Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật dầu khí: Mô hình hóa quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan

Một trong những khó khăn đó là việc vận chuyển min khoan được tao ra tại đáy giếng khoan lên bề mặt cũng như là làm sạch mùn khoan trong giếng tránhxảy ra các tai biến như kẹt cần, sập l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LE NGUYEN HAI NAM

MO HINH HOA QUA TRINH VAN CHUYEN

MUN KHOAN TRONG GIENG KHOAN

Chuyén nganh: Kỹ Thuật Dau Khí

Mã số: 60520604

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 1/2018

TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :o.ccccceccccccseceeesesesesesesesesesesssesvessesseeseseees

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi va chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét l : S2 1S SEE1 S21 53 1515515151 15155 1551181151551 1E

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi va chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : 1S ST 111131531155 11111 1515515511811 1Ee ng

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi va chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCM

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRUONG KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LE NGUYEN HAI NAM MSHV: 1570780

Ngày, thang, nam sinh: 06/04/1992 Nơi sinh: Binh Dinh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Dau khí Mã số : 60520604

I TEN DE TÀI : MÔ HINH HOA QUA TRÌNH VẬN CHUYEN MUN KHOAN

TRONG GIENG KHOAN

Il NHIEM VU VA NOI DUNG:

- Hệ thống hóa co sở ly thuyết về vận chuyên min khoan trong giég khoan ngang.

- M6 tả bản chat vật lý của quá trình vận chuyển và lắng dong mun khoan trong giếng khoan ngang.

- M6 hình hóa quá trình vận chuyển min khoan trong giếng khoan

- Ap dụng mô hình để mô tả quá trình vận chuyển và lắng dong trong giếng khoan ngang trong thí nghiệm đã có.

Ill NGÀY GIAO NHIEM VU : (Ghi theo trong QD giao dé tài) co,

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tài)

V CÁN BỘ HUONG DAN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): c-sscssssxszsss2

LOI CAM ON

Luận van được thực hiện tai Bộ môn Khoan — Khai thác, Khoa KT Dia chất &dầu khí, Đại học Bách Khoa TP.HCM Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tậntình của thầy TS Mai Cao Lân trong suốt thời gian làm việc, nghiên cứu và thực hiện

đề tài Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, các chuyên gia tại Viện Nghiên CứuKhoa Học và Thiết Ké Dầu Khí Biển (NIPD — Vietsovpetro đã nhiệt tình giúp đỡ

em trong thời gian thực hiện luận văn Luận văn được hoàn thành nhờ một phân rất lớn

là tình cảm của những người thay, người anh trong quá trình công tác của tại Bộ mônKhoan — Khai thác Cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh và hỗ trợ tinh thần, vật chất chocon trong suốt thời gian qua Sự giúp đỡ đó sẽ giúp em trong suốt thời gian học tập và

làm việc về sau.

Học viên thực hiện

Lê Nguyễn Hải Nam

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Công tác khoan các giếng ngang, giếng có góc nghiêng lớn gặp phải rất nhiều khókhăn làm ảnh hưởng đến tính hiệu quả của giếng khoan, gây ra nhiều tốn thất về thờigian và chi phí Một trong những khó khăn đó là việc vận chuyển min khoan được tao

ra tại đáy giếng khoan lên bề mặt cũng như là làm sạch mùn khoan trong giếng tránhxảy ra các tai biến như kẹt cần, sập lở thành hé, Qua trình tuần hòan dung dịch tronggiếng, vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan ngang trong thực tế rất phức tạp vàchịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Việc nghiên cứu các yếu tô ảnh hưởng, khảo sát sựlắng đọng mùn khoan, hiệu quả của các loại dung dịch khoan trong làm sạch giếngkhoan đã và đang được tiễn hành ở Việt Nam và trên thé giới Các nghiên cứu về dungdịch khoan được thực hiện với yêu cầu về cơ sở vật chất, điều kiện thí nghiệm cao, do

đó hiện mới chỉ Liên Doanh Viét-Nga Vietsovpetro tiến hành thực hiện các thí

nghiệm, nghiên cứu có liên quan Tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, những

nghiên cứu về quá trình vận chuyên min khoan trong giếng khoan dâu khí còn rất hạnchế, đặc biệt là cho giếng khoan ngang

Các khảo sát về quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan ngang cũngnhư cơ sở lý thuyết về dung dịch khoan được hệ thống trong phan đầu của luận văn.Trong phan tiếp theo, mô hình số được xây dựng nhăm mô tả ban chat vật lý của quátrình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan ngang thông qua các định luật bảotoàn khối lượng và bảo toàn động lượng Các giả thiết về tính liên tục của các pha bêntrong khoảng không vành xuyến được áp dụng nhằm đơn giản hóa việc tính toánnhưng vẫn giữ được bản chất vật lý của hiện tượng Tương tác giữa các pha cũng được

mô tả thông qua các thành phan của mô hình Một cau trúc hình hoc đại diện chokhoảng không vành xuyến được giới hạn bởi thành giếng và cần khoan đã được xâydựng, cùng với đó là các điều kiện của mô hình hình học trong không gian ba chiềuđược thiết lập cho phù hop với thực tế Kết qua đạt được là sự lang đọng min khoandọc theo thân giếng khoan được ghi nhận một cách trực quan bang hình ảnh trong

không gian ba chiều, cũng như sự thay đôi về lắng đọng và hiệu quả vận chuyển minkhoan khi thay đối các thông số ảnh hưởng Luận văn là công trình nghiên cứu đầutiên về mô hình hóa quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan ngang đượcthực hiện tai Khoa KT Địa chất & Dau khí, tạo tiền dé cho các nghiên cứu tiếp theotrong việc mô hình hóa quá trình vận chuyển mùn khoan nói riêng, công tác khoan nói

chung.

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THAC SĨ - ke 112v 911191 1 3E 111121 111g ng gi iLOI CAM ON wesccccccccccscccccessesscescssecsscesessecsscssecssssscsscssssssessecsssssessssscsssssssssssassasssesssesssesessees |TOM TAT LUẬN VĂN - G1211 1111111 1E 1 1111111111111 111111115111 11 1111111111 krkrki 2

0/9992 4

DANH SÁCH HÌNH ANH c + t St St S1 S313 8813818118818 1 181181181181 151 111111 1c se 6DANH SÁCH BANG BIEU cacccccccscsssscsscsscsscsscsscsscsecsscsecsscsscsecsscsscsscsecsecsacsacsacsacsecsessassacaees 9

MO DAU crecccccccccssccessesscescessesscscesessscsscsecsscsssssssssssessssssssssssssssssessesssssscessesssssesssessessceseeses 10CHUONG 1: TONG QUAN VE VAN CHUYEN MUN KHOAN TRONG GIENG

KHOAN NGANG 20 eceeessseceeeeeesssneceeceessssaeceeccessssaaeeeeceesssaaeeeeccessssaeeeesceessessaaeeeeeees 16

1.1 Vận chuyển min khoan trong giếng khoan dau khí - + 255525552 161.2 Vận chuyển min khoan trong giếng khoan ngang - + 55525555: 181.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển min khoan trong giếng khoan

CHƯƠNG2: CƠ SỞ LÝ THUYET VE VAN CHUYEN MUN KHOAN TRONGGIENG KHOAN NGANG 5-55 té HE HH re 262.1 Lý thuyết co bản về chuyển động của dung dịch khoan - 2-5555: 262.2 Vấn đề liên quan đến hạt rắn + ¿5E + SE SE£E£E# E1 E E152 11 21 1111 2x rk 3l2.3 Mô hình lắng đọng dung dịch khoan trong giếng ngang - 55+: 33CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA QUA TRINH VẬN CHUYEN MUN KHOAN 523.1 Mô tả tính liên tục của các pha trong khoảng không vành xuyến 52

3.2 Mô tả chuyển động của pha lỏng (dung dịch) -5- 552 5s+s+s>s+sszess2 543.3 Mô tả chuyển động của pha ran cecccccccccscssssssesscsesesscsssessessscscsesecsesesscssseecsseseaeees 553.4 Tương tác giữa các pha và các van dé khác có liên quan -+5¿ 56CHUONG 4: AP DỤNG MÔ HÌNH CHO QUA TRÌNH VẬN CHUYEN MUNKHOAN TRONG GIENG KHOAN NGANG c5 222121 1212111111111 ere 62

Al Quy trình tiễn hành - 5< SE SE E5 E3 21E111515 111111111511 11 1111111111111 T 624.2 Tạo cau trúc hình hỌC - ss tt SE 9391 91 E5 91915198 3 5111515113 E111 xi 634.3 Chia lưới cho cấu trúc hình hỌC ¿-c- ¿+ 6k E9E9E 2E EsESEEESESEEeEskeesereesed 66

AA Thiết lập mô hinh vce ccscssesescscsssscscscscsssscsescscsssscsescsssssssscsesssssessescesens 694.5 Kết quả và nhận XÉK ¿+ SE SE 3 E5 1 121111151511 11 1111511111111 111111 77KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ -G- G3911 1E 11191 3E 11111 11x 1g ng rrreở 93TÀI LIEU THAM KHHẢO óc 11x 569191 6 E5 11115111 E11 81 511113 11111211 re rrgkg 95

PHU LUC - - <5 S611 E5 151 15151511 2111111 111111151101 11 1051111110105 110111110001 01 1110 y0 101

——_ DANH SÁCH HÌNH ANH

Hình 1-1 Hệ thông tuần hoàn dung dich thông thường [8] - «<< +<<<s«<<++ 16

Hình 1-2 Min khoan lắng đọng trong giếng khoan ngang [4] -2-55555+5s55¿ 18

Hình 1-3 Những yếu tô ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển min khoan [5] 21

Hình 1-4 Ảnh hưởng của góc nghiêng lên vận tốc vành xuyén tới hạn [6] 22

Hình 2-1 Các mô hình lưu biến thường được sử dụng cho dung dịch khoan 29

Hình 2-2 Min khoan di chuyển trong khoảng không vành xuyén [18] - 34

Hình 2-3 Hình mô tả hình dạng của mô hình 2 lớp trong đường ống ngang [16] 36

Hình 2-4 Mô tả min khoan lang đọng trong giếng khoan [ 10] - 25-55555552 42 Hình 2-5 Các yếu t6 trong mô hình cơ học ba lớp [ 10] -5- +52 s+s+se>s+s+zsss2 43 Hình 2-6 Các lực tác động lên các hạt trong giếng ngang [ 1O] - 25-55555552 46 Hình 4-1 Quy trình tiến hành xây dựng mô hình . - 2 5 252 s+£+£+£s+xseezecsee 62 Hình 4-2 Cấu trúc hình học của khoảng không vành xuyến - 2 255552552 63 Hình 4-3 Cấu trúc hình học đoạn ống trong không gian - + 2555552 5s+s+cscs2 64 Hình 4-4 Mặt vào khoảng không vành XUYEN ¿+2 2552252 £+E+E£E+tvErereerersred 64 Hình 4-5 Mặt ra khoảng không vành XuyẾn - ¿5625222 E+E2E2EEEErkerrrrrerrered 65 Hình 4-6 Thành ngoài khoảng không vành xuyễn - - + 5 + 2 ++x+£+£e+eeeszecree 65 Hình 4-7 Thanh trong khoảng không vành Xuyến ¿2 - 2 5+++52 *+E+E£xzterererreee 66 Hình 4-8 Mặt vào của khoảng không vành xuyén sau khi chia lưới - 67

Hình 4-9 Toàn bộ cau trúc khoảng không vành xuyến được chia lưới - 67

Hình 4-10 Thông số tọa độ của khoảng không vành xuyén trong không gian 68

Hình 4-11 Thông số 6 lưới w.c.cccccccccscscssssesssesesscscsssscscsesscsesscscsesecsesessesesesecsesessessseenese 68 Hình 4-12 Các thông số cơ bản của mô hình wu ceceesesssesessssesessesessescsesscseseescsesesseseseeeees 69 Hình 4-13 Xây dựng mô hình cho quá trình vận chuyển mùn khoan trong khoảng không vành XUYẾN - ¿5£ SE SE S191 1239111211111 2111112111111 11 1111111115111 1.11111111111111 70

Hình 4-14 Thiết lập pha chính - 2 5252292 SE+E+E£EE£E#EEE£EEEE E311 21212121111 72 Hình 4-15 Thiết lập pha rắn - ¿5-5-5225 SE S393 1 E93E1211511211121 2111111111111 73 Hình 4-16 Điều kiện biên của mô hình khoảng không vành XUYEN - 74 Hình 4-17 Vận tốc mặt vào của pha Ì 00 HH ke 75

Hình 4-18 Tỷ lệ thể tích của pha 2 tại mặt VàO - - << SH 1 ke 75Hình 4-19 Điều kiện áp suất mặt ra ¿ - - 52% S121 2E 1 121212111111 1111111 1111111 ty 76Hình 4-20 Điều kiện biên thành ngoài ¿2-2 256252 SE2E+EEE‡EvEEErkersrererrerered 76Hình 4-21 Điều kiện biên thành trong + - + 2252 S£+E+ESE£E£EEE£EvErerrrkerererrersred 77Hình 4-22 Cau trúc mô hình - + ++++++Ex++ExEEEEEktSEkttrttrkrrrkrrrrrrtrrrrrrrrrrkrrrriee 77Hình 4-23 Hình ảnh mặt cắt dọc theo chiều dài khoảng không vành xuyến thể hiện phân

bố của MUN KhOAN ceccccescesescecescecescesescescsceccscescscscscescseescsescsesssescseescseescseescseeseescaeeseaces 78Hình 4-24 Hình ảnh mặt cắt doc theo chiều dài khoảng không vành xuyến thé hiện phân

bố của vận tốc mùn khoann -G- - tt 96191 1E 919191 8 9 51119151111 111151111 11x 78Hình 4-25 Hình ảnh mặt cắt ngang thé hiện vận tốc của min khoan - - 5s: 79Hình 4-26 Hình ảnh mặt cắt ngang thé hiện lang dong mùn khoan -. - - 79Hình 4-27 Mô tả quá trình vận chuyển và lắng dong min khoan doc theo chiều dài thân

Hình 4-28 Đồ thị về vận tốc và phân bố của mùn khoan theo phương thăng đứng tại mộtmặt cắt với vận tốc mặt vào v =I ft/s (0.3048 m/S) sec 1x22 reo 80Hình 4-29 Phân bố mùn khoan dọc theo thân giếng và tại từng mặt cắt khi vận tốc dung

dịch vào là 3 ft/s (0.9144 m/s) - <5 G6 00.0 re 81 Hình 4-30 Hình ảnh từ thí nghiệm tại Viện Nipi, ViefsOVDe€fTO ĂĂĂ S22 82

Hình 4-31 Hình ảnh lắng dong mùn khoan doc theo thân giếng từ mô hình 82Hình 4-32 Mô tả các lớp min khoan trong khoảng không vành xuyến 83Hình 4-33 Hình ảnh mặt cắt thé hiện phân bố lắng dong min khoan trong giếng với vantOC Vi 0 6 FS nnẽn ố ố ố ẽố ố 84Hình 4-34 Vận tốc tối đa của mùn khoan khi thay đối vận tốc dung dịch vào 86Hình 4-35 Anh hưởng của tốc độ quay cần khoan cececcsesccsesessssesessssesseseseseseseseseseesesee 87Hình 4-36 Vector vận tốc tại một điỀm - + E111 9128 1E 511212 Enxgvgerrsei 88Hình 4-37 Đường dòng của mùn khoan trong khoảng không vành XUYEN 89Hình 4-38 So sánh phân bố min khoan ở tốc độ quay 0 RPM và 50 RPM 89Hình 4-39 Phân bố min khoan ở tốc độ quay 50 RPM va 100 RPM - 90

Hình 4-40 Biêu đô thê hiện ảnh hưởng của vận tôc vào và tôc độ quay cân đên mật độ

MUN khoan tối đa ceccecccccceccecccsscescescesscsscescessesscescesecsscsccsssssssssessssscsssssesssssasssesssssssessessceseeses 92

_ DANH SÁCH BANG BIEU

Bang 1-1 Các thông sô ảnh hưởng đền quá trình vận chuyên min khoan 18

Bảng 4-1 Chỉ số dung dịch sử dụng - ¿5-5522 SE SEE E231 E211 2E EEErrrerred 71Bang 4-2 Lang dong min khoan trong giếng ngang với các vận tốc vào khác nhau 85Bảng 4-3 Anh hưởng của vận tốc dung dịch vào đến các yếu tô khác . - 87Bang 4-4Phan bố mùn khoan tại các giá trị vận tốc khi thay đối tốc độ quay của cần 1

——_ MO DAU

Tinh cap thiet cua dé tai

Ngày nay, các giếng khoan ngang đã và đang được phát triển nhằm đáp ứng nhucầu thăm dò, khai thác dầu khí Đi đôi với những ưu điểm của giếng khoan ngangmang lại, rất nhiều yếu tố trong khoan ngang gây ảnh hưởng đến tính hiệu quả củacông tác khoan Môt trong những yếu tổ đó là khả năng vận chuyền min khoan và làmsạch giếng khoan ngang trong khi khoan

Mùn khoan được tạo ra trong quá trình choong khoan phá hủy đất đá và đượcdung dịch khoan mang lên bên mặt trong khoàng không vành xuyến giữa cần khoan vàthành giếng Trong giếng khoan ngang, mùn khoan có xu hướng lắng dọc theo thângiếng ngang, gây nên nhiều khó khăn trong việc vận chuyển mùn khoan nói riêng vàcông tác khoan nói chung Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu vé van đềnảy nhưng chì dừng ờ múc trong phòng thí nghiệm và cũng đưa ra được nhiều kết luận

về van dé lang dong min khoan trong quá trình khoan ngang Vietsovpetro đã di dautrong công tác nghiên cứu quá trình vận chuyển min khoan trong giếng ngang, giếng

có góc nghiêng lớn Nhưng các nghiên cứu tổng quan về quá trình vận chuyển mùnkhoan và lắng đọng mùn khoan trong thân giếng ngang vẫn chưa được thực hiện mộtcách sâu rộng tại Việt Nam nói chung và Trường Đại học Bách Khoa TP, Hồ Chí

Minh nói riêng.

Qua đó có thé thay được việc nghiên cứu quá trình vận chuyển min khoan và lắngđọng của mùn khoan trong giếng khoan ngang là hết sức cần thiết cho công tác khoanthăm dò, khoan giếng khai thác bằng kỹ thuật khoan ngang Xuất phát từ ý tưởng trên,tác giả đã quyết định lựa chọn đề tải “Mô hình hóa quá trình vận chuyển mùnkhoan trong giếng khoan”

Mục tiêu nghiên cứu

- M6 hình hóa quá trình vận chuyên mun khoan va sự lăng đọng của mùn khoan

trong giếng khoan ngang

Khảo sát một số yếu tô ảnh hưởng trong khi khoan đến quá trình vận chuyển mùnkhoan trong giếng khoan ngang

Nội dung nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết về dung dịch khoan và vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan

ngang.

Mô tả bản chất vật lý của quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoanngang và các mô hình tính mô ta quá trình vận chuyển và lang dong min khoantrong giếng khoan ngang

Xây dựng mô hình mô tả bản chất vật lý của quá trình vận chuyển mùn khoanthông qua các phương trình bảo toàn khối lượng và bảo toàn động lượng, cũngnhư các mối tương tác

Nghiên cứu ảnh hưởng cùa một số thông số chính trong khi khoan đến quá trìnhvận chuyền mùn khoan trong giếng khoan ngang

Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp và phân tích các tài liệu có liên quan đến quá trình vận chuyển mùnkhoan trong giếng khoan ngang

Mô hình hóa quá trình vận chuyển min khoan bằng phương pháp số

Ứng dụng phương pháp Thể tích hữu hạn (Finite Volume Method)

Sử dụng phần mềm Ansys Fluent trong quá trình mô phỏng lại quá trình vậnchuyền và lang đọng min khoan trong giếng khoan ngang

Tình hình nghiên cứu có liên quan

Các nghiên cứu ngoài nước

Rât nhiêu nghiên cứu đã được thực hiện nhăm nghiên cứu quá trình vận chuyên

min khoan và lang đọng của min khoan trong giếng khoan ngang Đa số các nghiên

cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm và sữ dụng các phương pháp mô hình hóa nham mồ tả ban chat vật lý cua quá trình vận chuyên mun khoan.

Ford và các đồng nghiệp [1] đã tiến hành thí nghiệm về hiện tượng vận chuyểnmùn khoan trong giếng khoan Mục tiêu chính của thí nghiệm là khảo sát ảnh hưởngcủa vận tốc lên quá trình làm sạch mùn khoan, hiệu quả của quá trình tuần hoàn dungdịch trong việc di chuyển min khoan dưa trên ảnh hưởng của tính chất chat lưu và chế

độ dòng chảy.

Siheman va Becker [2] đã tiến hành thí nghiệm cho quá trinnh làm sạch giếngkhoan đối với trường hợp góc nghiêng của giếng thay đối từ 45-90° Chiều dài của thínghiệm 18.3 m Kích thước của cần khoan là 3 in và 4.5 in cùng với đường kínhtrong của thân giếng là 8 in Thí nghiệm đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quátrình làm sạch min khoan Các thông số về vận tốc dòng chảy, tỷ trọng dung dịch, tínhchất lưu bién, loại dung dịch, kích thước mùn khoan, tốc độ khoan cơ học, tốc độ quaycủa cần Vận tốc dung dich và tỷ trọng dung dịch ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu qua

làm sạch mùn khoan Theo nghiên cứu này, khi tỷ trong dung dịch khoan tăng thì lớp

lang dong min khoan giảm Tốc độ quay cần ảnh hưởng đến quá trình lang đọng rất

nhiêu trong điêu kiện giêng ngang và giêng có góc nghiêng lớn.

Tomren và các đồng nghiệp [3] đã tiến hành thí nghiệm để khảo sát các ảnh hưởngcủa tốc độ quay, góc nghiêng, độ lệch tâm và mô hình dòng chảy lên khả năng làmsạch đáy giếng trong các giếng khoan định hướng Thí nghiệm thực hiện trên mô hình

có chiêu dài 40 ft , đường kính trong thân giếng 5 in , đường kính ngoài của cầnkhoan 1.9 in Các tác giả đã chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng chính đến khả năng vậnchuyển mùn khoan của dung dịch trong các giếng khoan định hướng là vận tốc dungdịch, góc nghiêng và tính chất dung dịch

Duan và các cộng sự [4] đã thực hiện thí nghiệm về quá trình vận chuyển hạt mùnkhoan có kích thước nhỏ Họ đã nghiên cứu hai điều kiện cho hiệu quả vận chuyểnmin khoan (1) Vận tốc tối thiểu cần có dé giúp min khoan di chuyển từ lớp lang đọng(2) Vận tốc tôi thiểu để ngăn không cho mun khoan lắng dong Các tác giả cũng pháttriển mô hình cho lớp lắng đọng và mô hình dự đoán với các kết quả tương đồng vớithí nghiệm thực tế

Peden và các cộng sự [5| đã phát triển mô hình dự báo vận tốc cận chuyển tốithiểu cho min khoan lơ lửng và mtn khoan lăn Các dự đoán tương đồng với thông số

từ thí nghiệm Các tác giả cũng nhận thầy rằng hiệu quả làm sạch giếng khoan tăng khităng độ nhớt dung dịch Hiệu quả làm sạch mùn khoan phụ thuộc vào tính chất chấtlưu và chế độ dòng chảy

Mô hình cơ học ba lớp cũng đã được phát triển bởi Nguyen và Rahman [6] nham

mô hình hóa các lớp mùn khoan lăng đọng trong thân giếng khoan ngang Tuy nhiên,kết quả từ mô hình vẫn chưa được phù hợp lắm với kết quả từ thí nghiệm Các tác giả

đã nghiên cứu ảnh hưởng của các yêu tô đền quá trình vận chuyên mùn khoan.

- Cdc nghiên citu trong nước

Hiện nay việc nghiên cứu, khảo sát quá trình vận chuyển min khoan trong giếngkhoan ngang tại Việt Nam vẫn còn hạn chế trong các Công ty, Xí nghiệp dầu khí cóđiều kiện về cơ sở vật chất và kinh tế Tại các trường đại học, các nghiên cứu liên quanđến quá trình vận chuyển mùn khoan vẫn còn rất ít và chưa được nghiên cứu nhiều,nồi bật có

Luận án tiễn sĩ của TS Phạm Đức Thiện [7| nghiên cứu về sự chuyển động củadòng lưu chất trong các giếng thăng đứng với số liệu thực tế từ các giếng khoan đã

được thực hiện tại ngoài khơi Việt Nam, củng như trong phòng thí nghiệm Tuy vậy,

luận án mới chỉ nghiên cứu cho giếng thăng đứng và chưa xét đến quá trình lắng đọngmùn khoan trong các giếng có góc nghiêng lớn, giếng ngang

Ý nghĩa khoa học và thực tế của luận văn

- _ Hệ thống hóa lý thuyết liên quan đến quá trình vận chuyển min khoan trong giếng

nghiên cứu cho lĩnh vực dung dịch khoan trong trạng thái động, giúp tăng hiệu quả nghiên cứu ngoài thực tê.

Cau trúc luận văn

Mở dau

Khái quát tính cấp thiết, nội dung, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu được

thực hiện trong luận văn.

Chương 1: Tổng quan về vận chuyển man khoan trong giéng khoan ngang

Nội dung của chương này chủ yếu đề cập đến các kiến thức cơ bản về tuần hoàndung dịch, vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan dầu khí nói chung và giếng

khoan ngang nói riêng Các yêu tô ảnh hưởng đền quá trình vận chuyên mun khoan.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về vận chuyển man khoan trong giéng khoan ngangTrình bày các cơ sở lý thuyết về dung dịch khoan, bản chất vật lý của quá trìnhvận chuyển mùn khoan và các mô hình cơ học đã được phát triển nhăm mô hình hóaquá trình vận chuyên mùn khoan trong giếng khoan ngang

Chương 3: Mô hình hóa quá trình vận chuyên man khoan

Trình bày cách xây dựng mô hình mô tả bản chất vật lý của quá trình vận chuyênmin khoan trong khoảng không vành xuyén, các mối tương tác thông qua các địnhluật bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng

Chương 4: Ap dụng mô hình cho quá trình vận chuyển min khoan trong giéng

khoan ngang

Áp dụng quy trình xây dựng mô hình ở Chương 3 để xây dựng mô hình giếngkhoan từ thí nghiệm thực tế nhằm mô hình hóa quá trình lắng đọng mùn khoan trongthân giếng, cũng như sự thay đổi của lớp mùn khoan lắng đọng khi thay đổi một sốthông số

Kết luận và kiến nghị

CH ƠNGI: TONG QUAN VE VAN CHUYEN MUN

KHOAN TRONG GIENG KHOAN NGANG

1.1 Van chuyén min khoan trong giéng khoan dau khi

Tuân hoàn dung dịch trong giếng khoan là một phần quan trong của quá trìnhkhoan giếng khoan dâu khí Hình 1-1 thể hiện một hệ thống khoan xoay thông thường

[8] Choong khoan phá vỡ thành hệ tạo thành các mảnh vỡ được gọi là mun khoan,

dung dịch khoan được bơm qua chuỗi cần khoan và tuần hoàn lại bề mặt thông quakhoảng không vành xuyến mang theo mùn khoan được tạo ra trong quá trình khoanphá trước khi đi qua các thiết bị tách lọc trên giàn khoan [9]

Hình 1-1 Hệ thong tuần hoàn dung dịch thông thường [8]

Khả năng tuần hoàn dung dich dé vân chuyển min khoan của hệ thong tuần hoàndung dịch khoan được biết đến là khả năng vận chuyển của dung dịch khoan hay cònđược đề cập tới là khả năng làm sạch đáy lỗ khoan Khả năng vận chuyển mùn khoancủa dung dịch khoan phụ thuộc vào nhiều yếu tố được dé cập trong Bang 1-1

Việc khảo sát, nghiên cứu các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển minkhoan là vô cùng quan trọng, điều đó ảnh hưởng đến toàn bộ công tác khoan các giếngkhoan dầu khí Khả năng làm sạch đáy giếng khoan thấp dẫn đến nhiều hậu quả xấu,kéo dài thời gian khoan và tăng chỉ phí giếng khoan Một số hậu quả gây ra do khảnăng làm sạch đáy giếng kém [10]:

- Giam ROP

- Tăng momen của chuỗi cần khoan (tốn hao năng lượng)

- Tang luc can

- Nguy co kẹt cần

- Gây khó khăn cho quá trình chống ống và hoàn thiện giếng

- Kho khan cho cong tac do logging

Hiện tượng làm sạch đáy giếng khoan kém là van dé thường hay gặp phải trongcác giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang được minh hoa trong Hình 1-2.Việc lang đọng min khoan trong các giếng khoan từ thăng đứng cho tới các giếngngang cho thấy chỉ có năng lượng của dòng dung dịch khoan là không đủ để làm sạchmùn khoan Hơn thế nữa, khi đột ngột dừng bơm hoặc trong thời gian tiếp cần, quátrình lang đọng của min khoan trong giếng trở nên nghiêm trọng hơn đặc biết là trongcác giếng có góc nghiên lớn Hình 1-2 minh họa quá trình lang đọng min khoan vàhiện tượng kẹt chuỗi cần khoan trong quá trình kéo thả [11]

Quá trình vận chuyển mùn khoan trong khoảng không vành xuyến là rất phức tạp

và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Có rất nhiều nghiên cứu [12] [13] [14] [15] [16]đãchỉ ra một số yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan của dungdịch khoa Trong Bảng 1-1, các tác nhân ảnh hưởng có thé phân thành 3 nhóm chính:Thông số dung dịch, thông số mùn khoan và thông số vận hành:

Bảng 1-1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển mùn khoan

Thông số dung dịch Thông số min Thông số vận hành

Drilipipe =

x i

, Cuttings bed, = Cuttings

l-Hình 1-2 Man khoan lắng đọng trong giếng khoan ngang [4]

Van dé co bản trong khoan ngang là làm sạch hỗ khoan ngang, các kỹ thuật dùng

để rửa lỗ khoan năm trong đoạn thăng đứng khó có thể sử dụng cho trường hợp giếngngang và xiên Trong trường hợp này, lực tác động dé vận chuyển min khoan đã thaydoi.Néu yêu cầu chế độ thủy lực nhỏ nhất dé phá hủy đất đá thì khả năng vận chuyểnmùn khoan sẽ không đạt được và không có hiệu quả trong tuần hoàn dung dịch Điềunày làm ảnh hưởng đến tổng thời gian khoan và trong vài trường hợp còn gây thiệt hại

cho lô khoan.

Dé dam bao van đê này cân có:

- Dung dịch có kha năng tai mun cao nhat có thê

- Khong chế hàm lượng phan tram ran trong dung dich ở một mứcnhat dinh

- Chế độ lưu lượng phù hop

Bản thân giếng khoan ngang luôn tôn tại đoạn ngang, đoạn xiêng và đoạn thăngđứng nên để tải sạch mùn khoan cho giếng thì cần phải đảm bảo: lưu lượng bơm lớn,chế độ chảy rối trong vành xuyến và dung dịch khoan có độ nhớt cao Theo các nhànghiên cứu thì dé đảm bảo tải hết mtn khoan trong đoạn giếng ngang can có vận tốcbăng 1.5-1.8 lần vận tốc ở đoạn thăng đứng

Su tích tu và lắng đọng mùn khoan

Cơ chế dịch chuyển mùn khoan trong các đoạn giếng khác nhau thì khác nhau vàtùy thuộc vào góc nghiêng của giếng (tạo bởi thân giếng và phương thăng đứng) Đặcbiệt đối với các giếng có độ nghiêng lớn hay giếng ngang, hiện tượng lang đọng minkhoan dọc thân giếng diễn ra rất nhanh Một trong những thông số cho phép đảm bảokhả năng rửa sạch tối đa cho thân giếng là lưu lượng bơm và vận tốc dung dịch trongvành xuyến Đây cũng chính là chế độ đảm bảo khả năng tạo dòng chảy rối trong vành

xuyên.

Một thực tế khi khoan các giếng ngang có độ dời đáy lớn thì hầu như bộ cânkhoan lúc này trượt trên thành giếng và do đó khả năng kẹt cần là khả năng luôn luônxảy ra Đặc biệt với giếng khoan ngang khả năng mun khoan lang đọng ở mặt dướithành lỗ khoan là rất lớn nên nguy cơ kẹt cần rất dễ xảy ra Vì vậy công tác vậnchuyển min khoan và rửa sạch lỗ khoan hết sức cần thiết và quan trọng trong công tácthi công giếng khoan ngang.

1.3 Các yếu tố ảnh hướng đến kha năng vận chuyển min khoan trong giếng

khoan ngang

Theo lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng hiệu quả rửa sạch mùn khoan ở đoạngiếng nghiêng và ngang phụ thuộc vào một số yếu tố cơ bản:

- Thông số khoan: tốc độ khoan, lưu lượng dung dịch, loại choong

khoan, toc độ quay của cân, động cơ đáy,

- Hinh dang lỗ khoan: chiều sâu lỗ khoan, góc lệch, đường kính lỗ

khoan, đường kính cần khoan, độ lệch tâm của cân khoan so với 16 khoan,

- Tính chất của dung dịch khoan: tính lưu biến, ty trọng dung dichkhoan, chế độ dòng chảy, vận tốc dung dich

- Đặc điểm của mtn khoan: kích thước hat min khoan, hình dạng

mun khoan, ty trọng mun khoan, mật độ tập trung mun khoan

Mức độ ảnh hưởng của các thông sô kê trên và khả năng kiêm soát các thông sô

này thể hiện qua hình

Lưu lượng |

tuần hoàn

Do lệch tam kích thước va của cần khoan Do nghiêng giếng

Ty trọng Tính lưu bien |

dung dich khoan

Ty trong mùn khoan Tôc độ khoan

cơ họcCân khoan quay |

Chat rưa giêng |

Anh hương đên rửa sạch giêng Kich thước

mun khoan

Kha năng điều khiến tại liện tường m—

Hình 1-3 Những yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển min khoan [5]

Anh hưởng của lưu lượng tuân hoàn dung dịch

Một trong các thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng vận chuyé min khoan

và làm sạch hỗ khoan là vận tốc của dung dịch khoan Vận tốc dung dịch khoan cao sẽphát sinh chế độ chảy rồi, với chế độ dòng chảy này này min khoan sẽ dễ dàng ở trạngthái lơ lửng và dễ vận chuyển lên bề mặt hơn Bên cạnh đó, cận tốc dung dịch khoantrong vành xuyến cao sẽ đòi hỏi lưu lượng bơm lớn và sẽ làm tăng tốn thất áp suất do

ma sát Nhưng nếu vận tốc dung dịch khoan thấp sẽ xuất hiện các hạt mùn khoan langđọng tại mat dưới của thành lỗ khoan, khi lớp min lắng dong dày sẽ gây nên anhhưởng nghiêm trọng đến công tác khoan Do đó, việc xác định lưu lượng phù hợp để

vận chuyên mùn khoan là hêt sức cân thiệt và quan trọng.

Anh hưởng của góc nghiêng của giêng

Là thông số ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển min khoan và làm sạch hỗkhoan Khi góc nghiêng của giếng so với phương thăng đứng càng lớn thì khả năng

vận chuyên mùn khoan lên bê mạt càng khó.

Hình 1-4 Ảnh hưởng của góc nghiêng lên vận tốc vành xuyến tới hạn [6]

Anh huong cua toc độ khoan cơ hoc, ROP

Tốc độ khoan co học càng lớn thì mùn khoan được tạo ra càng nhiều Do đó nếu takhoan với tốc độ khoan quá cao thi sẽ xảy ra tình huéng: ban dau giếng sẽ được khoanrất nhanh, nhưng đến một lúc nào đó lượng min khoan hình thành quá nhiều so vớikhả năng vận chuyển của dòng dung dịch, lúc này mùn khoan sẽ lăng đọng, tích tụtrong giếng tạo thành các nút mùn khoan Nếu ta vẫn tiếp tục khoan thì bề dày của cátnút này càng lớn và đến một lúc nào đó sẽ làm kẹt cần Còn nếu khoan quá thấp sẽ ảnhhưởng đến tính kinh tế của giếng khoan Do đó cần phải tính toán để có tốc độ khoanphù hợp nhất [17]

Anh hưởng của tính lưu biến của dung dich

Không có dé xuất đơn lẻ nào cho loại dung dịch với tính chất lưu biến tốt nhất,phù hợp nhất cho quá trình vận chuyển mùn khoan Nguyen và Rahman đã đồng ý vớithí nghiệm của Peden và các đồng sự về tỷ trọng dung dịch càng cao cho hiệu quả tốthơn khi vận chuyển mùn khoan trong giếng ngang Tương tự như vậy Tomren và các

đồng sự cũng đề cập đến chế độ dòng chảy, dung dịch với độ nhớt cao mang lại hiệuquả cao trong vận chuyển mun khoan [6] [5] [15]

Mặc dù vậy, ở một góc nhìn khác, Huyn Cho và các cộng sự cho rang dung dịchvới độ nhớt thấp gây ra dòng chảy rỗi có kết quả tốt hơn trong vận chuyển min khoan.Pilehvari và đông nghiệp dé xuất chế độ chảy rối trong giếng nang và giếng có độnghiêng lớn sẽ giúp vận chuyển mùn khoan tốt hơn Bên cạnh đó, Leising và Waltoncho rằng trong vấn đề làm sạch lỗ khoan, dung dịch độ nhớt thấp với chế độ chảy rốităng hiệu quả vận chuyển mùn khoan hơn dung dịch độ nhớt cao với dòng chảy tầng.Trước đó, Brown và sau đó Y Li đã kết luận rằng nước là dung dịch tốt nhất cho việc

di chuyển min khoan trong giếng ngang với giả thiết răng máy bơm có thé cung cấplưu lượng cần thiết [18] [19] [20] [21] [22]

Anh hưởng của tỷ trọng dung dịch

Dung dịch có tỷ trọng càng lớn thì lực đây Acsimet lên một đơn vị thể tích mùnkhoan càng lớn, điều này giúp min khoan được lơ lửng Theo Nguyen va Rahman, tỷtrọng dung dịch có ảnh hưởng lớn đến quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếngngang và giếng có góc nghiêng lớn; bên cạnh đó Y Li cho rằng tăng ty trọng dungdịch giúp giảm chiều cao của lớp lắng đọng Kelessidis và Bandelis cũng để xuất rằngtăng vận tốc dung dịch và tỷ trọng dung dịch giúp hiệu quả vận chuyển mùn khoan caonhất Tuy nhiên việc tăng tỷ trọng lại ảnh hưởng đến công suất bơm và áp suất đất đá

thành hệ [6] [20] [23]

Anh hưởng của tỷ trọng và kích thước min khoan

Trong công nghiệp dau khí, tỷ trọng của min khoan cát, sét, cát kết thường nằmtrong khoảng 2.2-2.9 SG (18.35-24.2 ppg) Min khoan với tỷ trọng cao sẽ có vận tốctrượt cao hơn và tốc độ lăn nhanh hon mun khoan có tỷ trọng thấp Vì tỷ trong minkhoan không thay đối nhiều nên ảnh hưởng của tỷ trọng dung dịch khoan trong quátrình vận chuyển mùn khoan được xem là không đáng kê

Kích thước min khoan từ 0.09 — 0.30 in được xem làm phô biến trong khoan.Durand cho rằng mùn khoan có kích thước nhỏ hơn 0.06 (0.15 mm) thì được bao phủ

bởi dung dịch khoan sẽ có vận tốc lang dong rat thap Khi mtn khoan có kích thước

quá lớn hay quá nhỏ đều không tốt cho vận chuyển Khi kích thước min khoan tăngtrong khoảng vừa phải sẽ tạo diện tích dé tăng lực đây Acsimet giúp thuận lợi cho quátrình vận chuyển mùn khoan

Anh huong cua do léch tam

Trong đoạn giếng thăng đứng thi cần khoan dễ dat vị trí đồng tâm với trục giếngkhoan, thế nhưng trong đoạn giếng ngang do tác dụng của trọng lực lên cần khoan nêncần khoan có xu hướng lệch xuống phía dưới lỗ khoan Khi đó vận tốc dòng dung dịchbên dưới cần khoan rất thấp nên mùn khoan ở vị trí này lắng đọng rất nhanh

Tuy nhiên thông số độ lệch tâm của cần khoan so với giếng khoan là một thông sốrất khó kiểm soát, thường trong quá trình khoan các kỉ sư khoan sẽ hạn chế sự lệchtâm này băng cách sử dụng các thiết bị định tâm

Anh hưởng của tốc độ quay cần khoan

Theo lý thuyết Taylor cho rằng, khi một ông quay bên trong một ống khác ở mộttốc độ nhất định sẽ phát sinh trong vành xuyén các vòng xoáy Chính nhờ các vòngxoáy này làm cho mùn khoan lắng đọng ở thành bên dưới trong đoạn ngang này có xuhướng bị cuốn lên trên Và cũng nhờ lực xoáy này góp pan giúp dòng chảy trongkhoảng không vành xuyến dé dat được trạng thái chảy rỗi hơn giúp vận chuyển minkhoan tốt hơn Nếu tốc độ quay của cần càng lớn thì khả năng lắng đọng của mùn

khoan càng nhỏ vi lúc này lực Taylor hình thành càng lớn [24]

Do đó khả năng rửa lỗ khoan của giếng sẽ gia tăng nếu ta tăng tốc độ quay của cânkhoan Tuy nhiên van dé vé gia tăng tốc độ quay của cần khoan lại gặp khó khăn vikhả năng quay của cần trong đoạn giếng ngang là giới hạn do khi cần khoan quay làmt8ang moment xoắn và có khả năng gây gãy cần khoan Mặt khác nếu cần khoan quay

nhanh thì tổn thất áp suất bên ngoài vành xuyến sẽ gia tăng đáng kể Do vậy việc giatăng tốc độ quay của cần khoan trong khoan ngang cần hết sức được lưu ý.

1.4 Kết luận

Trong ngành công nghiệp dầu khí hiện nay, kỹ thuật khoan ngang đang ngay càngphát triển với nhiễu ưu điểm nỗi bật so với kỹ thuât khoan giếng thang đứng Nhưng đikèm với đó là những rủi ro, khó khăn có thé gặp phải trong quá trình khoan dễ xảy rahơn Một trong những van dé cực ky quan trọng trong khoan ngang là vân chuyển minkhoan và ;àm sạch lỗ khoan, việc nghiên cứu, khảo sát quá trình lắng đọng và dichuyển của min khoan trong thân giếng cũng như ảnh hưởng của các thông số khoan

cơ ban dén hiệu quả vận chuyên mun khoan cân được thực hiện.

- Tính lưu biến của dung dich khoan là thông số quan trong trong vậnchuyển mùn khoan Dung dịch có độ nhớt cao sẽ hiệu quả hơn trong việc vậnchuyển min khoan, bên cạnh đó chế độ chảy rỗi cũng giúp quá trình làm sạch lỗkhoan tốt hơn

- Min khoan có ty trọng càng lớn càng khó van chuyén Min khoan

có kích thước vừa phải giúp thuận lợi cho việc vận chuyển và nâng mùn khoan lơ

lửng.

- Vận tốc cơ hoc trong khi khoan anh hưởng lớn đến quá trình vậnchuyển min khoan Vận tốc cơ học cao yêu cau lưu lương bơm lớn dé vận chuyển

mùn khoan.

- Tốc độ quay của cần khoan giúp tăng hiệu quả vận chuyển min

khoan , tuy nhiên trong các giêng nang cân chú ý dén momen xoăn trên can khoan.

CH ƠNG?2: CO SO LY THUYET VE VAN CHUYEN MUN

KHOAN TRONG GIENG KHOAN NGANG

2.1 Ly thuyết co bản về chuyền động cúa dung dịch khoan

Dé hiểu được bản chất của quá trình vận chuyền min khoan trong khoảng khôngvành xuyén, trước hết ta phải nam được các lý thuyết cơ bản của dung dịch khoan Vìđiều kiện hạn chế nên ở đây chỉ nêu lên những nội dung cốt lõi cơ bản

2.1.1 Chế độ dòng chảy

Chế độ dòng chảy của dung dịch khoan có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vậnchuyển mùn khoan và được chia làm hai loại là: chảy tầng và chảy rối Chế độ dòngchảy của dung dịch khoan trong khoản không vành xuyến phụ thuộc vào vận tốc chấtlưu, kích cỡ, hình dạng của khoảng không vành xuyến, tỷ trọng và độ nhớt dung dịchkhoan Ranh giới giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối được gọi là trạng thái chuyểntiếp Dòng chuyền tiếp chứa cả tính chất của cả 3 chế độ chảy tầng và chảy rối

Trong quá trình khoan, sự quay của cần khoan có thể tạo nên chế độ chảy rối choquá trình tuần hoàn dung dịch Khi vận tốc dòng chảy thấp, dung dịch có độ nhớt caothì chế độ dòng chảy lúc bay giờ trong giếng khoan là chế độ chảy tầng và ngược lạikhi vận tốc dòng chảy cao, dung dịch khoan có độ nhớt thấp thì sẽ xuất hiện dòng chảyrồi Do đó, chế độ chảy rối đòi hỏi lưu lượng bơm phải lớn

Ranh giới chuyền tiếp giữa chế độ chảy tầng và chảy rối được kiểm soát bằng lựcdính và lực quán tính Trong chế độ chảy tầng, lực dính trội hơn so với lực quán tính.Còn đối với chế độ chảy rối thì lực quán tính đóng vai trò quan trọng hơn Tỉ số giữalực quán tính và lực dính được biết đến qua hệ số không thứ nguyên Reynold Đối vớidòng chảy trong khoảng không vành xuyén, hệ số Reynold được xác định theo công

thức:

(Dyote = Pie VP

D„¿c đường kính 16 khoan

Dpipe đường kính ngoài cần khoan

V vận tốc dòng chảy

Ø ty trong của dung dịch khoan

ư độ nhớt của dung dịch khoan

Ranh giới chuyển tiếp từ dòng chảy tầng sang dòng chảy rối đối với dung dichkhoan thường có hệ số Re từ 2000-4000

2.1.2 Ứng suất trượt (Shear stress)

Ứng suất trượt là lực cần thiết để duy trì dòng chảy ở một vận tốc nào đó và được

đo băng lực chia cho một đơn vị diện tích Do đó, ứng suất trượt được xác định theo

công thức

(2.2)

¬ Ï > |

2.143 Vận tốc trượt (shear rate)

Vận tốc trượt được định nghĩa là gradient vận tốc tính trên đường kính của khoảngkhông vành xuyến Và được thể hiện qua biểu thức

_ AV (2.3)

ám

Đôi với chât lỏng

2.1.4 Độ nhớt và độ nhớt biểu kiến (Viscosity and apparent viscosity)

Độ nhớt của chất lỏng được định nghĩa là tỷ sỐ giữa ing suất trượt (z ) và vận tốc

trượt

(26)

“sa

Don vi do cua do nhot la dyne-s/cm” hay Poise 1 Poise là độ nhớt quá lớn nên

người ta thường sửa dụng đơn vi là Centipoise (cp)

Độ nhớt biểu kiến là độ nhớt của dung dịch được tính sau khi đã hiệu chỉnh vậntốc trượt theo nhiệt độ Ngoài độ nhớt biểu kiến còn có thể được tính thông qua cácthông số lưu bién học được đo bang các máy đo lưu biến Đối với dòng chất lưu chảytrong khoảng không vành xuyến thì độ nhớt biểu kiến còn được tính theo công thức

sau đây:

VcritM„=PV+

2.1.5 Chất lỏng Newton và phi Newton

Dung dịch khoan được phân loại theo cách ứng xử lưu biến học của chúng Loạichất lưu mà độ nhớt không thay đổi khi vận tốc trượt thay đối được gọi là chất lưuNewton và ngược lại độ nhớt chất lưu thay đổi khi vận tốc trược thay đôi gọi là chất

lưu phi Newton.

Shear Stress (r)

Shear Rate (y)

Hình 2-1 Các mô hình lưu biến thường được sử dung cho dung dịch khoan

Mô hình chất lỏng dẻo Bingham

Hai thông số lưu biến cơ bản được sử dụng trong mô hình chất lỏng dẻo Bingham

là độ nhớt dẻo (Plastic Viscosity PV) và Yeild Point (YP) Phương trình mô tả chất

lỏng dẻo Bingham như sau:

T=YP+PVxy (2.8)

Mô hình chất long hàm mii (Power Law Model)

Mô hình chat lỏng ham mũ diễn ta sự cắt trượt của dòng chảy và cho dung dịchkhoan giả dẻo Mô hình chất lỏng ham mũ được thé hiện qua đồ thị bên trên Hình

Và được biểu diễn qua phương trình

Mô hình Herschel-Bulkley còn được gọi là mồ hình hiệu chỉnh cho mô hình hàm

mũ Mô hình này diễn tả dòng chảy của dung dịch khoan giả dẻo nó đòi hỏi một ứngsuất đàn hồi để quay về trạng thái dòng chảy ban đầu Mô hình chất lỏng Herschel-Bulkley được thé hiện qua đồ thị trên Hình

Và được biểu diễn qua phương trình

rz=7,+Kx7' (2.10)

2.2 Van dé lién quan dén hat ran

Khối lượng riêng, kích thước, hình dạng và bé mặt của các các hat ảnh hưởng đến

khả năng chuyển động của chúng trong dòng chảy Trong các nghiên cứu khác nhau,các kích cỡ và mật độ hạt khác nhau được sử dụng cho mùn khoan, nhằm đơn giảnhóa, mùn khoan thường được giả thiết có dạng hạt cầu với kích thước và khối lượngriêng xác định Khi đó hạt ran không làm hư hỏng bề mặt ống, điều đó là cần thiết dé

xác định độ gỗ ghé, độ nhám của thành ống khi tính toán ma sát Hình dạng hạt cũng

có thể cho thấy ảnh hưởng đến độ nhớt hiệu dụng của hỗn hợp mùn khoan và dungdịch trong lý thuyết tính toán bằng cách sử dụng cá phương pháp đơn giản hóa [25].Khi min khoan được vận chuyển trong thân giếng và lên đến bề mặt, thôngthường có bốn lực chính tác động lên chúng: ; lực trọng trường (gravitational force),lực ma sat (frictional force), lực kéo (drag force) va lực nâng (lift force) [18] Tat cacác lực đều bị anh hưởng bởi các đặc tính của hạt mùn khoan và tính chất của dungdịch Để hiểu một cách dễ dàng chế vận chuyển mùn khoan, các lực được phân thànhhai nhóm, lực lắng và lực vận chuyển Trong từng nhóm sẽ được chia thành các nhóm

nhỏ hơn [26]

Các lực lang

- _ Lực trọng trường làm cho mtn khoan có xu hướng lắng xuống theo phương trongtrường và hình thành lớp lang đọng

- Luc ma sát là các lực được sinh ra khi các lớp chất lỏng và các thành phân vật liệu

trượt lên nhau sinh ra phản lực chồng lại sự di chuyển đó Các lực này tác động

chong lại sự di chuyên cua mun khoan.

Lực vận chuyền

- Lực nâng giúp nâng min khoan và vận chuyên chúng trong dòng chảy

- Luc kéo làm cho min khoan lăn và tách ra khỏi lớp lăng đọng, di chuyền hạt rannhờ vào độ nhớt của dung dịch Các lực này chồng lại sự lang dong cua mun

m/s [27]

Các nghiên cứu đã được thực hiện với dòng chảy hai pha lỏng-hạt ran trong đườngống cho thấy sự hình thành của các lớp lắng đọng Lớp lăng đọng ảnh hưởng bời chế

độ dòng chảy, ton thất áp, sự lang đọng và sự xói mòn [28] H.A rabenjafimanantsoa

và các cộng sự đã kết luận rang mối liên quan giữa sự chênh áp và vận tốc dòng chảy

là cơ chế chính cho việc xác định chế độ dòng chảy [27]

Tương tác giữa hạt với hạt

Sự tương tác giữa hat với hạt kiểm soát việc chuyển động của các hạt trong dòng

chảy hai pha long-ran Khi mat độ hạt tăng cao, các hạt va cham lẫn nhau và làm mat

năng lượng chuyển động vì vậy sự va chạm liên hạt không thể được bỏ qua Trong

dòng chảy đa pha động, hai hiện tượng được xác định [29].

- Sự va chạm, chỉ đơn thuần là tương tác trong thời gian ngăn

- Su liện hệ, tương tác trong khoảng thời gian dài.

Tương tác giữa hạt và thành ống.

Dé phân tích sự tương tác giữa hat và thành ống của dòng chảy hai pha lỏng-rắntrong đường ống là một thách thức Sự tương tác giữa các hat và thành ống có hai loại:tương tác thủy động lực học do sự gần nhau của thành ống và tương tác cơ học dẫn

đến sự tiếp xúc với thành ống Một ví dụ về sự tương tác thủy động lực là lực nâng do

vận gradient vận tốc gần thành ông Sự tương tác thủy động lực có thé bỏ qua nếuquán tính hạt đủ lớn đến mức va chạm xảy ra trong một khoảng thờn gian ngăn hơn so

với thời gian của tương tác thủy động lực [29]

Khi một hạt lớn va chạm với thành ống, nó sẽ hồi phục với động nang it hon do

ma sát và các hiệu ứng đàn hồi Với các hạt rat nhỏ tương tác với thành ống, các lựcphân tử trở nên lớn hơn so với các lực quán tính Kết quả là các hạt nhỏ bị giữ lại trên

thành ống, do lực gan kết Lực gan kết được xác định là “lực Van der Waals” và lực

này ngăn không cho các hạt rơi xuống hoặc trượt dọc theo thành ống [29]

2.3 Mô hình lắng đọng dung dịch khoan trong giếng ngang

Như đã dé cập trong Chương 1, trong đoạn giếng ngang với góc lệch lớn từ 60-90°mùn khoan có xu hướng lăng xuống mặt dưới của thân giếng khoan Một số nghiêncứu đã đề xuất các mô hình nhằm mô tả sự hình thành các lớp mùn khoan lắng đọngtrên thành giếng khoan

Mỗi mô hình và tốc độ dòng chảy khác nhau ảnh hưởng đến sự chuyển động củacác hạt mùn khoan khác nhau trong khoảng không vành xuyến và chúng phụ thuộc vàocác yếu tô ảnh hưởng Các dạng sau đây mô tả một cách đơn giản sự chuyền động củamin khoan trong khoảng không vành xuyén màu trang, với cần khoan màu vàng vàthành lỗ khoan màu đen Cách mô tả này đã được giới thiệu bởi nhiều nhà nghiên cứu

như Ford năm 1990, Huyn Cho năm 2000, Nguyen & Rahman 1998: [6] [18]

Hat mun khoan

Lo lửng

Di chuyén

Đứng yên Trượt

Hình 2-2 Man khoan di chuyển trong khoảng không vành xuyến [18]

(1) Lo lửng đồng nhất (Homogenous suspension) — tat cả mùn khoan phân tántrong khoảng không vành xuyén

(2) Lo lửng không đồng nhất (Heterogeneous suspension) — mun khoan lơ lửngnhưng tập trung nhiễu ở phan dưới của thân giếng

(3) Lo lửng và lớp lang di chuyển (Suspension and moving bed) — min khoan chủyếu được vận chuyền chủ yếu ở phía dưới của thân giếng và bat đầu hình thành chuyểnđộng chống lại lắng đọng ở dưới.

(4) Lớp lắng di chuyển (Moving bed) — tất cả min khoan đều di chuyển nhưng kết

tụ lại ở phía dưới thân giếng

(5) Lớp lăng di chuyén/ đứng yên (Moving/stationary beds) — môt phan nhỏ minkhoan lang lại, đứng yên bên dưới thành giếng và một lớp bên trên di chuyển

(6) Dun min khoan (Dune movement) — min khoan vẫn di chuyén nhung tu thanhdun, di chuyên ở phía trước va roi ở phía sau dun Diéu này diễn ra liên tục làm chotoàn bộ đụn chuyển động

(7) Mun khoan trượt (Boycott transportation)— đối với các thân giếng có gócnghiêng gan như thăng đứng, ảnh hưởng của trọng lực làm cho min khoan rơi xuống

và dòng chảy thì hướng mùn khoan đi lên Mùn khoan ở gần thành giếng sẽ trượtxuống do vận tốc dòng chảy tại gần biên thấp Min khoan càng gan tâm của khoảngkhông vành xuyến sẽ di chuyển nhanh hơn và mùn khoan giữa hai lớp dòng chảy sẽ dichuyển với tốc độ trung bình (Yanssin 1993) Hiện tượng này lần đầu tiên được đề cậpbởi Boycott năm 1920 khi ông nhận ra các tế bào máu trong các ống nghiêng langđọng nhanh hon trong ống thăng đứng

(8) Lớp đứng yên (Stationary bed) — điều đặc biệt trong giếng ngang là khi dòngchảy không thé mang tat cả min khoan, chúng bắt đầu lang và không di chuyển Lưulượng thấp trong khoảng không vành xuyến làm gia tăng lớp mùn khoan đứng yênkhông mong muốn và lưu lượng cao được yêu câu để tăng hiệu quả vận chuyển mùnkhoan tránh hiện tượng lăng đọng

2.3.1 Mô hình cơ học 2 lớp

Kamp và Rivero giới thiệu mô hình cơ học 2 lớp cho việc tính toán chiêu cao của lớp lăng đọng mùn khoan và vận tôc vận chuyên mùn khoan ở các tôc độ khoan cơ học

khác nhau trong giếng khoan ngang [30] Hình 2-3 mô tả hai lớp cơ bản trong môhình gồm (a) lớp không đồng nhất có bề dày h, và (b) lớp lăng đọng với chiều dày b.

- Pon giản hóa việc mô tả hiện tượng vật lý gan với quá trình vận chuyển minkhoan băng cách chỉ đưa vào xem xét 2 dạng phân lớp mùn khoan dạng (3) với môhình 1 chiều dọc theo chiều dài giếng và mô hình 2 chiều tại các mặt cắt dọc theođược cho là giống nhau

- _ Các thông số cơ bản của mô hình bao gồm vận tốc tại mỗi mặt cắt của từng lớp,ứng suất trượt và các lực tác động lên hạt mun khoan cũng như tỉ lệ phân tan của

hạt.

Hình 2-3 Hình mô tả hình dạng của mô hình 2 lớp trong đường ống ngang [16]

Trong hình, lớp bên trên là một lớp không đồng nhất (h), bao gồm các hạt mùnkhoan phân tán trong dung dịch Dưới đáy của vành xuyến là tích tụ của các hạt mùnkhoan tạo thành lớp lăng đọng (cuttings bed) (b) Lớp không đồng nhất có mặt catngang là A¡ và lớp lang đọng có mặt cắt là Ay

Mật độ mùn khoan trong lớp không đồng nhất được mô tả bằng Ch, trong khi mật

độ mùn khoan trong lớp lắng đọng ở đáy được xác định là Cụ Hơn thế nữa, vận tốccủa lớp không đồng nhất là Vụ và vận tốc của lớp lang đọng là Vụ Gia thiết rằng vậntốc của lớp không đồng nhất và lớp lắng đọng có phương theo phương ngang cùng vớitrục Z trong thân giếng Diện tích tiếp xúc giữa hai lớp gọi là S¡

Phương trình cân bang vật chat của hạt rắn trong lớp không đồng nhất được viết: