Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang x m ỏ y

Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang x m ỏ y

TÍNH TOÁN HỢP LÝ LƯU LƯỢNG DUNG DỊCH GIẾNG NGANG X MỎ Y I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN. Ngày nay, giếng khoan ngang là một phần không thể thiếu trong nền công nghiệp dầu khí. Tính hiệu quả kinh tế đạt được từ những giếng ngang cũng đã khẳng định vị thế vượt trội so với giếng khoan đứng hoặc xiên, nhất là trong các vỉa mỏng hoặc có khe nứt thẳng đứng như: gia tăng diện tích dẫn lưu của vỉa, tăng hiệu quả thu hồi dầu tăng cường, tăng độ thấm của vỉa… Tuy nhiên, giếng khoan ngang đòi hỏi kỹ thuật khoan cao hơn, khó giám sát quỹ đạo khoan và phải tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan hợp lý nhằm giải phóng mùn khoan hiệu quả mà vẫn đảm bảo phá hủy đất đá tốt. Việc xác định lưu lượng tuần hoàn dung dịch để vận chuyển mùn khoan cho giếng ngang vốn khó khăn và phức tạp hơn giếng đứng. Lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan là đại lượng rất quan trọng và cần phải được tính toán chính xác trong các đoạn giếng ngang. Giá trị lưu lượng này cần được tính toán sao cho đảm bảo cân bằng áp suất đáy giếng và áp suất vỉa, cũng như khả năng phá hủy đất đá của choòng và vận chuyển mùn khoan hiệu quả. Nếu giá trị này không được tính toán chính xác, bên cạnh làm cho quá trình tối ưu hóa thủy lực khoan không hiệu quả còn có thể gây ra sự lắng đọng mùn khoan, từ đó gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Trong quá trình khoan ngang, lắng đọng mùn khoan là vấn đề cực kì quan trọng cần phải giải quyết. Khi mùn khoan tập trung nhiều trong giếng khoan ngang sẽ dẫn đến các vấn đề như: mômen xoắn tăng, kẹt cần, khó khăn trong quá trình kéo thả ống chống, bơm trám xi măng… gây ra nhiều chi phí lớn cho giếng khoan. Vì vậy, luận văn này sẽ tập trung tính toán lưu lượng tuần hoàn để bên cạnh việc vận chuyển mùn khoan hiệu quả còn đảm bảo khả năng phá hủy đất đá của choòng. Điều này giúp nâng cao hiệu quả và hạn chế rủi ro khi khoan các đoạn giếng ngang. II. MỤC TIÊU. Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang X mỏ Y. III. NHIỆM VỤ. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết tính toán tối ưu hóa thủy lực khoan và tính toán thủy lực khoan cho động cơ đáy. Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan và tìm hiểu cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch tối thiểu trong đoạn giếng khoan ngang. Từ đó tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch tối thiểu để vận chuyển mùn khoan cho đoạn khoan ngang của giếng X mỏ Y. Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang X mỏ Y. IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Phạm vi nghiên cứu của luận văn này là đoạn giếng khoan ngang của giếng X mỏ Y. V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính toán tối ưu hóa thủy lực khoan và lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan tối thiểu để vận chuyển mùn khoan cho giếng ngang, đánh giá khả năng ứng dụng và đề xuất phương pháp thích hợp cho đoạn khoan ngang của giếng X mỏ Y. VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Với đề tài “Tính toán hợp lý lưu lượng dung dịch giếng ngang X mỏ Y” hướng nghiên cứu sẽ tập trung vào các luận điểm chính sau: Chương 1: Tổng quan về điều kiện địa chất và công tác khoan ngang tại mỏ Y. Chương 2: Khái quát về cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực khoan cho động cơ đáy và tối ưu hóa thủy lực khoan cho choòng. Chương 3: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan, hệ thống hóa và so sánh các phương pháp tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan tối thiểu trong đoạn giếng khoan ngang. Chương 4: Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang X mỏ Y. Chương 1: Đặc điểm địa chất mỏ Y 1.1 Khái quát địa chất mỏ Y. 1.1.1 Giới thiệu về mỏ Y. 1.1.2 Mô tả địa tầng mỏ Y. 1.2 Công tác khoan ngang tại mỏ Y. Chương 2: Lý thuyết về tính toán và tối ưu hóa thủy lực khoan. 2.1 Mô hình lưu biến. 2.1.1 Mô hình Newton. 2.1.2 Mô hình Bingham. 2.1.3 Mô hình hàm mũ. 2.1.4 Mô hình Herschel-Bulkley. 2.2 Phương trình xác định tổn thất áp suất. 2.2.1 Mô hình Newton. 2.2.2 Mô hình Bingham. 2.2.3 Mô hình hàm mũ. 2.2.4 Mô hình Herschel – Bulkley. 2.3 Vận tốc trượt của hạt cắt. 2.3.1 Chất lỏng Newton. 2.3.2 Chất lỏng phi Newton. 2.3.3 Những mô hình thực nghiệm về vận tốc trượt của hạt mùn khoan. 2.4 Thủy lực khoan trong động cơ đáy. 2.4.1 Ứng dụng của động cơ đáy. 2.4.2 Cấu tạo của động cơ đáy. 2.4.3 Tính toán thủy lực khoan trong động cơ đáy. 2.5 Các chế độ tối ưu hóa thủy lực khoan. 2.5.1 Cực đại vận tốc vòi phun. 2.5.2 Cực đại công suất thủy lực. 2.5.3 Cực đại lực va đập thủy lực. 2.5.4 Phương pháp xác định lưu lượng tối ưu. 2.5.4.1 Phương pháp đồ thị. 2.5.4.2 Phương pháp giải tích. 2.6 Tỷ trọng tuần hoàn tương đương. Chương 3: Vận chuyển mùn khoan cho đoạn giếng khoan ngang. 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan trong đoạn giếng khoan ngang. 3.1.1 Vận tốc quay của cần khoan. 3.1.2 Tính lưu biến của dung dịch khoan. 3.1.3 Góc nghiêng của giếng. 3.1.4 Kích thước mùn khoan. 3.1.5 Vận tốc vành xuyến. 3.1.6 Lưu lượng tuần hoàn dung dịch. 3.1.7 Tốc độ khoan cơ học. 3.1.8 Tỷ trọng dung dịch. 3.1.9 Độ lệch tâm của trục cần khoan. 3.1.10 Đường kính lỗ khoan và đường kính cần khoan. 3.2 Tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch để vận chuyển mùn khoan cho đoạn giếng ngang. 3.2.1 Phương pháp cơ học. 3.2.1.1 Phương pháp cân bằng lực. 3.2.1.2 Phương pháp bảo toàn khối lượng. 3.2.2 Phương pháp tương quan thực nghiệm. 3.2.3 So sánh các phương pháp. Chương 4: Tính toán hợp lý lưu lượng dung dịch cho giếng ngang X mỏ Y. 4.1 Dữ liệu đầu vào. 4.2 Tính toán tổn thất áp suất. 4.2.1 Tổn thất áp suất trong cần. 4.2.2 Tổn thất áp suất trong khoảng không vành xuyến. 4.3 Tính toán thủy lực khoan cho động cơ đáy. 4.4 Tính toán lưu lượng dung dịch tối thiểu vận chuyển mùn khoan cho đoạn giếng ngang X mỏ Y. 4.5 Lựa chọn lưu lượng dung dịch hợp lý cho giếng ngang X mỏ Y. Chương 1: LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU HÓA THỦY LỰC KHOAN 1.1 Mô hình lưu biến. 1.1.1 Mô hình Newton. Mô hình Newton là mô hình diễn tả mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt. Những chất lưu thường ứng xử như mô hình Newton như nước, khí, dầu có tỷ trọng cao. Mô hình Newton xác định như sau: Trong đó: là ứng suất trượt (lbf/100ft 2 ) là độ nhớt (cp) là tốc độ trượt (s -1 ) 1.1.2 Mô hình Bingham. Mô hình Bingham được diễn tả theo mối quan hệ sau: khi khi khi Trong đó: là ứng suất trượt tới hạn (lbf/100ft 2 ) là độ nhớt của chất lỏng (cp) Theo mối quan hệ trên, chất lưu ứng xử theo mô hình Bingham chỉ bắt đầu chuyển động khi ứng suất trượt đạt giá trị tới hạn nhất định. Các giá trị và được xác định từ kết quả đo dung dịch bằng nhớt kế ở tốc độ quay 300 và 600 vòng/phút. Trong đó: và là số đo trên nhớt kế Fann tương ứng với tốc độ quay N 2 và N 1 vòng/phút. và là số đo trên nhớt kế Fann tương ứng với tốc độ quay 300 và 600 vòng/phút. 1.1.3 Mô hình hàm mũ. Mô hình hàm mũ mô tả ứng xử của chất lưu theo qui luật hàm mũ: hoặc Trong đó: K là chỉ số độ sệt (lbf/100ft 2 ) n là chỉ số đặc trưng cho ứng suất cơ học của dòng chảy, không thứ nguyên (n=0÷1). Nếu n=1 thì mô hình hàm mũ sẽ mô tả ứng xử của chất lưu Newton. Các thông số n và K được tính theo các số liệu thực nghiệm: 1.1.4 Mô hình Herschel – Bulkley. Đây là mô hình hoàn chỉnh nhất và thường được sử dụng trong các phần mềm tính toán như Drillbench. Mô hình Herschel – Bulkley được biểu diễn bởi phương trình: Trong đó: là ứng suất trượt Herchel – Bulkley (lbf/100ft 2 ) là chỉ số Herchel – Bulkley (lbfs m /100ft 2 ) m là chỉ số đặc trưng cho ứng xử dòng chảy. 1.2 Phương trình xác định tổn thất áp suất. 1.2.1 Mô hình Newton 1.2.1.1 Vận tốc trung bình Trong đường ống: Trong vành xuyến: Trong đó: là vận tốc trung bình dòng chảy (ft/s) q là lưu lượng dòng chảy (gal/min) d là đường kính trong của bộ khoan cụ (in) d 1 là đường kính ngoài của bộ khoang cụ (in) d 2 là đường kính trong của ống chống hoặc đường kính của giếng (in) 1.2.1.2 Dòng chảy tới hạn. Trong đường ống: Trong vành xuyến: Trong đó: là số Reynolds tới hạn là số Reynolds là khối lượng riêng của dung dịch (lbm/gal) là độ nhớt của dung dịch (cp) Nếu: là dòng chảy tầng là dòng chảy rối 1.2.1.3 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy tầng. Trong đường ống: Trong vành xuyến: Trong đó: là tổn thất áp suất trên một đơn vị chiều dài (psi/ft). 1.2.1.4 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy rối. Trong ống: Hay: Trong vành xuyến: Hay: Trong đó: f là hệ số ma sát 1.2.2 Mô hình Bingham. 1.2.2.1 Vận tốc trung bình dòng chảy. Trong đường ống: Trong vành xuyến: 1.2.2.2 Dòng chảy tới hạn. Trong ống: Số Hedstrom được tính theo công thức: Sau khi tính số Hedstrom, số Reynolds tới hạn được tra từ đồ thị. Số Reynolds được tính theo công thức: Trong vành xuyến: Sau khi tính số Hedstrom, số Reynolds tới hạn được tra từ đồ thị. Số Reynolds được tính theo công thức: Nếu: là dòng chảy tầng là dòng chảy rối 1.2.2.3 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy tầng. Trong đường ống: Trong vành xuyến: 1.2.2.4 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy rối. Trong cần: Hay: Trong vành xuyến: Hay: 1.2.3 Mô hình hàm mũ. 1.2.3.1 Vận tốc trung bình của dòng chảy. Trong cần: Trong vành xuyến: 1.2.3.2 Dòng chảy tới hạn. Trong cần: Số Reynolds tới hạn N Rec tra từ đồ thị theo chỉ số dòng chảy n. Số Reynolds tính theo công thức: Trong vành xuyến: Số Reynolds tới hạn N Rec tra từ đồ thị theo chỉ số dòng chảy n. Số Reynolds tính theo công thức: Nếu: là dòng chảy tầng là dòng chảy rối 1.2.3.3 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy tầng. Trong cần: Trong vành xuyến: 1.2.3.4 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy rối. Trong cần: Trong vành xuyến: 1.2.4 Mô hình Herschel – Bulkley. 1.2.4.1 Dòng chảy tầng. Trong cần: Với chất lưu Herschel – Bulkley, Govier và Aziz cho rằng N được tính theo phương trình sau: Trong đó: Vận tốc trượt có hiệu được tính: Độ nhớt có hiệu: Tổn thất áp suất: Trong vành xuyến: Tổn thất áp suất: Trong đó: : Đường kính có hiệu (in) : Đường kính thủy lực (in). 1.2.4.2 Dòng chảy chuyển tiếp. Trong cần: Tổn thất áp suất: Trong vành xuyến: Trong đó: Tổn thất áp suất: 1.2.4.3 Dòng chảy rối. Trong cần: Hệ số ma sát được tính theo phương trình sau: Tổn thất áp suất: Trong vành xuyến: Tổn thất áp suất: 1.3 Các chế độ tối ưu hóa thủy lực khoan. 1.3.1 Cực đại vận tốc vòi phun. Vận tốc vòi phun có thể được tối đa hóa nhưng phải thỏa mãn 2 điều kiện sau: - Vận tốc dung dịch ở vành xuyến cần phải đủ lớn để nâng mùn khoan ra khỏi giếng. - Áp suất bơm ở bề mặt không đượt vượt quá áp suất cho phép tối đa của bơm và thiết bị bề mặt. Từ phương trình: Với và là những giá trị cố định, có thể suy ra: Vì vậy, để tối đa hóa vận tốc vòi phun cần phải tối đa hóa tổn thất áp suất ở choòng khoan. Điều này có thể đạt được khi áp suất bơm được tối đa hóa và tổn thất áp suất do ma sát trong bộ khoan cụ, khoảng không vành xuyến được tối thiểu hóa. 1.3.2 Cực đại công suất thủy lực. Trong đó: thường được gọi là áp suất kí sinh (parasitic pressure), loại áp suất không mong muốn nhưng luôn luôn tồn tại. Công suất thủy lực của choòng: [...]... hưởng của vận tốc xoay cần khoan Nguồn Tốc độ xoay Y u tố kết Kết quả hợp Wang et al 0-60 rpm Lưu lượng Tốc độ xoay của cần gi m đáng kể lượng m n khoan lắng đọng khi lưu lượng tuần hoàn thấp, nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến lượng m n khoan lắng đọng khi lưu lượng tuần hoàn lớn Bassal Không đề Độ nghiêng, Tốc độ xoay của cần giúp rửa sạch m n cập độ nhớt và khoan tốt hơn khi dung dịch khoan được sử kích... khỏi giếng là m t trong những chức năng quan trọng của dung dịch khoan Vận tốc trượt giúp x c định tốc độ m m n khoan lắng xuống đ y giếng, từ đó có thể x c định được hiệu quả l m sạch m n khoan của dung dịch Tuy nhiên, việc x c định chính x c giá trị vận tốc trượt gặp nhiều khó khăn do dạng hình học của hạt m n khoan và các điều kiện biên rất phức tạp 1.4.1 Chất lưu Newton Trong lượng W của hạt m n... - T m q1 từ và C theo phương trình: Nếu: qmin < q1 < qmax thì lưu lượng tối ưu là qtư = q1 qmax < q1 thì lưu lượng tối ưu là qtư = qmax qmin > q1 thì lưu lượng tối ưu là qtư = qmin Từ giá trị lưu lượng tối ưu, có thể tính được diện tích vòi phun tối ưu, công suất th y lực tối ưu hoặc lực va đập tối ưu của cho ng, vận tốc nâng tối ưu trong vành xuyến 1.4 Vận tốc trượt của hạt cắt Vận chuyển m n khoan. .. chuyển m n khoan tối thiểu giếng, độ nhớt đối với dung dịch có độ nhớt cao và trung và vận tốc bình Giếng có khoảng không vành xuyến dung dịch nhỏ và độ lệch t m dương, tốc độ xoay của cần có đóng góp vào quá trình vận chuyển m n khoan Sanchez et 0-175 rpm al Bilgesu et 0-60 rpm Kích thước Tốc độ xoay của cần giúp vận chuyển m n al hạt cắt khoan tốt hơn khi hạt cắt có kích thước nhỏ Duan et al 0-160 rpm... 100: Có thể th y cả hai phương pháp Moore và Chien đều cần sử dụng phương pháp thử và sai 1.4.3.3 Phương pháp hiệu chỉnh của Walker và Mayer Tương quan được đề nghị Walker và Mayer xem m i hạt m n khoan là m t đĩa cầu (đĩa hình tròn có m t n m ngang phẳng) Khi đó, hệ số ma sát được tính theo công thức: Trong đó, h là bề d y của hạt m n khoan Nếu NRe > 100, dòng ch y được xem là rối và hệ số ma sát f =... Walker và Mayer đã phát triển m t m i quan hệ thực nghi m cho ứng suất trượt: Vận tốc trượt: Độ nhớt biểu kiến: Nếu NRe > 100, vận tốc trượt có thể được tính bằng công thức Nếu NRe