Tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến dung dịch khoan trong khai thác dầu khí

Chức năng của dung dịch khoan Trong quá trình thi công giếng khoan dầu khí, dung dịch khoan đóng vai trò vô cùng quan trọng, là thành phần không thể thiếu trong suốt thời gian khoan vàđó

LỜI MỞ ĐẦU

Như ta đã biết, dầu khí là một nghành công nghiệp tuy còn non trẻ nhưngchiếm vị trí vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, nó không chỉ đónggóp lớn vào GDP của cả nước mà còn là một ngành kinh tế mũi nhọn, đưa đấtnước tiến lên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa Trong ngành côngnghiệp đầu khí, để có dầu khí chúng ta phải trải qua một chuỗi các công tác tìmkiếm thăm dò, khoan, khai thác đến chế biến và tiêu thụ các sản phẩm dầu khí.Trong đó thì công tác khoan giếng là một trong những khâu rất quan trọng khôngthể thiếu, thông qua giếng khoan để tiến hành việc tìm kiếm, thăm dò và khaithác phục vụ cho ngành chế biến sản phẩm như lọc hóa dầu

Trong quá trình khoan các giếng khoan, dung dịch khoan đóng vai trò rấtquan trọng nhằm đảm bảo sự thành công hay thất bại của giếng khoan Khi thicông các giếng khoan thường xảy ra các sự cố như giếng bị phun, mất dung dịch,kẹt bộ dung dịch khoan, sập lở thành giếng khoan Việc chọn lựa hệ dung dịchkhoan phù hợp để khoan qua các tầng địa chất phức tạp cũng như tầng sản phẩmđạt được yêu cầu kỹ thuật và hiệu qua kinh tế là điều rất quan trọng Để đạt đượcđiều đó thì chúng ta phải nắm rõ được thành phần hóa học, tác dụng của từngloại dung dịch khoan để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tốt nhất cho giếng

Do đó, sau thời gian học tập tại trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu và thời

gian thực tập tại xí nghiệp Khoan và Sửa giếng Nhóm chọn đề tài “ Tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến dung dịch khoan trong khai thác dầu khí” để làm

báo cáo thực tập tại quý công ty

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐƠN VỊ THỰC TẬP

Xí nghiệp khoan và sửa giếng được thành lập từ tháng 6 năm 1983, là mộttập thể Cán bộ Công nhân viên quốc tế có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vựckhoan thăm dò và khai thác dầu khí Xí nghiệp Khoan & Sửa giếng có đội ngũchuyên gia kỹ thuật và quản lý nhiều kinh nghiệm, trong đó có các tiến sỹ, thạc

sỹ, chuyên gia, kỹ sư, kỹ thuật viên được đào tạo trong và ngoài nước Xí nghiệpkhoan và sửa giếng (XNK & SG) được trang bị 3 giàn tự nâng Tam Đảo – 01,Tam Đảo – 02 và Cửu Long với các thiết bị hiện đại, 6 bộ giàn khoan Uranmash– 3D, một bộ sửa giếng MMWU – 01, 6 đội khoan cùng với dịch vụ sản xuấttrên bờ, xưởng lắp tháp, xưởng bom tráng xi măng, phòng dung dịch khoan đápứng được dịch vụ trọn gói hoặc riêng lẽ trong thi công và sửa chữa giếng khoan

Để đáp ứng nhu cầu càng cao của khách hàng, XNK & SG tiếp tục cải tiến côngtác quản lý sản xuất kinh doanh bằng việc áp dụng hệ thống quản lý chất lượngISO 9001 : 2008, và nhiều tiêu chuẩn tiên tiến khác

Bằng thiết bị và nhân lực hiện có cho tới nay XNK & SG đã khoan đượctrên 1,4 triệu mét khoan, sửa trên 779 lượt giếng khoan ở các mỏ White Tiger,Dragon, Soi, Hoàng Long, Big Bear, Ba Vi, Thiên Ưng,….Với kỹ thuật khoanxiên góc lên tới 700 và đã tiến hành cho nhiều nhà thầu khác như VRJ, PVSC…Với hệ thống thiết bị hiện đại, đội ngũ chuyên gia, kỹ sư, kỹ thuật viên giàukinh nghiệm XNK & SG sẵn sàng phục vụ mọi yêu cầu của khách hàng với cácsản phẩm dịch vụ đạt tiêu chuẩn quốc tế

Ngoài công tác khoan, xí nghiệp còn có khả năng thực hiện các công việcsau:

 Thiết kế các giếng khoan thăm dò khai thác dầu khí ở biển và đất liền

 Khoan xiêng định hướng có độ lớn 700, khoan ngang vào các sản phẩmdầu khí.

 Bơm trám xi măng, gia cố giếng khoan, kiểm tra độ kín của các ống dẫndầu, khí và nước

 Sửa chữa các giếng khoan dầu, nước, nâng cấp khai thác lâu dài

 Kiểm tra khuyết tật các thiết bị bằng máy siêu âm, điện tử có độ chính xáccao

 Sửa chữa, bảo dưỡng, phục hồi các loại máy khoan, cơ khí cắt gọt kimloại, thiết bị động lực, thiết bị nâng

CHƯƠNG 2 CHỨC NĂNG VÀ TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH KHOAN

2.1 Khái niệm

Dung dịch khoan là loại dung dịch được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt vàocần khoan, đi qua choòng khoan và quay lại bề mặt bằng khoảng không vànhxuyến trong công tác khoan

Dung dịch khoan có thể là chất lỏng hoặc khí:

 Dung dịch khoan là không khí

 Dung dịch khoan dạng bọt

 Dung dịch khoan là nước

 Dung dịch khoan gốc dầu

 Dung dịch khoan gốc polymer tổng hợp (olefin và este)

2.2 Chức năng của dung dịch khoan

Trong quá trình thi công giếng khoan dầu khí, dung dịch khoan đóng vai trò

vô cùng quan trọng, là thành phần không thể thiếu trong suốt thời gian khoan vàđóng góp vào hoàn thành chương trình khoan Dung dịch khoan có những chứcnăng chính sau đây:

 Rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng

 Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn

 Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ

 Giữ thành lỗ khoan không bị sập lở, tránh mất nước rửa và hiện tượng dầu,khí, nước vào lỗ khoan

 Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá

 Truyền năng lượng cho turbin khoan

Ngoài ra, còn các chức năng khác như: Đảm bảo tính chính xác cho côngtác đánh giá vỉa, kiểm soát sự ăn mòn thiết bị (O2, CO2, H2S), hỗ trợ quá trìnhtrám xi măng và hoàn thiện giếng, giảm thiểu tác hại cho môi trường, truyềnthông tin địa chất lên mặt đất.

2.2.1 Chức năng rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng

Đây là điều kiện để đạt được tốc độ cơ học khoan cao Đi đôi với quá trìnhphá hủy đá là quá trình giải phóng mùn khoan khỏi bề mặt đáy, phải làm sạchmùn khoan khỏi đáy mới tạo điều kiện tốt cho sự làm việc của dụng cụ khoan,tránh được hiện tượng kẹt cố do lắng đọng mùn khoan ở đáy

Muốn rửa sạch đáy lỗ khoan thì phải kịp thời đưa mùn khoan lên mặt đấttheo khoảng không vành xuyến giữa thành lỗ khoan và cần khoan Mức độ rửasạch lỗ khoan phụ thuộc vào số lượng các hạt mùn khoan

Đáy lỗ khoan được làm sạch phụ thuộc vài 3 yếu tố cơ bản:

 Vận tốc đi lên của dòng dung dịch: Năng suất máy bơm lớn, lượng dungdịch bơm vào đáy lỗ khoan càng nhiều, đáy lỗ khoan rửa sạch thì tốc độkhoan càng tăng

 Tính chất của dung dịch: Dung dịch có độ nhớt thấp, độ linh động caocàng làm sạch đáy lỗ khoan

 Hình dạng và kích thước hạt mùn

2.2.2 Chức năng giữ mùn khoan lơ lửng tuần hoàn

Trong quá trình khoan thường xảy ra hiện tượng ngừng khoan một cách độtngột hoặc khi tiếp cần, thay choòng khoan Lúc đó trong khoảng không vànhxuyến còn rất nhiều mùn khoan chưa được nâng lên mặt đất Do trọng lượng bảnthân, các hạt mùn khoan lắng xuống gấy ra hiện tượng kẹt lỗ khoan

Để tránh hiện tượng kẹt cần khoan, phải dùng dung dịch có tính lưu biếncao Dung dịch loại này khi ở trạng thái yên tĩnh, ứng suất giới hạn của chúng

tăng lên (quá trình gel hóa), đủ để giữ các hạt mùn khoan không bị lắng xuống.

Để đảm bảo chức năng này thì dung dịch khoan phải đạt các yêu cầu sau:

 Có tính xúc biến cao, đó là khả năng hình thành mạng lưới cấu trúc để giữcho hạt mùn ở trạng thái lơ lửng

 Giá trị ứng suất trượt tĩnh đủ lớn để tránh không cho hạt mùn rơi ngượctrở lại giếng

 Khả năng giữ các hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng của một loại nướcrửa được đánh giá bằng kích thước lớn nhất của các hạt mùn khoan không

bị chìm trong loại nước rửa ấy

 Khi rửa lỗ khoan bằng nước lã hoặc chất khí, do tính lưu biến của các loạidung dịch này rất thấp, chỉ được ngừng tuần hoàn sau khi đưa hết mùnkhoan lên mặt đất Đồng thời phải nhanh chóng khôi phục sự tuần hoàncủa dung dịch

2.2.3 Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ

Trong quá trình khoan, dụng cụ phá đá bị nóng do nhiệt ở đáy (địa nhiệt)

đá sẽ không đổi

Việc làm mát dụng cụ phá đá phụ thuộc lưu lượng, tỉ nhiệt và nhiệt độ banđầu của chất để rửa lỗ khoan Lưu lượng và tỉ nhiệt càng lớn thì nhiệt độ trung

bình ở chỗ tiếp xúc càng nhỏ Mặt khác khi lỗ khoan càng lớn thì việc làm lạnhchoòng khoan càng nhanh.

Thực tế cho thấy dung dịch làm lạnh dụng cụ phá đá tốt nhất là nước lã, sau

đó là dung dịch sét và các chất lỏng khác, cuối cùng là chất khí

Dung dịch khoan còn bôi trơn ổ bi, các chi tiết khác của turbin, choòngkhoan cần khoan và ống chống do nước rửa làm giảm ma sát ở các bộ phậnquay, bôi trơn và làm giảm nhẹ sự làm việc của các cơ cấu dẫn đến tăng độ bềncủa chúng, đặc biệt quan trọng trong turbin Hiệu quả bôi trơn càng tăng nếu phavào dung dịch 8 – 10% dầu diesel hoặc dầu hỏa Dung dịch nhũ tương dầu có tácdụng bôi trơn tốt nhất, dùng dung dịch này khi khoan moment quay giảm 30%

2.2.4 Chức năng giữ thành lỗ khoan không bị sập lở, khống chế sự xâm nhập của chất lưu từ vỉa vào trong giếng

Mỗi lớp đất đá, vỉa khoáng sản, mỗi tầng chứa dầu, khí, nước nằm tronglòng đất đều có áp lực vỉa (Pv) của chúng (áp lực thủy tĩnh) từ vài atm, vài trămđến hàng nghìn atm Ở điều kiện bình thường, do sự cân bằng áp lực của đất đánên chúng ổn định nhưng khi khoan qua chúng thì sự cân bằng này bị phá vỡ.Dưới áp lực vỉa, các lớp đất đá đi vào lỗ khoan

Khi lỗ khoan có nước rửa thì cột chất lỏng trong lỗ khoan sẽ tạo một áp lựcthủy tĩnh Pv

 Khi Pv> Ptt thì đất đá, dầu khí nước sẽ đi vào lỗ khoan gây ra hiện tượngsập lở thành lỗ khoan hay hiện tượng dầu, khí, nước vào lỗ khoan và phunlên Tăng tỷ trọng Ptt có tác dụng chống lại Pv Mặt khác khi dùng dungdịch sét sẽ tạo nên một lớp vỏ mỏng sét chặt sít xung quanh thành lỗkhoan, ngăn cách giữa vỉa và lỗ khoan thì thành lỗ khoan ổn định

 Khi Pv< Ptt, nước rửa đi vào khe nứt của đá làm giảm thể tích nước rửa,gây ra hiện tượng mất nước rửa từng phần hay hoàn toàn Hiện tượng này

Đồng thời với hiện tượng sập lở thành giếng khoan, dầu khí, nước đi vào lỗkhoan Do đó khi khoan cần phải chọn dung dịch khoan có tỷ trọng hợp lí để P v

gần bằng Ptt.Khắc phục bằng cách dùng dung dịch sét chất lượng tốt, tỷ trọngnhỏ tạo nên một vỏ sét chặt sít ngăn cách giữa lỗ khoan và vỉa, đồng thời do Ptt

nhỏ sẽ thành lập nên một trạng thái cân bằng Ptt = Pv để chống mất nước rửa

Trong trường hợp mất nước rửa mạnh, người ta dùng các hỗn hợp đôngnhanh để khắc phục

Trong quá trình khoan do sự chênh lệch giữa áp suất cột dung dịch và ápsuất vỉa mà một phần nước tách khỏi dung dịch đi vào khe nứt, lỗ hổng của đất

đá ở thành giếng và để lại trên thành giếng những hạt keo Chúng liên kết vớinhau tạo thành lớp vỏ bùn ở thành giếng khoan Lớp vỏ bùn này có tác dụnggiống một ống chống tạm thời giữ cho đất đá không bị sập lở Độ dày và tínhchất vỏ bùn phụ thuộc vào chất lượng dung dịch Nếu dung dịch có chất lượngtốt, chứa nhiều hat keo, chúng sẽ sắp xếp trật tự, chặt xít trên thành giếng khoan,tạo lớp vỏ bùn mỏng nhưng rắn chắc, hạn chế nước thấm vào vỉa, ngăn sập lở, bóhẹp thành giếng khoan

2.2.5 Gây tác dụng hóa lý khi phá hủy đất đá

Nước rửa qua lỗ thoát của choòng khoan có kích thước nhỏ nên đạt đượcđộng năng lớn Động năng này được dùng để làm sạch đáy lỗ khoan đặc biệt khigặp đất đá mềm, xốp bởi vì khi đó động năng này sẽ tác động trực tiếp gây pháhủy lên bề mặt đất đá

Tác động cơ học của dòng nước rửa lên đáy lỗ khoan được đánh giá bằng

áp lực hay lực đập của dòng nước rửa khi tiếp xúc với đất đá ở đáy Lực đập nàyphụ thuộc vào tốc độ, khối lượng và mật độ của dòng nước rửa

Khi khoan qua đất đá cứng, nước rửa góp phần làm tăng tốc độ khoan cơhọc vì nước đã làm giảm độ cứng của đất đá

Đất đá có độ bền không đồng nhất, trong mạng tinh thể có chỗ rất yếu vàtrên bề mặt có các khe nứa ngang dọc Khi nước rửa thấm sâu vào làm các khenứt bị sâu thêm, rộng ra tạo điều kiện cho việc phá hủy đá dễ dàng hơn Hiệu quả

đó tăng thêm khi ta cho thêm vào nước rửa các chất làm giảm độ cứng Tác dụngcủa các chất này là tăng lực tương tác hóa lý giữa môi trường phân hóa và bề mặtmới của đất đá tạo ra trong quá trình phá hủy cơ học

2.3 Thành phần và phân loại dung dịch khoan

Tùy thuộc vào tính đa dạng và phức tạp của điều kiện đại chất, người ta sửdụng nhiều loại dung dịch khoan khác nhau Có nhiều cách phân loại dung dịchkhoan khác nhau

 Theo môi trường phân tán, gồm có:

 Dung dịch khoan gốc nước (nước biển hoặc nước ngọt)

 Dung dịch khoan không phải gốc nước (gốc dầu, khí)

 Theo yếu tố công nghệ (phương pháp điều chế và gia công hóa học, vậtliệu sử dụng…) có thể chia dung dịch khoan thành:

 Dung dịch khoan mở vỉa sản phẩm

 Dung dịch khoan hoàn thiện giếng

 Dung dịch kiểm tra hoặc dung dịch phục hồi giếng

 Dung dịch trong khoảng không vành xuyến hoặc dung dịch trong cộtống

Các cách phân loại trên có tính chất tương đối nhưng cách phân loại phổbiến nhất hiện nay là theo môi trường phân tán Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu chitiết loại dung dịch khoan theo cách phân loại này.

2.3.1 Dung dịch khoan gốc nước

2.3.1.1 Nước kỹ thuật

Là hỗn hợp giữa nước lã được hòa tan với các loại sét trong thành hệ khoanqua hay dùng sét tự nhiên được xử lý Dung dịch này dùng khoan qua đất đá bềnvững, thành giếng ổn định không xảy ra hiện tượng sụp lở

 Khó sử dụng khi khoan qua thành hệ phức tạp

 Khi ngừng tuần hoàn dung dịch dễ kẹt bộ khoan cụ

2.3.1.2.Dung dịch sét

 Môi trường phân tán nước

 Pha phân tán là sét, thông thường là sét montmorillonit

Người ta căn cứ vào kích thước các pha phân tán mà biết hệ dung dịch là hệkeo hay hệ huyền phù Nếu kích thước hạt của pha phân tán nhỏ hơn 0,1mđược hệ keo, còn kích thước hạt của pha phân tán lớn hơn 0,1m ta được hệhuyền phù Tuy nhiên không thể có ranh giới cụ thể giữa hệ dung dịch huyềnphù và hệ dung dịch keo Thành phần sét không đồng nhất nên trong dung dịchkhoan luôn tồn tại hai hệ phân tán trên

Trong thực tế, dung dịch sét giá thành rẽ sử dụng rộng rãi do đáp ứng rất tốtnhững điều kiện trong khi khoan Nhưng nhược điểm lớn nhất của dung dịch sét

là bít nhét các lỗ rỗng và khe nứt, gây nhiễm bẩn thành hệ, làm giảm độ thấm tựnhiên của vỉa.

 Dung dịch polyme

Các loại polyme khác nhau được trộn thêm vào dung dịch khoan nhằmgiảm tối đa sự cố và bảo vệ tầng sản phẩm, tăng tốc độ khoan Mỗi một loạipolyme có tác dụng khác nhau chẳng hạn như : polyacrylamite là polyme nhântạo tinh khiết có tính nhớt cao, polyme này có phân tử lượng lớn hơn các polymekhác

2.3.2 Dung dịch khoan gốc dầu

Thường dùng khoan qua tầng chứa và tầng sét trương nở, là dung dịch hoànthiện giếng rất tốt Dung dịch này có những ưu nhược điểm sau đây:

 Tăng khả năng thu hồi dầu so với giếng khoan rửa bằng dung dịchnước.

 Nhược điểm

 Dễ lắng đọng các chất làm nặng

 Khó nhận biết khi xảy ra hiện tượng xâm nhập khí

 Nhạy với nước

 Dễ cháy và nguy hiểm cho co người

 Làm hỏng cao su không chuyên dụng với hydrocacbon

 Khó phát hiện sự có mặt dầu trong mùn khoan

 Một số phương pháp đo trong khi khoan và địa vật lý giếng khoankhông thể áp dụng được

dử dụng khoan trong những trường hợp sau:

 Tầng muối hoặc anhydric có chiều dày lớn

 Giếng khoan có nhiệt độ cao

 Khoan định hướng

Ngoài những ưu điểm như dung dịch gốc dầu, dung dịch nhũ tương cónhững ưu điểm sau:

CHƯƠNG 3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA DUNG

DỊCH KHOAN

MUD TESTING RESULTS

1: JACK UP RIG: TAM DAO 01

Kết quả phântíchResultinganalysis

Thông số thiết

kếDesignParameters

 Khối lượng riêng của dung dịch khoan phụ thuộc vào các tạp chất vàcác chất phụ gia được sử dụng để pha chế dung dịch.

 Khối lượng riêng của dung dịch tạo nên áp suất thủy tĩnh tác dụng vàothành lỗ khoan để cân bằng áp suất vĩa, nhằm chống lại hiện tượng sụt

lở và ngăn ngừa xâm nhập dầu, khí, nước vào lỗ khoan

 Khối lượng riêng của dung dịch không được vượt quá khối lượng chophép vì:

 Làm giảm tốc độ khoan

 Làm tăng tổn thất áp lực cho máy bơm, giảm hiệu suất bơm

 Làm tổn hao dung dịch vào lỗ hổng và khe nứt

 Phương pháp đo

 Dùng cân tỉ trọng để xác định khối lượng của một đơn vị thể tích

 Đong đầy cốc dung dịch cần đo Đậy nắp cân và lao sạch phần dungdịch thừa trên nắp cân Điều chỉnh con trượt trên đòn cân, dựa vào bọtkhí sau cho cân đạt thăng bằng Đọc tỉ trọng cân được khi cân đả thăngbằng