tính chọn ống chống và tính bền cho ống chống tại giếng khoan no 505 dàn msp 5 mỏ bạch hổ

Mỗi loại lại được thựchiện theo nhiều phương án riêng.Chất lượng của mối nối được thể hiệnqua: - Hiệu quả mối nối, - Độ kín mối nối, - Không làm giảm đường kính trong và ngoài ống chố

là rất cần thiết Vì vậy một trong những giải pháp quan trọng là đẩy mạnhcông tác thăm dò và khai thác dầu khí đáp ứng nhu cầu năng lượng cho đấtnước và xuất khẩu.

Trong các biện pháp nâng cao hiệu quả thực hiện công tác khoan dầukhí thì việc hoàn thiện cơ sở khoa học thiết kế và dự toán xây dựng giếng

có vai trò quan trọng nhất

Thiết kế giếng khoan là một mắt xích quan trọng trong dây chuyềnkhoa học sản xuất Các giếng khoan dầu và khí là những công trình mangtính đặc thù Các công trình này thường thi công trong điều kiện địa lí-kỹthuật và môi trường làm việc hết sức phức tạp, giá thành công trình daođộng từ vài triệu đô đến hàng chục triệu đô la Mỹ Chính vì vậy, quá trìnhthi công xây dựng giếng không thể không thực hiện một cách cụ thể, chitiết và chuyên môn hóa cao các công việc của từng giai đoạn

Một phần quan trọng trong quá trình hoàn thiện giếng là tính toán, lựachọn ống chống Qua quá trình học tập, nghiên cứu, thực tập tại công tyPVEP Sông Hồng và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Ths Lê

Đức Vinh, em đã lựa chọn đề tài: Tính chọn ống và kiểm tra bền cho ống

Đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu khoa học được xây dựngdựa trên quá trình học tập, nghiên cứu tại trường kết hợp với thực tế sảnxuất nhằm giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học Với mức độ tàiliệu và thời gian nghiên cứu hoàn thành đồ án có hạn,cũng như kiến thức

và kinh nghiệm còn hạn chế, nên sẽ không tránh khỏi có những thiếu sót

Em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô, các nhà chuyênmôn và các bạn cùng đọc

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầukhí, các bạn cùng lớp và đặc biệt là thầy Lê Đức Vinh đã giúp đỡ, hướngdẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án này Nhân đây em cũngxin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, công nhân viên trong công ty PVEPSông Hồng đã giúp đỡ thu thập tài liệu để em hoàn thành bản đồ án tốtnghiệp này

Hà Nội, ngày 5 tháng 5 năm 2011 Sinh viên

Nguyễn Anh Dũng

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ ỐNG CHỐNG

Khi khoan các giếng dầu khí cần thiết phải tiên hành công tác chốngống và trám xi măng Với mục đích:

- Giữ cho thành lỗ khoan không bị sụt lở,

Cách ly các vỉa dầu và khí với nhau cũng như cách ly các tầng chứanước v.v…

Điều đó đảm bảo cho dầu khí chảy từ vỉa vào giếng nâng lên miệnggiếng không bị hao hụt Người ta cách ly các vả sản phẩm bằng một loạiống đặc biệt gọi là ống chống Đây là loại ống được chế tạo từ thép hợpkim có chất lượng cao Cùng với quá trình bơm trám xi măng chống ống làquá trình không thể thiếu trong khoan và khai thác dầu khí

Bảo vệ ống khai thác trong suốt quá trình hoạt động của giếng

Là nơi lắp đặt các thiết bị miệng giếng BOP, cây thông khai thác và cácthiết bị điều khiển hoạt động của giếng

Là đường dẫn của các thiết bị kiểm tra và hoàn thiện giếng trong côngtác kiểm tra hoàn thiện giếng

Chúng ta có thể chia thành ba nhóm chính

1.Ống chống:

Được chế tạo bằng các loại ống thép chuyên dùng được thả vào tronggiếng khoan phục vụ cho công tác gia cố thành giếng trong quá trình khaithác cũng như trong quá trình khoan

Với một đường kính định mức, thường có từ 2-8% bề dày thành ống.Với mỗi bề dày thành ống tương ứng có một đường kính trong của ống.

1.1.1.2.Chất lượng của vật liệu chế tạo ống:

Thông thường, các loại ống được chế tạo từ thép cacbon và thép hợpkim đặc biệt

Đặc tính cơ lý của ống thép theo GOCT và API cho trong các bảngsau:

Bảng 1.1 (Đặc tính ống theo GOCT)

Bảng 1.2 (Đặc tính ống theo API)

1.1.2.Các phương pháp nối ống:

Các ống được nối với nhau bằng ren hoặc hàn Mỗi loại lại được thựchiện theo nhiều phương án riêng.Chất lượng của mối nối được thể hiệnqua:

- Hiệu quả mối nối,

- Độ kín mối nối,

- Không làm giảm đường kính trong và ngoài ống chống,

- Giá thành không quá tăng

Trong hai phương pháp nối ống bằng ren và hàn thì phương pháp nốibằng ren được sử dụng rộng rãi hơn cả

a.Nối ống bằng mối hàn:

Trong phương pháp nối này thì khi ống được thả vào lỗ khoan đượchàn ống với ống theo kiểu dồi tiếp Nó có ưu điểm và nhược điểm riêngcủa nó

*Ưu điểm:

- Hiệu quả của mối hàn gần bằng 1,

- Đường kính trong và ngoài mối nối gần bằng thân ống,

- Đảm bảo kín tuyệt đối,

- Giá thành chế tạo ống rẻ ( vì không phải cắt ren)

*Nhược điểm:

- Thi công hàn tại khoang rất khó khăn, mất hiều thời gian,

- Nếu chống không tới đáy phải kéo lên thì rất phức tạp ( phải cắtthành từng đoạn, không dùng lại được nếu không gia công lại hai đầu ),

- Công tác hàn đối với ống có chất lượng cao rất khó khăn

Vì thế phạm vi sử dụng ống chống hàn hạn chế, chỉ áp dụng với nhữngcột ống có đường kính lớn, không có khả năng phải kéo lên như: ống địnhhướng và ống dẫn hướng

b.Nối ống bằng ren:

Nối bằng ren cũng có nhiều phương pháp.Với mục đích đạt được độkín và hiệu quả mối nối cao, giá thành hạ Hiện tại người ta sử dụng ống cóđầu nối mupta riêng và loại ren tròn Đối với giếng có chiều sâu lớn yêucầu mối nối phải có độ bền và độ kín cao người ta sử dụng các ống có mốinối ren đặc biệt như loại: Extremline; Butress hay Hydril…

*Đầu nối có mupfta riêng biệt và ren tròn:

Hai đầu ống được cắt ren côn ở phía ngoài, đầu nối riêng rẽ (mupfta)cắt ren phía trong và được vặn chặt một đầu vào ống chống (ở nhà máy) đểtạo thành phần nối cho ống chống sau đó

Loại ống chống này là loại thông dụng nhất đã được quy chuẩn hoáquốc tế ( GOCT và API ) Đối với cỡ giếng sâu 2500÷3000m và áp suấttương ứng thì loại ống này phù hợp về giá thành và khả năng sửa chữa.Hình1.1: Đầu nối mupfta

Đặc điểm ren: Là loại ren tròn, trắc diện hình tam giác, góc đỉnh bằng

Ưu điểm: Dễ cắt ren, giá thành hạ, sửa chữa lại ren dễ dàng.

Nhược điểm: Hiệu quả của mối nối thấp, không đảm bảo mối nối kín

tuyệt đối nhất là với giếng khí

Để tăng hiệu quả mối nối người ta tăng chiều dài mối nối khoảng từ20÷40% thì độ bền mối nối tăng được từ 10÷20% nhất là với ống chống cóđường kính từ

Ưu điểm của kiểu ống Extremeline:

Kín tuyệt đối, hiệu quả mối nối cao (90÷100%) Thi công dễ dàng vìđường kính đường ống ít thay đổi so với thân ống

*Đầu nối Butress

Hình 1.3: Đầu nối Butress

Đầu nối butress là đầu nối có dạng bằng có kích thước 5 ren/in

*Đầu nối FOX

Hình 1.4: Đầu nối FOX

*Đầu nối VAM

Hình1.5: Đầu nối VAM

1.2.Cấu trúc phần dưới cột ống chống.

Để chống ống dễ dàng và trám xi măng đạt được chất lượng cao thìphần dưới cột ống chống phải được cấu tạo đặc biệt Chúng gồm có các bộphận: đế chống ống; van ngược; vòng dừng; định tâm; chổi quét màng vỏsét

1.2.1.Đế ống chống:

Đế ống chống được tạo thành bởi 3 chi tiết lắp nối vào nhau, đó là:

a.Đầu định hướng (1)

Làm nhiệm vụ dẫn hướng cho cột ống chống đi xuống, không cho ốngcắt đất đá trên thành lỗ khoan Đầu định hướng được chế tạo bằng nhiềuloại vật liệu khác nhau (gang đúc, xi măng đúc, gỗ).

Là khâu nối giữa đầu định hướng và ống chân đế

c.Ống chân đế (3)

Là đoạn ống thép dày dài từ 1,5÷2m, tiện ren hai đầu Đầu dưới nối vớichân đế, đầu trên nối với ống chống Sau khi lắp phải hàn lại để tránh tựtháo Trên ống chân đế có khoan các lỗ thoát để lưu thông dung dịch vàdung dịch xi măng trám đề phòng đầu định hướng bị tắc khi đáy giếngkhoan nhiều mùn Kích thước tiết diện của các ống dẫn dung dịch xi măngđến đầu bơm trám

1.2.2.Van ngược:

Dùng để giảm bớt trọng lượng trên móc nâng khi thả ống, đẩy dungdịch bẩn bên ngoài ống chống lên mặt, không cho dung dịch xi măng chảyngược vào bên trong ống chống Có nhiều loại van ngược dạng đĩa, dạng

bi Hiện nay dạng van đĩa được sử dụng nhiều nhất

Hình 1.7: Van ngược.

Các lỗ khoan xuất hiện khí thì dù thả ống chống đến độ sâu nào cũng nhấtthiết phải lắp van ngược để tránh hiện tượng phun trong qua trình chốngống cũng như trám xi măng

Vì lắp van ngược nên bên trong không có nước rửa Bởi vậy cứ thảkhoảng 100÷200m thì nên đổ nước rửa vào bên trong ống chống nhằmtránh áp lực bên ngoài có thể làm bóp méo ống hoặc hỏng van ngược

1.2.3.Vòng dừng:

Là một vòng bằng gang, dày 15÷20mm, được lắp trong mupfta của ốngchống cách đáy một khoảng h=20÷30m Công dụng của vòng dừng là giữlại các mút trám xi măng phục vụ công ác bơm trám

Vòng dừng được lắp đặt ở độ cao như vậy là để ngăn lại lượng dungdịch xi măng cuối cùng (có lẫn bùn sét) không bị ép ra ngoài ống chống

1.2.4 Vòng định tâm ống chống:

Công dụng là để định tâm cột ống chống không cho cột ống chống tựavào thành lỗ khoan, tạo cho vành đá xi măng trám đồng đều xung quanhcột ống chống, nhằm nâng cao chất lượng trám xi măng Có nhiều loại định

tâm khác nhau Loại có bản thép thẳng đứng (a), loại có bản thép uốn khúc(b), loại có bản thép uốn cong (c).

Loại thẳng đứng làm việc bằng cách quay cột ống chống khi thả

Loại nằm ngang làm việc bằng cách dạo lên dạo xuống cột ống chống

Ngoài ra còn có chổi quét kết hợp với vòng định tâm mang lại hiệuquả cao nhất hiện nay.

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

Tiến hành chống ống và trám xi măng cột ống chống trung gian (6).Sau khi trám xi măng cột ống (6) thì trên mặt bích đơn (1) ta lắp mặt bíchkép (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 vòngđệm cau su (5) Lỗ thoát (7) thông ra áp kế cho phép kiểm tra áp suất giữahai cột ống (2) và (6) Cứ như vậy cho đến cột ống chống cuối cùng

Người ta chế tạo ra những đầu ống chống chịu được những áp suấttương ứng

1.3.Cấu trúc giếng khoan

Cấu trúc giếng khoan được tạo thành bởi một số cột ống chống cóđường kính và chiều dài khác nhau thả lồng vào nhau trong một lỗ khoan,kết hợp với những choòng khoan tương ứng dùng để khoan

Cấu trúc cơ bản của một giếng khoan bao gồm :

-Cấu trúc của các cột ống chống ( số lượng loại, chiều sâu thả, đườngkính),

-Choòng khoan sử dụng ( loại choòng, đường kính ),

-Khoảng trám xi măng ( chiều cao trám kể từ đế ống chống )

1.3.1 Sơ đồ chống ống tổng quát.

Sơ đồ ống chống của một lỗ khoan bao gồm:

mm, nhô cao hơn 1,5 đến 2m.

Phương pháp thi công:

Ống được đưa vào giếng khoan qua một cái hố hình chữ nhật sau đó đổ

bê tông khoảng không ngoài ống và thành hố đã đào Quá trình này đươcthực hiện đối với những ống có chiều sâu nhỏ ( 4÷6 m) Đối với những ống

có chiều thả lớn hơn đến 30m thì có thể dùng búa máy để đóng hoặc có thểkhoan rồi thả xuống Chiều sâu phụ thuộc vào chiều dày tầng phủ Nếukhoan ngoài biển thì ống bảo vệ cũng chính là ống chống đầu tiên đóng vaitrò là ống cách nước

1.3.1.2 Cột ống chống dẫn hướng.

Có tác dụng ngăn cho thành lỗ khoan phần trên không bị sập lở, bảo vệcác tầng nước trên mặt khỏi bị ô nhiễm bởi dung dịch khoan Đóng vai trò

1 trụ rỗng trên đó có lắp các thiết bị miệng giếng như: đầu ống chống, thiết

bị chống phun, treo toàn bộ các cột ống chống tiếp theo và một phần thiết

bị khai thác

Cột dẫn hướng chịu toàn bộ trọng lượng nén của các cột ống chống tiếptheo do vậy nó phải được trám xi măng toàn bộ chiều dài và phần nhô lênmặt phải đủ bền Đây là cột ống chống đầu tiên nhất thiết phải có Chiềusâu thả thông thường từ 70÷400 m Cũng có thể tới 800÷ 1000 m tuỳ theođiều kiện địa chất và chiều sâu giếng khoan

1.3.1.3.Cột ống chống khai thác:

Cột ống khai thác là cột ống chống cuối cùng được thả xuống lỗ khoan.Cột ống chống này tạo thành kênh dẫn để lấy dầu và khí lên và để bảo vệcác thiết bị khai thác như bơm sâu, ống ép khí… Ngoài ra ống chống nàycòn cho phép kiểm ra áp suất, thực hiện các công tác tăng cường dòng sản

phẩm như nổ thuỷ lực, xử lý vỉa bằng axit, bơm ép vỉa… Chỉ không đượcthả khi biết chắc là giếng không có sản phẩm.

1.3.1.4.Cột ống chống trung gian.

Cột ống này còn gọi là cột ống chống kỹ thuật và được thả do yêu cầucủa địa chất Công tác khoan không thể tiếp tục tiến hành nếu không có nó.Cột ống chống này được thả xuống để đóng các tầng nham thạch có thểgây ra những khó khăn phức tạp trong quá trình khoan như sập lở thànhgiếng, bó hẹp thành lỗ khoan, mất dung dịch…và cho phép khoan đến tầngsản phẩm kế tiếp Do đó, cột ống chống này có thể không cần hoặc với sốlượng 1 ÷ 2 ống cũng có khi nhiều hơn

1.3.1.5.Cột ống chống lửng ( ngầm ).

Đặc điểm cột ống chống này là có độ dài tương đối ngắn, chúng đượcthả với chiều dài từ đáy lỗ khoan đến độ cao từ 50 ÷ 100 m ở bên trong cộtống chống trước đó Chúng đảm nhiệm chức năng của cột ống chống trunggian hoặc ống chống khai thác Cột ống chống lửng được đưa vào giếngkhoan nhờ cột cần khoan và được treo vào cột ống chống trước đó nhờ mộtđầu nối đặc biệt dựa vào nó hoặc tuỳ theo chiều dài của cột ống chốnglửng Trong trường hợp cột ống chống lửng đảm nhiệm vai trò của cột ốngchống khai thác, cột ống chống này cũng có thể được khoan từ mặt đất rồimới thả xuống Trong trường hợp cột ống phía trên đó không chịu được ápsuất bên trong thì cột ống chống lửng sau khi trám xi măng được kéo dàilên đến mặt đất

Cấu trúc một cột ống có lợi cả về kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên cấutrúc giếng lại phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau như: mục đích yêucầu của giếng khoan, chiều sâu, đường kính ống khai thác, địa chất v.v….

Sau khi chọn được cấu trúc giếng khoan một cách hợp lý chúng ta tiếnhành tính toán cụ thể cấu trúc của giếng

Nguyên tắc tính toán cấu trúc của giếng là bắt đầu từ đường kính củaống chống khai thác cho đến cột chống trên cùng theo thứ tự từ dưới lên.Cấu trúc được tính toán sao cho đảm bảo quá trình khoan cũng như thả ốngchống thông suốt đến chiều sâu dự kiến

- Việc chọn đường kính của ống chống khai thác phải dựa vào:

+ Thiết bị khai thác ( hoàn thiện giếng ) nào sẽ sử dụng?

+ Lưu lượng khai thác có thể đạt bao nhiêu? ( tuỳ thuộc vào lưu lượng

mà thay đổi đường kính ống chống khai thác)

+ Có tính tới khả năng khoan sâu thêm không?

+ Mức độ tin cậy của việc đánh giá mỏ

Đường kính các cột ống chống và choòng khoan được lựa chọn từ nhỏđến lớn; hay nói một cách khác là từ dưới lên trên bắt đầu từ cột ống chốngkhai thác Khi kết thúc với thân giếng trần, lựa chọn đường kính ống chống

và choòng khoan được bắt đầu từ đoạn thân giếng trần

Đường kính các cột ống khai thác phụ thuộc vào phương pháp hoànthiện giếng, điều kiện khai thác và yêu cầu của phía đặt hàng cho công táckhoan Đối với điều này cần tính toán đến thể loại sản phẩm, sản lượngmong muốn, áp suất vỉa, các giải pháp thực hiện công việc nghiên cứu địa

vật lý giếng khoan, sửa chữa giếng và cứu sự cố; kích cỡ cần khoan vàthiết bị khác thực hiện trong cột ống chống khi tiến hành công đoạn khoangiếng.

Tương quan giữa đường kính ống khai thác và choòng khoan có thểtính toán theo công thức sau:

D choong = (1,0447 + 0,00022 Doc) Ddn (1.1)Trong đó:

D choong – Đường kính choòng (mm)

Doc – Đường kính ống chống (mm)

Ddn – Đường kính đầu nối ống chống (mm)

Sau khi tính toán đường kính choòng khoan cho ống khai thác sẽ tínhtoán tiếp các cột ống chống khác và đường kính choòng khoan tương ứng.Bảng 1.3.Đường kính ống chống và khe hở nhỏ nhất

140 ÷159

168 ÷194

219 ÷245

273 ÷351

376 ÷508

25 ÷30

30 ÷45

45 ÷80

Đối với các mỏ gần thường sử dụng các cột ống chống khai thác đườngkính 114, 127, 140, 168, 178, 194 mm; hãn hữu có trường hợp sử dụng ốngđường kính 245mm, đối với các giếng khai thác khí thường sử dụng ốngchống khai thác đường kính không nhỏ hơn 219mm

Đường kính cột ống chống trung gian, cũng như cột ống chống địnhhướng và dẫn hướng được lựa chọn phù hợp với khe hở không gian vànhxuyến giữa choòng khoan và cột ống chống đã thả và choòng khoan đểkhoan khoảng tiếp theo không được nhỏ hơn 2 ÷ 5 mm tính đến ở các phía

Khe hở không gian vành xuyến được lựa chọn phụ thuộc điều kiệnchiều dài của khoảng khoan tính từ chân đế ống trước, mức độ hoàn thiệncông nghệ thi công khoan, trình độ hiểu biết của đội khoan và các yếu tốphụ khác.

Bảng 1.4: Đường kính chuẩn của choòng khoan và ống chống tương ứngĐường kính choòng khoan

mm

Đường kính ốngchống tiêu chuẩnAPI, mm

Đường kính ốngchống tiêu chuẩnGOST, mm

Dc – Đường kính choòng khoan (mm)

Ddnoc – Đường kính đầu nối ống chống (mm)

Δ – Khe hở giữa mặt ngoài đầu nối ống chống và thành giếngkhoan và bằng 20 ÷ 25 mm

- Đường kính trong và ngoài của ống chống xác định theo công thức:

Dtr oc = Dc + 6 ÷ 8 mm (1.3)

Dng oc = Dtr oc + 2 £ (1.4)

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN ỐNG CHỐNG

2.1.Cơ sở và phương pháp tính toán ống chống

Tính toán ống chống được thực hiện khi thiết kế giếng khoan với mụcđích lựa chọn chiều dày thành ống, nhóm độ bền vật liệu ( mác thép ) ốngchống: hệ số dự phòng ( hệ số an toàn ) độ bền Khi tính toán cần tính đếncác điều kiện phức tạp địa chất, công nghệ và điều kiện môi trường làmviệc

Các điều kiện thiết yếu có thể trình bày như sau:

Tính toán lựa chọn chiều dày thành ống £ và nhóm độ bền vật liệu(mác thép) Mt của ống chống khi đã biết đường kính ống Doc, chiều dàiống Loc, đã biết giá trị áp suất dư ngoài và áp suất dư trong Hệ số dựphòng (an toàn) quy định thỏa mãn các điều kiện sau:

[ ]P oc >= ∑l t q t (2.1)

Pkt >= Pđm [ ]1 (2.2)

Poc >= Pdt [ ]2 (2.3)Trong đó:

Pđm - Lực kéo cho phép mà tại giá trị này đầu nối ống chống bị biếndạng

qt – Trọng lượng 1m chiều dài của đoạn ống chống có cùng chiều dày

và mác thép

lt – Chiều dài của đoạn ống chống có cùng chiều dày và mác thép

[ ]P oc - Là kéo cho phép mà tại giá trị này thân ống chống bị biến dạng

Pkt - Giá trị áp suất tới hạn cho phép xác định theo áp xuất dư ngoài vàphụ thuốc vào mác thép chiều dày thành ống

Pđm – Áp suất dư ngoài

Pdt – Áp suất dư trong

Poc – Áp suất dư trong cho phép mà tại giá trị này ống chống đạt tớigiới hạn bền của vật liệu

n1 – hệ số dự phòng đối với áp suất dư ngoài

nt – 1,125 ÷ 1,25 cho đoạn ống nằm trong ranh giới của vỉa sản phẩm(phụ thuộc vào tính ổng định của đất đá), các trường hợp khác nt = 1,125

n2 – hệ số dự phòng đối với áp suất dư trong tương ứng với giá trị giớihạn bền của vật liệu n2 = 1.

2.1.1.Tính toán độ bền kéo của ống chống:

Bản thân ống chống mỗi cột ống chống phải chịu 1 tải trọng nhất địnhbởi chính trọng lượng của chúng tác dụng lên ta gọi là tải trọng kéo

Chính tải trọng này là nguyên nhân chính gây đứt ống chống khi ta thảống chống xuống giếng khoan

Nói chung đối với ống chống thì độ bền kéo ở mối nối bao giờ cũngthấp hơn ở thân ống, đặc biệt là đầu nối ren Vì vậy để tính độ bền kéo củaống chống người ta chỉ cần tính độ bền cho mối nối ren

Ứng suất kéo tác dụng lên ống chống có những đặc điểm sau:

- Ứng suất kéo có giá trị nhỏ nhất ở phân dưới cùng của cột ống chống

và tăng theo chiều dài và đạt giá trị lớn nhất ở phần trên cùng

- Vì do ứng suât kéo phân bố đều lên cột ống chống nên tiết diện củacột ống chống nào nhỏ hơn thì có ứng suất lớn nhất và ngược lại tiết diệncủa ống chống nào lớn nhất sẽ có sẽ có ứng suất nhỏ nhất (căn cứ vào đặcđiểm này để ta bố trí, chọn mác thép và tiết diện thép cho phù hợp)

Các ống quy chuẩn của Nga (GOCT) thì ứng lực làm đứt hoặc tuộtmối ren được tính theo công thức:

cot ( )

21 1

.

ϕ α

σ π

+ +

=

g D

b D P

tb

c tb

đm (Iarkovlev) (2.4)Trong đó:

tb

D : Đường kính trung bình của ống đo ở vòng thứ 5

b : Bề dày của ống đo chân của vòng ren đầu tiên nằm trong đoạn ănkhớp (b= δ −h− 0 , 05)cm

δ : Bề dày của thành ống chỗ không tiện ren,

h: Chiều cao của ren,

l : Chiều dài làm việc của ren,

α : Góc tạo thành giữa cạnh của ren và trục của ống α = 62 , 5 °,

ϕ: Góc ma sát giữa kim loại và kim loại, ϕ = 18 °,

C

σ : Giới hạn chảy của thép làm ống,

+ Hệ số an toàn khi kéo (n1) là tỉ số giữa ứng lực làm đứt mối nối vàtrọng lượng toàn bộ cột ống chống:

n1 = P Q đm (2.5)

- Các ống chống theo quy chuẩn của API có n1=1,75

- Các ống theo quy chuẩn của Nga GOCT như sau:

D < 219mm có n1 = 1 , 15 cho tới độ sâu L≤3500m

n1= 1,30 cho tới độ sâu L>3500m

D≥ 219mm có n1 = 1 , 25 cho tới độ sâu L≤ 2000m

n1 = 1 , 4 ÷ 1 , 5 cho tới độ sâu L> 2000

Ống chống đạt độ bền kéo khi thoả mãn điều kiện:

3 , 1

QK: Tải trọng kéo đứt mối nối

n3: Hệ số an toàn kéo của mối nối

QT: Tải trọng lớn nhất tác dụng lên mối nối trên cùng của cột ốngchống

QT = Q + Qph (2.7)Q: Trọng lượng cột ống chống ngâm trong dung dịch:

) 1 (

γ

γep oc

Q

Q= − (2.8)

Qoc: Trọng lượng của cột ống chống

γep: Trọng lượng riêng của dung dịch ép

γ: Trọng lượng riêng của thép chế tạo ống chống

Qph: Tải trọng phụ sinh ra trong giai đoạn cuối của quá trình bơm trám:

Pd: Áp suất dư sinh ra khi nút trám trên tì lên nút trám dưới: Pd = 20at

dvd: Đường kính trong của ống chống tại vòng dừng

2.1.2.Tính toán ứng lực tới hạn bóp méo ống chống.

Ứng lực bóp méo ống chống là lực do các yếu tố bên ngoài tác dụnglên ống chống (áp suất vỉa hoặc sự thay đổi áp suất của cột chất lưu trong

và ngoài ống chống)

Đặc điểm của ứng lực này là:

- Phụ thuộc vào trị số của áp suất vỉa

- Phụ thuộc vào sự thay đổi áp suất của cột chất lưu trong và ngoài ốngchống

- Phụ thuộc vào cấu trúc địa chất của cột địa tầng giếng khoan

Ống chống đạt độ bền về bóp méo khi thoả mãn điều kiện:

3 , 1

Pbm: Áp suất làm bóp méo ống chống

n1: Hệ số an toàn đối với áp lực dư bên ngoài

Pdn: Áp suất dư bên ngoài cột ống

Có nhiều trường hợp làm xuất hiện áp suất dư bên ngoài cột ốngchống, tuỳ thuộc vào từng ống chống cụ thể mà áp suất dư này có thể xuấthiện và được tính toán như sau:

* Trường hợp sau khi chống ống tiến hành khoan với dung dịch có trọng lượng riêng nhẹ hơn:

) (

10

.

nh na

x dn

H

P = γ − γ (2.12)Trong đó:

γna: Trọng lượng riêng của dung dịch nặng đã khoan trước đó

γnh: Trọng lượng riêng của dung dịch nhẹ khoan đoạn tiếp theo

Hx: Chiều sâu tính toán

* Áp suất dư bên ngoài do cột dung dịch xi măng bên ngoài ống chống gây ra trong quá trình đông cứng:

Pdn = 0,1.(γxm- γep).(Hx- h) (2.13)Trong đó:

γxm: Trọng lượng riêng của dung dịch xi măng

γep: Trọng lượng riêng của dung dịch ép

h: Chiều cao của cốc xi măng

* Trường hợp mất dung dịch bên trong cột ống:

Trong trường hợp áp lực vỉa thấp có thể làm cho cột dung dịch bêntrong ống chống bị hạ xuống Khi đó áp suất dư bên ngoài cột ống chốngđược tính theo công thức:

Pdn = 0,1.[Ka.Hx - (Hx - H0).γd] (2.14)Trong đó:

Ka: Gradien áp suất vỉa tại điểm tính toán

Hx: Chiều sâu tại điểm tính toán

H0: Chiều sâu hạ mực chất lỏng (từ miệng ống đến bề mặt chất lỏngbên trong ống chống)

γd: Trọng lượng riêng của chất lưu bên trong cột ống

Như vậy, trong tất cả các trường thì áp suất dư bên ngoài cột ống luônđạt giá trị cực đại tại đáy của cột ống chống Vì vậy, khi kiểm toán ốngchống theo áp suất bóp méo ta chỉ cần tính chọn thông qua áp suất dư bênngoài cột ống tại phần đáy của cột ống chống đó

2.1.3.Ứng lực gây nổ ống:

Ứng lực gây nổ ống có thể xảy ra khi áp suất dư bên trong được tạo ratrong các trường hợp như:

- Trong quá trình khoan có sử dụng dung dịch nặng mà khoảng khoantrước đó sử dụng dung dịch nhẹ.

- Khi trám xi măng giếng khoan

- Khi giếng khoan xảy ra hiện tượng phun toàn và thiết bị đối áp đượcđóng lại

T

P tra bảng,

dt

P : Áp suất dư trong

- Nếu áp lực bên ngoài lớn hơn áp lực trong ống chống thì sinh ra ứnglực bóp méo cho phép thì ống chống sẽ bị phá hủy dễ bóp méo,

- Nếu áp lực bên ngoài nhỏ hơn áp lực bên trong thì sinh ra ứng lực gây

nổ ống, nếu ứng lực này lớn hơn ứng lực gây nổ ống cho phép thì ống sẽ bịphá hủy do nổ ống

n2 – hệ số dự phòng đối với áp suất dư trong tương ứng với giá trị giớihạn bền của vật liệu n2 = 1.

Áp suất giới hạn cho phép được xác định theo công thức Sarkisov:

Pbm = 1,1 Kmin δ c + (Ek2

0 p (1 + 4f33K emin)

-) 4

)) Kmin 4f3

3e 1

( 2 (( δc+Eko p + − Ekopδc ) (2.17)Trong đó:

D – Đường kính ngoài ống chống (mm),

δ c – Giới hạn chảy của vật liệu (Mpa),

E – mô đun đàn hồi bằng 2,1.105 (Mpa),

E – hệ số ô van của ống

*Ống chống đạt độ bền nổ khi thoả mãn điều kiện:

3 , 1

n2: Hệ số an toàn đối với áp lực dư bên trong,

Pdt: Áp suất dư bên trong cột ống

Tính toán Pdt trong các trường hợp làm xuất hiện áp suất dư bên trongcột ống:

* Trường hợp khoan với dung dịch nặng hơn sau khi chống ống:

) (

10

.

nh na

x dt

H

P = γ − γ (2.19)Trong đó:

γna: Trọng lượng riêng của dung dịch nặng khoan sau đó,

γnh: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan trước đó,

Hx: Chiều sâu tính toán

Trong trường hợp này, Pdt đạt giá trị cực đại tại tại đáy ống chống

* Áp suất dư bên trong cực đại xuất hiện trong quá trình bơm trám:

Pdt = 0,1.(γxm- γd).(Hx- h) + (0,02.H + 16) + Pd (2.20)Trong đó:

γxm: Trọng lượng riêng của dung dịch xi măng,

γd: Trọng lượng riêng của dung dịch,

h: Chiều cao của cốc xi măng,

H: Chiều sâu thân giếng,

Pd: Áp suất dư sinh ra để đánh thủng nút trám dưới Pd = 20at

Trong trường hợp này, Pdt đạt giá trị cực đại tại tại đáy ống chống

* Trường hợp phải đóng giếng khi có hiện tượng phun:

Trong trường hợp này, áp suất dư bên trong đạt giá trị cực đại tạimiệng giếng khoan và được tính theo công thức:

Pdt = 0,1.H.(Kv- γt) (2.21)Trong đó:

Kv: Gradien áp suất của vỉa sản phẩm,

H: Chiều sâu của vỉa có xuất hiện dầu khí phun,

γt: Trọng lượng riêng của chất lưu bên trong ống chống

2.1.4.Ứng lực bóp méo ống và ứng lực gây nổ ống có liên quan chặt chẽ với nhau :

- Nếu áp lực bên ngoài lớn hơn áp lực trong ống chống thì sinh ra ứnglực bóp méo, nếu ứng lực này lớn hơn ứng lực bóp méo cho phép thì ốngchống sẽ bị phá hủy do bóp méo

- Nếu áp lực bên ngoài nhỏ hơn áp lực bên trong thì sinh ra ứng lực gây

nổ ống, nếu ứng lực này lớn hơn ứng lực gây nổ ống cho phép thì ống sẽ bịphá hủy do nổ ống

Do vậy, việc chọn ống phụ thuộc cốt yếu vào các lực nói ở trên

Tính bền cột ống chống có nghĩa là tính chiều dài từng đoạn ống, bềdày thành ống, mác thép, đảm bảo độ bền của ống chống trong suốt quátrình làm việc của giếng khoan Đồng thời đảm bảo giá thành hạ nhất với

sự tiêu hao vật liệu thép ống tối thiểu

2.2.Phương pháp tính toán bền cột ống chống kỹ thuật.

Tính bền cho 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 quátrình làm việc của giếng khoan Đồng thời đảm bao giá thành hạ nhất với

sự tiêu hao vật liệu thép ống tối thiểu

2.2.1 Phương pháp tính toán bền cột ống chống trung gian.

Phương pháp tính toán cột ống chống trung gian phụ thuộc vào: mụcđích, điều kiện và chiều sâu thả ống

Thông thường cột ống chống trung gian được tính toán dựa vào tảitrọng kéo cho phép Tính toán áp suất bên ngoài gây bóp méo ống trunggian chỉ được áp dụng trong trường hợp giếng khoan gặp những vùng mấtnước, hay sau khi chống ống tiếp tục khoan bằng dung dịch có tỉ trọng nhỏhơn dung dịch khoan trước đó (ngoài ống chống)

Trong tính toán ta xem rằng lực kéo căng đạt giá trị cức đại trong quátrình trám xi măng cột ống chống Lực kéo căng sinh ra do trọng lượng bảnthân của cột ống chống ở trạng thái treo và lực phụ sinh ra trong thời điểmkết thúc bơm trám (nút xi măng trên tì lên nút dưới tại vòng dừng)

Tại một thời điểm nào đó ở chiều sâu Z của ống, lực kéo căng có giátrị:

(

2

tv d th ph

d P P

Q = + π (2.23)

Trong đó:

16 02 ,

d : Đường kính trong của ống chống ại chỗ đặt vòng dừng, mm

H: Chiều sâu của ống chống, m

Để cho cột ống đảm bảo bền thì

1

n

P Q

bao giờ cũng phải tăng dần từ dưới lên trên Nếu như mác thép khác nhauthì chất lượng thép phải tăng dần từ dưới lên trên

Hình 2.3: Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của ứng suất kéo và chiều sâu giếng

Do vậy tính toán cột ống chống được bắt đầu từ dưới lên trên Đối vớicột ống này (trung gian) sau khi chống xong vẫn phải tiếp tục công táckhoan tiếp theo, cho nên cột cần khoan sẽ quay trong cột ống này Để tránhhiện tượng tháo ren và mài mòn, ta lắp phần dưới của cột ống một đợnkhoảng 50÷100m có bề dày thành ống lớn nhất (l a) Trọng lượng đoạn ống

n

P Q Q q l q

Cf ph a

+ , (2.26)

Suy ra:

1 1

q

Q Q Q

l Cf a ph

= , m (2.27)Trong đó: q1: Là trọng lượng 1m của đoạn ống l1

Cứ như vậy ta tính đợc chiều dài đoạn ống tiếp theo ở phía trên là l2

như sau:

q

Q Q Q Q

I ph

n Cf n

q

Q Q l

1

−

−

= ,m (2.29)Khi nào tính được tổng chiều dài các đoạn ống từ l a +l1+l2 +l3 + bằngchiều dài cột ống chống theo thiết kế thì kết thúc Tại đó,ta cũng có thểbiểu diễn trắc diện mặt cắt của cột ống chống bằng hình vẽ

Hình 2.4: Trắc diện mặt cắt của cột ống chống

Sau khi tính và chọn được ống chống theo tải trọng kéo cho phépchúng ta tiến hành kiểm tra độ bền của ống đối với áp suất dư ngoài và dưtrong

- Nếu sau khi thả ống trung gian, tiếp tục khoan với dung dịch nặnghơn dung dịch đã khoan thì áp suất bên trong thực tế sẽ được tính như sau:

x nh na

P T: Áp suất tới hạn bên trong cột ống

P dt: Áp suất dư trong

- Chúng ta cũng cần phải tính áp suất cực đại xuất hiện tại thời điểmcuối của quá trình bơm trám

P x = 0 , 1 (H x −h)( γdx − γd) + ( 0 , 02H + 16 ) (2.32)

áp suất bên ngoài với đoạn ống có bề dày thành nhỏ nhất.

Áp suất bên ngoài P nđược tính như sau:

10

) ( na nh

x n

2.2.2 Phương pháp tính toán bền cột ống chống khai thác

Trong suốt thời gian thả ống cũng như trong suốt quá trình làm việc,ống chống khai thác chịu những ứng lực chủ yếu sau:

- Lực kéo do trọng lượng bản thân cột ống và tải trọng tự phun củadòng sản phẩm trong ống

- Áp lực ngoài ống do áp suất vỉa hoặc do cột thủy tĩnh ngoài cột ống

- Chiều dài: l

- Trọng lượng riêng dung dịch: Ydd

- Trọng lượng riêng dầu mỏ: Ydm

- Chiều cao hạ thấp mực chất lỏng bên trong ống: Ho

Chúng ta lưu ý rẳng, trong khi tính toán thì xem như chiều cao của cộtdung dịch bên ngoài ống chống luôn luôn đầy, còn bên trong ống chống chỉ

có từng phần hoặc hoàn toàn không có Chiều cao Ho do phía địa chất xácđịnh Chúng ta cũng có thể lấy Ho = 2/3H nhưng không nhỏ hơn 2000m.Đối với những giếng khai thác khí hay giếng dầu có áp suất vỉa thấp, chúng

ta lấy Ho = H

Để tính toán theo phương pháp này chúng ta tiến hành từ trên xuốngdưới Ban đầu tính theo áp suất bóp méo sau đó tiến hành kiểm tra lại theolực kéo tăng giới hạn Chúng ta biết rằng áp suất ngoài có giá trị lớn nhất ởphần dưới cùng và giảm dần tới miệng Do vậy phần trên ta tính toán vớiđoạn ống có bề dày thành nhỏ nhất và tăng dần cho tới đáy Chúng ta kýhiệu: I, II, III, …n là các đoạn ống có bề dày tăng dần từ trên bể mặt xuốngđáy giếng khoan rồi xác định ứng lực tới hạn bóp méo ống theo công thứcSarkisov: (2.37)

Khi bên trong cột ống chống không có chất lỏng:

( ) ( )

1 10

1 10

Nếu đoạn nào hệ số dự trữ bền với tải trọng kéo n1 quá thấp dưới giớihạn cho phép thì chúng ta chuyển sang tính toán cột ống từ đó lên theo tảitrọng kéo cho phép ở mối nối

Phương pháp kiểm tra như sau:

Đối với đoạn ống l1 ta kiểm tra độ bền ở đầu nối phía trên và phía dưới:Phía trên :

1 1

d th

P n

Q ≥ (2.45)

g l

α ϕ

= + + KG 2

Q= P +P π : Tải trọng phụ nói ở trên

Nếu hệ số dự trữ bền phần trên không thỏa mãn, chúng ta tiếp tụckiểm tra phần nối dưới của đoạn ống l1 như sau :

1

1 1

Phía trên :

2

1 1

d th

d th

P

n

Q Q Q ≥

− −

Khi đoạn ống thứ I thỏa mãn điều kiện của n1 thì tứ đây trở lên chúng

ta tiếp tục kiểm tra ống theo tải trọng kéo cho phép giống như cột ốngchống trung gian

Sau khi kiểm tra xong theo áp suất bên ngoài và tải trọng kéo chúng tatiến hành kiểm tra phần trên của cột ống với áp suất nổ ống ở bên trongtheo hệ số n3

10

T t v

P n

γ : trọng lượng riêng của chất lỏng trong ống (lấy bằng trọng lượng

riêng của dầu mỏ) ;(γt = γdm)

CHƯƠNG III

TÍNH TOÁN BỀN VÀ LỰA CHỌN ỐNG CHỐNG CHO GIẾNG

KHOAN No 505 DÀN KHOAN MSP 5 MỎ BẠCH HỔ

3.1 Số liệu về giếng khoan No505

Giếng khoan No505 dàn MSP 5 là dạng cấu trúc có 6 cột ống chốnggồm:

1 Ống chống định hướng,

2 Ống chống dẫn hướng,

3 Ống trung gian thứ nhất,

4 Ống trung gian thứ hai,

5 Ống trung gian thứ ba,

6 Ống chống khai thác

Bảng 3.1: Chiều sâu và đường kính ống chống.

loại cột

ống

chiều sâu thả(m)

đường kínhống (mm)

đường kínhmupfta(mm)

đường kínhchoòng(mm)ống định

Pdn: Áp suất dư ngoài cho phép.

Pdt: Áp suất dư trong cho phép

Qot: Tải trọng kéo cho phép đối với thân ống

Qor: Tải trọng kéo cho phép đối với mối ren

+ Khoảng cách từ miệng giếng khoan đến(m):

- L: Chân đế ống chống đang tính

- L0: Chân đế ống chống trước

- Lm: Điểm đặt mufta trám phân tầng

- l: Điểm xuất hiện dầu khí

- lm: Mặt biển

- ld: Đáy biển

- H: Mực chất lỏng trong giếng khi xuất hiện dầu khí

- Hdm: Mực chất lỏng trong giếng khi mất dung dịch

- γe: Dung dịch bơm ép dùng khi bơm ép thử cột ống chống

- γk: Dung dịch khoan khi khoan ở khoảng dưới

- γo: Hỗn hợp chất lỏng khi xuất hiện dầu khí

- γdm: Dung dịch trong giếng khi mất dung dịch

- γnb: nước biển

- γt: thép làm cần ống

+ Áp suất:

- Pmin: nhỏ nhất trong giếng

- Pmax: lớn nhất trong giếng

- Pth: Ép thử cột ống

- Pms: Thắng lực cản ma sát trong hệ thống tuần hoàn

- Pbt: Cực đại tại cuối quá trình bơm trám