KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH THÀNH GIẾNG KHOAN TẠI BỒN TRŨNG NAM CÔN SƠN

DANH SÁCH HÌNH VẼ 4 DANH SÁCH BẢNG BIỂU 7 DANH SÁCH KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 8 MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ 5 1.1. LÝ THUYẾT ỨNG SUẤT 5 1.1.1. Ứng suất tại một điểm 5 1.1.2. Ứng suất chính trong không gian hai chiều 9 1.1.3. Vòng tròn Mohr ứng suất 10 1.1.4. Ứng suất trong hệ tọa độ trụ 12 1.2. CÁC THÔNG SỐ ĐỘ BỀN ĐẤT ĐÁ. 13 1.2.1. Lực cố kết ( So ) 13 1.2.2. Góc ma sát trong 13 1.2.3. Độ bền nén đơn trục ( UCS ) 14 1.2.4. Độ bền kéo đất đá ( T ) 15 1.2.5. Hệ số poisson (ϑ) 16 1.2.6. Hệ số Biot ( B ) 16 1.3. HIỆN TƯỢNG PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ 17 1.4. ỨNG SUẤT THÀNH HỆ 20 1.4.1. Ứng suất tại chỗ 21 1.4.2. Áp suất lỗ rỗng và ứng suất hiệu dụng 26 1.5. CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT 27 1.5.1. Thí nghiệm ứng suất nén một trục UCS 27 1.5.2. Thí nghiệm mẫu trục thành dày (Thick Wall Cylinder test) 29 1.5.3. Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Tests) 31 1.6. MÔ HÌNH PHÂN BỐ ỨNG SUẤT VÀ ÁP SUẤT XUNG QUANH THÀNH GIẾNG KHOAN 31 1.6.1. Ứng suất xung quanh thành giếng đứng 32 1.6.2. Ứng suất quanh lỗ khoan ngang và nghiêng 34 1.7. CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN TRƯỜNG ỨNG SUẤT. 37 1.7.1. Hiện tượng breakouts. 38 1.7.2. Hiện tượng DITFS (drilling induced tensile fractures). 39 1.8. CÁC ĐỨT GẪY CÓ THỂ XẨY RA TRONG ĐẤT ĐÁ 40 CHƯƠNG 2. XÁC ĐỊNH TRỌNG LƯỢNG RIÊNG CỦA DUNG DỊCH BẰNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ 43 2.1. CÁC TIÊU CHUẨN PHÁ HỦY 43 2.1.1. Tiêu chuẩn Mohr 43 2.1.2. Tiêu chuẩn Coulomb 44 2.1.3. Tiêu chuẩn MohrCoulomb 47 2.2. TÍNH ÁP SUẤT SẬP LỞ 48 2.2.1. Đường tới hạn xác định bằng vòng tròn Mohr 48 2.2.2. Tính toán áp suất sập lở. 51 2.3. Xác định tỷ trọng dung dịch khoan và chiều sâu ống chống phù hợp 57 2.4. Xét quỹ đạo giếng khoan tối ưu 59 CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ MỎ HẢI THẠCH, MỘC TINH VÀ GIẾNG PVC1P 61 3.1. Vị trí địa lý 61 3.2. Đặc điểm địa chất mỏ và cột địa tầng 62 3.2.1. Đặc điểm địa chất mỏ 62 3.2.2. Cột địa tầng của giếng PVC1P 65 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ TRONG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH THÀNH GIẾNG KHOAN PVC1P 66 4.1. Số liệu đầu vào và quy trình tính toán excel 66 4.1.1. Số liệu đầu vào 66 4.1.2. Công thức tính toán áp dụng 67 4.2. Kết quả 70 4.2.1. Ứng suất vòng lỗ khoan. 71 4.2.2. Tỉ trọng dung dịch. 72 4.2.3. Quỹ đạo giếng khoan tối ưu 74 KẾT LUẬN 76 KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 PHỤ LỤC A: 2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẤT ĐÁ. 2 A1. Cách xác định các thông số qua biểu đồ thí nghiệm Leak Off Test, Extended Leak Off Test VÀ MiniFracture 2 A2. Xác định UCS dựa vào dữ liệu đo Log 5 PHỤ LỤC B: 10 CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN TRONG EXCEL 10 B1. Tính quỹ đạo giếng khoan 10 B2. Đồ thị rada giữa ứng suất vòng và độ bền nén đơn trục tại độ sâu TVD 11 B3. Tính áp suất sập lở 11 B4. Thiết kế quỹ đạo giếng khoan tối ưu 13

DANH SÁCH KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 8

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ 5

1.1 LÝ THUYẾT ỨNG SUẤT 5

1.1.1 Ứng suất tại một điểm 5

1.1.2 Ứng suất chính trong không gian hai chiều 9

1.1.3 Vòng tròn Mohr ứng suất 10

1.1.4 Ứng suất trong hệ tọa độ trụ 12

1.2 CÁC THÔNG SỐ ĐỘ BỀN ĐẤT ĐÁ 13

1.2.1 Lực cố kết ( S o ) 13

1.2.2 Góc ma sát trong 13

1.2.3 Độ bền nén đơn trục ( UCS ) 14

1.2.4 Độ bền kéo đất đá ( T ) 15

1.2.5 Hệ số poisson (ϑ)) 16

1.2.6 Hệ số Biot ( B ) 16

1.3 HIỆN TƯỢNG PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ 17

1.4 ỨNG SUẤT THÀNH HỆ 20

1.4.1 Ứng suất tại chỗ 21

1.4.2 Áp suất lỗ rỗng và ứng suất hiệu dụng 26

1.5 CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT 27

1.5.1 Thí nghiệm ứng suất nén một trục UCS 27

1.5.2 Thí nghiệm mẫu trục thành dày (Thick Wall Cylinder test) 29

1.5.3 Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Tests) 31

1.6 MÔ HÌNH PHÂN BỐ ỨNG SUẤT VÀ ÁP SUẤT XUNG QUANH THÀNH GIẾNG KHOAN 31

1.6.1 Ứng suất xung quanh thành giếng đứng 32

1.6.2 Ứng suất quanh lỗ khoan ngang và nghiêng 34

1.7 CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN TRƯỜNG ỨNG SUẤT 37

1.7.1 Hiện tượng breakouts 38

1.7.2 Hiện tượng DITFS (drilling induced tensile fractures) 39

1.8 CÁC ĐỨT GẪY CÓ THỂ XẨY RA TRONG ĐẤT ĐÁ 40

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH TRỌNG LƯỢNG RIÊNG CỦA DUNG DỊCH BẰNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ 43

2.1.3 Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb 47

2.2 TÍNH ÁP SUẤT SẬP LỞ 48

2.2.1 Đường tới hạn xác định bằng vòng tròn Mohr 48

2.2.2 Tính toán áp suất sập lở 51

2.3 Xác định tỷ trọng dung dịch khoan và chiều sâu ống chống phù hợp 57

2.4 Xét quỹ đạo giếng khoan tối ưu 59

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ MỎ HẢI THẠCH, MỘC TINH VÀ GIẾNG PVC-1P 61

3.1 Vị trí địa lý 61

3.2 Đặc điểm địa chất mỏ và cột địa tầng 62

3.2.1 Đặc điểm địa chất mỏ 62

3.2.2 Cột địa tầng của giếng PVC-1P 65

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ TRONG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH THÀNH GIẾNG KHOAN PVC-1P 66

4.1 Số liệu đầu vào và quy trình tính toán excel 66

4.1.1 Số liệu đầu vào 66

4.1.2 Công thức tính toán áp dụng 67

4.2 Kết quả 70

4.2.1 Ứng suất vòng lỗ khoan 71

4.2.2 Tỉ trọng dung dịch 72

4.2.3 Quỹ đạo giếng khoan tối ưu 74

KẾT LUẬN 76 KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

PHỤ LỤC A: 2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẤT ĐÁ 2

A-1 Cách xác định các thông số qua biểu đồ thí nghiệm Leak Off Test, Extended Leak Off Test VÀ Mini-Fracture 2

A-2 Xác định UCS dựa vào dữ liệu đo Log 5

PHỤ LỤC B: 10 CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN TRONG EXCEL 10

B-4 Thiết kế quỹ đạo giếng khoan tối ưu 13

STT SỐ HÌNHVẼ TÊN HÌNH VẼ TRANG

1 Hình 1-1 Lực tác dụng lên bề mặt tiết diện 6

2 Hình 1-2 Sự phân tách ứng suất tác dụng lên mặt phẳng x. 7

3 Hình 1-3 Ứng suất trên phân tố hình lập phương vô cùng bé. 7

4 Hình 1-4 Ứng suất tác động lên mặt phẳng x-y 8

5 Hình 1-5 Ứng suất chính trong không gian hai

9 Hình 1-9 Các thông số trên vòng tròn Mohr 13

10 Hình 1-10 Mô hình thí nghiệm nén đất đá một chiều. 15

13 Hình 1-13 Ứng suất tại chỗ trên một phân tố giếng khoan thẳng đứng. 21

14 Hình 1-14 Ví dụ về Log mật độ khối 22

16 Hình 1-16 Sự hình thành khe nứt do thủy lực khoan. 24

17 Hình 1-17 Mô hình áp suất lỗ rỗng và ứng suất hiệu dụng. 27

18 Hình 1-18 Sơ đồ thí nghiệm nén một trục 29

19 Hình 1-19 Mẫu thí nghiệm TWC điển hình 29

20 Hình 1-20 Thiết bị thí nghiệm mẫu trục thành dầy 30

21 Hình 1-21 Ví dụ về điểm phá hủy bên trong và ngoài TWC. 30

22 Hình 1-22 Sơ đồ thí nghiệm nén ba trục 31

23 Hình 1-23 Ứng suất xung quanh thành giếng

24 Hình 1-24 Phân bố cường độ ứng suất tại lỗ khoan 33

25 Hình 1-25 Quỹ đạo giếng khoan nghiêng 35

26 Hình 1-26 Chuyển đổi ứng suất trong giếng khoan

27 Hình 1-27 Các hiện tượng lên quan đến trường ứngsuất. 37

30 Hình 1-30 điện trong một giếng khoan thẳng đứng. 39

31 Hình 1-31 Biểu đồ mặt cắt và hiện tượng DITEs 40

32 Hình 1-32 Các loại đứt gẫy trong đất đá 41

33 Hình 1-33 Các vùng đứt gẫy trong đất đá 42

34 Hình 2-1 Biểu đồ biểu diễn tiêu chuẩn Mohr 44

36 Hình 2-3 Đường bao độ bền Coulomb theo các

37 Hình 2-4 Đường bao độ bền Coulomb với giới hạn kéo 46

38 Hình 2-5 Vòng tròn Mohr chạm đường bao phá

39 Hình 2-6 Xác định góc beta trong vòng tròn Mohr. 49

40 Hình 2-7 Tương quan giữa σ’1 và σ’3 trên tiêu

41 Hình 2-8 Độ sâu đặt chân đế ống chống và cửa sổ dung dịch khoan 58

42 Hình 2-9 Áp suất sập lở với các quỹ đạo giếng

43 Hình 3-1 Sơ đồ vị trí mỏ Hải Thạch, mộc Tinh và bồn trũng Nam Côn Sơn. 62

44 Hình 3-2 Cột địa tầng mỏ Hải Thạch, mộc Tinh 65

46 Hình 4-2 Quỹ đạo giếng khoan PVC-1P 70

47 Hình 4-3 Đồ thị dạng radar giữa ứng suất vòng vàđộ bền nén đơn trục ở độ sâu TVD1 71

48 Hình 4-4 Đồ thị dạng radar giữa ứng suất vòng vàđộ bền nén đơn trục ở độ sâu TVD2 71

51 Hình A-1 Đồ thị thí nghiệm Leak Off Test Phụ lục

52 Hình A-2 Đồ thị thí nghiệm Extended Leak Off Test.

53 Hình A-3 Đồ thị thí nghiệm Mini-Fracture Test

54 Hình A-4 Mối tương quan giữa USC và độ rông,

modun sóng nén P và vận tốc sóng âm trong thành hệ cát kết

56 Hình A-6

Mối tương quan giữa UCS với độ rỗng

và vận tốc sóng âm trong thành hệ đá vôi

Phụ lục

57 Hình B-1 Quỹ đạo giếng khoan PVC-1P

58 Hình B-2 Đồ thị radar giữa ứng suất vòng và độ bền nén đơn trục.

59 Hình B-3 Đồ thị tỷ trọng dung dịch khoan tối

thiểu không gây ra hiện tượng break out

60 Hình B-4 Bảng tính toán Cp ứng với từng quỹ

61 Hình B-5 Giá trị collapse pressure ứng với từng góc nghiêng và góc phương vị khác

nhau

4 Bảng 2-1

Tỉ trọng dung dịch gây lên hiện tượng breakout trong giếng đứng ứng với giá trị

5 Bảng 2-2 Tỉ trọng dung dịch gây lên hiện tượng

breakout trong giếng ngang 54

6 Bảng 2-3 Tỉ trọng dung dịch gây lên hiện tượng breakout trong giếng có quỹ đạo bất kì. 56

7 Bảng 4-1 Số liệu đầu vào tính toán Cp 66

8 Bảng 0-1 Độ dài chống ống và tỷ trong dung dịch khoan đề xuất cho giếng PVC-1P 76

9 Bảng B-1 Thông số đầu vào cần thiết để tính Cp Phụ lục

BẢNG QUY ĐỔI CÁC ĐƠN VỊ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

Kí hiệu …Ý nghĩa Đơn vị σ Ứng suất PSI hoặc PPG σ’ Ứng suất hiệu dụng PSI hoặc PPG

σn Ứng suất pháp tuyến PSI hoặc PPG

σh Ứng suất ngang nhỏ nhất PSI hoặc PPG

σH Ứng suất ngang lớn nhất PSI hoặc PPG

σv Ứng suất dọc PSI hoặc PPG

σθ Ứng suất vòng lỗ khoan PSI hoặc PPG

σr Ứng suất hướng tâm PSI hoặc PPG

σz Ứng suất dọc lỗ khoan PSI hoặc PPG τ Ứng suất tiếp tuyến PSI hoặc PPG α Góc hợp bởi trục ox và hướng đang xét Độ hoặc Radian

αhold Góc phương vị lỗ khoan Độ hoặc Radian

φ Góc ma sát trong Độ hoặc Radian γ Góc nghiêng phá hủy ứng suất hiệu dụng Độ hoặc Radian

i Góc nghiêng của giếng Độ hoặc Radian

 Hệ số Poisson Không thứ nguyên μ Hệ số góc ma sát trong Không thứ nguyên B Hệ số Biot Không thứ nguyên

Dt Vận tốc sóng truyền âm ss/ft E Modun đàn hồi

ECD Tỷ trong dung dịch khoan tương đương PSI hoặc PPG F Lực tác dụng lên bề mặt tiết diện A’ Newton ( N ) LOT Thí nghiệm Leak Off Test

ELOT Thí nghiệm Extended Leak Off Test

Pp Áp suất lỗ rỗng PSI hoặc PPG

Pw Áp suất trong của giếng PSI hoặc PPG

Pf Áp suất bắt đầu phá hủy thành hệ PSI hoặc PPG

So Lực cố kết PSI hoặc PPG T Độ bền kéo PSI hoặc PPG UCS Độ bền nén đơn trục PSI hoặc PPG

MỞ ĐẦU

Công tác thi công một giếng khoan dầu khí luôn rất tốn kém và có thể gặpnhiều rủi ro nếu không có hiểu biết cụ thể về thành hệ, dị thường trong thành hệ Vìvậy, trước khi khoan một giếng khoan nào đó, công tác thiết kế phải được thực hiệnmột cách thận trọng và chính xác nhất có thể để hạn chế tối đa rủi ro và giảm chiphí khoan

Bồn Trũng Nam Côn Sơn lại là một khu vực có điều kiện địa chất phức tạp,các mỏ dầu khí ở trong khu vực này nằm trong các cấu trúc riêng lẻ, phức tạp, phầnlớn bị bao bọc bởi các đứt gãy và có cấu trúc địa chất dạng địa hào, địa luỹ dẫn tớiviệc thi công khoan các giếng khoan tại khu vực này cực kỳ phức tạp, do đó các sự

cố thường xảy ra trong quá trình thi công các giếng khoan như: sập lở thành giếngkhoan, mất một phần hoặc mất toàn bộ tuần hoàn dung dịch, hiện tượng kick,…những sự cố này có tác động xấu tới hiệu quả kinh tế kỹ thuật của toàn bộ dự án

Do đó, việc xác định trường ứng suất và xây dựng được mô hình ứng dụng cơhọc đá trong việc phân tích tính ổn định của thành giếng khoan từ đó áp dụng tínhtoán quỹ đạo giếng, tỷ trọng dung dịch và độ sâu đặt chân đế ống chống thích hợptrong quá trình thi công giếng khoan dầu khí sẽ giúp nâng cao hiệu quả thi cônggiếng khoan, giảm thiểu những rủi ro trong quá trình khoan, tối ưu hóa trong việcthiết kế giếng khoan, lựa chọn thiết bị thi công hợp lý… giảm thiểu chi phí đầu tư,tăng hiệu quả kinh tế cho dự án

Xuất phát từ ý tưởng trên, Nhóm em quyết định lựa chọn đề tài nghiên cứukhoa học “KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH THÀNH GIẾNG KHOAN TẠIBỒN TRŨNG NAM CÔN SƠN”

1, Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của công nghệ khoan, khai thác luôn kéo theo sự phát triển khôngngừng của các hệ dung dịch khoan nhằm rút ngắn thời gian thi công, ổn định thành giếngkhoan và đảm bảo an toàn vỉa sản phẩm

Các công trình nghiên cứu ngoài nước về dung dịch khoan chủ yếu nghiên cứu

về tính chất lưu biến, nâng cao chất lượng dung dịch, liên quan trực tiếp tới các chỉtiêu tính chất dung dịch, các hệ dung dịch phù hợp cho các phương pháp khoancũng như các điều kiện địa tầng cụ thể mà họ khoan qua.Công ty schlumbergerngoài các nghiên cứu như trên họ tập trung nghiên cứu các dung dịch phù hợp chocông tác khoan trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao

Bồn Trũng Nam Côn Sơn bị giới hạn về phía bắc bởi đới nâng Phan Rang, ngăn cách với bể Phú Khánh ở phía tây bắc bởi đới nâng Côn Sơn, ngăn cách với bồn trũng Cửu Long ở phía tây và phía nam bởi đới nâng Khorat-Natuna Ranh giới phíađông, đông nam của bể được giới hạn bởi đơn nghiêng Đà Lạt - Vũng Mây và bể Trường Sa, phía đông nam là bể Vũng Mây Là bồn trũng có lượng khí rất lớn khoảng 856 tỷ foot khối, Trong quá trình khoan thăm dò và khai thác thì hệ dung dịch khoan đóng vai trò rất quan trọng trong sự thành bại của công tác khoan giếng Trong phương pháp truyền thống để lựa chọn hệ dung dịch chúng ta thường chọn những hệ dung dịch có trọng lượng riêng nằm giữa giới hạn của gradient áp suất vỉa

và gradient áp suất vỡ vỉa, vì vậy rất khó cho chúng ta chọn chính xác trọng lượng riêng của hệ dung dich gây ra nhiều khó khăn trong công tác khoan hoặc gây lãng phí làm nhiễm bẩn vỉa sản phẩm Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đưa ra mô hình nhằm chọn chính xác hay (tối ưu hoá hệ dung dịch) và sau đó tính toán đánh giá độ ổn định của thành giếng khoan phục vụ cho công tác khoan các giếng khoan tại bồn trũng Nam Côn Sơn Nhằm nâng cao hiệu quả công tác khoan cũng như giảm giá thành mét khoan 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, nếu hệ dung dịch không được lựa chon một cách hợp lý đã đem lại rất nhiều

sự cố đáng tiếc 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 đây là vấn đề cực kì quan trọng cần phải giải quyết và là 1 đề tài mang tính cấp thiếtcao

2, Mục tiêu đề tài

Đề xuất chính xác hệ dung dich khoan cho từng khoảng khoan và đánh giá được mức độ ổn định của thành giếng khoan

3,Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.Đối tượng nghiên cứu

Áp suất vỉa và áp suất vỡ vỉa tại các khoảng khoan khác nhau tại bồn trũng cửu long

Độ ổn định của thành giếng khoan tại các giếng bồn trũng cửu long

4.2.Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng đường gradien áp suất vỉa và vỡ vỉa trên cơ sở đólựa chọn đường trọng lượng riêng của dung dịch khoan

Phương pháp chuyên gia: Nhóm tác giả tham khảo ý kiến chuyên gia cũng như sốliệu các nhà thầu để thực hiện công tác nghiên cứu

5,Nội dung nghiên cứu

Giới thiệu cơ sở lý thuyết về mô hình địa cơ của đất đá, các nguyên nhândẫn đến sự mất ổn định của thành hệ Dựa vào mô hình địa cơ này để tìm ra ứngsuất vòng lỗ khoan, tỉ trọng dung dịch khoan phù hợp từng khoảng khoan và quỹđạo giếng khoan tối ưu Tìm ra các thông số cơ sở cần thiết thu thu thập cho quátrình khảo sát, đánh giá sự ổn định thành giếng khoan Những tham số này gồm cólực cố kết của đất đá, hệ số poison, hệ số Biot, độ bền kéo đất đá, độ bền nén đơntrục, góc ma sát trong

Tùy theo đặc điểm và tính chất đất đá thành hệ của bồn trũng Nam Côn Sơn, dựa vào yêu cầu kĩ thuật – tài liệu thực tế tiến hành xây dựng đường gradien áp suất vỉa

và vỡ vỉa, trên cơ sở đó lựa chọn đường trọng lượng riêng của dung dịch khoan

CHƯƠNG 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ

Các phần tử trong đất đá luôn chịu lực tác dụng từ những phần tử xung quanh

nó theo mọi phương Ở trạng thái tự nhiên ban đầu, những lực này cân bằng vớinhau giúp cho các phần tử đó ở trạng thái ổn định nhất Khi một giếng khoan dầukhí được thực hiện, một phần vật chất trong thành hệ bị lấy đi làm cho trạng tháicân bằng bị phá hủy gây nên nguy cơ bị sập lở thành hệ nếu không có biện pháp đểcân bằng lại ứng suất, từ đó làm tăng chi phí khoan và cũng có thể gây nên nguyhiểm cho con người và môi trường Vì vậy, việc xây dựng được một mô hình chínhxác là rất quan trọng trong việc thiết kế một giếng khoan dầu khí

1.1 LÝ THUYẾT ỨNG SUẤT

1.1.1 Ứng suất tại một điểm

Ứng suất được định nghĩa là lực tác động trên một đơn vị diện tích và đượcxác định theo công thức :

F A

 

(1.1)Đơn vị trong cơ học của ứng suất là N/m2 hay Pa

Các đơn vị đo khác : psi = 6.895 kPa

kg/cm2 = 98.1 kPa

bar = 100 kPa

Hình 1-1: Lực tác dụng trên bề mặt tiết diện

Thêm vào đó, ứng suất được quy ước là dương khi nén và âm khi kéo (lưu ýđiều này ngược với quy ước trong một số ngành nghiên cứu liên quan đến đàn hồi).Ứng suất luôn liên quan đến mặt phẳng cắt Để minh họa điều này hãy xem xét mặtcắt A’ trong hình.Ở đây diện tích A’ là lớn hơn và lực tác dụng không vuông gócvới mặt cắt.Lực tác dụng này có thể chia thành hai thành phần :

Fn vuông góc với mặt cắt và Fs song song với mặt cắt

Ta có thành phần ứng suất như sau :

- Ứng suất pháp tuyến :

'

n n

F A

 

(1.3)Công thức trên xác định ứng suất tại một điểm Để miêu tả đầy đủ trường ứngsuất tại một điểm, cần thiết xác định những ứng suất theo 3 hướng trực giao, theo 3mặt của hình lập phương vô cùng bé Trên mỗi mặt của hình lập phương có ứngsuất pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến Xem xét mặt phẳng vuông góc với phương x(gọi là mặt phẳng x ), ứng suất pháp được ký hiệu là σx , trong đó chỉ số dưới x đểchỉ thành phần trực giao tác động lên mặt phẳng x Ứng suất tiếp tuyến tác dụng

theo phương bất kỳ nằm trong mặt phẳng này và vì vậy được phân tách thành haithành phần τxy và τxz trong đó chỉ số dưới thứ nhất chỉ mặt phẳng tác động và chỉ

số dưới thứ hai chỉ phương tác dụng của nó (Hình 1-2).

Hình 1-2: Sự phân tách ứng suất tác dụng lên mặt phẳng x

Tương tự như vậy với thành phần vuông góc với trục y và trục z (Hình 1-3):

Hình 1-3: Ứng suất trên hình lập phương vô cùng bé

Do vật thể được giả sử là đứng yên nên các lực và mô men tác động lên vật thể

sẽ ở trạng thái cân bằng

Xem xét một hình vuông nhỏ trên mặt phẳng x - y với các ứng suất tác động

lên nó:

Hình 1-4: Ứng suất tác động lên mặt phẳng x-yVới lực ứng với các thành phần ứng suất trực giao ở trạng thái cân bằng, để cóđiều kiện mô men quay bằng không, cần có:

Như vậy, trong một khối vật chất hình lập phương ta được thể hiện trên hệ

trục tọa độ xyz có tất cả chín thành phần ứng suất cùng tồn tại và có thể chia thành

hai nhóm chính đó là ba ứng suất pháp tuyến (σx, σy, σz) và sáu ứng suất tiếp tuyếnhay còn gọi là ứng suất cắt (τxy, τxz, τyx, τyz, τzx, τzy) Và sẽ có hai thành phần ứng suấttiếp triệt tiêu lẫn nhau vì chúng có cùng phương, cùng độ lớn nhưng ngược chiều.Khi chuyển các thành phần ứng suất vào hệ tọa độ vuông góc, ta thấy rằng nơi nàoứng suất bao gồm cả ba thành phần pháp tuyến thì nơi đó các ứng suất tiếp cũngnhư ứng suất cắt sẽ không tồn tại Ba ứng suất pháp này được gọi là các ứng suấtchính (principal stresses), chúng tác dụng vuông góc với mặt phẳng tác dụng và

không có thành phần ứng suất cắt nào tồn tại ở đó, các ứng suất chính này songsong với các trục toạ độ của hệ toạ độ vuông góc.

1.1.1 Ứng suất chính trong không gian hai chiều

Trong không gian hai chiều, xét thành phần ứng suất tiếp và ứng suất pháp củamột phân tố hình vuông rất nhỏ,pháp tuyến của mặt phẳng phân tố nghiêng một góc

θ so với trục x.

Xét tam giác ứng suất ở trạng thái cân bằng (Hình 1-5).

Khi đó ứng suất pháp (σ) và ứng suất tiếp (τ) tác dụng lên đường đó được tínhtheo công thức:

2tan 2 xy

1.1.2 Vòng tròn Mohr ứng suất

Để dễ dàng hơn trong việc tính toán, ta sẽ chuyển hệ trục tọa độ không gian

hai chiều để trục x sẽ song song với chiều của một trong hai ứng suất chính ở trên

và trục y khi đó sẽ song song với chiều của ứng suất chính còn lại (Hình 1-6).

Khi đó các ứng suất tiếp sẽ có giá trị bằng 0 và ứng suất theo một đường cóphương hợp với trục x một góc θ

Các công thức tính ứng suất thành phần khi đó trở thành:

     

(1.13)

Hình 1-6: Ứng suất tạo bởi các ứng suất chính

Thay đổi giá trị góc θ và vẽ giá trị tương ứng của σ và τ trên hệ trục tọa độ x-y

ta được một đường tròn gọi là vòng tròn Mohr ( Hình 1-7 )



 

.Vòng tròn Mohr là công cụ hữu ích cho việc phân tích các điều kiện cho sựphá hủy đất đá được trình bày trong những chương sau

Hình 1-7: Vòng tròn Mohr ứng suất

1.1.3 Ứng suất trong hệ tọa độ trụ

Giếng nằm trong không gian nên ta xét hệ tọa độ decac Oxyz,tuy nhiên hệ tọa

độ trụ là thích hợp nhất để phân tích ứng suất quang lỗ khoan

Hình 1-8: Chuyển đổi giữa hệ tọa độ trụ và hệ tọa độ decac

Mỗi phân tố vô cùng nhỏ chịu các thành phần ứng suất biểu diễn theo dạng

tenso ứng suất ( công thức 1.14 ).

Trong đó σr là ứng suất hướng tâm; σθ là ứng suất vòng và σz là ứng suất dọctrục.

1.2 CÁC THÔNG SỐ ĐỘ BỀN ĐẤT ĐÁ.

Hình 1-9: Các thông số trên vòng tròn Mohr

1.2.1 Lực cố kết ( S o )

Lực cố kết liên quan tới lực liên kết giữa các phân tử trong đất đá Nó thể hiện

sự kết dính giữa các phần tử trong đất đá S0 cũng bằng ứng suất tiếp lớn nhất đất đá

có thể chịu đựng được mà không xảy ra biến đàn hồi

Lực cố kết được định nghĩa bằng công thức:

0

1 sin2

1 sin

UCS S

Dựa vào vòng tròn Mohr ta có góc ma sát trong được định nghĩa:

Trong đó : μlà hệ số của góc ma sát trong được tính thông qua công thức:

' 0

Hình 1-10: Mô hình thí nghiệm nén đất đá một chiềuGiá trị UCS khi đó được tính:

F UCS

1.2.4 Độ bền kéo đất đá ( T )

Độ bền kéo của đất đá (tensile strenght) (T) là khả năng lớn nhất của đất đáchống lại lực kéo căng từ bên ngoài mà không bị nứt gãy hoặc tách ra Thường đất

đá có độ bền kéo rất thấp chỉ một vài KPa hoặc nhỏ hơn

Và trong tính toán để thuận tiện trong tính toán khả năng phá hủy, người tathường lấy độ bền kéo của đất đá là 0

1.2.5 Hệ số poisson (ϑ))

Hệ số Poisson hay tỉ số Poisson được đặt theo tên nhà vật lí Siméon-DenisPoisson là tỉ số giữa độ biến dạng hông (độ co, biến dạng co) tương đối và biếndạng dọc trục tương đối (theo phương tác dụng lực)

Bảng 1-2: Hệ số Poisson một số thành hệLoại thành hệ Tỷ trọng (kg/m3) Hệ số PoissonCát không cố kết 1,5 - 1,7 » 0,45

C B

C

 

(1.22)Trong đó: Cr -là hệ số nén hạt

Cb-là hệ số nén thể tích

1.3 HIỆN TƯỢNG PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ

Hiện tượng phá hủy sẽ không xảy ra khi các ứng suất ở dạng cân bằng Khikhoan một giếng khoan, các thành phần ứng suất xung quanh hay gần thành giếng

bị thay đổi thì hiện tượng phá hủy có nhiều nguy cơ xảy ra

Cơ học phá hủy thành hệ bao gồm các trạng thái phá hủy: cắt, kéo, cố kết và lỗrỗng Trong đó hai phá hủy chính là phá hủy cắt và phá hủy kéo

- Phá hủy cắt (shear strength): độ chênh áp giữa áp suất đáy giếng và áp suấtvỉa tạo nên ứng suất cắt lớn hơn độ bền cắt của thành hệ

Hình 1-11: Ứng suất cắt

- Phá hủy kéo (tensile strength): lực kéo do dòng chảy từ vỉa vào giếng tạo nênthắng được độ bền kéo của đất đá thành hệ Khi độ lớn của ứng suất tác dụng lên đálớn hơn độ bền của nó thì hiện tượng phá hủy đá sẽ xảy ra Vì thế chúng ta cần phải

dự đoán trước được khả năng phá hủy thành hệ

Hình 1-12: Phá hủy kéoNgày nay, người ta thường sử dụng các tiêu chuẩn của Tresca (tiêu chuẩn pháhủy theo ứng suất kéo lớn nhất), Von Mises (tiêu chuẩn phá hủy theo năng lượngbiến dạng lớn nhất) và tiêu chuẩn phá hủy Mohr-Coulomb để dự đoán khả năng phá

hủy thành hệ Hai tiêu chuẩn của Tresca và von Mises áp dụng cho các vật liệumềm, do đó không được sử dụng nhiều trong việc xác định hiện tượng phá hủy đátrong thành hệ Thay vào đó tiêu chuẩn Mohr-Coulumb áp dụng cho các vật liệucứng hơn, dòn hơn và sẽ được đề cập chi tiết dưới đây.

Ứng suất tác động lên thân giếng hay trên kênh dẫn bắn mở vỉa là nguyênnhân cốt lõi gây lên sự phá hủy đất đá Đối với vòng tròn Mohr – Coulomb như mô

tả tập trung vào ứng suất cực đại σ1 và ứng suất cực tiểu σ2 qua đó dựng lên đượcđường biên độ bền phân định rõ vùng phá hủy và vùng ổn định của đất đá Nếuvòng tròn của vật liệu không lọt ra khỏi vùng ổn định (ứng suất tác dụng nhỏ) thì nó

sẽ không bị phá hủy và ngược lại nếu nó quá lớn (tức là ứng suất tác dụng lớn) vàvượt ra khỏi hai đường thẳng giới hạn thì vật liệu sẽ bị phá hủy

- Độ bền nén ba trục: phụ thuộc chủ yếu vào ứng suất chính và áp suất lỗ rỗngđất đá

b) Cường độ kháng cắt

Cường độ kháng cắt được xem là khả năng cản trở bên trong mẫu chống lạiphá hủy cắt trượt Hiện tượng sinh cát sẽ giảm khi cường độ kháng cắt tăng Pháhủy cắt trượt xảy ra khi ứng suất cắt vượt khỏi cường độ kháng cắt và ứng suất cắt

sẽ giảm khi trượt dọc theo các bề mặt phá hủy

c) Cường độ kháng kéo

Ứng suất tiếp lớn nhất mà mẫu có thể chịu đựng được trước khi bị phá hủy.Đây là 1 thông số quan trọng trong nghiên cứu sự phá hủy thành hệ vì đất đá chịu

kéo kém hơn chịu nén nên dễ gây phá hủy (độ bền nén của đá thường gấp 10-15 lần

độ bền kéo)

Cường độ kháng kéo tăng dần cùng với sự tăng dần của cường độ kháng nén,

tỷ số chiều dài đường kính giảm và tốc độ chất tải tăng Nó cũng góp cải thiện độ ổnđịnh của các lỗ rỗng trong thành hệ khi độ giảm áp vỉa lớn Tuy nhiên khi bị cắttrượt, nó sẽ bị giảm và mức độ giảm phụ thuộc vào cường độ kháng kéo của vậtliệu Nếu cường độ gắn kết giữa các hạt lớn thì cường độ kháng kéo vẫn duy trì giữacác hạt Nếu xi măng không bị phá hủy thì nó vẫn không thay đổi giữa các hạt.Cường độ kháng kéo có thể đo từ phòng thí nghiệm

Kỹ thuật đo

(Measurement Technique)

Quan trắc giếng khoan

σh

Leak of Test (LOT)Leak of Test mở rộngMất dung dịch

Drilling Induced Facs

Drilling Induced FracsSập lở

Áp suất lỗ

rỗng vỉa P0

Thử vỉa (DST) Biểu đồ đo mật độ khốiThử vỉa lại Biểu đồ đo sóng âmMFDT

1.4.1 Ứng suất tại chỗ

Tại bất cứ điểm nào nằm dưới bề mặt đất, đá đều chịu tác dụng của ứng suất.Các giá trị của ứng suất này có thể cao hoặc thấp tùy theo độ sâu của điểm cần khảosát

Hình 1-13: Ứng suất tại chỗ trên một phân tố giếng khoan thẳng đứngNhư ta đã biết rằng trạng thái ứng suất tác dụng lên đá khi chưa có bất cứthành phần tác động nào từ con người bao gồm ba thành phần chính tác dụng tươngứng lên một đơn vị diện tích: thành phần ứng suất thẳng đứng σv (thành phần ứngsuất pháp hay ứng suất lớp phủ-overburnden stress do sức nặng đè nén của lớp đất

đá địa tầng phía trên điểm khảo sát), hai thành phần ứng suất ngang σH và σh (thànhphần ứng suất tiếp – horizontal lateral stress) Theo quy ước thì thành phần ứng suấtngang có giá trị lớn nhất là σH và có giá trị nhỏ nhất là σh

Để xác định các ứng suất có hướng không vuông góc với diện tích mà nghiêng

so với phương thẳng đứng là rất khó khăn và phức tạp Các ứng suất này thường ởcác khu vực xảy ra hoạt động kiến tạo

1.4.1.1 Ứng suất lớp phủ σ v

Ứng suất thẳng đứng được tạo ra do trọng lượng lớp phủ bên trên và có thểđược tính thông qua mối liên hệ với tỷ trọng của đất đá theo chiều sâu (Mc Garrand Gray 1978) σv được tính bằng công thức [4] :

0d ( )

Trong đó: g: gia tốc trọng trường (32,175 ft/s2)

ρb: khối lượng riêng của lớp phủ (lb/ft3)

h: chiều dày của vỉa (ft).

d: chiều sâu của vỉa (ft)

Ứng suất thẳng đứng luôn có phương thẳng đứng, ứng suất thẳng đứng có ýnghĩa hết sức quan trọng vì thông thường nó đóng vai trò cực đại σ1 ở những độ sâunghiên cứu lớn khoảng từ 2000 m

Dựa trên mối quan hệ đó người ta có thể tính được σv bằng các phương phápphân tích đường log mật độ khối (RHOB), phân tích mật độ mẫu lõi

Hình 1-14: Ví dụ về log mật độ khốiNgoài ra từ việc tổng hợp các tài liệu địa vật lý giếng khoan và các tài liệu củacác giếng khoan người ta có thể xây dựng phương trình thực nghiệm để xác địnhcường độ của σv

Theo các tài liệu tổng hợp từ các giếng khoan trong bồn trũng Cửu Long, cácchuyên gia đã xây dựng được mặt cắt ứng suất đá phủ theo độ sâu và phương trìnhthực nghiệm để tính ứng suất đá phủ cho các giếng khoan không có tài liệu mật độ

mà chỉ có giá trị độ sâu cần nghiên cứu (z) là xác định được cường độ ứng suấtthẳng đứng với giá trị gần đúng có thể chấp nhận được

leak-(Phụ lục A ) Theo qui ước thì σh thường có giá trị ứng suất nhỏ nhất khi đó dựa vào

đồ thị của thí nghiệm LOT, ta có thể xác định được giá trị ứng suất nhỏ nhất chính

là giá trị σh

Hình 1-15: Biểu đồ thí nghiệm LOTNội dung của các phương pháp này là từ các thông tin về vị trí hệ thống khenứt được tạo ra do nứt vỉa thủy lực, có thể xác định được khả năng chịu nén của đất

đá, và ứng suất ngang cực tiểu (vuông góc với hướng của các khe nứt vỉa thủy lực),hoặc từ dữ liệu về áp suất đóng kín khe nứt (bằng cường độ ứng suất ngang cực

tiểu) để xác định hướng của khe nứt và từ đó suy đoán được hướng của σh ( σh

có hướng vuông góc với khe nứt phát triển trong quá trình khoan)

Hình 1-16: Sự hình thành khe nứt do thủy lực khoan

Sự tạo thành các nứt gãy đất đá do thủy lực là một hiện tượng phức tạp rất khó

mô tả bằng toán học Để trình bày các nguyên lý cơ bản liên quan đến vấn đề này,trước tiên chúng ta khảo sát một trường hợp rất đơn giản trong đó, chất lỏng tạo nứt

gãy không thấm (a nonpenetrating fracture fluid) được đưa vào trong một hốc nhỏ

nằm giữa phân tố đất đá (hình 1-16) (được giả thiết là có độ bền kéo bằng không(0))

Chất lỏng không thấm là một chất lỏng khi chảy vào trong nứt gãy được tạo ra

sẽ không chảy một khoảng cách xa đáng kể trong các không gian lỗ rỗng của đất đá

Để chất lỏng tạo nứt gãy đi vào không gian lỗ rỗng thì áp suất của chất lỏngtạo nứt gãy phải vượt quá áp suất của chất lưu trong vỉa trong các không gian lỗrỗng của đất đá Khi áp suất của chất lỏng tạo nứt gãy được tăng lên trên áp suất vỉathì mạng đất đá bắt đầu bị nén lại Sự nén lớn nhất theo phương ứng suất nhỏ nhấttrong mạng Khi áp suất của chất lỏng tạo nứt gãy vượt quá tổng của ứng suất mạngnhỏ nhất và áp suất lỗ rỗng thì sự tách ra của mạng đất đá xảy ra và sự nứt gãy lantruyền Hướng nứt gãy được ưu tiên là vuông góc với ứng suất chính nhỏ nhất

1.4.1.3 Ứng suất ngang lớn nhất σ H

Việc xác định ứng suất ngang lớn nhất khó hơn việc xác định ứng suất thẳngđứng và ứng suất ngang nhỏ nhất bởi không có một phương pháp nào có thể xácđịnh được một cách trực tiếp

Đối với giá trị ứng suất σH, người ta cũng có thể tính toán được giá trị σH dựavào áp suất bắt đầu gây nứt nẻ và áp suất lỗ rỗng theo công thức:

3

H h P f P p T

(1.26)Trong đó:

pp: áp suất lỗ rỗng

pf : áp suất bắt đầu gây nứt nẻ

T : độ bền kéo (có thể được bỏ qua)

Việc xác định các đại lượng σH và σh như trên cần thiết phải có các dữ liệu củathí nghiệm LOT

Trong trường hợp không có đầy đủ dữ liệu trên ta có thể dựa vào các mô hìnhbất đẳng hướng để tính toán theo công thức :

1.4.2 Áp suất lỗ rỗng và ứng suất hiệu dụng

Trong đất đá luôn tồn tại lỗ rỗng và chất lưu trong lỗ rỗng, chất lưu có áp suấtgọi là áp suất lỗ rỗng Áp suất này sẽ làm cho chất lưu chảy từ nơi có áp suất cao tớinơi có áp suất thấp hơn Như trong quá trình khoan, khi áp suất trong giếng nhỏ hơn

so với áp suất lỗ rỗng, chất lưu từ thành hệ sẽ chảy vào giếng gây nên hiện tượngkick hoặc ngược lại khi áp suất trong giếng lớn hơn áp suất lỗ rỗng, dung dịchkhoan sẽ đi vào thành hệ gây nên hiện tượng mất dung dịch Vì vậy việc xác định

áp suất lỗ rộng và áp suất chất lưu trong lỗ rỗng là rất cần thiết cho công tác thiết kếgiếng khoan

Trong điều kiện bình thường, áp suất lỗ rỗng Po được tính theo công thức:

D chiều sâu điểm đang khảo sát

( )

f z

 là khối lượng riêng của chất lưu trong thành hệ ở từng độ sâu dztương ứng

Nhưng trong một số trường hợp, áp suất lỗ rỗng thay đổi bất thường tạo ra

áp suất dị thường Và áp suất dị thường này tạo ra rất nhiều mối nguy hiểm trongcông tác khoan

Đặc biệt trong đất đá có chứa tầng sét với độ thấm thấp, lớp đất đá dưới tầngsét sẽ có áp suất dị thường dương lớn hơn áp suất lỗ rỗng bình thường Điều nàynếu không được dự báo trước sẽ dễ gây nên hiện tượng kick hay blowout

Để tiện trong tính toán mô hình địa cơ học ta định nghĩa ứng suất hiệu dụng

là hiệu số giữa các ứng suất chính và áp suất lỗ rỗng (công thức 1.29 ).

σ’ = σ – Po (1.29)

Do đó ứng suất tổng ở đây có thể hiểu là ứng suất lớp phủ (overburndenstress) như mô phỏng thông qua (Hình 1-17)và được thể hiện thông qua công thứcsau:

1 2

i

i

E B

1.5.1 Thí nghiệm ứng suất nén một trục UCS

Các thí nghiệm UCS được thực hiện bằng cách sử dụng máy nén tự động.Mẫu sẽ được đặt ở giữa 2 trục lăn bằng thép cứng để tải trọng có thể truyền đồngđều lên mẫu

Tải trọng dọc trục được cài đặt bằng một máy thủy lực tự động với lưu lượngkhông đổi để tạo ra sự phá hủy trong khoảng 15-20 phút.

Tải trọng dọc trục lớn nhất tại điểm bắt đầu phá hủy được ghi lại và ứng suấtUCS được xác định từ:

L UCS

A



(1.33)Trong đó:

L: tải trọng bắt đầu phá hủy (N);

do hc

p

C USC

L D





(1.34)

Trong đó:

Lp: chiều dài mẫu (mm);

D: đường kính mẫu (mm)

1.5.2 Thí nghiệm mẫu trục thành dày (Thick Wall Cylinder test)

Mẫu được lấy lõi để làm thành một mẫu rỗng với tỷ lệ OD: ID thông thường là3:1

Hình 1-19: Mẫu thí nghiệm TWC điển hìnhMẫu lõi được cho vào một buồng Hoek (hình 1.20) và ứng suất hướng tâm vàứng suất dọc trục được tang dần đểu và bằng nhau cho đến khi sự phá hủy xảy rahoàn toàn Độ tăng áp không quá 200psi/phút và mẫu lỗ khoan được giữ đầy đủ dầuhoặc các kerogen trong suốt thí nghiệm Áp suất lỗ rỗng được giữ không đổi tại ápsuất quy định (50 psi) và sử dụng bơm tự động

Độ bền TWC (được định nghĩa là sự tăng thể tích chất lưu bơm vào trong suốtquá trình chịu tải liên tục ) có quan hệ với áp suất bắt đầu gây phá hủy thành bêntrong (TWC Internal) và áp suất gây ra sự phá hủy bên ngoài thành (TWC External)khi mẫu bị phá hủy hoàn toàn

Áp suất phá hủy bên trong thành mẫu thường tương ứng với điểm bắt đầu xảy

ra hiện tượng sinh cát Điểm phá hủy hoàn toàn bên ngoài thành mẫu (áp suất bópméo) tương ứng với điểm phá hủy các lỗ bắn mở vỉa, gây xuất hiện hiện tượng sinh

cát liên tục ( ví dụ Hình 1-21 ).

Hình 1-20: Thiết bị thí nghiêm mẫu trục thành dầy

Hình 1-21: Ví dụ về điểm phá hủy bên trong và ngoài TWC