khăn trong quá trình khoan Theo ghi nhận trong một số trường hợp khoan gặp phải hiện tượng gần như mất hoàn toàn dung dịch khoan, giếng khoan kết thúc ở độ sâu thiết kế khoảng 4,000mTVD bằng sử dụng dung dịch khoan nước biển kết hợp với chất phụ gia

1.3.2 Giới thiệu chung vùng mỏ nghiên cứu

Mỏ Rạng Đông nằm ngoài khơi Việt nam, cách Vũng Tàu 120km về phía Đông Chiến dịch khoan tại mỏ Rạng Đông có thể gặp nhiều thách thức trong quá trình khoan liên quan đến độ ổ định của thành giếng khoan và vấn đề cơ học đất đá khu mỏ Thứ nhất, đất đá khu mỏ cứng và rắn hơn các loại đất đá trầm tích thông thường, có nghĩa ứng suất sẽ lớn, thứ hai là cấu trúc địa chất và tầng chứa phức tạp gây khó khăn trong dự đoán các tầng cấu trúc, và độ thấm tại tầng móng lớn do sự bất đồng nhất và bất đẳng hướng của đất đá móng Áp suất dị thường được ghi nhận và trong quá trình khoan thực tế mỏ Rạng Đông đã xuất hiện hiện tượng mất dung

17 dịch một phần đến toàn phần Trong một số trường hợp giếng khoan được khoan tới độ sâu thiết kế bằng nước biển và không có sự tuần hoàn dung dịch khoan

Hình 1.12: Sơ đồ khu mỏ 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu, quy trình thực hiện và dữ liệu đầu vào

Tính tới thời điểm nghiên cứu, gần 30 giếng khoan đã được khoan tại vùng mỏ Rạng Đông, dữ liệu hình ảnh đo điện/điện trở được thu thập trong khoảng 15 giếng (hình 1.12) Trong nghiên cứu này, các dữ liệu hình ảnh, áp suất vỉa, dữ liệu khai thác và kinh nghiệm trong quá trình khoan đã được sử dụng để nghiên cứu ứng suất tại chỗ và sức bền của đá Mô hình địa cơ học chỉ ra hướng và độ lớn của ứng suất tại chỗ, áp suất chất lưu thành hệ và độ bền đất đá

Theo Zoback(207), các thông số ứng suất được tính toán như sau:

 Ứng suất đứng: SV: Cường độ của ứng suất thẳng đứng được xác định từ tài liệu carota mật độ và có thể được tính thông qua mối liên hệ với tỷ trọng của đất đá theo chiều sâu

 Ứng suất ngang nhỏ nhất Shmin: Xác định từ Formation integrity test (FIT) và Leak off test (LOT)

 Áp suất lỗ rỗng Pp: Tính toán thông qua thử vỉa, thông tin khai thác và từ

18 các sự kiện trong quá trình khoan và tỷ trọng dung dịch đã sử dụng trong quá trình khoan

 Độ bền đất đá được tính toán từ các dữ liệu đo log, thời gian truyền sóng âm trong môi trường đất đá và được hiệu chỉnh lại thông qua theo dõi hiện tượng Break out và DIFT

 Hướng của ứng suất ngang lớn nhất S H được tính toán thông qua nghiên cứu Break out và DIFT

1.3.4 Phân tích mô hình địa cơ học Ứng suất đứng được thể hiện trên sơ đồ hình vẽ 1.13 Ở một độ sâu thích hợp, áp suất lỗ rỗng là hàm của độ sâu và được xác định thông qua các thông số của kết quả thử vỉa drill stem testing (DST) Theo tính toán, áp suất lỗ rỗng tương đương với cột áp suất thủy tĩnh ở thành hệ đá trầm tích và tăng trong tầng đá móng

Hình 1.13: Ứng suất đứng SV, áp suất lỗ rỗng Pp và ứng suất ngang nhỏ nhất khu mỏ

Theo Jaeger và Cook (1976) ta có:

Giỏ trị của hệ số ma sỏt trượt trong khoảng 0.6