Công nghệ khoan dầu khí

EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ổn định thành giếng đóng vai trò quan trọng trình thiết kế khoan giếng khoan dầu khí, đặc biệ t mỏ xa bờ với điều kiện địa chất phức tạp Mất ổn định thành giếng khoan xảy khoan qua vùng có áp suất cao, nhiều đứt gãy Thành giếng khơng ổn định dẫn đến nhiều cố vấn đề phức tạp trình khoan sập lở thành giếng khoan , dung dịch khoan kẹ t cần khoan Nếu xảy tượng thời gian, chi phí để khoan giếng khoan tăng lên cao giếng khoan không theo quỹ đạo thiết kế Yếu tố giúp kỹ sư khoan kiểm sốt ổn định thành giếng trọng lượng riêng dung dịch khoan Nếu trọng lượng riêng dung dịch khoan đủ lớn cột chất lỏng giếng khoan tạo áp lực đủ để cân với ứng suất đất đá quanh thành giếng khoan Mặc dù có tính chất quan trọng vậ y Việt Nam, việc nghiên cứu vấn đề hạn chế Hầu hết cơng ty dầu khí Việt Nam gửi thông số địa học đến công ty nước xử lý để xác định giá trị trọng lượng riêng dung dịch phù hợp với giếng khoan Chính vậy, nghiên cứu, phân tích ổn định thành giếng cần thiết Mục đích nghiên cứu c luận án Bước đầu nghiên cứu, phân tích ổn định thành giếng khoan áp dụng để xác định trọng lượng riêng dung dịch khoan vụ cho trình thiết kế giếng khoan công tác khoan giếng khoan Việt Nam Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu ứng suất quanh thành giếng khoan mỏ A - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mơ hình mơ ứng suất quanh thành giếng khoan tiêu chuẩn đánh giá ổn định thành giếng khoan Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu mô hình mơ ứng suất quanh thành giếng khoan tiêu chuẩn đánh giá ổn định thành giếng khoan EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật - Ứng dụng để xác định trọng lượng riêng dung dịch khoan phù hợp với mỏ A Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp: Thu thập, thống kê số liệu thực tế thông số địa học mỏ A - Phương pháp phân tích: Nghiên cứu mơ hình tiêu chuẩn đánh giá ổn định thành giếng khoan - Ứng dụng công nghệ thông tin: Sử dụng phần mềm MATLAB để phân tích liệu v xác định trọng lượng riên g dung dịch khoan EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật CHƯƠNG I MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MẤT ỔN ĐỊNH THÀNH GIẾNG 1.1 Định nghĩa Mất ổn định thành giếng khoan tượng thường xuyê n xảy trình khoan Hiện tượng chênh lệch đáng kể đường kính thân giếng khoan với đường kính chng khoan tạo thành giếng khơng giữ kết cấu ban đầu Đặc biệt khoan giếng khoan định hướng với góc nghiêng lớn khoan qua tầng đất đá có nhiều đ ứt gãy, tập trung ứng suất ổn định thàn h giếng khoan xảy với mức độ nghiêm trọng , ảnh hưởng lớn đến công tác khoan 1.2 Nguyên nhân tượng ổn định thành giếng khoan Có hai ngun nhân gây ổn định thành giếng ổn định tương tác hóa – lý ổn định thay đổi mặt học đất đá 1.2.1 Mất ổn định thành giếng tương tác hóa – lý Hiện tượng ổn định thành giếng tương tác hóa - lý phổ biến hấp thụ nước tầng đất đá có chứa sét phản ứng hóa học thành phần hóa học dung dịch khoan với thành phần thạch học đất đá thành hệ Khi hấp thụ nước, sét trương nở gây bó hẹp thành giếng khoan , làm kẹt cần khoan gây khó khăn cho cơng tác chống ống Khi lượng sét trương nở nhiều phần sét bị bở rơi vào giếng khoan độ bền học thành hệ giảm, tạo khoang lớn quanh thành giếng , khiến cho đường kính giếng tăn g lên làm tăng chi phí cho công tác trám xi măng Nếu dung dịch khoan có thành phần hóa học phản ứng với thành phần thạch học đá thành giếng khoan bị mở rộng Ta kiểm soát ổn định cách thay đổi thành phần dung dịch khoan sử dụng thành phần ức chế trương nở khoan qua tầng sét khơng sử dụng thành phần gây phản ứng hóa học với thành phần thạch học đất đá EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật 1.2.2 Mất ổn định thành giếng thay đổi mặt học đất đá Mỗi thành hệ đất đá có trạng thái ứng suất định, phụ thuộc độ sâu thành hệ Ban đầu, chúng trạng thái cân trình khoan, lượng đất đá bị lấy đi, cân bị phá vỡ Đất đá quanh thành giếng phải chịu tải trọng định gây tượng tập trung ứng suất quanh thành giếng khoan Đặc biệt khoan qua tầng đất đá có áp suất cao tầng đất đá nứt nẻ, có nhiều đứt gãy ứng suất quanh thành giếng khoan lớn Nếu độ bền học đất đá không đủ lớn, thành giếng bị phá hủy Hình 1: Các dạng phổ biến ổn định thành giếng Nếu áp lực cột dung dịch giếng khoan tác động lên thành giếng lớn, thành giếng bị nứt ra, tạo thành khe rỗng xuyên vào th ành hệ áp lực cột dung dịch sinh không đủ để cân với tác động ứng suất quanh thành giếng đất đá bị vỡ thành mảnh nhỏ, rơi vào giếng gây tượng phức tạp cho trình khoan (Hình 1) EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật 1.3 Hậu ổn định thành giếng Có ba tượng thường xảy thành giếng ổn định, là: vỡ vỉa, bó hẹp thành giếng sập lở thành giếng Khi vỉa bị vỡ, khe nứt hình thành xuyên vào thành hệ gây tượng dung dịch Khi khoan qua tầng chứa sét sét hấp thụ nước có dung dịch khoan trương nở, làm bó hẹp thành giếng Khi đó, ma sát cột cần khoan thành giếng tăng lên, làm giảm vận tốc khoan gây kẹt cần khoan Còn xảy tượng sập lở thành giếng khoan đư ờng kính giếng tăng lên, gây khó khăn cho cơng tác kiểm sốt quỹ đạo giếng (khi định tâm tác dụng), tăng chi phí chống ống trám xi măng Những mảnh đất đá vỡ ra, rơi vào giếng gây nhiều vấn đề phức tạp Những mảng vỡ thường có kích thước lớn, dung dịch khoan nâng chúng lên đưa khỏi giếng mà chúng lắng xuống, lấp nhét bịt kín khoảng khơng cần khoan thành giếng làm tuần hoàn dung dịch, kẹt dụng cụ đáy Khi có cố xảy thời gian chi phí để khoan giếng tăng lên Nếu cố xảy với mức độ nghiêm trọng phải bỏ phần, chí tồn giếng khoan 1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến ổn định thành giếng Mất ổn định thành giếng gây tổ hợp yếu tố k hác Có yếu tố mà ta kiểm sốt có yếu tố thuộc tự nhiên Sau yếu tố ảnh hưởng đến ổn định thành giếng 1.4.1 Ứng suất chỗ Nói chung, hệ tầng tồn ứng suất riêng Nó hệ thống ứng suất thơng thường dị thường hoạt động kiến tạo Ở khu vực tồn hệ thống ứng suất thông thường ứng suất chỗ lớn ứng suất theo phương thẳng đứng ( ) có giá trị ứng suất sinh trọng lượng tầng đất đá phủ Ngồi hai ứng suất theo phương nằm ngang ( , ) EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật Ở khu vực xảy hoạt động kiến tạo, ta khó xác định ứng suất chỗ Đất đá khu vực bị nén ép kéo căng tùy thuộc v hoạt động vỏ Trái Đất, làm cho độ lớn ba thành phần hệ thống ứng suất chỗ khác Khi khoan qua hệ tầng này, thành giếng ổn định trọng lượng riêng dung dịch khoan không đủ để tạo áp lực cân với ứng suất 1.4.2 Áp suất giếng khoan Trong q trình khoan, thành giếng khoan gia cố tạm thời dung dịch khoan Áp lực mà cột dung dịch khoan tác dụng lên thành giếng có tác dụng cho thành giếng ổn định, ngăn chặn tượng chất lưu từ thành hệ xâm nhập vào giếng tượng phun trào Tuy nhiên, trọng lượng riêng dung dịch nằm “cửa sổ dung dịch” (trọng lượng riêng dung dịch nằm ngồi khoảng cần thiết) thành giếng ổn định (Hình 2) Hình 2: Ảnh hưởng trọng lượng riêng dung dịch lên ổn định thành giếng Nếu trọng lượng riêng dung dịch nhỏ, áp lực mà cột dung dịch sinh không đủ lớn để cân với ứng suất sinh quanh thành giếng khoan phải chịu thành giếng bị sập lở, đất đá rơi vào giếng khoan Còn trọng lượng riêng dung dịch khoan lớn, áp lực mà cột dung dịch tạo lớn độ bền đất đá quanh EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật thành giếng xuất vết nứt xuyên vào thành hệ Do đó, trình thiết kế giếng khoan, cần phải xác định giá trị trọng l ượng riêng giếng khoan phù hợp với giếng 1.4.3 Quỹ đạo giếng khoan Cũng trọng lượng riêng dung dịch, quỹ đạo giếng khoan ảnh hưởng đến ổn định thành giếng Quỹ đạo giếng khoan đặc trung góc nghiêng góc phương vị Với giếng khoan định hướng, góc nghiêng lớn dễ xảy tượng ổn định thành giếng Hình miêu tả ảnh hưởng độ sâu góc nghiêng giếng khoan đến ổn định thành giếng Hình 6: Sự ảnh hưởng độ sâu (a) góc nghiêng (b) đến độ ổn định thành giếng EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật 1.4.4 Hệ tầng nứt nẻ, nhiều đứt gãy Đất đá xung quanh đứt gãy thường nứt nẻ bị vỡ thành mảnh lớn nhỏ khác Nếu chúng rơi vào giếng khoan, chúng gây tượng kẹt cần khoan Hình vấn đề phức tạp khoan qua hệ tầng nứt nẻ gần đứt gãy Khi khoan qua hệ tầng này, độ rung động cột cần khoan phải mức nhỏ Hình 2: Khoan qua tầng hệ nứt nẻ để giúp ổn định thành giếng 1.4.5 Ảnh hưởng nhiệt độ Mặc dù nhiệt độ hệ tầng độ sâu khác khác nhìn chung, thành hệ ln có nhiệt độ cao so với nhiệt độ dung dịch khoan Theo số nghiên cứu, nhiệt độ dung dịch nhỏ làm giảm áp suất vỉa ứng suất qu anh thành giếng khoan Do đó, nhiệt độ dung dịch khoan yếu tố góp phần ổn định thành giếng khoan (MCLean, 1987; Fjaer, 1992) 1.4.6 Dòng chất lưu chảy vào từ hệ tầng Dung dịch khoan có chứa hạt rắn (hạt sét) nên trình khoan, nước thấm qua thành giếng vào bên thành hệ, hạt chất rắn lấp đầy khe rỗng tạo lên màng sét quanh thành giếng khoan giúp thành giếng gia cố tạm thời Độ dày lớp vỏ sé t phụ thuộc vào độ thải nước độ thấm thành hệ Nếu thành hệ có độ thấm thấp lớp vỏ sét mỏng gần khơng đáng kể Với dòng chảy từ thành hệ vào giếng (hiện tượng chất lưu xâm nhập vào giếng) sinh ứng suất làm cho đất đá có xu hướng vỡ rơi vào giếng, gây ổn định thành giếng khoan Hiện tượng thường xảy khoan qua tầng dị thường áp suất cao trọng lượng riêng dung dịch nhỏ EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật Mất ổn định thành giếng bị gây nhiều yếu tố chúng chia làm nhóm chính: yếu tố kiểm soát yếu tố tự nhiên (khơng thể kiểm sốt được) Những yếu tố ảnh hưởng đến ổn định thành giếng khoan Những yếu tố tự nhiên Những yếu tố kiểm sốt Thành hệ nứt lẻ, nhiều đứt gãy Áp suất đáy giếng (trọng lượng riêng dung dịch) Thành hệ tồn ứng suất lớn kiến tạo Quỹ đạo giếng khoan Ứng suất chỗ lớn Tương tác lý hóa đất đá dung dịch khoan Thành hệ bở rời Sự rung động cột cần khoan Nhiệt độ 1.4.1 Những yếu tố tự nhiên (không thể kiểm soát được) a) Hệ tầng nứt nẻ, nhiều đứt gãy Đất đá xung quanh đứt gãy thường nứt nẻ bị vỡ thành mảnh lớn nhỏ khác Nếu chúng rơi vào giếng khoan, chúng gây tượng kẹt cần khoan Hình vấn đề phức tạp khoan qua hệ tầng nứt nẻ gần đứt gãy Khi khoan qua hệ tầng này, độ rung động cột cần khoan phải mức nhỏ Hình 2: Khoan qua tầng hệ nứt nẻ để giúp ổn định thành giếng b) Hệ tầng tồn ứng suất lớn kiến tạo 10 EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật Thành giếng ổn định khoan qua hệ tầng tập trung ứng suất mà trọng lượng riêng dung dịch khoan không đủ lớn để tạo áp lực cân với ứng suất Ứng suất sinh ở vùng mà đất đá bị nén ép bị kéo căng chuyển động vỏ Trái Đất Khi khoan qua tầng đất đá tập trung ứng suất, đất đá xung quanh thành giếng khoan trở lên nứt nẻ vỡ ra, rơi vào giếng khoan, làm mở rộng thành giếng khoan Hình vấn đề phức tạp khoan qua hệ tầng tồn ứng suất lớn kiến tạo Trong trường hợp này, áp lực sinh cột dung dịch đóng vai trò quan trọng để ổn định Hình 3: Khoan qua tầng hệ tồn ứng suất lớn kiến tạo thành giếng khoan c) Ứng suất chỗ lớn Dị thường áp suất cao (cơ thể gặp vùng lân cận vòm muốn, đứt gãy) gây tượng ổn định thành giếng Hiện tượng tập trung ứng suất xảy d) Thành hệ bở rời Với hệ tầng bở rời, liên kết hạt (cát, cuội, sỏi) khơng có nhỏ Do đó, khoan qua hệ tầng này,, đất đá xung quanh thành giếng có xu hướng rơi vào giếng khoan Hiện tượng thường xảy vùng đất đá xen kẹp thành hệ nằm độ sâu nhỏ Hình 4: Khoan qua thành hệ bở rời e) 11 EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật 1.4.2 Những yếu tố kiểm sốt a) Áp suất đáy giếng (trọng lượng riêng dung dịch) Trọng lượng dung dịch khoan yếu tố quan trọng việc ổn định thành giếng khoan Trong trình khoan, lượng đất đá bị lấy Khi đó, đất đá bên cạ nh sinh lực, đẩy đất đá quanh thành giếng khoan rơi vào giếng Khi trọng lượng riêng dung dịch khoan đủ lớn cột dung dịch giếng khoan tạo áp lực đủ để giữ cho đất đá quanh thành giếng trạng thái cân Tuy nhiê, trọng lượng riêng dung dịch lớn, áp lực mà cột dung dịch tạo vết nứt thành giếng gây tượng vỡ vỉa b) Quỹ đạo giếng khoan Cũng trọng lượng riêng dung dịch, quỹ đạo giếng khoan ảnh hưởng đến ổn định thành giếng Quỹ đạo giếng khoan đặc trung góc nghiêng góc phương vị Với giếng khoan định hướng , góc nghiêng lớn dễ xảy tượng ổn định thành giếng Hình miêu tả ảnh hưởng độ sâu góc nghiêng giếng khoan đến ổn định thành giếng 12 EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật Hình 6: Sự ảnh hưởng độ sâu (a) góc nghiêng (b) đến độ ổn định thành giếng c) Tương tác hóa – lý đất đá dung dịch khoan Có nhiều tượng tương tác lý – hóa dung dịch khoan đất đá khiến cho ứng suất độ bền họ c đất đá quanh thành giếng thay đổi Những tượng hydrat hóa, trương nở, đất đá trở lên mềm độ bền giảm gây ổn định thành giếng khoan Ngồi xảy phản ứng hóa học cá c thành phần hóa học dung dịch khoan với thành phần thạch học đất đá Ta có kiểm sốt yếu tố cách thay đổi thành phần dung dịch khoan cho phù hợp với hệ tầng khoan qua, ví dụ như: sử dụng chất ức chế trương nở khoan qua tầng sét, sử dụng dung dịch bão hòa muối khoan qua hệ tầng có chứa loại muối đó,… d) Sự rung lắc cần khoan cột cần khoan Trong vài trường hợp, cần khoan bị rung lắc gây tượng m rộng thành giếng Khi cần khoan rung lắc, va đập với thành giếng khoan làm tăng ma sát cột cần khoan thành giếng Đất đá quanh thành giếng bị tác động dễ tách rơi vào giếng khoan Hiện tượng xảy nhiều giếng nghiêng Sự rung lắc cột cần khoan kiểm sốt thơ ng qua góc nghiêng giếng dụng cụ định tâm 13 EBOOKBKMT.COM - Cộng đồng chia sẻ tài liệu kỹ thuật 14 ... khoan tượng thường xuyê n xảy trình khoan Hiện tượng chênh lệch đáng kể đường kính thân giếng khoan với đường kính chng khoan tạo thành giếng khơng giữ kết cấu ban đầu Đặc biệt khoan giếng khoan. .. vào giếng khoan, chúng gây tượng kẹt cần khoan Hình vấn đề phức tạp khoan qua hệ tầng nứt nẻ gần đứt gãy Khi khoan qua hệ tầng này, độ rung động cột cần khoan phải mức nhỏ Hình 2: Khoan qua tầng... vào giếng khoan, chúng gây tượng kẹt cần khoan Hình vấn đề phức tạp khoan qua hệ tầng nứt nẻ gần đứt gãy Khi khoan qua hệ tầng này, độ rung động cột cần khoan phải mức nhỏ Hình 2: Khoan qua tầng