Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 8 pdf

- 99 - Đối với ống cỡ từ 4 1 2 đến 7 5 8 bớc ren 5 vòng ren/in, độ côn 1 96 . Đối với ống cỡ 10 3 4 ở mối nối có 2 mặt tiếp xúc căng A và B đảm bảo mối nối có độ kín tuyệt đối. Ưu điểm của kiểu ống Extremline: Kín tuyệt đối, hiệu quả mối nối rất cao (92100%). Thi công rễ dàng vì đờng kính mối nối ít thay đổi so với thân ống. 4.1.3.2. Cấu trúc phần dới của cột ống chống : Để chống ống dễ dàng và trám xi măng đạt chất lợng cao thì phần dới cột ống chống phải đợc cấu tạo đặc biệt. Chúng gồm có các bộ phận: Để ống chống, van ngợc, vòng dừng, định tâm, chổi quét màng voẻ sét. 1. Đế ống chống : Đế ống chống đợc tạo thành bởi 3 chi tiết lắp nối vào nhau, đó là: a/ Đầu định hớng(1) Làm nhiệm vụ dẫn hớng cho cột ống chống đi xuống, không cho ống cắt đất đá trên thành lỗ khoan. Đầu định hớng đợc chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau (gang đúc, xi măng đúc, gỗ) (xem hình vẽ 8) a) b) c) Hiện nay đầu định hớng bằng gang đúc đợc sử dụng nhiều nhất. 3 2 1 1 1 - 100 - b/ Chân đế: (2) Là ống thép dày: 1519mm, dài 300600mm. Đầu dới tiện ren để vặn vào đầu định hớng bằng gang hay bê tông đúc: hoặc để trơn khi dùng đầu định hớng bằng gỗ. Đầu trên có ren trong để nối với phần dới của ống chân đế. Chân đế chịu toàn bộ tải trọng tác động lên phần dới của ống chống. Là khâu nối giã đầu định hớng và ống chân đế. c/ ống chân đế:(3) Là đoạn ống thép thành dày dài: 1,52m, tiện ren 2 đầu. Đầu dới nối với chân đế, đầu trên nối với ống chống. Sau khi lắp phải hàn lại để tránh tự tháo. Trên ống chân đé có khoan các lỗ thoát để lu thông dung dịch và dung dịch xi măng trám đề phòng đầu định hớng bị tắc khi đáy giếng khoan nhiều mùn. Kích thớc tiết diện ngang của các lỗ thoát bằng diện tích tiết diện của các ống dẫn dung dịch xi măng đến đầu bơm trám. 2. Van ngợc: Dùng để giảm bớt trọng lợng trên móc nâng khi thả ống, đẩy dung dịch bẩn bên ngoài ống chống lên trên mặt, không cho dung dịch xi măng chảy ngợc vào bên trong ống chống. Van ngợc đợc lắp ở phía trên đế ống chống. Có nhiều loại van ngợc; dạng đĩa, dạng bi. Hiện nay dạng van đĩa đợc sử dụng nhiều nhất (xem hình vẽ 9) 1 - đế van 2 - đĩa van 3 - thanh đẩy 4 - lò xo 5 - êcu hãm Các lỗ khoan xuất hiện khí thì dù thả ống chống đến độ sâu nào cũng nhất thiết phải lắp van ngợc để tránh hiện tợng phun trong quá trình chống ống cũng nh trám xi măng. 2 1 3 4 5 - 101 - Vì lắp van ngợc nên bên trong không có nớc rửa. Bởi vậy cứ thả khoảng 100200m thì nên đổ nớc rửa vào bên trong ống chống nhằm tránh áp lực bên ngoài có để đạt tới giá trị làm bóp méo ống hoặc hỏng van ngợc. 3. Vòng dừng: Là một vòng bằng ngang, dày 1520mm, đợc lắp trong mupfta của ống chống cách đáy một khoảng h = 2030m. Công dụng của vòng dừng là giữ lại các mút trám xi măng phục vụ cho công tác bơm trám. Vòng dừng đợc lắp đặt ở độ cao nh vậy là để ngăn lại lợng dung dịch xi măng cuối cùng (có lẫn bùn sét) không bị ép ra ngoài ống chống. 4. Vòng định tâm ống chống: Công dụng là để định tâm cột ống chống không cho cột ống tựa vào thành lỗ khoan, tạo cho vành đá xi măng trám đồng đều xung quanh cột ống chống, nhằm nâng cao chất lợng trám xi măng. Có nhiều loại định tâm khác nhau (xem hình vẽ 10) Loại có bản thép thẳng đứng (a), loại có bản thép uốn khúc b, loại có bản thép uốn cong(c). 5. Chổi quét màng vỏ sét Công dụng: Cao sạch lớp vỏ sét bám trên thành lỗ khoan khi thả ống chống nhằm tạo rự dính kết tốt giữa xi măng trám với đất đá thành lỗ khoan. Cấu tạo của chổi quét màng vỏ sét gồm 2 dạng chính, loại thẳng đứng (a), loại nằm ngang (b), xem hình 11. Loại thẳng đứng làm việc bằng cách quay cột ống chống khi thả. - 102 - Loại nằm ngang làm việc bằng cách dạo lên dạo xuống cột ống chống. Ngoài ra còn lại chổi quét kết hợp với vòng định tâm mang lại hiệu quả cao nhất hiện nay. Hình : Chổi quét màng sét a. Loại thẳng đứng b. Loại nằm ngang 4.1.3.3. Đầu ống chống a/ Công dụng: Là thiết bị bề mặt đợc lắp ở phần trên cùng của cột ống chống nhằm treo các cột ống và làm kín các khoảng không vành xuyến giữa chúng và kiểm tra áp suất tại các khoảng vành xuyến tơng ứng. b/ Cấu tạo và lắp ráp: 5 4 6 3 1 2 Hình 5.6 Đầu ống chống 1. Mặt bích đơn 2. ống dẫn hớng 3. Mặt bích kép 4. Chấu chèn 5. Đệm cao su 6. ống dẫn Việc lắp ráp đầu ống chống đợc tiến hành theo từng bớc. Sau khi khoan và chống, trám xi măng xong ống dẫn hớng (2), chúng đợc treo trên mặt bích đơn (1) bằng ren hoặc bằng hàn. Trên mặt bích đơn (1) sẽ làm bệ để lắp đối áp để khoan tiếp khoảng sau đó. Sau khi đã khoan xong cột ống trung gian tiến hành theo thiết bị đối áp. - 103 - Tiến hành chống ống và trám xi măng cột ống trung gian (6). Sau khi trám xi măng cột ống (6) thì trên mặt bích đơn (1) ta lắp mặt bích kép (3) để treo cột ống trung gian (6). Bên trong của mặt bích kép có dạng êm để lắp chấu chèn (4) xiết chặt và giữ ống trung gian và bịt kín nhờ vòng đệm cao su (5). Lỗ thoát (7) thông ra áp kế cho phép kiểm tra áp suất giữa 2 cột ống (2) và (6). Cứ nh vậy cho đến cột ống chống củaối cùng.(xem hình vẽ 12). Ngời ta đã chế tạo ra những đầu ống chống chịu đợc những áp suất tơng ứng. 4.1.4. Tính toán ứng lực tới hạn của ống chống 4.1.4.1. Tính toán độ bền kéo của ống chống Nói chung đối với ống chống thì độ bền kéo ở mối nối bao giờ cũng thấp hơn ở thân ống, đặc biệt ở đầu nối ren. Do vậy trên thực tế ngời ta chỉ tính ứng lực kéo tới hạn làm đứt hoặc làm tuột mối nối ren. Các ống theo quy chuẩn của Nga (GOCT) thì ứng lực làm đứt hoặc tuột mối nối ren đợc tính theo công thức sau: P đ = . D tb . b . C 1 + D tb 2l cotg + (Iarkovlev) Trong đó: D tb - Đờng kính trung bình của ống đo ở vòng ren thứ 5 b- Bề dày của ống đo ở chân của vòng ren đầu tiên nằm trong đoạn ăn khớp (b = - h - 0,05cm). - bề dày của thành ống chỗ không tiện ren h - Chiều cao của ren. l - Chiều dài làm việc của ren. - Góc tạo thành giữa cạnh của ren và trục của ống = 62,5 0 - Góc ma sát giữa kim loại và kim loại , = 18 0 C - Giới hạn chảy của thép làm ống. + Hệ số an toàn khi kéo (n 1 ) là tỷ số giữa ứng lực làm đứt mối nối và trọng lợng toàn bộ cột ống chống. - 104 - n 1 = P đ Q (trong đó P đ tra bảng) - Các ống chống theo qui chuẩn API có n 1 = 1,75 - Các ống chống theo qui chuẩn của Nga GOCT nh sau: D < 219mm n 1 = 1,15 cho tới độ sâu L 3500m n 1 = 1,30 cho tới độ sâu L >3500m D 219mm n 1 = 1,25 cho tới độ sâu L 2000m n 1 = 1,41,5 cho tới độ sâu L >2000m 4.1.4.2 Tính toán ứng lực tới hạn bóp méo ống chống. Đối với các loại ống đợc chế tạo theo GOCT ứng lực bên ngoài tới hạn bóp méo ống chống đợc tính theo công thức sau đây: (P bm ) P bm = 1,1k min C + Ek 0 2 (1 + 3e 4f 3 k min )- [ C +Ek 0 2 1 + 3e 4 3 k min ] 2 - 4Ek 0 2 . C (Sarkisov) Trong đó : C - Giới hạn chảy của thép ống, KG/cm 2 - Bề dày của thành ống chống, cm D - đờng kính định mức của ống chống, cm K 0 = 0 D ; k min = min D ; = 0 min ; min = 0,875 0 = 0,0903 E - modul đàn hồi của thép = 2,06 . 10 6 KG/cm 2 e - Độ ôvan của ống; Với ống 114 146 mm lấy e = 0,025 với ống lớn hơn lấy e = 0,02. + Hệ số an toàn đối với áp suất bên ngoài làm bóp méo ống chống đợc ký hiệu là n 2 và xác định bằng công thức sau: n 2 = P bm P dn 1,3 1,5 Trong đó: P bm - áp suất tới hạn bóp méo ống.(tra bảng) P dn - áp suất d bên ngoài ống. - 105 - 4.1.4.3. Tính toán ứng lực tới hạn bên trong làm nổ ống. áp suất tới hạn bên trong làm nổ ống đợc xác định bằng công thức của Barlov sau đây: (P T ) P T = 2 e . min D , KG/cm 2 (Barlov) ống sản xuất theo qui chuẩn GOCT + Hệ số an toàn đối với áp suất bên trong làm nổ ống đợc gọi là n 3 và đợc tính nh sau: n 3 = P T P đt 1,3 1,5 trong đó P t (tra bảng) P dt - áp suất d trong Đơng nhiên điều kiện làm việc phức tạp thì lấy hệ số dự trữ bền cao hơn ở điều kiện ít phức tạp. 4.1.5. Tính toán bền cột ống chống. Tính bền cột ống chống có nghĩa là tính chiều dài từng đoạn ống, bề dày thành ống, mác thép, đảm bảo độ bền của ống chống trong suốt qua trình làm việc của giếng khoan. Đồng thời đảm bảo giá thành hạ nhất với sự tiêu hao vật liệu thép ống tối thiểu. 4.1.5.1 Phơng pháp tính toán bền cột ống chống trung gian Phơng pháp tính toán cột ống trung gian phụ thuộc vào: mục đích, điều kiện và chiều sâu thả ống. Thông thờng cột ống trung gian đợc tính toán dựa vào tải trọng kéo cho phép. Tính áp suất bên ngoài gây bóp méo ống trung gian chỉ đợc áp dụng trong trờng hợp giếng khoan gặp những vùng mất nớc. Hay sau khi chống ống tiếp tục khoan bằng dung dịch có tỷ trọng nhỏ hơn dung dịch khoan trớc đó (ngoài ống chống ). Trong tính toán ta xem rằng lực kéo căng đạt giá trị cực đại trong quá trình trám xi măng cột ống chống. Lực kéo căng sinh ra do trọng lợng bản thân của cột ống ở trạng thái treo và lực phụ sinh ra trong thời điểm kết thúc bơm trám (nút xi măng trên tỳ lên nút dới tại vòng dừng). - 106 - Tại một điểm nào đó ở chiều sâu Z của ống, lực kéo căng có giá trị Q Z : Q Z = Q + Q ph Trong đó: Q - Lực kéo căng do trọng lợng bản thân cột ống. Q ph - Tải trọng phụ sinh ra trong giai đoạn cuối của quá trình bơm trám. Q ph = (P th + P d ) . d 2 tv 4 Trong đó: P th - Tổn thất áp suất do tuần hoàn dung dịch P d - áp suất d sinh ra khi nút trám trên tỳ lên nút trám dới tại vòng dừng. d tV - Đờng kính trong của ống chống tại chỗ đặt vòng dừng P th = 0,02H + 16, at; H - chiều sâu của ống chống,m P d = 1520, at Để cho cột ống chống đảm bảo bền thì Q Z Q cf = P đ n 1 Q cf - Là tải trọng kéo cho phép của ống chống P đ - Tải trọng tới hạn làm đứt ống chống ứng suất kéo có giá trị nhỏ nhất ở phần dới cùng của cột ống và tăng dần theo chiều dài và đạt tới giá trị cực đại ở phần trên cùng. Do vậy nếu nh cột ống chống đợc tạo thành bằng một loại mác thép thì độ dày của thành ống chống bao giờ cũng phải tăng dần từ dới lên trên. Nếu nh mác thép khác nhau thì chất lợng thép phải tăng dần từ dới lên trên. Sơ đồ phân bố ứng suất kéo của cột ống đợc minh hoạ bằng hình vẽ dới (hình 13) Do vậy việc tính toán cột ống chống đợc bắt đầu từ dới lên trên. Đối với cột ống này (trung gian) sau khi chống xong vẫn tiếp tục công tác khoan tiếp theo cho nên cột cần khoan sẽ quay trong cột ống này. Để tránh hiện tợng tháo ren và mài mòn, ta lắp ở phần dới cùng của cột ống một L k O - 107 - đoạn khoảng 50100m có bề dày thành ống lớn nhất (la). Trọng lợng đoạn ống có chiều dài la sẽ là Q a : Q a = l a . q a q a - Là trọng lợng 1 mét của đoạn ống. Đoạn ống chống đợc lắp tiếp theo (l 1 ) sẽ có bề dày thành nhỏ nhất. Chiều dài l 1 sẽ giới hạn bởi độ bền của nó. Ta có thể viết l 1 .q 1 + l a .q a + Q ph Q i cf = P đ n 1 , Suy ra : l 1 = Q I cf - Q a - Q ph q 1 ,m Trong đó: q 1 - Là trọng lợng 1 mét của đoạn ống l 1 . Cứ nh vậy ta tính đợc chiều dài đoạn ống tiếp theo ở phía trên là l 2 nh sau: l 2 = Q II cf - Q ph + Q I + Q a q 2 ,m l n = Q n cf - Q cf n-1 q n ,m Khi nào tính đợc tổng chiều dài các đoạn ống từ l a + l 1 + l 2 + bằng chiều dài của cột ống chống theo thiết kế thì kết thúc tại đó ta cũng có thể biểu diễn trắc diện mặt cắt của cột ống chống bằng hình vẽ sau (hình 14) l n L l 2 l 1 l a Hình . Trắc diện cột ống theo tải trọng kéo Sau khi tính và chọn đợc ống chống theo tải trọng kéo cho phép chúng ta tiến hành kiểm tra độ bền của ống đối với áp suất d ngoài và d trong. - Nếu sau khi thả ống trung gian, tiếp tục khoan với dung dịch nặng hơn dung dịch đã khoan thì áp suất bên trong thực tế sẽ tính nh sau: P dt = na - nh 10 H x , KG/cm 2 - 108 - na , nh - dung dịch nặng (bên trong), dung dịch nhẹ (bên ngoài). H x - Khoảng cách từ miệng ống đến đoạn kiểm tra (tức là đoạn có bề dày thành bé nhất) - Kiểm tra hệ số dữ liệu bền với áp suất d trong: n 3 = P T P dt P T - áp suất tới hạn bên trong của ống (tra bảng) P dt - áp suất d trong. - Chúng ta cũng cần phải tính áp suất cực đại xuất hiện tại thời điểm cuối của quá trình bơm trám. P x = 0,1 (H x - h)( dx - d ) + (0,02H + 16) Trong đó : H x ,h - Chiều cao trám và chiều cao cộc xi măng dx , d - trọng lợng riêng dung dịch xi măng trám và dung dịch khoan lúc này hệ số dự trữ bền n 3 = P T P x - Chiều cao cho phép hạ mực chất lỏng ở bên trong ống đợc xác định (H 0 ) H 0 = 10P bm d .n 2 - Nếu trong thời gian mở vỉa chúng ta khoan với dung dịch có trọng lợng riêng nhỏ hơn dung dịch ngoài ống chống thì phải kiểm tra độ bền vơi áp suất bên ngoài ở đoạn ống có bề dày thành bé nhất. áp suất bên ngoài P n đợc tính nh sau: P n = H x ( na - nh ) 10 Hệ số dự trữ bền bóp méo ống n 2 = P bm P n 4.1.5.2. Phơng pháp tính toán cột ống chống khai thác Trong thời gian thả ống cũng nh trong suốt quá trình làm việc, ống chống khai thác chịu những ứng lực chủ yếu sau đây: - Lực kéo do trọng lợng bản thân cột ống và tải trọng phụ - áp lực ngoài ống do cột thuỷ tĩnh ngoài cột ống. [...]... trên Q = li.qi i 1 Qph = ( Pth+ Pd) d2tv 4 Tải trọng phụ đã nói ở trên Nếu hệ số dự trữ bền phần trên không thoả mản, chúng ta tiếp tục kiểm tra phần nối dưới của đoạn ốngl1 như sau: P1đ Qth- Q1 n1( Q1là trọng lượng đoạn l1) Nếu n1không thoả mản thì kiểm tra đoạn ống thứ hai tiếp theo l2 P2 Phía trên: Q -đQ n1 th 1 P2đ Phía dưới: Q - Q - Q n1 th 1 2 Nếu không thoả mản hệ số bền n1 thì tiếp tục kiểm... tính bằng công thức tổng quát sau: -10 9- + Khi bên trong ống chống không có chất lỏng 10 Pnbm H = - (1) n2.d n cf + Trương hợp chất lỏng trong ống chỉ hạ xuống một phần : Ho z L Xuất phát từ công thức: 1 Pnx = 10 H0n + (H- Ho - H(x)( n- t) H H00 1 Pnx = 10 Hot + (H - H(x)) (n-t) HZ L áp suất bên ngoài tại đáy ống chống: H(x)=0 1 PnL= 10 H0t+ (H- H(x))(n -t) 1 = 10 H0t + H (n- t) Hình Hạ thấp mực chất... trình sau: P(n) 1 P(n)ncf= n bm = 10 H0t + H(n)cf (n - t) 2 Từ đây chúng ta rút ra: H n cf 10 .Pnbm - Ho.t.n2 = - (2) n2(n - t) Cả hai trường hợp (1) và (2) trên chiều dài mỗi đoạn đều được tính: l1 = H1cf l2= H2cf - H1cf ln = Hncf- Hn-1cf Sau khi tính cột ống theo áp suất bóp méo bên ngoài ống, chúng ta tiến hành kiểm tra độ bền kéo ở mối nối ren phía trên và phía dưới của mỗi đoạn -11 0- Nếu đoạn nào... 1 Qth- Qi n1 i 1 -11 1- Piđ Phía dưới : i Qth - Qi n1 1 Khi đoạn ống thứ I thoả mãn điều kiện của n1 thì từ đây trở lên chúng ta tiếp tục kiểm tra ống theo tải trọng kéo cho phép giống như tính toán cột ống chống trung gian + Sau khi kiểm tra xong theo áp suất bên ngoài và tải trọng kéo chúng ta tiến hành kiểm tra phần trên của cột ống với áp suất nổ ống ở bên trong theo hệ số n3 n3 = PT H Pv- 10 t... nào hệ số dự trữ bền với tải trọng kéo n1quá thấp dưới giới hạn cho phép thì chúng ta chuyển sang tính toán cột ống từ đó lên theo tải trọng kéo cho phép ở mối nối Phương pháp kiểm tra như sau: - Đối với đoạn ống l1 t a kiểm tra độ bền ở đầu nối phía trên và phía dưới: Phía trên: P1đ Qth n1 Trong đó: P1đ- Lực kéo căng tới hạn của mối nối ren (hàn) của đoạn ống s 1 theo công thức Iakovlev Qth- trọng lượng... (t= dm) riêng của dầu mỏ: 2 Phương pháp tính toán cột ống chống khai thác theo biểu đồ áp suất Các bước tính toán như sau: + Tính áp suất dư (trong, ngoài) + Vẽ biểu đồ áp suất dư (có kể đến hệ số bề dự trữ) + Chọn ống dựa vào biểu đồ áp suất dư Việc xác định áp suất dư trong và dư ngoài tại các điểm Z = 0; Z = H0; Z=h và Z = L H0 h H0 Hc Hc L Trường hợp h > H0 Trường hợp h < H0 -11 2- ... cập tới một vài phương pháp 1 Tính toán cột ống chống khai thác theo ứng suất bóp méo và kiểm tra theo ứng lực kéo tới hạn của ống: Chúng ta tính toán cột ống chống khai thác dựa theo áp lực bên ngoài bóp méo ống chống, lực kéo căng và áp suất bên trong Để tính toán chúng ta cần biết: Đường kính ống: D; chiều dài : l trọng lượng riêng dung dịch: d; trọng lượng riêng của dầu mỏ: dm; Chiều cao hạ thấp... đầy, còn bên trong ống chỉ có từng phần hoặc hoàn toàn không có Chiều cao H0 do phía địa chất xác định Chúng ta cũng có thể lấy Ho = 2/3 H nhưng không nhỏ hơn 2000m Đối với những giếng khai thác khí hay giếng dầu có áp suất của vỉa thấp, chúng ta lấy Ho= H - Để tính toán theo phương pháp này chúng ta tiến hành tính từ trên xuống dưới Ban đầu tính theo áp suất bóp méo sau đó tiến hành kiểm tra lại theo... giảm dần tới miệng Do vậy phần trên ta tính với đoạn ống có bề dày thành nhỏ nhất và tăng dần cho tới đáy Chúng ta ký hiệu : i,ii, iii n là các đoạn ống có bề dày tăng dần từ trên bề mặt xuống đáy giếng khoan rồi xác định ứng lực tới hạn bóp méo ống theo công thức của Sarkisov Giả sử các ứng lực đó ký hiệu là : PIbm, PIIbm,PIIIbm Pnbm tương ứng với bề bày thành ống là :i, ii, iii n Thì trong bất kỳ . chuẩn API có n 1 = 1, 75 - Các ống chống theo qui chuẩn của Nga GOCT nh sau: D < 219 mm n 1 = 1, 15 cho tới độ sâu L 3500m n 1 = 1, 30 cho tới độ sâu L >3500m D 219 mm n 1 = 1, 25 cho tới. P 1 đ Q th - Q 1 n 1 ( Q 1 là trọng lợng đoạn l 1 ) Nếu n 1 không thoả mản thì kiểm tra đoạn ống thứ hai tiếp theo l 2 Phía trên: P 2 đ Q th - Q 1 n 1 Phía dới: P 2 đ Q th - Q 1 -. n 1 Nếu không thoả mản hệ số bền n 1 thì tiếp tục kiểm tra đến đoạn ống thứ I: Phía trên P I đ Q th - 1 1 i i Q i n 1 - 11 2 - Phía dới : P i đ Q th - i 1 Q i n 1