Tính toán và lựa chọn ống chống cho giếng khai thác dầu

Cấu trúc giếng khoan được xác định bằng:  Số lượng các cột ống chống trong giếng khoan  Đường kính và chiều sâu thả các cột ống chống  Đường kính choòng khoan tương ứng dùng khoan để thả các cột ống chống.

LỜI MỞ ĐẦU

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 cóvai 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 mang tínhđặc thù Các công trình này thường thi công trong điều kiện địa lí-kỹ thuật vàmôi trường làm việc hết sức phức tạp ,giá thành công trình dao động từ vàitriệu đô đến hàng chục triệu đô la Mỹ.Chính vì vậy ,quá trình thi công xâydựng giếng không thể không thực hiện một cách cụ thể,chi tiết và chuyênmôn 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 xí nghiệp liêndoanh dầu khí Vietsovpetro,và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy Lê ĐứcVinh,em đã lựa chọn đề tài:Tính toán và lựa chọn ống chống cho giếng khaithác dầu làm đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu khoa học được xây dựng dựatrên quá trình học tập,nghiên cứu tại trường kết hợp với thực tế sản xuất nhằmgiúp cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học.Với mức độ tài liệu và thờigian nghiên cứu hoàn thành đồ án có hạn,cũng như kiến thức và kinh nghiệmcòn hạn chế,nên sẽ không tránh khỏi có những thiếu sót.Em rất mong nhậnđược sự góp ý,bổ sung của các thầy cô,các nhà chuyên môn và các bạn cùngđọc

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầukhí và công trình,các bạn cùng lớp và đặc biệt là thầy Lê Đức Vinh đã giúpđỡ,hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án này.Nhân đây

em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ ,công nhân viên trong xí nghiệp

liên doanh dầu khí Vietsovpetro đã giúp đỡ thu thập tài liệu để em hoàn thànhbản đồ án tốt nghiêp.

Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2010

Sinh viên

Trần Ngọc Hòa

CHƯƠNG 1

LỰA CHỌN CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN

Cấu trúc giếng khoan được xác định bằng:

 Số lượng các cột ống chống trong giếng khoan

 Đường kính và chiều sâu thả các cột ống chống

 Đường kính choòng khoan tương ứng dùng khoan để thả các cột ốngchống

 Chiều cao dâng của vữa xi măng trong khoảng không gian vành xuyếnống chống

Việc lựa chọn cấu trúc giếng khoan phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố

cơ bản sau: mục đích giếng khoan và phương pháp khoan, điều kiện địa chấtkhoan qua, chiều sâu vỉa sản phẩm, số lượng vỉa sản phẩm, phương pháp mởvỉa sản phẩm, khả năng thiết bị kỹ thuật và thực trạng công nghệ

Trong tất cả các trường hợp, cấu trúc giếng khoan phải đảm bảo đượckhả năng thi công đến chiều sâu thiết kế và đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹthuật như thiết kế đặt ra

Với mục đích giảm thiểu thời gian thi công và tạo điều kiện tốt cho côngtác khoan nhằm phòng ngừa các phức tạp và sự cố trong quá trình khoan nênkhi thiết kế cấu trúc giếng khoan cần chú ý đến:

 Chiều sâu của đối tượng khai thác (vỉa sản phẩm), sản lượng của chúng vàtính thấm, chứa của vỉa

 Tính chất cơ lý và trạng thái gắn kết của đất đá, trong trường hợp thângiếng hở, cần tính tới các phức tạp địa chất có thể xảy ra các hiện tượngnhư bó, kẹt cần khoan, sập lở, hang hốc, phun trào…

 Áp suất vỉa và áp suất lỗ hổng, cũng như áp suất phá vỡ vỉa của đất đákhoan qua.

 Nhiệt độ của đất đá theo chiều sâu thân giếng

Nói chung, khi lựa chọn cấu trúc giếng khoan thì các đặc tính của cácchỉ tiêu đã liệt kế ở triên phụ thuộc nhiều vào các thông số kỹ thuật và côngnghệ thi công, xây dựng giếng khoan, cũng như đặc điểm và tính chất phứctạp của điều kiện địa chất

Có thể nhận xét rằng một số yếu tố chủ quan ở mức độ này hay ở mức

độ khác có thể trở thành yếu tố khách quan, trong trường hợp này số lượngcác yếu tố chủ quan ảnh hưởng đến quá trình thiết kế có thể là giới hạn đáng

kể, nhưng cũng có thể không có và việc lựa chọn cấu trúc giếng khoan chỉ làviệc xác định chính xác chiều sâu thả các cột ống chống mà thôi

Phụ thuộc vào các yêu cầu đối với giếng khoan (các yếu tổ chủ quan)

và đặc điểm địa chất của vùng mỏ (các yếu tố khách quan) thiết kế cấu trúcgiếng có thể đạt hiệu quả rất tốt nhưng cũng có thể đạt hiệu quả kém

Cấu trúc giếng khoan được xem là hợp lý nếu nó bảo đảm giá thànhxây dựng giếng thấp nhất, cũng như hoàn thiện các hạn chế tồn tại về kỹthuật (thiết bị kỹ thuật và vật tư, điều kiện vận chuyển), những hạn chế vềcông nghệ (áp dụng công nghệ mới, tổ chức các công việc chính và phụ trợcủa các đơn vị, xí nghiệp tham gia quá trình thi công xây dựng giếng), nhữnghạn chế về điều kiện địa chất (như sự xuất hiện nước vỉa, mất dung dịchkhoan và vữa xi măng, sập lở và trương nở của đất đá) những đòi hỏi về độtin cậy và tuổi thọ của giếng khoan trong suốt thời gian làm việc của giếng(thử vỉa, hoàn thiện giếng và khai thác)

1.1 Chọn chiều sâu thả và đường kính các cột ống chống

1.1.1 Tính toán và lựa chọn chiều sâu thả các cột ống chống

Khi thiết kế cấu trúc giếng, bước đầu tiên là chọn số cột ống chống vàchiều sâu thả Có hai yếu tố quyết định tới tính toán và xác định chiều sâu thảcác cột ống chống: điều kiện địa chất khoan qua và trình độ kỹ thuật, côngnghệ thực hiện các giai đoạn trong quy trình xây dựng giếng

Hai yếu tố này cần và đủ để tính toán chiều sâu thả các cột ống chống.Nếu các điều kiện địa chất trong toàn bộ thân giếng có những bất thường(không có cùng một môi trường địa chất như nhau) và khả năng kỹ thuật-công nghệ khoan không cho phép thực hiện cùng lúc thì phải thay đổi chophù hợp với các khoảng khoan riêng biệt

Có thể lý giải như sau: Khi các tham số có trước của các qui trình côngnghệ không hợp lý về mặt kinh tế khi khoan tiếp các khoảng khoan phíadưới (tiếp theo) của giếng sẽ gây nhiều khó khăn phức tạp trong khoảng đãkhoan phía trên, nếu khoảng khoan này chưa được gia cố bằng ống chốnghay phải thực hiện thêm một số giải pháp công nghệ đặc biệt để phòng ngừanhững phức tạp này Chính vì vậy, chiều sâu thả ống chống cần được quyếtđịnh một cách cụ thể phù hợp với điều kiện bất thường của vật chất

Từ mục đích này, việc xây dựng biểu đồ phân bố gradient áp suất vỉa

Pv theo chiều sâu thẳng đứng Lv (ßv = Pv/Lv), gradient áp suất phá vỡ vỉa ßvv

(ßvv = Pvv/Lv) và gradient áp suất cột dung dịch khoan (ßdd = Ydd) là hết sứccần thiết

Các đại lượng Pv, Pvv hoặc được tính toán trên cơ sở số liệu nghiên cứuđịa chất, địa vật lý của các giếng hoặc của vùng lân cận gần nhất về mặt địa

lý cũng như địa tầng để đưa ra các giá trị về áp suất vỉa, vỡ vỉa, mất dungdịch Trong trường hợp không có số liệu, áp suất phá vỡ vỉa Pvv có thể dựtoán theo các công thức sau:

Pvv = Pv + µ (Plỗ.hổng – Pv)/(1- µ) (1.3)Trong đó:

Pv – áp suất vỉa ở chiều sâu L (MPa)

Plỗ.hổng – áp suất lỗ hổng của vỉa bên trên (MPa)

ép thử (lưu lượng 1-2 l/s) Khi không có số liệu về áp suất mất dung dịch

Pmdd, có thể dự đoán theo công thức sau:

Trong các khoảng chiều sâu chứa các tạp chất có tính chảy dẻo cao, đểtính gradient áp suất vỡ vỉa ßvv, ở giá trị của đại lượng Pv có thể lấy giá trị ápsuất lỗ hổng của đất đá Trong các khoảng khoan có cường độ mất dung dịch

lớn mà việc khống chế trong quá trình khoan không đạt kết quả, để tính toángradient áp suất vỡ vỉa ßvv, ở vị trí đại lượng Pvv có thể sử dụng áp suất mà tạithời điểm đó xảy ra hiện tượng mất dung dịch trầm trọng.

Chiều sâu thả các cột ống chống (chiều sâu đặt chân đế ống chống)được lấy theo chiều sâu của ranh giới dưới của vùng gia cố ống (vùng cócùng điều kiện) cộng thêm từ 10-20cm nhưng không lớn hơn chiều sâu bắtđầu của vùng có điều kiện tăng tiếp theo

Chiều sâu thả cột ống chống khai thác được tính theo chiều sâu thực tếcủa vỉa sản phẩm có tính đến phương pháp hoàn thiện và khai thác giếng,cũng như cấu trúc đáy giếng

Chiều sâu thả cột ống chống kỹ thuật được tính toán và thả đến nóc củavỉa sản phẩm, nhằm ngăn cách toàn bộ địa tầng phía trên trước khi mở vỉasản phẩm với công nghệ mở vỉa và hệ dung dịch chuyên dùng cho mở vỉa sảnphẩm

Chiều sâu thả cột ống chống định hướng được xác định để gia cố cáctạp chất đất đá bở rời phía trên và chứa tạp chất nước trên bề mặt hoặc cáctập mất dung dịch Nếu cột ống chống định hướng được lắp đặt các thiết bịchống phun, chiều sâu thả chân để ống chống định hướng được tính toánchống khi xuất hiện dấu khí phun bằng công thức sau:

H = 10 (Pm + ΔPPm) / (Ydd – Ynv) (1.5)Trong đó:

Pm – áp suất tại miệng giếng khi đóng đối áp trong trường hợpdầu khí phun (kg/cm2)

ΔPPm – áp suất phụ thêm tại miệng giếng xuất hiện khi thực hiệnqui trình làm sạch giếng và khống chế các chất lỏng của vỉa xâm nhậpvào giếng (kg/cm2)

Ydd – tỷ trọng dung dịch khoan tương đương với gradient áp suấtphá vỡ vỉa, (g/cm3)

Ynv – tỷ trọng chất lỏng của vỉa trong giếng (g/cm3)

Chiều sâu thả các cột ống chống trung gian được xác định và thỏa mãncác điều kiện:

H – chiều sâu tối thiểu của chân đế ống chống cần thả (m)

L – chiều sâu chân đế cột ống chống tiếp theo (m)

Ld – chiều cao từ mực nước biển đến mặt bàn roto(trong trường hợp khoan ở biển)

Còn khi khoan trên đất liền Ld = 0

Yo – tỷ trọng của dung dịch khoan có tính đến sự xâm nhập củachất lỏng của vỉa (dầu, khí, nước) hay còn gọi là hỗn hợp khí nước, mà giá trịnày được xác định như sau:

Thực tế chiều sâu đặt chân đế ống chống được lựa chọn nằm trong vỉa

có đất đá bền vững, nhưng không được nhỏ hơn giá trị tính toán

Mặt khác, chiều sâu thả cột ống chống trung gian và cột ống chốngđịnh hướng cần được kiểm tra trong điều kiện thực tế, nếu giếng khoan bịmất tuần hoàn dụng dịch khi khoan khoảng dưới, thì chân đế ống chống trướccần thả sâu hơn chiều sâu mực dung dịch trong giếng khi khoan trong khoảngdưới mà có thể xảy ra mất tuần hoàn dung dịch

Đối với 1-3 giếng khoan đầu tiên của vùng mỏ, do chưa có số liệu thực

tế đáng tin cậy che nên chiều sâu mực dung dịch trong giếng khi mất tuầnhoàn có thể xác định như sau:

Lmdd = 0,3 – 0,4 Hk, Hk- chiều sâu giếng khi xảy ra mất tuần hoàn dungdịch, Lmdd- chiều sâu mực dung dịch trong giếng Trong trường hợp có số liệuthực tế về địa chất của vùng mỏ thì giá trị Lmdd được xác định theo số liệuthực tế

Tỷ trọng dung dịch Ydd sử dụng khi khoan trong khoảng khoan chưagia cố bằng ống chống cần phải nằm trong giới hạn cho phép của vùng có

cùng điều kiện, phù hợp với các yêu cầu của các qui trình, qui phạm hiệnhành và thỏa mãn điều kiện sau:

Ydd – tỷ trọng dung dịch lớn nhất khi khoan các khoảng riêng biệt

a - hệ số dự phòng (chiều sâu giếng <= 1200m, a = 1,10-1,15; chiềusâu giếng lớn hơn 1200m, a = 1,05-1,10)

ΔPαmdd min - gradient áp suất mất dung dịch nhỏ nhất trong khoảng xácđịnh (MPa/m)

ΔPαmax - gradient áp suất vỉa (lỗ hổng) lớn nhất trong khoảng xác định(MPa/m)

Nói một cách khác, tỷ trọng dung dịch khoan luôn luôn phải nhở hơngiá trị gradient áp suất phá vỡ vỉa và lớn hơn gradient áp suất vỉa với giá trị:

- 10-15% đối với các giếng có chiều sâu không lớn hơn 1200m (0-1200m),nhưng không lớn hơn 1,5MPa

- 5-10% đối với các giếng có chiều sâu không lớn hơn 2500m (1200-2500m),nhưng không lớn hơn 2,500 MPa

- 4-7% đối với các giếng có chiều sâu lớn hơn 2500m (khoảng từ 2500m đếnchiều sâu thiết kế), nhưng không lớn hơn 3,5MPa

Giá trị sai số cho phép của tỷ trọng dung dịch trong hệ thống tuầnhoàn, nằm trong khoảng + - 0,02 g/cm3 so với giá trị tính toán thiết kế

1.1.2.Tính toán và lựa chọn đường kính các cột ống chống

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 chống

khai 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 lượng mongmuốn, áp suất vỉa, các giải pháp thực hiện công việc nghiên cứu địa vật lýgiếng khoan, sửa chữa giếng và cứu sự cố; kích cỡ cần khoan và thiết bị khácthực hiện trong cột ống chống khi tiến hành công đoạn khoan giếng

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

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 1.1.Đường kính ống chống và khe hở nhỏ nhấtĐường kính

219 ÷245

273 ÷351

376 ÷508Khe ở nhỏ

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 để khoankhoảng 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 tố phụkhác

Bảng 1.2: Đường kính chuẩn của choòng khoan và ống chống tương ứngĐường kính choong

khoan, mm

Đường kính ống chốngtiêu chuẩn API, mm

Đường kính ống chốngtiêu chuẩn GOST, mm

Dc – Đường kính choòng khoan (mm)

Ddnoc – Đường kính đầu nối ống chống (mm)

ΔP – 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:

Trong đó:

Dtr oc – Đường kính trong ống chống xít (mm)

Dng oc – Đường kính ngoài ống chống đang xem xét ( mm)

£ - Chiều dày của thành ống chống đang xem xét (mm)

1.2 Lựa chọn chiều cao dâng vữa xi măng và cấu trúc đáy giếng

1.2.1 Tính toán và lựa chọn chiều cao dâng vữa xi măng

Chiều cao dâng vữa xi măng trong khoảng không gian vành xuyếnđược tính toán trên cơ sở của các qui phạm đang có hiệu lực và các tài liệuhướng dẫn Chiều cao dâng vữa xi măng được xác định từ những điều kiệnđịa chất đặc biệt của vùng mỏ, có thể sơ lược như sau:

 Đối với cột ống chống định hướng

Trong mọi trường hợp chiều cao dâng vữa xi măng bắt buộc phải đếnmiệng giếng (miệng ống định hướng)

 Cột ống chống trung gian

- Đối với các giếng dầu chiều sâu cần thiết kế nhỏ hơn 3000m thì chiềucao dâng vữa xi măng ở khoảng không gian vành xuyến bên ngoài cột ốngchống không nhỏ hơn 500m so với chân đế ống chống

- Đối với các giếng khí, giếng khoan thăm dò và giếng khoan dầuchiều sâu thiết kế lớn hơn 3000m, nếu điều kiện địa chất không có biểu hiệnphức tạp như áp suất dị thường cao…và có khả năng đảm bảo được chấtlượng bơm trám, cũng như độ kín của cột ống thì chiều cao dâng vữa xi măng

ở khoảng không gian vành xuyến bên ngoài cột ống chống không nhỏ hơn

200m tính từ chân để ống chống trước Trong trường hợp, điều kiện địa chất

có biểu hiện phức tạp không có, khả năng bảo đảm được chất lượng gia cố vàgia kín độ kín của cột ống chống để thực hiện khoan các khoảng khoan tiếptheo thì chiều cao dâng vữa xi măng bắt buộc phải dâng lên đến miệng giếng

 Cột ống chống khai thác

- Đối với các giếng dầu, chiều cao dâng vữa xi măng ở khoảng khônggian vành xuyến bên ngoài cột ống chống khai thác nhỏ hơn 100m tính từchân đế ống chống trước Điều này có thể áp dụng cho các giếng khí và cácgiếng thăm dò với điều kiện giếng này cần áp dụng các giải pháp kỹ thuậtđảm bảo độ kín của đầu nối cột ống; các trường hợp còn lại, chiều cao dângvữa xi măng bắt buộc phải lên đến miệng giếng

1.2.2.Cấu trúc đáy giếng.

Các yếu tố cơ bản để thiết kế cấu trúc đáy giếng gồm:

o Phương pháp khai thác đối tượng

o Tính chất thấm chứa của vỉa sản phẩm

o Tính chất cơ lý của vỉa sản phẩm

o Vị trí của vỉa sản phẩm

Khái niệm về cấu trúc đáy giếng được hiểu là sự tương quan giữa cácthành phần gia cố giếng trong các khoảng của đối tượng khai thác mà ở đóđảm bảo sự bền vững cho thân giếng ngăn cách được: chất lỏng chứa trongvỉa sản phẩm; thực hiện các tác động kỹ thuật và công nghệ lên vỉa; côngviệc sửa chữa và cách ly cũng như kéo dài tuổi thọ khai thác giếng với lưulượng tối ưu

Sản phẩm được gia cố bằng cột ống chống (có thể chống ống lửng)trám xi măng, sau đó bắn đục lỗ thông vữa bằng đạn

e f g h

Hình 1.2.1: Cấu trúc đáy giếng

Hình g là cấu trúc đáy giếng đặt ống lọc đáy nhằm ngăn ngừa sự xâmnhập của cát vào giếng

Hình a,b,c cấu trúc đáy giếng thân trần

Hình d,e là cáu trúc đáy giếng dạng hỗn hợp

Hình f là cấu trúc đáy giếng kín.hình h là vùng cận đáy giếng được gia

cố bằng vật liệu thấm

Giới hạn thay đổi độ thấm chứa của đất đá trong vỉa sản phẩm không đượcnằm ngoài ranh giới của một trong sáu nhóm sau đây:

K>1K= 0,5 ÷ 1

K = 0,1 ÷ 0,5K= 0,05 ÷ 0,1K= 0,01 ÷ 0,05

K = 0,001 ÷ 0,05Vỉa sản phẩm được hiểu là không đồng nhất nếu như độ thấm chứa củavỉa sản phẩm thay đổi; chứa nhiều loại chất lỏng như: nước vỉa, mũ khí hoặc

hỗn hợp dầu nước và áp suất vỉa khác nhau; hoặc các giá trị K của đất đátrong các vùng khác nhau và vượt quá giới hạn thay đổi thấm chứa.

Đối với các tính chất khác của đất đá, khi khai thác giếng được bảo tồn

và không bị phá hủy dưới tác động thẩm thấu và tải nén địa tầng tĩnh

Độ ổn định của đất đá vùng cận đáy giếng khi khai thác được đánh giá bằngmối tương quan : £b < £ b

£ b là giới hạn bền của đất đá vỉa sản phẩm khi khai thác bằng cácphương pháp khác nhau (chất lỏng được lấy ra từ vỉa, bơm vào vỉa hoặc thiếu

sự hơn chuyển của chất lỏng) được tính toán từ thực nghiệm Các tính toánphụ thuộc vào trọng lượng riêng của đất đá, áp suất vỉa và áp suất thủy tĩnh

Đất đá không bền vững là đất đá có tính chất gắn kết kém, một phầncủa vỉa đất đá này sẽ được mang lên bề mặt qua ống lọc theo thời gian trongquá trình khai thác vỉa sản phẩm

1.3 Tính toán ống chống

1.3.1.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 làm việc

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 dài ống

Loc, đã biết giá trị áp suất dư ngoài và áp suất dư trong Hệ số dự phòng (antoàn) qui định thỏa mãn các điều kiện sau:

 P đn >= l t q t (1.13)

 P oc >= l t q t (1.14)

Pkt >= Pđn  n1 (1.15)

Poc >= Pdt n2 (1.16)

Pđn – Áp suất dư ngoài

Pdt – Áp suất dư trong

Poc – Áp suất dư trong cho phép mà tại giá trị này ống chống đạttới giới 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 sảnphẩm (phụ thuộc vào tính ổng định của đất đá), các trường hợp khác nt

)) Kmin 4f3

3e 1

( 2

*Ứng lực kéo tác dụng bởi tải trong 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 thả ốngchống xuống giếng khoan

Do trọng lượng bản thân ứng suất kéo phân bố đều trên cột ống chốngnhư hình (1.3.1.1)

Hình 1.3.1.1.Phân bố ứng suất kéo trên cột ống

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 nê tiết diện của cộtống chống nào nhỏ hơn thì có ứng suất lớn nhất và ngược lại tiết diện củaống chống nào lớn nhất sẽ có sẽ có ứng suất nhỏ nhất (căn cứ vào đặc điểmnày để ta bố trí, chọn mác thép và tiết diện thép cho phù hợp)

Ứng suất 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 vàngoài ống chống)

Hình1.3.1.2 : Ứng suất bóp méo tác động tác động lên ống chống

Đặc điểm vỉa 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

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:

B B

B B

- 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

Hình 1.3.1.3 : Ứng suất gây nổ ốngỨng lực bóp méo ống và ứng lực gây nổ ống có liên quan chặt chẽ vớinhau:

- 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 lựcgây nổ ống, nếu ứng lực này lớn hơn ứng lực gây nổ ống cho phép thì ống sẽ

bị phá 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 quá trìnhlàm việc của giếng khoan Đồng thời đảm bảo giá thành hạ nhất cới sự tiêuhao vật liệu thép ống tối thiểu

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

Phương pháp tính bền cột ống chống kỹ thuật phụ thuộc vào:

Mục đích, điều kiện, chiều sâu thả ống

Thông thường cột ống trung gian được tính toán dựa vào tải trọng kéocho phép Tính áp suất bên ngoài gây bóp méo ống trung gian chỉ được ápdụng trong trường hợp giếng khoan gặp những vừng mất nước Hay sau khiống chống tiếp tục khoan bằng dung dịch có tỷ trọng nhỏ hơn dung dịchkhoan trước đó (ngoài ống chống)

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

Tại một điểm nào đó ở chiều sâu z của ống, lực kéo căng có giá trị là Qz:

Qz = Q + Qph

Trong đó:

Pth : Tổn thất áp suất do tuần hoàn dung dịch

Pd: Áp suất dư sinh ra khi nút toán trên tì lên nút trám dưới tạivòng dừng

Dtv : Đường kính trong của ống chống tại chỗ đặt vòng dừng

Pth = 0,02 H + 16 (at)H: Là chiều sâu của ống chống m

Pd = 15 ÷ 20 (ct)

Để cột ống chống đảm bảo bền thì Q7  Qcf = Pd1

n1: Hệ số an toàn khi kéo đứt

Qcf: Là tải trọng kéo cho phép của ống chống

Pd: Tải trọng kéo cho phép của ống chốngỨng suất kéo có giá trị nhỏ nhất ở phần dưới cùng các cột ống và tăngdần theo chiều dài và đạt tới giá trị cực đại ở phần trên cùng Do vậy nếu nhưcột ống chống được tạo thành bằng một loại mác thép thì bề dày của thành

Sơ đồ phân bố như hình vẽ:

Sơ đồ phân bố ứng suất kéo của cột ống

Hình 1.3.1.4 : Sơ đồ phân bố ứng suất kéo của cột ống

Do vậy việc tính toán cột ống chống được bắt đầu từ dưới lên trên.Đối với cột ống này (trung gian) sau khi chống xong vẫn tiếp tục công táckhoan tiếp theo cho nên cột cần khoan sẽ quay và kéo thả thường xuyên trongcột ống này Để tránh hiện tượng tháo ren, và mài mòn, ta lắp ở phần dướicùng của cột ống chống một đoạn khoảng 50 ÷ 100m, có bề dày thành ốnglớn nhấta Trọng lượng đoạn ống ấy có chiều dài là Qa:

Qa = la qa

a

 Là trọng lượng 1m của đoạn ốngĐoạn ống chống được lắp tiếp theo (ln) sẽ có bề dày thành ống nhỏnhất Chiều dài l1 sẽ có giới hạn bởi độ bền của nó Ta có:

q1 – Trọng lượng 1m của đoạn ống l1

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

Hình 1.3.1.5.Trắc diện cột ống theo tải trọng kéoSau khi tính toán 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 ápsuất dư trong.

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

Pdt = Yna Ynh Hx

10



(kg/cm2)Trong đó:

Yna – Dung dịch nặng bên trong

Pt – Áp suất tới hạn bên trong của ống (tra bảng)

Pdt – Áp suất dư trongChúng ta cũng cần phải tính áp suất cực đại xuất hiện tại thời điểmcuối của quá trình bơm trám

Px = 0,1 (Hx – h) (Ydx – Yd) + (0,02H + 16)

Trong đó:

Hx, h – chiều cao trám và chiều cao cột xi măng (m)

Ydx, Yd – trọng lượng riêng dung dịch xi măng trám và dungdịch khoan, lúc này hệ số dự trữ bền là n3 = Px Pt

Chiều cao cho phép hạ mức chất lỏng ở bên trong ống được xác định(Ho):

Ho = 10Yd Pm.n2

Nếu trong thời gian mở vỉa chúng ta khoan với dung dịch có trọnglượng tiêng nhỏ hơn dung dịch ngoài ống chống thì phải kiểm tra độ bền với

áp suất bên ngoài ở đọan ống có bề dày thành bé nhất

Áp suất bên trong Pn được xác định như sau:

Pn = Hx(Yna10 Ynh)

Hệ số dự trữ bền bóp méo ống n2 = Pbm Pn

1.3.3 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 phun

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

- 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 Đốivới những giếng khai thác khí hay giếng dầu có áp suất vỉa thấp, chúng ta lắy

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:

Khi bên trong cột ống chống không có chất lỏng;

2

10 n

n bm cf

d

P H

n 

 (1)

n2 – là hệ số an toàn bóp méo ống

Trường hợp chất lỏng hạ xuống một phần : H0  z L

Xuất phát từ công thức:

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: