CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỐC ĐỘ KHOAN

Tốc độ khoan ROP luôn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động trong quá trình khoan như dung dịch khoan, tốc độ quay, moment xoắn, độ cứng đất đá,... Việc đi sâu vào tìm hiểu các thông số ảnh hưởng sẽ giúp tối ưu hóa tốc độ khoan làm giảm chi phí cho một mét khoan.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ CÔNG TÁC KHOAN

1.1 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả công tác khoan

Mục đích của quá trình sản xuất nói chung là đạt được khối lượng sản xuất lớn nhất và chi phí sản xuất nhỏ nhất Đối với công tác khoan trước hết cần phải đạt được các yêu cầu khối lượng và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật theo phương án khoan

đã đề ra

Để đạt được hiệu quả cần phải biết rõ hiệu quả biểu hiện như thế nào, nó được xác định qua các thông số nào Trong công tác khoan nói chung và khoan dầu khí nói riêng, hiệu quả công tác khoan được đánh giá qua hai nhóm chỉ tiêu chính

đó là nhóm các chỉ tiêu về chất lượng và nhóm các chỉ tiêu về số lượng

1.1.1 Chỉ tiêu về chất lượng

Các chỉ tiêu cơ bản về chất lượng bao gồm [6]:

- Sai số về vị trí không gian của thân giếng khoan so với thiết kế;

- Tỷ lệ và chất lượng mẫu đá: đường kính, tính nguyên dạng về cấu trúc, tính chất cơ lý, thành phần khoáng vật;

- Khả năng thực hiện các nghiên cứu cần thiết trong lỗ khoan;

1.1.2.1 Các chỉ tiêu về tốc độ

Để đánh giá tiến độ hoàn thành các dạng công tác khác nhau, trong công tác khoan thường sử dụng các khái niệm tốc độ sau đây [6]:

a- Tốc độ cơ học: Là tốc độ tiến của đáy lỗ khoan khi phá hủy đất đá, nó phụ

thuộc vào nhiều yếu tố và không phải là hằng số ngay cả trong cùng một hiệp khoan Vì vậy, để đánh giá tốc độ cơ học tại một thời điểm nào đó, khái niệm tốc độ

cơ học tức thời được sử dụng Để tổng quát hơn, có thể dùng khái niệm tốc độ cơ học trung bình cho một hiệp khoan, cho một khoảng khoan hoặc cho toàn bộ giếng khoan

- Tốc độ cơ học tức thời:

K CH

CH

dlv

dt

- Tốc độ cơ học trung bình cho một hiệp:

K CH CH

lvt

Hoặc cho toàn bộ giếng khoan:

CH CH

Lv

T

Trong các công thức trên: lK- Chiều dài khoan được sau một hiệp, m; tCH- Thời gian khoan thuần túy trong một hiệp, h; L- Chiều dài giếng khoan, m; TCH- Thời gian khoan thuần túy cho toàn bộ giếng khoan, h

b- Tốc độ hiệp: Đặc trưng cho mức độ tiến sâu của lỗ khoan trong thời gian

một hiệp Tốc độ này thường tính riêng cho một hiệp khoan, cho một khoảng cách nhất định nào đó, hoặc trung bình cho toàn bộ giếng khoan Tốc độ hiệp có kể đến thời gian sản xuất trong phạm vi một hiệp như: thời gian nâng hạ dụng cụ khi cần thay thế mũi khoan hoặc lấy mẫu, thời gian cần thiết để nối thêm cần,thời gian phụ trợ Tốc độ hiệp cho một hiệp được xác định như sau:



trong đó:

TSX- Thời gian sản xuất cho toàn bộ giếng khoan Đây là thời gian cần thiết về

kỹ thuật, bao gồm: thời gian khoan thuần túy, thời gian nâng hạ dụng cụ, thời gian nối cần, thời gian gia cố thành lỗ khoan và nghiên cứu giếng, thời gian phụ trợ, h;

TGC- Thời gian gia cố thành lỗ khoan và nghiên cứu giếng, h;

tNH- Thời gian nâng hạ dụng cụ trong một hiệp, h;

tNC- Thời gian nối thêm cần trong một hiệp, h;

tBT-Thời gian phụ trợ trong một hiệp, h;

tSX- Thời gian sản xuất trong một hiệp, h;

tGC- Thời gian nghiên cứu giếng trong một hiệp, h

c- Tốc độ kỹ thuật: Biểu thị hiệu quả sử dụng thời gian sản xuất trong một

tháng thiết bị, được xác định như sau:

KT

SX

720Lv

T

Như vậy, đối với tốc độ kỹ thuật, ngoài việc tính cho một tháng máy còn kể đến thời gian phụ trợ như gia cố thành giếng (chống ống, trám xi măng) đo địa vật

lý, gia công dung dịch

d- Tốc độ thương mại: Phản ánh hiệu quả quá trình làm việc kể cả thời gian

phi sản xuất, nó đo chiều sâu trung bình tháng thiết bị cho một giếng khoan, được xác định theo công thức:

Trong tốc độ thương mại có kể đến ảnh hưởng của thời gian phụ cần thiết để khắc phục các hiện tượng phức tạp, giải quyết sự cố, kỹ thuật, sửa chữa thiết bị và dụng cụ khoan, thời gian ngừng máy do thiếu nguyên, nhiên, vật liệu hoặc do tổ chức yếu kém

e- Tốc độ chu trình: Cho thấy chiều sâu trung bình cho tháng máy tính cho

toàn bộ chu trình khoan Tốc độ chu trình đƣợc tính nhƣ sau:

CT

CT

720Lv

TKT

SX 1 K

TKT

tK

CMK- Chi phí tiêu hao mũi khoan, đ;

CSX- Chi phí giờ của thiết bị và đội khoan, bao gồm khấu hao thiết bị, cần khoan chi phí nhiên liệu và năng lượng, vận hành thiết bị, lương công nhân và các chi phí gián tiếp (trong phạm vi nhà thầu), đ/h

1.1.2.3 Năng lượng tiêu hao để phá hủy đất đá ở đáy lỗ khoan

Trong những năm gần đây, khái niệm năng lượng cơ học riêng được sử dụng

khá phổ biến để đánh giá hiệu quả công tác khoan, đặc biệt là khoan dầu khí

a- Năng lượng cơ học riêng: Năng lượng cơ học riêng là năng lượng tiêu

tốn để phá vỡ một thể tích đất đá nào đó, hoặc là tỷ số giữa tốc độ tiêu tốn năng lượng và tốc độ đi xuống của choòng khoan Kết hợp với giá trị độ bền nén của đất

đá, năng lượng cơ học riêng cho biết hiệu quả quá trình làm việc của choòng cũng như hiệu quả của QTK

Khái niệm năng lượng cơ học riêng được đề xuất sử dụng vào năm 1965 bởi Teale [30] và nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi bởi các nhà cung cấp choòng để xác định hiệu quả khoan của các choòng thiết kế

Năng lượng cơ học riêng có thể được xác định trên cơ sở các số liệu khoan thực tế, bao gồm: tải trọng chiều trục, tốc độ vòng quay, mô men xoắn và tốc độ cơ học như sau [19, 34]:

E- Năng lượng cơ học riêng, MPa;

em- Hiệu suất cơ học;

Theo Fred E Dupriest (hình 1.1) [19] choòng khoan có xu hướng sử dụng chỉ 30-40% năng lượng đầu vào cho quá trình phá hủy đất đá ngay cả khi đạt hiệu suất làm việc cao nhất Vì vậy, hầu hết các nghiên cứu chấp nhận sử dụng em=0,35 (xem như choòng chỉ sử dụng 35% năng lượng đầu vào để phá hủy đá) Khi đó, năng lượng cơ học riêng tại choòng được xác định như sau:

Hình 1.1: Mối liên hệ giữa độ ngập của răng choòng h

và hiệu suất cơ học em của choòng

Eb là giá trị thực nghiệm Nếu các thông số tốc độ vòng quay, mô men xoắn, tải trọng chiều trục đo được tại choòng thì trực tiếp thay vào công thức (1.16) để xác định năng lượng cơ học riêng tại choòng Khi đó, năng lượng cơ học riêng tại choòng được tính không cần hệ số em

b- Hiệu quả làm việc của choòng: Hiệu quả làm việc của choòng có thể

được xác định bằng việc so sánh năng lượng để phá hủy một đơn vị thể tích đất đá với năng lượng sử dụng bởi choòng (năng lượng được truyền đến choòng) [19]:

c f b

Choòng PDC 30-35%

c- Độ bền nén không cân bằng, Pa Đây là thông số cơ bản dùng để dự báo khả năng cho phép khoan qua đất đá Nó được xác định bằng tải trọng tác dụng lên

1 đơn vị thể tích mẫu đá có tiết diện A tại thời điểm mẫu đá bị phá vỡ:

v c

GA

trong đó:

Gv- Tải trọng gây phá vỡ mẫu đá, N;

A- Tiết diện ngang của mẫu đá, cm2

Nếu ef càng gần giá trị 1 thì năng lượng cơ học riêng tiêu tốn tại choòng càng giảm, hiệu quả làm việc của choòng càng cao, đồng nghĩa với hiệu quả của QTK tăng lên

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chỉ tiêu đánh giá công tác khoan

Việc xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu đánh giá công tác khoan đặc biệt rất phức tạp và khó khăn Trong phần này chủ yếu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ mà cụ thể là tốc độ cơ học Các yếu tố được biết có ảnh hưởng đến tốc độ cơ học có thể liệt kê thành 2 nhóm chính, đó là nhóm các thông số có thể điều khiển được và không điều khiển được Yếu tố không điều khiển được chính là tính chất đất đá trong điều kiện đáy Các yếu tố điều khiển được đó là các yếu tố có thể thay đổi tức thời, bao gồm [8]:

- Tải trọng chiều trục;

- Tốc độ vòng quay;

- Thủy lực;

- Số lượng và tính chất tác nhân làm sạch;

- Các thông số và đặc tính mũi khoan

Ngoài ra, vấn đề ổn định động học của hệ động lực học QTK cũng cần được xem xét

Trong các thông số điều chỉnh được, ngoại trừ các thông số và đặc tính mũi khoan, người thợ có thể điều chỉnh để thu được năng suất cao, giá thành thấp, vai

trò của nhóm này rất lớn, nếu điều chỉnh hợp lý có thể tăng năng suất khoan lên 300 đến 400%

Trong ba thông số chế độ công nghệ chính của khoan xoay thì thông số tải trọng chiều trục G và tốc độ vòng quay n là hai thông số có tác động đáng kể đến tốc độ khoan Thông qua hai thông số này năng lượng được truyền cho mũi khoan

để thực hiện quá trình phá hủy ở đáy Nghiên cứu G và n có ý nghĩa quan trọng hàng đầu trong việc giải quyết quy trình khoan hợp lý

1.2.1 Ảnh hưởng của tải trọng chiều trục

Khi mũi khoan chịu tác dụng của tải trọng chiều trục thì mỗi răng ở thời điểm tiếp xúc với đáy lỗ khoan đều chịu tác dụng của một tải trọng chiều trục thành phần làm cho răng cắm vào đất đá một độ sâu h Nhờ có mômen quay của mũi khoan mà đất đá bị cắt ở phần trước mặt răng hoặc theo dải hoặc theo từng hố lõm trên bề mặt phá hủy tùy theo từng loại cấu trúc của mũi khoan Rõ ràng, tải trọng chiều trục quyết định đến hiệu quả phá vỡ đất đá, thường được đặc trưng bằng tốc

độ cơ học Điều này rất dễ hiểu, bởi vì khi tải trọng chiều trục tăng, độ ngập của răng tăng làm cho thể tích của hố lõm tăng, dẫn đến tốc độ cơ học tăng Tuy vậy, tốc độ cơ học không thể tăng mãi khi tiếp tục tăng tải trọng chiều trục Sự giới hạn này phụ thuộc vào chiều cao của răng mũi khoan và mức độ làm sạch mùn khoan ở đáy giếng

Trong điều kiện thí nghiệm, bề mặt phá hủy được làm sạch tuyệt đối, các quan sát cho thấy tốc độ cơ học là hàm số của tải trọng chiều trục [7]:

m CH

Trị số mũ m (m=12) phụ thuộc trước hết vào đặc tính phá hủy, tính chất đất

đá và cấu trúc mũi khoan Đường biểu diễn đặc trưng nhất cho phương trình (1.20)

+ Giá trị G nhỏ, nghĩa là áp suất tiếp xúc giữa răng mũi khoan và đất đá nhỏ hơn độ cứng ấn đột của đất đá (đ) rất nhiều, răng mũi khoan mòn nhanh, công phá hủy đơn vị thể tích đất đá lớn… do vậy, hiệu quả khoan trong vùng này không cao;

Hình 1.2: Mối quan hệ giữa vCH và G (n=const) + Độ ngập của răng rất nhỏ, răng mũi khoan phá hủy đất đá theo cơ chế mài Tức là, dưới tác dụng của tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay, các hạt đất đá có

độ nhô cao hơn sẽ nhận được ứng lực và lực cắt truyền năng lượng cho các hạt bên cạnh bong theo Mặt khác, lại hình thành bề mặt mới chứa các hạt có độ nhô cao hơn tiếp tục nhận tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay để thực hiện cơ chế bong, mài như trên Ở vùng I, tốc độ cơ học thấp

- Vùng II: có 1<m<2, giá trị tải trọng chiều trục nhỏ hơn độ cứng ấn đột của đất đá (G=0,750,85đ) Quá trình phá hủy trong vùng này mang đặc trưng của quá trình phá hủy mỏi, nghĩa là, chiều sâu phá hủy chỉ đạt được sau một số lần tác dụng của răng vào đất đá Trong vùng II, tốc độ cơ học, công phá hủy, tốc độ mòn răng… đều mang tính chất trung gian giữa vùng I và III

- Vùng III: là vùng phá hủy thể tích hiệu quả (m=1, 1) Khi tải trọng chiều trục tăng dần đến một giá trị nhất định để áp suất tiếp xúc giữa răng và đất đá bằng

và vượt xa độ cứng ấn đột của đất đá thì xảy ra quá trình phá hủy có bước nhảy

Nhờ đó, chiều sâu phá hủy của một răng rất lớn, làm cho thể tích hố lõm của một răng tạo ra tăng lên, tốc độ cơ học tăng nhanh Đồng thời, công phá hủy một đơn vị thể tích đất đá giảm, tốc độ mòn răng rất thấp Đây là vùng đạt hiệu quả phá hủy cao nhất Tuy nhiên, trong thực tế lại ít xảy ra quá trình phá hủy thuộc vùng này, bởi vì

nó phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá, khả năng chất tải, độ bền của cột cần, mũi khoan, mức độ tách kịp thời và hoàn toàn mùn khoan ra khỏi đáy giếng

Có thể thấy rằng, trị số mũ m phụ thuộc vào áp suất tiếp xúc giữa răng mũi khoan với đất đá Giả sử đất đá rất mềm hoặc mũi khoan có áp suất tiếp xúc nhỏ thì

có thể dễ dàng đạt được ngay tải trọng chiều trục bằng độ cứng ấn đột của đất đá, khi đó đường biểu diễn mối quan hệ giữa vCH và G có dạng đường B Trong điều kiện lý tưởng, về quan điểm phá hủy, không có giới hạn về tải trọng chiều trục (không có tải trọng tiêu chuẩn Gtc), nhưng trong thực tế xử lý tài liệu công nghiệp, bao giờ cũng thu được đường cong dạng C do sự hạn chế của quá trình làm sạch Ngoài ra, trong điều kiện lưu lượng bơm và tải trọng không bị hạn chế thì quá trình phá hủy lại bị hạn chế bởi đặc tính mũi khoan, thiết bị hoặc dụng cụ Như vậy,

GtcGcf (tải trọng cho phép tác dụng lên mũi khoan)

Rõ ràng, để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng chiều trục đến tốc độ cơ học của mũi khoan rất phức tạp Bởi vì, cùng một lúc có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc

độ khoan, nên rất khó cô lập, khống chế giới hạn biên để nghiên cứu biệt lập ảnh hưởng của một yếu tố Tuy vậy, qua nhiều kết quả nghiên cứu đã công bố, có thể rút

ra một vài nhận xét chung nhất như sau [8]:

- Tải trọng tăng dẫn đến tốc độ cơ học tăng;

- Cường độ tăng tốc độ cơ học khi tăng tải trọng chiều trục khác nhau và phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Tính chất cơ lý của đất đá khoan qua;

+ Lưu lượng bơm;

+ Tốc độ vòng quay và hình dạng của răng mũi khoan Tốc độ vòng quay càng lớn thì cường độ tăng tốc độ cơ học theo mức độ tăng tải trọng chiều trục càng lớn Tuy nhiên, giá trị tăng tốc độ vòng quay có giới hạn nhất định, nó tùy thuộc

vào thời gian tiếp xúc yêu cầu giữa răng mũi khoan và đất đá trong từng điều kiện

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa vCH và n

Trong thực tế, cũng nhƣ đối với tải trọng chiều trục, do hạn chế về khả năng của thiết bị (kỹ thuật) hoặc làm sạch nên phải xác định giá trị giới hạn (ngh) của ntc Nếu vƣợt quá giá trị ngh, tốc độ khoan không tăng, thậm chí còn giảm Kết luận này

có thể giải thích nhƣ sau [8]:

v CH

n

Nếu gọi Vt là thể tích đất đá bị phá hủy trong 1 đơn vị thời gian thì:

độ khoan tăng Giá trị Vt tăng hay giảm tùy thuộc vào mối tương quan giữa nr và Vtkhi tốc độ vòng quay tăng Xem xét mối tương quan này trong 2 trường hợp:

- Trường hợp n tăng trong khoảng n <ngh: Trong khoảng này, khi tăng tốc độ vòng quay thì thể tích đất đá bị phá hủy tăng do tăng số lượng hố lõm bao giờ cũng lớn hơn thể tích đất đá bị phá hủy giảm do giảm thể tích của các hố lõm Vì vậy, khi

n tăng thì Vt tăng, nghĩa là vCH tăng

- Trường hợp n tăng trong khoảng n>ngh: Trong khoảng này, khi tăng tốc độ vòng quay thì thể tích đất đá bị phá hủy tăng do tăng số lượng hố lõm bao giờ cũng nhỏ hơn thể tích đất đá bị phá hủy giảm do giảm thể tích của các hố lõm Do vậy, khi tăng n trong khoảng n>ngh thì Vt giảm, nghĩa là vCH giảm

Rõ ràng, thể tích của hố lõm và số lượng hố lõm tạo ra của một răng trong một đơn vị thời gian có ý nghĩa quan trọng, quyết định đến tốc độ khoan Trong hai thành phần này, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến thể tích của hố lõm được quan tâm nhiều Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến thể tích hố lõm là thời gian tiếp xúc ttx giữa răng mũi khoan với đất đá

Đối với choòng khoan, thời gian tiếp xúc giữa răng choòng và đất đá luôn tỷ

lệ nghịch với tốc độ vòng quay và được xác định theo công thức:

ch tx

60dt

Dz n

trong đó:

ttx- Thời gian tiếp xúc của răng mũi khoan với đất đá, s;

dch,D- Lần lượt là đường kính lớn nhất của chóp và choòng khoan, mm;

ztb- Số răng trung bình trên vành biên

Như vậy, khi tốc độ vòng quay tăng thì thời gian tiếp xúc giảm, làm cho thể tích của hố lõm giảm Mức độ giảm thể tích hố lõm phụ thuộc vào mức độ giảm thời gian tiếp xúc Như vậy, thời gian tiếp xúc càng cao, càng tạo điều kiện hình thành thể tích hố lõm lớn Song thời gian tiếp xúc càng cao lại làm giảm số lượng

hố lõm được tạo ra trong một đơn vị thời gian Vì vậy, cần phải chọn giá trị thời gian tiếp xúc đủ để đạt được hiệu quả phá hủy đất đá ở đáy tốt nhất Giá trị thời gian tiếp xúc cần thiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó, 3 yếu tố sau đây là quan trọng nhất:

- Cấu trúc của choòng (hình dạng răng và bước răng là cơ bản);

- Tính chất cơ lý của đất đá;

- Giá trị của tải trọng chiều trục

Thực chất, xác định thời gian tiếp xúc cần thiết tối thiểu là xác định giá trị tốc độ vòng quay giới hạn Trong công tác khoan, để đạt được hiệu quả phá hủy đất

đá ở đáy lỗ khoan, thường chọn tốc độ vòng quay trong khoảng giá trị tốc độ vòng quay giới hạn Nghĩa là, trong khoảng tốc độ vòng quay giới hạn thì thời gian tiếp xúc của răng với đất đá bao giờ cũng lớn hơn hoặc bằng thời gian tiếp xúc cần thiết tối thiểu

1.2.3 Ảnh hưởng đồng thời của tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay

Mối quan hệ giữa tốc độ cơ học khoan với tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay được thể hiện qua phương trình [7]: