Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan thân nhánh giếng khoan khai thác đường kính nhỏ tại bể cửu long nhằm tăng cường thu hồi dầu CHUYÊN ĐỀ SỐ 6.15 Nghiên cứu đánh giá và lựa chọn các thiết bị phụ trợ khác

Nghiên cứu đánh giá và lựa chọn các thiết bị phụ trợ: 1. Giới thiệu chung về công tác rửa giếng khoan : Trong quá trình thi công khoan các giếng khoan ngoài việc thực hiện công tác nâng thả bộ dụng cụ khoan hoặc cột ống chống bằng thiết bị nâng thả ( cụm tời) cần phải tiến hành công tác bơm rửa giếng với mục đích làm sạch mũi khoan ở đáy giếng . Hiện nay công tác này thực hiện nhờ thiết bị bơm . Khi khoan công tác bơm rửa cần phải đảm bảo các yêu cầu sau : Khối lượng nước rửa phải đủ để làm sạch mũi khoan ở đáy và đưa mũi khoan lên mặt đất. Mật độ nước rửa phải đảm bảo yêu cầu tạo áp lực lên vỉa Đảm bảo sự ổn định của thành giếng khoan Không gây nhiễm bẩn cho tầng sản phẩm Có khả năng giữ mũi khoan ở trạng thái lơ lửng Đảm bảo công suất thủy lực cho động cơ đáy Có khả năng bôi trơn, làm mát dụng cụ phá hủy và cho tốc độ cơ học tốc độ hiệp khoan cao Để đáp ứng những yêu cầu nêu trên thì việc chọn loại dung dịch cũng như công suất của máy bơm đóng vai trò rất quan trọng. Nội dung phần này chủ yếu đề cập đến việc tính toán để lựa chọn máy bơm khoan phục vụ cho công tác bơm giửa giếng nhánh đường kính nhỏ. Để chọn được máy bơm hợp lý ta xét hai thông số : Lưu lượng và áp suất làm việc của nó

BỘ CÔNG THƯƠNG

Đề tài “ Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan thân nhánh giếng khoan khai thác đường kính nhỏ tại bể cửu long nhằm tăng cường thu hồi dầu” thuộc “đề án đổi mới và hiện đại hóa công nghệ trong ngành công nghiệp khai khoáng đến

năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025”

Đơn vị chủ trì : Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Chủ nhiệm đề tài: T.S Triệu Hùng Trường

CHUYÊN ĐỀ SỐ 6.15

Nghiên cứu đánh giá và lựa chọn các thiết bị phụ trợ khác

Người thực hiện:

1

2

Hà Nội tháng 08 năm 2013

Nghiên cứu đánh giá và lựa chọn các thiết bị phụ trợ:

1 Giới thiệu chung về công tác rửa giếng khoan :

Trong quá trình thi công khoan các giếng khoan ngoài việc thực hiện công tác nâng thả bộ dụng cụ khoan hoặc cột ống chống bằng thiết bị nâng thả ( cụm tời) cần phải tiến hành công tác bơm rửa giếng với mục đích làm sạch mũi khoan ở đáy giếng Hiện nay công tác này thực hiện nhờ thiết bị bơm Khi khoan công tác bơm rửa cần phải đảm bảo các yêu cầu sau :

- Khối lượng nước rửa phải đủ để làm sạch mũi khoan ở đáy và đưa mũi khoan lên mặt đất

- Mật độ nước rửa phải đảm bảo yêu cầu tạo áp lực lên vỉa

- Đảm bảo sự ổn định của thành giếng khoan

- Không gây nhiễm bẩn cho tầng sản phẩm

- Có khả năng giữ mũi khoan ở trạng thái lơ lửng

- Đảm bảo công suất thủy lực cho động cơ đáy

- Có khả năng bôi trơn, làm mát dụng cụ phá hủy và cho tốc độ cơ học tốc

độ hiệp khoan cao

Để đáp ứng những yêu cầu nêu trên thì việc chọn loại dung dịch cũng như công suất của máy bơm đóng vai trò rất quan trọng Nội dung phần này chủ yếu đề cập đến việc tính toán để lựa chọn máy bơm khoan phục vụ cho công tác bơm giửa giếng nhánh đường kính nhỏ Để chọn được máy bơm hợp lý ta xét hai thông số : Lưu lượng và áp suất làm việc của nó

Tên bài :

Phương pháp xác định các thông số cần thiết của thiết bị bơm để khoan các giếng có góc nghiêng lớn

Đặt vấn đề

Khi khoan trong điều kiện bình thường lưu lượng nhỏ nhất đảm bảo làm sạch giếng khoan khi thiết kế thông số chế độ khoan được xác định theo công thức:

Qmin = 0,785.Vx.(D g2−D2c). 103 (6.15.1) Trong đó

Vx : Tốc độ trung bình của dòng chảy trong khoảng không vành xuyến (m/s)

Dg, Dc : Tương ứng là đường kính giếng khoan và đường kính ngoài của cầu khoan (m)

Giá trị Vx xác định từ điều kiện lắng của hạt mùn theo công thức:

Vx = 1,2 VL

VL: Tốc độ lắng của hạt mùn trong khoảng vành xuyến(m/s) và tính theo công thức

V L=R √d0(ς đ

ς −1¿)¿

Ở đây : R – Hằng số Rittinger ( R= 5,72m/s)

d0 : Đường kính hạt mùn (m)

ς đ : Mật độ của đất đá (kg/m3)

ς : Mật độ của dung dịch (kg/m3)

Tương ứng với điều kiện trên A.G Calinhin [ ] xác định Qmin theo công thức:

Qmin = 0,785 qs.D ch2 (6.15.2)

Trong đó:

Qs : Lưu lượng nước rửa cho 1 đơn vị diện tích đáy

(qs = 0,50 – 0,65 m/s)

Dch : Đường kính choong khoan(m)

Nếu xuất phát từ yêu cầu công nghệ khoan thì lưu lượng cần thiết để đảm bảo cho choong khoan phá hủy đất đá có hiệu quả được xác định theo công thức [ ]

Q cn=√P max−P1−P c

3 ¿ ¿ ¿ (6.15.3) Trong đó : Qcn : Lưu lượng cần thiết để choong làm việc có hiệu quả (m3/s)

Pmax : Áp suất lớn nhất của máy bơm ở cửa xả (MPa)

P1 : Áp suất cần thiết để phá hủy sự liên kết của các hạt mùn trên

bề mặt choong( MPa)

Pc : Áp suất động lượng của choong( khi dùng choong phun tia) (MPa) ( xung áp)

ς1ς2 : Mật độ của nước rửa trong cầu khoan và trong khoản không vành xuyến (kg/m3)

l i l i : Chiều dài của cột cầu với đường kính trong khác nhau(m)

b i b i : Hệ số tổn thất thủy lực tương ứng với cầu khoan có đường kính khác nhau:

a i Hệ số tổn thất cục bộ ( Không phụ thuộc chiều dài)

Tương tự với trường hợp này, theo A.G Calinhin [ ] thì lưu lượng cần thiết đảm bảo cho choong làm việc có hiệu quả khi khoan các giếng khoan nghiêng định hướng với góc đứng Q ≤ 600 Xác định theo công thức:

Qcn = 0,785(K1.K2.U+C)(K3D2g - D c2) (6.15.4)

Trong đó

K1 : Hệ số kể đến điều kiện cân bằng của các hạt mùn trong dòng chảy ở vành xuyến (K1 = 1,14)

K2 : Hệ số kể đến chuyển động quay của bộ dụng cụ ( K2 = 0,79 ÷ 0,83)

K3 : Hệ số kể đến sự mở rộng thành giếng khoan

U : Tốc độ lắng tính toán của hạt mùn và xác định theo công thức :

U = K4.√d0γ m−¿γ d

y d ¿

Ở đây : K4 : Hệ số kể đến dạng hạt mùn ( dạng đinh trụ)

K4 = 3-4, dạng mảnh vụn (K4 = 2÷3)

d0 : ĐƯờng kính trung bình của hạt mùn(m)

γ m , γ d : Tương ứng là trọng lượng riêng của hạt mùn và dung dịch

C : Tốc độ dư xác định phụ thuộc vào mức độ cho phép của hàm lượng mùn khoan trong nước rửa Đối với giếng khoan thẳng đứng tốc độ dư C tính theo công thức

c= V ch F đ

F x x

¿ ¿

Ở đây : Vch = Tốc độ cơ học khoan m/s

Fđ, Fx : Tương ứng là diện tích tiết diện đáy và khoảng vành xuyến (m2)

x : Hàm lượng mùn cho phép ( x=0,02¿

Đối với các giếng có góc nghiêng θ ≤ 600 theo [ ] thì để đưa mùn khoan lên mặt có hiệu quả thì dung dịch phải chuyển động ở chế độ chảy rối, và khi cột cần khoan không quay ( Khi khoan bằng động cơ đáy) tốc độ dư C xác định

từ công thức:

C = (47÷54).√τ0

γ d

Ở đây τ0 : Ứng suất trượt động lực ( P a¿

γ d : Trọng lượng riêng của dung dịch (N/m3)

Trên cơ sở phân tích các phương pháp đánh giá khả năng vận chuyển mùn khoan của dung dịch khoan V.I Crulov [ ] đưa ra công thức đánh giá mức độ làm sạch giếng khoan bằng công thức

K g=ς d Q k [2−sinθ]

Trong đó

ς d : Mật độ của dung dịch

Q : Lưu lượng dung dịch bơm rửa giếng m3/s

k : Hệ số đậm đặc của dung dịch PaS

θ : Góc đỉnh của giếng ( với θ ≤ 600 )

Kg : Chỉ số đánh giá mức độ làm sạch giếng

Nếu biểu diễn hệ số k qua độ nhớt dẻo η và ứng suất trượt động lực τ0 thì biểu thức (6.15.5) được viết dưới dạng sau và dùng để tính toán lưu lượng cần thiết đảm bảo làm sạch giếng, có góc nghiêng θ ≤ 600

Q= π (D g

2

−D c2)

0,0008 ς d(330 η+τ0)(2−sin θ ❑ ).(600 η+τ0

2,5

Khi nghiên cứu chế độ rửa giếng khoan V.M Senberg và G.P Zojulia [ ] phân các giếng thành 3 nhóm theo góc nghiêng tương ứng với đặc điểm phân bố mùn khoan trong dòng chảy ngoài cầu cột cần như sau :

Nhóm 1 : 0-300 : Các hạt mùn phân bố đều trong dòng chảy

Nhóm 2 : 300 – 600 : Tăng hàm lượng mùn ở thành dưới của giếng do lắng đọng nhưng các hạt mùn có thể trượt xuống dưới ngược với hướng của dòng dung dịch

Nhóm 3 : 600 – 900 : Mùn khoan lắng đọng và tích tụ ở thành dưới của giếng và các hạt mùn không có khả năng trượt

Do hiện tượng tích tụ này mà thành dưới của giếng hình thành lớp mùn

và phân bố không đều do có sự lệch tâm giữa cột cầu với giếng Đặc điểm này các công trình nghiên cứu nêu trên chưa tính đến khi xác định lưu lượng cần thiết để làm sạch giếng khoan với góc nghiêng lớn θ>600

Cũng theo V.M Senberg khi khoan các giếng khoan ngang hoặc có góc nghiêng lớn ( thân giếng nhánh đường kính nhỏ) để vận chuyển được hạt mùn tích tụ ở thành dưới giếng khoan cần có tốc độ chảy lớn, tạo ra các dòng xoáy ở chế độ chảy rối, các dòng xoáy này sẽ cuốn theo các hạt mùn và đưa chúng vào vùng tốc độ cao Khi các dòng xoáy giảm hoặc với tốc độ của dòng tương đương với tốc độ lắng của hạt mùn thì hạt mùn được giữ ở trạng thái lơ lửng và

sẽ được đưa vào vùng tốc độ cao do những dòng xoáy tiếp theo

Theo tính toán và thực nghiệm cho thấy các hạt mùn có kích thước ¿3 mm

có thể vận chuyển ở trạng thái lơ lửng, còn những hạt có kích thước lớn chỉ có thể vận chuyển được nhờ các dòng xoáy ở chế độ chảy rối Trong trường hợp này ứng suất tiếp trên thành giếng tạo nên do dòng nước rửa xác định theo công thức:

τ =i ς d g R= Δ P R

l =

Δ P D g

Trong đó :

i: Độ dốc của Thủy lực

ς d : Mật độ của nước rửa

R, Dg : Tương ứng là bán kính thủy lực và đường kính của giấy

Δ P

l : gradien áp suất

Và lực cản chuyển động đối với hạt mùn

Fc = τ S=(G−Fa) f (6.15.8)

Ở đây :

S : Diện tích hình chiếu của hạt lên hướng thành dưới của giếng

G : Trọng lượng hạt mùn

Fa : Lực Aximit

f : Hệ số cản chuyển động

Để đơn giản ta coi các hạt mùn có dạng hình cầu, khi đó

τ =G−Fa¿F ¿

S=0,67(ς m−ς d) g d f (6.15.9)

Ở đây : ς m : Mật độ của hạt mùn

D : Đường kính tương đương của hạt mùn

Từ (6.15.7)và (6.15.8) ta có trước điều kiện để hạt mùn vận chuyển được bằng dòng nước rửa theo thành dưới cảu giếng

Δ P

l >

0,67 f ∆ ς g d

Ở đây : ∆ ς = ς m−ς d

Khi nước rửa chảy ở chế độ chảy rối thì chênh áp tại khoảng vành xuyến lệch tâm xác định theo công thức

Δ P= λ l

D .

U d2

2 ς d

(l+ 0,4 e¿¿ 2,2) ¿

(6.15.11)

Trong đó λ :Hệ số cản thủy lực

Ud : Tốc độ trung bình của dòng nước rửa, ở chế độ chảy rối, tốc

độ này trở thành dòng xoáy khi:

Ud ≥ (18÷ 20 )U

(Ở đây U là tốc độ lắng của hạt mùn –xem công thức 6.15.4)

e : Độ lệch tâm tương đối tương đối của cột cầu trong giếng và được xác định theo công thức

e= D g−D d

D g−D c

Trong đó : D d đường kính ngoài của đầu nối cầu khoan

Từ đó sau khi biến đổi ta được điều kiện vận chuyển các hạt mùn ở thành dưới giếng khoan

Q = Ud.Sx ≥√5,3 ∆ P g d f¿ ¿ ¿ (6.15.12)

Đối với chất lỏng Bingham độ chênh áp trong khoảng vành xuyến lệch tâm xác định bằng công thức [ ]

¿¿g−D c)2(l+1,5 e2) ¿ (6.15.12)

Thang giá Δ P từ(6.15.12) vào biểu thức (6.15.10) ta có lưu lượng nước rửa cần thiết để làm sạch giếng khoan đáp ứng yêu cầu độ sạch mùn cho choong làm việc có hiệu quả và khắc phục được hiện tượng kẹt mút bộ dụng cụ khoan

Q ≥ τ(D g−D c).(D g−D d).¿ ¿ (6.15.13)

Trong các công thức trên : S x: Diện tích tiết diện lớn nhất của vành xuyến giữa cột cầu với thành giếng)

η : Độ nhớt dẻo của nước rửa( độ nhớt cấu trúc)

Như vậy để xác định lưu lượng nước rửa cần thiết làm sạch mùn khoan trong quá trình khoan các giếng có độ nghiêng lớn θ ≥ 600 Tùy theo loại chất lỏng rửa ta áp dụng công thức(6.15.12) hoặc (6.15.13) và lưu lượng tính toán phải đáp ứng yêu cầu làm việc của động cơ trục vít ( Các hoạt động cơ trục vít

để khoan với đường kính choong từ 165,1mm đến 215,9mm cầu lưu lượng nước rửa Q = 10÷30l/s)

Ngoài thông số lưu lượng ta cần xác định tổn thất áp suất trong quá trình khoan tân giếng đường kính nhỏ để chọn thiết bị bơm có áp suất làm việc phù hợp trong quá trình khoan có những thành phần tổn thất như sau :

P = P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6 + P7

Trong đó :

P1 : Tổn thất áp suất trong cột cần khoan

P2 : Tổn thất áp suất trong khoản không vành xuyến

P3 : Tổn thất áp suất trong các đầu nối cần

P4: Tổn thất áp suất trong cần nặng

P5 : Tổn thất áp suất ở choong khoan

P6: Tổn thất áp suất ở manhiphon

P7 : Tổn thất áp suất ở động cơ đáy

Để xác định các thành phần tổn thất có thể dùng các công thức giải tích

và thực nghiệm [ ] Qua nghiên cứu và phân tích các phương pháp kết hợp với đặc điểm vận chuyển mùn khoan trong các giếng khoan có góc nghiêng lớn và khoan ngang các thành phần tổn thất xác định như sau:

- Tổn thất áp suất trong cột cần khoan P1 xác định theo công thức

P1 = 82,6.λ1Q2¿¿ (6.15.14)

Trong đó : λ1 : Hệ số tổn thất thủy lực được xác định phụ thuộc vào chế

độ chảy

Đối với nước rửa là chất lỏng Newton trị số Reunol tính theo công thức

R e γ d v c d

Ở đây : γ d : Trọng lượng riêng của nước rửa

ν c=4 Q

π d2

η : Độ nhớt cấu trúc của nước rửa

τ0: Ứng suất trượt động lực của nước rửa

Với giá trị Re < 2300 chế độ chảy là chảy tầng và Re > 2300 là chế độ chảy rối

Hệ số tổn thất thủy lực ở chế độ chảy tầng

λ1= 64

R e

Hệ số tổn thất ở chế độ chảy rối

λ1= 0,08

7

√R e

Theo B.X.Philaton ở chế độ chảy rối, hệ số λ1 phụ thuộc vào hàm lượng pha sẵn có trong nước rửa Với dung dịch sét

γ d = 1,15 ÷ 1,25 g/cm3 chọn λ1 = 0,018 ÷ 0,020 với dung dịch nặng λ1 = 0,017 ÷ 0,018 ; và dung dịch nhẹ λ1 = 0,020 ÷ 0,025

Trong trường hợp nước rửa là chất lỏng nhớt dẻo ( chất lỏng Bingham) trị

số Reunol tính theo công thức:

R e¿

=4 δ ς d υ c{η[ 1+τ0.4 δ

Và chỉ số Bengham:

B i=4 δ τ0

Nếu R e¿

< 2100 là chế độ chảy tầng và λ1 xác định từ biểu thức

λ1= 64

R e¿ +32 B i

Nếu R e¿

> 2100 là chế độ chảy rối và λ1 xác định từ biểu thức

Trong các công thức trên :

δ : bán kính thủy lực

δ= d

4

Ở đây : d là đường kính của cần khoan

L : Chiều sâu của giếng khoan

Lcn : Chiều dài của cần nặng

- Tổn thất áp suất trong khoảng không vành xuyến P2 xác định theo công thức

2

(L−l cn)

(D g−D c)3.(D g+D c)2 (6.15.20)

Trong đó λ2 : Hệ số tổn thất thủy lực ở khoảng không vành xuyến và được xác định phụ thuộc vào chế độ chảy

Đối với nước rửa là chất lỏng Newton trị số Rewnol tính theo công thức

Rc = γ α V X(D g−D c)

g¿¿ ( 16.15.21)

Ở đây : Vx – tốc độ của dòng chảy trong khoảng vành xuyến

Vx = 4 Q

π (D g2−D c2)

Nếu Rc < 2300 là chế độ chảy tầng và Re > 2300 là chế độ chảy nối

λ2= 80

R e

Và ở chế độ chảy rối

λ2= 0,12

7

√R e

-Nếu nước rửa là chất lỏng Binghan trị số Ruinol và chỉ số Bingham xác định theo công thức (6.15.16) và (6.15.17) với Re*<2800 là chế độ chảy tầng và hệ

số X2 xác định theo công thức [ ]:

X2 = ℜ∗64 A¿ ¿ + 32 B i B

(các hệ số A = 1,5 ; B = 1,12)

Với Re* > 2800 là chế độ chảy nối và khi đó hệ số λ2 xác định từ công thức :

λ2A=π r2= 0,0032 + C ℜ∗0,2370,221

(Hệ số c = 1,05)

-tổn thất áp suất trong các đầu nối cần khoan P3 xác định theo công thức :

P3 = 82,6 λ3γ d L Q2

¿ d5 . (16.15.22) Trong đó: λ3 – hệ số cản thủy lực ¿ tương tự như với cần khoan)

Le – chiều dài của cần khoan ( khoảng cách giữa các đầu nối trong khoảng tính toán )

d – đường kính trong của đầu nối

- Tổn thất áp suất trong cột cần nặng P4 xác định theo công thức :

P4 = 82,6 λ4γ d Q

2.l td

d k5 (16.15.23)

Trong đó: λ4– hệ số tổn thất (lấy tương đương như với cần khoan cho từng loại chất lỏng rửa )

ltd – chiều dài tương đương quy đổi của cần năng và kén định từ biểu thức:

Lα = lcn d k5

d cn5

Trong đó : dcn – chều dài cân nặng trong bộ dụng cụ khoan

dk – đường kính trong của cần khoan

dcn – đường kính trong của cân nặng

- Tổn thất áp suất trong động cơ đáy P7 hiện nay để khoan các ghiếng khoan , nghiêng định hướng và khoan ngang , trong số động cơ đáy thường đúng là tuabin khoan và động cơ trục vít Các thông số làm việc của động cơ đáy đều phụ thuộc vào lưu lượng nước rửa và độ chênh áp, cho nên khi tính toán tổn thất áp lực ta có thể lấy theo đặc tính kỹ thuật của động cơ Ở đây cần phải chú ý đối với động cơ trục vít có 2 chế độ làm việc , chế độ tương ứng với giá trị hiệu suất cao nhất gọi là chế độ tối

ưu, và chế độ tương ứng với khi công suất động cơ đạth giá trị cực đại thì gọi là chế độ hiệu quả Và trong ddoogj cơ trục vít 2 chế độ này không trùng nhau Vùng làm việc ổn định của động cơ trục vít thường nằm giữa

2 chế độ nêu trên Trong đó đối với động cơ trục vít ta nên chọn giá trị

tổ thất áp lực ở chế độ tối ưu để đảm bảo an toàn cho quá trình khoan Các động cơ đáy hiện nay làm việc với chênh áp 6 ÷ 11Pa

- Các thành phần tổn thất : Tổn thất trong manh phối (P6) và tổn thất ở choòng khoan P5 ( đối với choòng không trang bị vòi phun thủy lực ) thường có giá trị không lớn 5 ÷ 7 % tổng tổn thất trong hệ thống tuần hoàn nước rửa

Choòng khoan có vòi phun thủy lực ngoài việc dùng để phá hủy đất đá ở đáy ( đối với đất đá mềm) hoặc tác dụng cơ học (trực tiếp) lên đất đá còn tăng khả năng làm sạch mùn ( với tốc độ của dòng 80 ÷ 120 m/s) Trong trường hợp chúng

-Ta có thông số của vòi phun thì tổn thất áp suất xác định theo công thức :

P5 = δd Q

2

2 µ v ∑f

v

2 ( 16.15.24)

Trong đó: δ d – Mật độ của nước rửa

µv – Hệ số lưu lượng , phụ thược vào cấu tạo của vòi phun và lấy với giá trị µv = 0,7 ÷ 0,9

∑f v2 – Tổng tiết diện lỗ của vòi phun

Trong trường hợp ta không có thông số của vòi phun thì thao [5] ta thấy giá trị tổn thất ở choong có vòi phun không lớn hơn 13MPa để dảm bảo cho các chi tiết của vòi phun không bị hư hỏng kho choòng làm việc

Như vậy bằng phương pháp tính toán trình bày trên chúng ta xác định được thông số chính : Lưu lượng và áp suất cần thiết của máy bơm để khoan ghiếng thân nhánh đường kính nỏ từ thân ghiếng chính Khi tính toán các thánh phần tổn thất cần phải lưu ý đến cấu trúc củ thân ghiếng chính để phân thành các đoạn cho phàu hợp Với các giá trị Q và P đã xác định được ta tính , công suất thủy lực của máy bơm theo công thức:

Ntl = Q P10,2 (kw)

Với các máy bơm piston hiện nay đang sử dụng có hiệu suất : chung

η b = η tl α η c ( đáy η tl– Hiệu suất thủy lực, η tl+ 0,95 ÷ 0,98 ;

η c – Hiệu suất cò khí , η c= 0,81 ÷0,83

α= 0,75 ÷ 0.85

Công suất cần thiết của động cơ dẫ đọng máy bơm là:

Nđc = N tl

η b ( kw)