Tìm hiểu về dung dịch khoan trong công tác khoan thăm dò và khai thác dầu khí

Công tác tìm kiếm và thăm dò dầu khí ở Việt Nam được triển khai từ trước năm 1960, song mãi đến năm 1975 ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam mới chính thức được thành lập. Ngành dầu khí là ngành công nghiệp hiện đại, có tính chuyên môn hóa nên đòi hỏi đội ngũ cán bộ phải có trình độ khoa học kĩ thuật và trình độ chuyên môn cao. Do công nghệ khoan và khai thác dầu khí chủ yếu được nhập từ nước ngoài và phát triển ngày càng mạnh mẽ nên chúng ta phải phấn đấu làm chủ kĩ thuật, công nghệ hiện đại để xây dựng một nền công nghiệp dầu khí lớn mạnh với một chuỗi liên hoàn từ tìm kiếm, thăm dò, khai thác cho đến chế biến các sản phẩm dầu khí. Trong đó công việc quan trọng có tính chất quyết định là thi công các giếng khoan. Để thực hiện tốt công tác khoan cho các giếng khoan dầu khí, nhất là các giếng khoan trong điều kiện địa chất phức tạp, đòi hỏi dung dịch khoan đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kĩ thuật và kinh tế. Vì vậy với đề tài “Tìm hiểu về dung dịch khoan trong công tác khoan thăm dò và khai thác dầu khí” giúp em tìm hiểu, hiểu rõ hơn về quá trình tính toán lượng dung dịch khoan sử dụng, tìm hiểu về quá trình điều chế, gia công và tuần hoàn dung dịch khoan. Nội dung đồ án của em gồm các phần sau: 1. Lời mở đầu 2. Tổng quan 3. Hệ thống tuần hoàn dung dịch khoan 4. Tính toán vật chất và năng lượng 5. Kết luận 6. Tài liệu tham khảo

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

I Giếng khoan dầu khí 4

1 Phân loại giếng khoan 4

2 Cấu trúc giếng khoan 6

3 Trám xi măng 11

II Phương pháp khoan 12

1 Phương pháp khoan tuabin 12

2 Phương pháp khoan xoay 17

III Tìm hiểu về dung dịch khoan 20

1 Những chức năng cơ bản của dung dịch khoan 20

2 Những tính chất cơ bản của dung dịch khoan 25

3 Phân loại dung dịch khoan 31

4 Các phương pháp tuần hoàn 39

5 Điều chế, gia công và làm sạch dung dịch khoan 41

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH KHOAN 59

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN 60

I Profile giếng khoan 60

II Cấu trúc giếng khoan 60

III Tính toán thông số dung dịch khoan 63

1 Tính toán trọng lượng riêng của dung dịch: 64

2 Tính toán các thông số còn lại: 65

IV Gia công hóa học dung dịch khoan 67

V Tính toán tiêu hao hóa phẩm khoan: 71

1 Tính toán thể tích dung dịch cho từng khoảng khoan 71

2 Tính toán lượng sét gia công dung dịch cho mỗi khoảng khoan 72

3 Tính toán lượng nước gia công dung dịch cho mỗi khoảng khoan 72

VI Máy bơm khoan 81

1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại bơm khoan 81

2 Nguyên lý làm việc của máy bơm piston 84

3 Cấu tạo của bơm YHБ-600.Б-600 89

4 Xác định lưu lượng bơm cho từng khoảng khoan : 94

5 Năng lượng tiêu thụ của bơm 99

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

MỞ ĐẦU

Công tác tìm kiếm và thăm dò dầu khí ở Việt Nam được triển khai từ trước năm 1960,song mãi đến năm 1975 ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam mới chính thức được thànhlập

Ngành dầu khí là ngành công nghiệp hiện đại, có tính chuyên môn hóa nên đòi hỏi độingũ cán bộ phải có trình độ khoa học kĩ thuật và trình độ chuyên môn cao Do công nghệkhoan và khai thác dầu khí chủ yếu được nhập từ nước ngoài và phát triển ngày càngmạnh mẽ nên chúng ta phải phấn đấu làm chủ kĩ thuật, công nghệ hiện đại để xây dựngmột nền công nghiệp dầu khí lớn mạnh với một chuỗi liên hoàn từ tìm kiếm, thăm dò,khai thác cho đến chế biến các sản phẩm dầu khí Trong đó công việc quan trọng có tínhchất quyết định là thi công các giếng khoan Để thực hiện tốt công tác khoan cho cácgiếng khoan dầu khí, nhất là các giếng khoan trong điều kiện địa chất phức tạp, đòi hỏidung dịch khoan đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kĩ thuật và kinh tế

Vì vậy với đề tài “Tìm hiểu về dung dịch khoan trong công tác khoan thăm dò và khaithác dầu khí” giúp em tìm hiểu, hiểu rõ hơn về quá trình tính toán lượng dung dịch khoan

sử dụng, tìm hiểu về quá trình điều chế, gia công và tuần hoàn dung dịch khoan

Nội dung đồ án của em gồm các phần sau:

1 Lời mở đầu

2 Tổng quan

3 HБ-600.ệ thống tuần hoàn dung dịch khoan

4 Tính toán vật chất và năng lượng

5 Kết luận

6 Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

I Giếng khoan dầu khí.

Khoan giếng là thi công một công trình hình trụ trong đất đá nhờ các phương tiện kỹthuật chuyên dụng (thiết bị và dụng cụ khoan) mà con người không thể có mặt trong đó.Khoan giếng bao gồm cả kỹ thuật khoan lẫn công nghệ khoan Kỹ thuật khoan là lĩnh vựcchuyên nghiên cứu các phương tiện kỹ thuật để thi công giếng, còn công nghệ khoan làcác quy trình công nghệ tạo ra giếng

Giếng khoan là một công trình hình trụ được thi công vào vỏ trái đất, có đường kính béhơn nhiều lần so với chiều sâu (hoặc diện tích tiết diện ngang rất nhỏ so với diện tích bềmặt xung quanh) của nó Giếng khoan được chia làm bốn phần:

Miệng giếng: tiết diện đầu tiên của giếng khoan cắt vào vỏ trái đất

Thành giếng: toàn bộ bề mặt xung quanh giếng khoan

Đáy giếng: tiết diện cuối cùng của giếng khoan

Trục giếng: trục của thân giếng trong không gian

1 Phân loại giếng khoan.

Giếng khoan dầu khí có thể được thực hiên trên đất liền hoặc trên biển và được phân loạitheo một trong các cách sau:

1.1 Theo mục đích sử dụng của giếng

Các công ty dầu khí thường chia các giếng khoan thành các loại sau:

Giếng khoan tìm kiếm: giếng khoan đầu tiên trong vùng nghiên cứu được tiến hành trên

cơ sở thông tin địa chất rất hạn chế nhằm nghiên cứu cấu trúc địa chất của các khu vựcrộng lớn, tìm hiểu các quy luật chung về địa tầng có triển vọng chứa dầu khí

Giếng khoan thăm dò: được thực hiện dựa trên các nghiên cứu địa chấn hoặc các tài liệu

khác nhưng không có các dữ liệu về khoan trong vùng Mục đích của giếng khoan thăm

dò là nghiên cứu cấu trúc sâu và đánh giá triển vọng chứa dầu khí của những vùng có khảnăng tích tụ dầu khí, chuẩn bị công tác thăm dò địa chất-địa vật lý chi tiết Khác với khácgiếng khoan nghiên cứu cấu trúc, trong các giếng khoan thăm dò, mẫu chỉ được lấy từngđoạn nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ các nhiệm địa chấn đặt ra

Giếng khoan thẩm lượng: nhằm xác định ranh giới của mỏ được phát hiện trong quá trình

thăm dò, đánh giá khả năng chứa dầu của vỉa hoặc tầng sản phẩm, phục vụ cho kế hoạchphát triển của mỏ

Giếng khoan khai thác: khoan vào những tầng sản phẩm đã biết của mỏ theo sơ đồ bố trí

các giếng khai thác để khai thác dầu khí và quan trắc Mật độ và sơ đồ phân bố từ cácgiếng khai thác chủ yếu được xác định dựa trên bán kính ảnh hưởng của tầng chứa, hìnhdạng của mỏ và chiến lược công ty

Giếng đặc biệt bao gồm:

Giếng khoan phục hồi, sửa chữa: khoan sâu hơn, khoan giếng đa nhánh (một hoặc nhiềuđáy) từ giếng khoan cũ, hoàn thiện giếng khoan cũ sau thời gian ngưng sử dụng giếng.Giếng khoan giải vây được thực hiện nhằm cứ sự cố phun trào gây cháy, lấy mẫu thử từcác vụ nổ hạt nhân ngầm…

Những năm gần đây phổ biến các giếng khoan cấu trúc-công nghệ nhằm xác định chế độcông nghệ khoan và khai thác tối ưu trong từng khu vực mỏ

1.2 Theo hình dạng của quý đạo giếng trong không gian

Người ta chia ra:

Giếng khoan thẳng đứng: θ = 0o

Giếng khoan xiên (định hướng): 0o < θ < 90o

Giếng khoan ngang: θ = 90o

Tuy nhiên do nhiều yếu tố (tính dị hướng của đất đá, góc cắm, cấu trúc của bộ khoan cụ,loại chòong, các thông số chế độ khoan…) ảnh hưởng đến hình dạng của quỹ đạo giếngnên trong thực tế không thể thi công giếng thẳng đứng hoặc ngang tuyệt đối Người taphân biệt các loại giếng ngang theo bán kính cong

Chiều dài kỷ lục đoạn giếng ngang hiện nay là 10100m ở mỏ Wytch Farm (Anh) do công

ty Amoco BP thực hiện năm 2000

1.3 Đối với giếng khoan biển

Các giếng khoan biển thường được chia thành 3 loại:

Giếng ở vùng nước nông: chiều sâu mức nước dưới 50-60m và hệ thống đầu giếng được

Giếng ở vùng nước trung bình: chiều sâu mức nước từ 60-200m và hệ thống đầu giếng

được đặt ở đáy biển

Giếng ở vùng nước sâu: chiều sâu mức nước lớn hơn 200m và hệ thống dầu giếng được

đặt ở đáy biển

Các giếng khoan tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí có nhiều điểm khác biệt với cácloại giếng khoan tìm kiếm thăm dò khoáng sản rắn do điều kiện và vị trí phân bố, chiềusâu cũng như các tính chất vật lý vỉa của tầng đá chứa quy định Nhìn chung do chiều sâu

và đường kính giếng thăm dò và khai thác dầu khí lớn nên ảnh hưởng của các yếu tố nhưnhiệt độ và áp suất (thạch quyển, thủy quyển và vỉa) tăng, sự thay đổi các tính chất củađất đá theo chiều sâu, khả năng xuất hiện dầu khí… quy định hàng loạt các đặc trưngcông nghệ và kỹ thuật khoan các giếng dầu khí

2 Cấu trúc giếng khoan

2.1 Khái niệm chung

HБ-600.ình ảnh của giếng khoan được biểu diễn một cách tượng trưng qua các thành phầnchính của nó được gọi là cấu trúc giếng khoan

Hình 1 Cấu trúc giếng khoan

Cấu trúc giếng khoan bao gồm các thành phần chính sau:

 Đường kính và loại chòong khoan dùng để thi công các đoạn giếng khoan

 Chiều sâu và đường kính của các đoạn giếng khoan

 Số lượng, chiều dài, đường kính và chiều dày của các cột ống chống

 Phương pháp tram xi măng và chiều cao dâng của vữa xi măng

Cấu trúc giếng khoan được xây dựng dựa trên các yếu tố địa chất, kỹ thuật, công nghệ vàkinh tế

Như vậy, giếng khoan có cấu trúc dạng ống lồng và đường kính giếng giảm sau mỗi lầnchống ống Đường kính của ống chống và giếng khoan có thể được tính theo centimethoặc inches (1 inch = 0,0254m)

Các kỹ sư khoan có khuynh hướng chọn kích thước ống chống và giếng càng bé càng tốt

khoan, cột ống chống, xi măng tram, nhân công và thời gian thi công) Tuy nhiên, kíchthước tối thiểu của giếng phải đảm bảo việc lắp đặt an toàn cột ống chống khai thác vàcác thiết bị long giếng cho phép khai thác vơi lưu lượng yêu cầu và tiến hành thuận lợicác nghiên cứu cần thiết trong giếng Theo quy ước, đường kính giếng khai thác bé nhất

Bảng 1 Một số cấu trúc điển hình của giếng thông thường và giếng thân nhỏ

Loại ống chống Đường kính chòong khoan và ống chống (in)

Khai thác 77

8 (512) 578 (4) 812 (7) 618 (278 hoặc 312

)

Ghi chú: đường kính ngoài của ống chống được ghi trong dấu ngoặc

Trong thực tế khi đề cập đến cấu trúc giếng hoan, người ta chỉ tính số lượng cột ốngchống khai thác và cột ống chống kỹ thuật, chẳng hạn:

Cấu trúc một cột ống: không có cột ống chống kỹ thuật, chỉ có ống chống khai thác Cấu trúc hai cột ống: gồm một cột ống chống kỹ thuật và một cột ống chống khai thác.

Cấu trúc ba cột ống: gồm hai cột ống chống kỹ thuật và một cột ống chống khai thác 2.2 Chức năng các cột ống chống

Người ta phân biệt bốn loại ống chống sau đây:

2.2.1 Ống định hướng (conductor)

Đây là cột ống thép thành mỏng có đường kính từ 18" đến 36", đặt ở chiều sâu bé(thường dưới 50m đối với trường hợp khoan biển và 10m đối với giếng khoan trên đấtliền) Nhiệm vụ chủ yếu của cột ống chống này là:

 Chống xói lở lớp đất đá tơi xốp trên bề mặt

 Làm điểm tựa cho hệ thống đầu giếng và các cột ống chống khác

2.2.2 Ống chống bề mặt (surface casing)

Là cột ống chống thực sự đầu tiên, ống chống bề mặt thường có đường kính từ 13 3/8"đến 20" và đặt đến độ sâu vài trăm mét, nhằm:

 Gia cố tầng đất đá mềm dễ sụp lở

 Cách ly các tầng nước mặt với dung dịch khoan

 Làm cơ sở để lắp đặt hệ thống đầu giếng cho các cấp ống chống khác và thiết bịđối áp

2.2.3 Ống chống trung gian (intermediate casing)

Cột ống chống này thường có đường kính từ 7" đến 13 3/8" và đặt ở độ sâu 500-3000mtùy theo cột địa tầng và các điều kiện địa chất-kỹ thuật của giếng Chức năng của cột ốngtrung gian là tạo điều kiện bình thường để thi công giếng tiếp tục trong các trường hợp:

 Áp suất dị thường gây hiện tượng kích hoặc mất dung dịch

 Đất đá dễ sụt lở, tạo hốc trên thành giếng

 Tầng sét ngậm nước trương nở làm bó hẹp thành giếng

Đối với giếng khoan sâu, mặc dù không có các nguyên nhân trên, người ta cũng đặt từmột đến hai cột ống trung gian Các cột ống chống bề mặt và ống chống trung gian có tênchung là cột ống chống kỹ thuật để phân biệt với cột ống chống khai thác

2.2.4 Ống chống khai thác (production casing)

Cột ống này có đường kính từ 4 1/2" đến 9 5/8" được dùng để ngăn cách các tầng chứa,

Các cột ống chông trên đây có thể được chống suốt (từ miệng giếng đến đáy) hoặc chốnglửng (treo cột ống chống từ chiều sâu nhất định trên đế cột ống chống trước đến chiều sâuđịnh chống nhờ thiết bị treo ống, phần gối chồng vào cột ống trước thường từ 100-150m).Thông thường ống 5-7" sử dụng cho cột ống chống khai thác lửng và 9 5/8-16" cho cộtống chống kỹ thuật.

Phương pháp chống lửng có ưu điểm là giảm chi phí ống chống, giảm trọng lượng cộtống và tằng đường kính trong từ miệng giếng đến đỉnh của đoạn ống lửng Tuy nhiênphương pháp chống lửng này cũng có nhược điểm sau:

 Quy trình chống ống và trám xi măng phức tạp hơn

 Cột ống chống trước phải có khả năng chịu được áp suất bóp méo và nổ như cộtống lửng

 Độ bền cột ống chống trước giảm nhanh do bị mài mòn khi khoan

Chiều sâu đặt chân đế ống trước được xác định dựa vào các biểu đồ gradient áp suất vỉa

và áp suất vỡ vỉa và thực hiện theo trình tự từ dưới lên trên

Hình 2 Quy trình xác định chiều sâu chân để các cột ống chống

Chú thích: a,b,c,d – thứ tự các bước xác định chiều sâu đặt chân để các cấp ông chống

2-Gradient áp suất vỉa (hoặc tỷ trọng dung dịch) có tính đến hệ số an toàn (khoảng 0,5 lb/psi)

3-Gradient áp suất vỡ vỉa có tính đến hệ số an toàn (khoảng 0,5 lb/psi)

4-Gradient áp suất vỡ vỉa

Trong quá trình thiết kế giếng, người ta thường tuân thủ các quy tắc sau:

 Cấu trúc giếng nên đơn giản (ít cấp đường kính) và gọn nhẹ (đường kính của cácđoạn ống khoan nhỏ)

 Đường kính ngoài của cột ống chống thường nhỏ hơn khoảng 20% so với đườngkính giếng cùng cấp

 Kích thước dụng cụ phá đá nhỏ hơn 20% so với đường kính trong của cột ốngchống trước

3 Trám xi măng

Trong thực tế hầu như không gặp trường hợp đặt cột ống chống vào giếng mà không trám

xi măng HБ-600.ai thao tác này rất cần thiết cho việc gia cố thành giếng và nối tiếp nhau mộtcách hệ thống Trám xi măng là bơm vữa xi măng vào khoảng không vành xuyến giữathành giếng và các cột ống chống ở một khoảng cách nào đó hay toàn bộ chiều sâu giếng.Các nhiệm vụ chính của công tác trám xi măng giếng khaon bao gồm:

 Cách ly tốt khoảng không vành xuyến giữa thành giếng và các cột ống chống(cách ly các tầng sản phẩm với các tầng khác)

 Tăng độ ổn định của thành giếng khoan nói chung và giữ chặt cột ống chống trongthành hệ

 Bảo vệ cột ống chống khỏi bị rỉ do các chất ăn mòn trong thành hệ

Để đảm bảo tốt chất lượng vành trám xi măng, cần đảm bảo các yêu cầu sau:

 Tính chất vữa xi măng đồng nhất và phù hợp với điều kiện địa chất- kỹ thuật củagiếng

 Đảm bảo khe hở đều giữa thành giếng và ống chống

 Chiều cao cột vữa xi măng đúng theo thiết kế

Theo quy ước, chiều cao cột xi măng trám dối với các cột ống chống như sau:

 Cột ống chống định hướng và ống trống bề mặt: trám toàn bộ chiều dài cột ống

 Cột ống chống trung gian và khai thác: tùy theo điều kiện địa chất cụ thể của giếng

 Trám toàn bộ

 Trám từng đoạn

Tuy nhiên, chiều cao cột xi măng trám phải dâng cao hơn chân đế cột ống chống trước tốithiểu là 100-150m Đối với đoạn ống bắn mở vỉa để khai thác phải có vành trám xi măngtốt Các cột ống chống lửng thường được trám xi măng toàn bộ chiều dài cột ống

II Phương pháp khoan.

1 Phương pháp khoan tuabin

Khoan tuabin là phương pháp khoan trong đó chuyển động quay của choòng đượctruyền trực tiếp từ động cơ đặt ngay phía trên choòng, nét đặc trưng của phươngpháp khoan này là cột cần khoan đứng im trong quá trình khoan Khoan tuabin có thểđược chia làm 3 dạng chính, dựa vào loại động cơ được sử dụng, đó là:

 Động cơ điện

 Tuabin khoan

 Động cơ trục vít

1.1 Khoan bằng động cơ điện

1.1.1 Nguyên lý cấu tạo

Bộ dụng cụ khoan điện chìm bao gồm động cơ điện, trục truyền để lắp vào choòng khoan

và bộ phận ngăn ngừa sự xâm nhập của dung dịch khoan vào bên trong của động cơ.Động cơ điện thường là động cơ không đồng bộ 3 pha ngậm dầu với rôto ngắn mạch gồmnhiều đoạn, thân rôto làm bằng sắt từ và được lắp trên trục truyền bằng các then hoahoặc các ren côn Stato của động cơ gồm nhiều tấm ghép bằng sắt từ và phản từ, giữa cácđoạn rôto và stato người ta lắp các ổ trục hướng tâm.Trục truyền có 2 loại chính là: trụcngậm dầu chạy trên các ổ bi và loại chạy trên các ổ trượt cao su Phần dưới của động cơ

có các ổ bi đỡ để tiếp nhận toàn bộ tải trọng chiều trục trong quá trình làm việc Đầutrên và đầu dưới của trục có lắp các phớt chắn dầu Khoảng trống trong động cơ đượclấp đầy dầu,áp suất dầu trong động cơ luôn phải lớn hơn áp suất chất lỏng tuần hoàn bênngoài từ 2 ÷ 3 (at), để ngăn không cho chất lỏng lọt vào động cơ Phần trên của động cơlắp 3 bộ điều áp kiểu piston: Một bộ chứa dầu máy bay dẫn vào bên trong phớt, 2 bộ cònlại chứa dầu biến áp liên thông với phần trong của thân động cơ để bổ sung áp suấtcho dầu trong động cơ Do trong quá trình làm việc xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũngnhư quá trình động cơ bị đốt nóng áp suất sẽ giảm nên cần phải bù thêm Quá trìnhtruyền điện từ trên mặt xuống động cơ là nhờ cáp điện lắp phía trong cần khoan, chiều

dài mỗi đoạn cáp tương ứng với chiều dài của cần khoan Khi lắp cần khoan thì cácđoạn cáp điện tự động nối lại với nhau nhờ vào một đầu nối đặc biệt gắn trên zamốc.1.1.2 Ưu, nhược điểm

Sử dụng động cơ điện chìm giúp ta dễ dàng điều chỉnh tốc độ và mômen khoan Ngoài ra,

do cần khoan đứng im trong quá trình khoan do đó góp phần tăng tuổi thọ của cầnkhoan Bên cạnh những ưu điểm trên, khoan bằng động cơ điện chìm còn có nhữngnhược điểm như sau:

 Yêu cầu kỹ thuật dẫn điện xuống động cơ phải an toàn tuyệt đối

 Tuổi thọ của động cơ không cao do phải làm việc dưới nhiệt độ và áp suất tươngđối lớn

 Khả năng bảo dưỡng phức tạp, khó khăn Chi phí cho công tác vận hành tốnkém

Qua ưu, nhược điểm của động cơ điện chìm, thì trên thực tế ít được ứng dụng rộng rãi do

nó mang lại hiệu quả kinh tế không cao HБ-600.iện nay, loại động cơ này đang ở trong giaiđoạn thử nghiệm

1.2 Khoan bằng tuabin khoan

1.2.1 Nguyên lý cấu tạo

Trong cánh quạt tuabin, năng lượng thủy lực của dòng nước rửa được chuyển hóathành cơ năng của trục quay, làm quay choòng khoan Tuabin gồm nhiều tầng giống nhau(có thể lên đến 200 tầng) Mỗi tầng gồm 2 phần, phần quay được nối với trục gọi là rôto,phần đứng yên được gắn với vỏ gọi là stato Bên trong tuabin có một ổ tựa dọc (ổ tựachính) để giữ cho dung dịch khoan không xâm nhập vào ổ trục chính Ổ tựa chính đượcđặt ở phía dưới để nâng toàn bộ khối rôto Tùy theo chiều dài của tuabin mà người ta cóthể lắp 2 hoặc 3 ổ tựa ngang Ở phần trên cùng của tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nốivào đầu dưới của cột cần khoan Phía dưới cùng của tuabin có đế tuabin, đế này đượcbịt kín phần giữa tuabin và trục của tuabin nhờ một đệm đặc biệt nhằm bảo đảm áp suấtlàm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá trình làm việc

Hình 3 Cấu tạo một tầng tuabin.

1 Bao trong của stato

2 Bao trong của roto

3 Rãnh then

4 Vỏ ngoài của stato

5 Đường đi của dòng nước

6 Cánh cong của roto

7 Cánh cong của stato

8 Bao ngoài của roto

Trong một số trường hợp khi khoan qua tầng đất dẻo, mômen quay của tuabin không đủ

để thực hiện quá trình phá hủy, hay ở các giếng khoan sâu, lưu lượng dung dịch nhỏ do

đó giá trị của mômen và công suất không đủ để đáp ứng quá trình khoan Để thu đượcmômen quay và công suất lớn mà không phải thay đổi đường kính của tuabin, chỉ có thểtăng số tầng của chúng lên, do đó phải chế tạo những tuabin dài Khi chế tạo những tuabin có độ dài quá lớn sẽ gây khó khăn trong việc nâng thả tuabin ở giếng khoan cũng nhưkhi lắp ráp, vận chuyển Để giải quyết khó khăn trên người ta chế tạo các tuabin nối màmỗi đoạn là một tuabin đơn Vỏ của các tuabin được nối với nhau bằng ren, còn trục

được nối bằng khớp nối có rãnh then (then hoa), bằng khớp ma sát hoặc bằng khớp nốikép (kết hợp giữa khớp ma sát và rãnh then hoa).

Đặc điểm cơ bản của khoan tuabin là tốc độ quay của choòng luôn thay đổi tùy theo tảitrọng và độ cứng của đất đá khoan qua Mômen quay choòng và tốc độ quay tỷ lệ nghịchvới nhau, tải trọng tác dụng lên choòng càng lớn, tốc độ quay càng giảm

1.2.2 Ưu, nhược điểm của khoan tuabin

 Ưu điểm:

 Không phải chi phí công suất để quay cột cần khoan

 Do công suất của tuabin sinh ra được truyền trực tiếp lên choòng nênchoòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt vận tốc cơ họckhoan cao hơn nhiều so với khoan rôto

 Cột cần khoan ít chịu tải hơn, ít mòn hơn nên giảm được sự cố về cầnkhoan trong quá trình làm việc

 Có thể sử dụng khoan tuabin để khoan giếng khoan xiên định hướng vàkhoan ngang rất hiệu quả

 Giảm tiếng ồn so với khoan rôto do đó cải thiện điều kiện lao động

 Nhược điểm:

 Tuabin làm việc với số vòng quay lớn ít phù hợp với đa số loại choòngchóp xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòng quaynhỏ)

 Vùng làm việc ổn định của số vòng quay của tuabin hẹp, nếu ra khỏi vùngnày có thể làm tuabin ngừng hoạt động

 Cần có máy bơm công suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn độngtuabin, đặc biệt với các giếng khoan sâu việc này rất khó thực hiện

 Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn phức tạp

 Quá trình bảo dưỡng tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di động hoặcbàn rôto

1.3 Khoan bằng động cơ trục vít PDM

1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Động cơ PDM hoạt động dựa trên nguyên lý Moinơ và được cấu tạo bởi các thành phần

cơ bản sau:

Hình 4 Cấu tạo động cơ trục vít

Van xả: có tác dụng ngăn cho động cơ không bị quay trong quá trình kéo thả và được đặt

ở phần trên cùng của động cơ Van này có những lỗ cho phép sự lưu thông giữa cột cầnkhoan và khoảng không vành xuyến Các lỗ này được đóng trong suốt quá trình khoan

để dung dịch đi qua động cơ Trong quá trình kéo thả, khi bơm dung dịch ngừng hoạtđộng áp suất sẽ giảm xuống, các lỗ thoát được mở ra làm cho cột cần khoan đượctháo hết dung dịch bên trong khi kéo hoặc đổ đầy khi hạ Khi bơm làm việc, áp suất tănglên, các lỗ thoát được đóng kín lại

Rôto: Là một trục bằng thép có dạng múi xoắn ốc Đối với động cơ một múi xoắn thì mặtcắt ngang của rôto là hình tròn Đầu trên của rôto được để tự do còn đầu dưới nối vớikhớp nối không gian

Stato: Được đúc bằng cao su dạng rãnh xoắn tương ứng với rôto (số rãnh xoắn của statobao giờ cũng nhiều hơn 1 so với số múi xoắn của rôto) và được đặt trong vỏ động cơ.Khi rôto được đặt trong stato, do hình d ạng khác nhau chúng tạo ra hàng loạt cáckhoang kín Khi dung dịch khoan được bơm qua động cơ, nó sẽ chuyển động vàogiữa rôto và stato, chuyển động đó làm dịch chuyển rôto và làm cho rôto quay

Ở những động cơ đơn múi (rôto có 1 múi xoắn) lưu lượng dòng chảy qua động cơ lớn vìvậy tốc độ vòng quay sẽ lớn và chỉ tạo ra được mômen quay nhỏ Để tăng mômen quay

ta có thể tăng số múi xoắn của rôto (3, 5, 7, 9 múi) tương ứng với số rãnh của stato là (4,

6, 8, 10), khi đó lưu lượng dòng chảy qua động cơ nhỏ dẫn đến số vòng quay nhỏ do đótạo ra được mômen quay lớn

Trong quá trình làm việc các múi và rãnh xoắn của rôto và stato liên tục tiếp xúc với nhau

để tạo ra những buồng áp suất kín, chính điều này làm bề mặt stato mòn đi rất nhanh, cho

nên stato phải được chế tạo bằng vật liệu cao su có khả năng chịu mài mòn, chịu đượcnhiệt độ và áp suất cao.

Khớp nối không gian: Do chuyển động lệch trục với stato nên đầu dưới của rôto phảiđược nối với một khớp nối không gian Khớp nối này sẽ biến chuyển động lệchtrục thành chuyển động đồng trục của choòng Có rất nhiều kiểu khớp nối không gianđược sử dụng nhưng phổ biến nhất là khớp cầu Đầu dưới của khớp nối không gian đượcnối với trục truyền

HБ-600.ệ thống ổ tựa: Đây là bộ phận thiết yếu nhất của động cơ Nó quyết định tuổi thọcủa động cơ và thực hiện hai chức năng:

 Truyền tải trọng dọc trục lên choòng

 Duy trì vị trí đồng trục của trục truyền

1.3.2 Ưu, nhược điểm của động cơ trục vít

Mômen quay không phụ thuộc vào đặc điểm lưu lượng dòng dung dịch của máy bơm màvẫn cho hiệu suất cao, có thể kiểm tra tải trọng động cơ theo sự giảm áp, có kết cấu đơngiản tiết kiệm vật liệu

Động cơ có đặc điểm nổi bật là tương đối bền khi bơm chất lỏng có chứa tạp chất vàkhông có tính chất bôi trơn, bởi vì các chi tiết ít bị mài mòn, sự phân bố chất lỏngđộng cơ được tự động nhờ sự biến đổi liên tục vị trí không gian của đường tiếp xúc động

cơ trục vít

Động cơ trục vít dùng để khoan các giếng khoan xiên, ngang định hướng đặc biệt đối vớicác giếng khoan sâu khi khoan bằng choòng có đường kính bé và trong công tác sửa chữagiếng

2 Phương pháp khoan xoay

Khoan xoay là phương pháp khoan mà trong đó chuyển động quay của choòng đượctruyền từ động cơ trên mặt thông qua cột cần khoan Có hai dạng chính là sử dụng bànrôto và sử dụng đầu quay di động (top drive)

2.1 Khoan bằng bàn rôto

2.1.1 Chức năng và nguyên lý cấu tạo của bàn xoay rôto

 Chức năng:

 Đóng vai trò là bộ truyền trung gian, biến chuyển động quay của trục nằmngang thành chuyển động quay của trục thẳng đứng (cột cần khoan) đểtruyền mômen quay từ trên bề mặt xuống choòng khoan

 Chịu tải trọng của bộ dụng cụ khoan hoặc ống chống

 Tiếp nhận các phản lực từ đáy trong quá trình khoan

Trong công tác khoan dầu khí tuỳ theo yêu cầu mà có thể thiết kế chuyển độngcho bàn rôto theo 2 phương án đó là dùng động cơ dẫn động riêng cho rôto hoặc

có thể lấy từ tốc độ của tời thông qua bộ truyền xích hay trục các đăng

 Nguyên lý cấu tạo:

 Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn xoay và

hệ thống ổ đỡ Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển động quay từ trụcdẫn nằm ngang đến bàn quay Tất cả các ổ đỡ và cặp bánh răng đều đượcbôi trơn bằng dầu

 Để truyền chuyển động quay lên cần chủ đạo thì phía trong lỗ rôto được đặtcác bạc hãm định hình theo kích thước và tiết diện của cần chủ đạo (hìnhvuông hoặc hình lục giác)

 Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôto trongcông tác khoan dầu khí thường từ 400 ÷ 700 (mm)

Hình 5 Cấu tạo bàn roto

 Rôto có từ 3 đến 6 tốc độ truyền và một tốc độ quay ngược để tháo cầnkhoan hoặc cứu chữa sự cố

 Tùy theo cách bố trí cặp bánh răng nón và các ổ đỡ (có 2 loại ổ đỡ là ổ đỡchính và ổ đỡ phụ) mà bàn rôto được phân thành 2 loại là bàn rôto có ổ đỡchính ở trên và bàn rôto có ổ đỡ chính ở dưới Ổ đỡ chính là ổ đỡ mà trongquá trình làm việc chịu tác dụng của toàn bộ trọng lượng cột cần khoanhoặc ống chống treo trên nó và lực ma sát giữa cần chủ đạo với bàn rôto Ổ

đỡ phụ chỉ chịu tác dụng của tải trọng từ đáy do rung động của cột cầnkhoan và phản lực gây nên

2.1.2 Ưu, nhược điểm của bàn xoay rôto

 Ưu điểm:

 Kết cấu đơn giản, ít phải bảo dưỡng

 Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trình kéo thảdụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn

 Nhược điểm:

 Không dùng để khoan lấy mẫu do phải kéo bộ dụng cụ khoan lên khỏi đáykhi tiếp cần nên dễ làm vỡ mẫu, sập thành lỗ khoan trong đất đá không ổnđịnh

 Không sử dụng được với tần số khoan cao

 Gây ồn trong quá trình làm việc

2.2 Khoan bằng đầu quay di động

Đầu quay di động dùng để nối giữa hệ thống palăng với cột cần khoan nhằm mục đíchquay và treo cột cần khoan vào móc nâng, dẫn nước từ tuy ô cao áp vào bên trong cầnkhoan và truyền chuyển động quay cho cột cần khoan Động cơ của nó có thể là động cơđiện hoặc động cơ thủy lực Loại động cơ thủy lực ít phổ biến vì cần lắp đặt thêm mộtthiết bị có công suất thủy lực đặc biệt Động cơ được lắp phía đầu trên cột cần khoanngay dưới đầu tiếp nhận chất lỏng Đầu quay được gắn trên xe lăn dẫn hướng, xelăn di chuyển lên xuống dọc theo ray dẫn hướng lắp trên tháp khoan HБ-600.ệ thống truyềnđộng này cho phép tăng công suất truyền cho cột cần khoan mà nó không phụ thuộc vàocông tác khoan, công nghệ khoan Thiết bị này làm việc rất ổn định, ít gây rung động, va

III Tìm hiểu về dung dịch khoan

Công tác rửa lỗ khoan rất quan trọng và không thể thiếu được trong quá trình khoan Đểrửa lỗ khoan, người ta có thể sử dụng chất lỏng (dung dịch gốc nước, dung dịch gốc dầuhoặc dung dịch nhũ tương) tùy thuộc vào điều kiện địa chất và kỹ thuật cụ thể của từnggiếng

1 Những chức năng cơ bản của dung dịch khoan

Trong phương pháp khoan xoay, dung dịch khoan là một thông số chế độ khoan, than giatrực tiếp quá trình phá hủy đất đá ở đáy giếng ảnh hưởng đến tốc độ khoan, khả năng rửasạch đáy giếng và độ ổn dịnh của thành giếng Dung dịch khoan thực hiện các chức năng

cơ bản sau:

1.1 Làm sạch đáy giếng và vận chuyển mùn khoan.

Đồng thời với quá trình phá ủy đất đá là quá trình giải phóng mùn khoan khỏi bề mặt đáy,

có làm sạch mmunf 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

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

 Vận tốc đi lên của dòng nước rửa

 Tính chất cấu trúc cơ học của dung dịch

Quá trình tạo ra áp lực trong giếng khoan bởi cột dung dịch khoan gọi là quá trình tạophản áp và luôn có xu hướng ép vào thành lỗ khoan

1.3 Sét hóa thành lỗ khoan

Trong quá trình tuần hoàn, do tác dụng của áp suất thủy tĩnh mà nước từ trong dung dịch

bị tách ra chui vào các khe nứt lỗ hổng của đất đá trên thành lỗ khoan để lại trên bề mặtđất đá những hạt keo sét, tạo nên lớp màng sét trát quanh thành lỗ khoan Ta gọi đó là quátrình “sét hóa” thành lỗ khoan

Độ chặt của lớp vỏ sét, tính chất chặt xít của nó phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh, tính chấtkeo (hàm lượng keo sét) của dung dịch, vào tính chất thấm lọc của đá vây quanh

Nguyên lý hình thành lớp vỏ sét được giải thích theo 2 nguyên tắc cơ bản:

 HБ-600.ình thành lớp vỏ sét trên bề mặt (khi khe nứt, lỗ hổng của đất đá vây quanh nhỏ)

 HБ-600.ình thành lớp vỏ sét từ bên trong các khe nứt của đất đá vây quanh (khi khe nứt

Hinh 7 Lớp vỏ sét mỏng nhưng chặt xít, vững chắc, có tác dụng gia cố thành lỗ khoan

tốt.

Trường hợp thứ hai: Dung dịch có chất lượng kém (ít keo sét, lẫn nhiều pha rắn trơ) cho

ra lớp vỏ sét dày nhưng xốp, khả năng liên kết với thành lỗ khoan yếu, nước dễ thấm qua,

dễ bị bong, thành lỗ khoan bị bó hẹp, khả năng gia cố thành lỗ khoan kém

Hình 8 Lớp vỏ sét dày nhưng xốp tác dụng gia cố thành lỗ khoan kém.

1.4 Giữ hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng.

Muốn tiếp cần khoan, cần phải ngừng tuần hoàn dung dịch Trong thời gian này, mùnkhoan được nâng lên trong khoảng không vành xuyến không còn chịu tác động của dòngdung dịch nữa nên bị lắng chìm Chính tính lưu biến của dung dịch giữ mùn khoan ởtrạng thái lơ lửng nhờ sự gel hóa khi ngưng tuần hoàn Thực tế, tất cả các dung dịch nhớtđều có tính lưu biến

Để thực hiện nhiệm vụ nói trên, dung dịch khoan phải đạt được các yêu cầu sau:

Có tính lưu biến cao

 Ứng xuất trượt giới hạn đủ lớn Để đánh giá khả năng giữ hạt mùn ở trạng thái lơlửng, người ta thường căn cứ vào kích thước hạt mùn khoan lớn nhất.

1.5 Làm mát và bôi trơn dụng cụ khoan.

Trong quá trình phá đá, do ma sát rất lớn giữa dụng cụ phá hủy đá và bề mặt đá nên nhiệt

độ nơi tiếp xúc tăng lên từ 800-1000oC

Nhiệt năng sinh ra một phần đi vào đá, phần còn lại làm nóng dụng cụ khoan dẫn đến làmgiảm độ bền và độ chống mòn của lưỡi khoan, dần dần làm cho lưới khoan không cònkhả năng làm việc

Khi nước sạch hoặc khí nén được chuyển động qua đáy lỗ khoan sẽ có tác dụng thu nhiệt

và tạo nên sự cân bằng nhiệt ở dụng cụ phá hủy

Qua công thức tính toán, bằng thực nghiệm người ta thấy rằng:

Lưu lượng và tỷ nhiệt của dung dịch càng lớn thì nhiệt độ trung bình chỗ tiếp xúc càngnhỏ Nhiệt độ tại điểm này tỷ lệ nghịch với kích thước hình học tiết diện ngang của lưỡikhoan Vì vậy lỗ khoan có đường kính càng lớn thì việc làm lạnh lưỡi khoan càng nhanh.Khả năng làm lạnh tốt nhất là nước lã và kém nhất là không khí, còn dung dịch sét và cácloại khác nằm ở vị trí trung gian

Chính vì vậy khi khoan thổi khí người ta phải nghiên cứu chế tạo loại lưỡi khoan có hìnhdạng phù hợp (nhất là khoan kim cương)

Nước rửa còn có tác dụng bôi trơn ổ bi và các chi tiết khác của tuabin, choòng, cần khoan

Đối với một số trường hợp khoan giếng định hướng có góc nghieeg lớn và khoanngang, người ta sử dụng động cơ đáy (tuabin hoặc động cơ thể tích) Động cơ nàylàm việc nhờ năng lượng của dòng dung dịch tuần hoàn trong giếng.

 Gây tác dụng hóa lý với đất đá

Nước rửa đi qua lỗ thu hẹp của choòng có vận tốc khá lớn, mạng động năng nhấtđịnh sẽ trực tiếp phá hủy đá mềm yếu (nhất là loại choòng có vòi phun thủy lực)

 Truyền thông tin địa chất lên bề mặt

Dung dịch khoan tuần hoàn trong giếng mang mùn khoan, chất lỏng hoặc khí củacác tầng khoan qua, các tín hiệu đo các tính chất của đất đá và chất lưu biến lên bềmặt Sự thay đổi các tính chất hóa lý của dung dịch (nhiệt độ, độ pHБ-600., độ khoánghóa…) buộc các nhà địa chất và thợ khoan hiệu chỉnh các thông số chế độ khoantại hiện trường

1.7 Các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả rửa sạch giếng khoan là:

 Vận tốc dung dịch: trong khoảng không vành xuyến phụ thuộc vào lưu lượng dungdịch và tiết diện khoảng không vành xuyến Vận tốc này thường thay đổi trongkhoảng từ 25-60 m/ph

 Tỷ trọng của dung dịch khoan: có ảnh hưởng đến việc nâng mùn khoan lên bề mặt(theo định luật Acsimet), nhưng nói chung không nên tăng giá trị của thông số này

để cải thiện vai trò đẩy nổi của chúng

 Độ nhớt: vận tốc nâng mùn khoan có thể được coi như hiệu số giữa vận tốc dungdịch trong khoảng không vành xuyến và vận tốc lắng chìm của mùn khoan Vậntốc lắng chìm này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, khối lượng các hạt tínhchất lưu biến và đặc biệt là độ nhớt của dung dịch khoan

2 Những tính chất cơ bản của dung dịch khoan.

HБ-600.iệu quả của công tác khoan phụ thuộc nhiều vào chất lượng dung dịch sử dụng Trongthực tế, chất lượng dung dịch khoan được đánh giá thông qua các thông số cơ bản như tỷtrọng, độ thải nước, độ dày vỏ sét (độ dính vỏ sét), độ nhớt, áp suất trượt (cắt) tĩnh, hàmlượng hạt rắn, độ lắng ngày đêm và độ ổn định của dung dịch Các thông số của dungdịch khoan có thể thay đổi trong quá trình khoan nhưng phải được kiểm tra và hiệu chỉnhthường xuyên để luôn thích ứng với điều kiện địa chất-kỹ thuật khoan đặt ra

2.1 Mật độ và tỷ trọng

Mật độ dung dịch ρ (khối lượng riêng, tính bằng g/cm3) là khối lượng của một đơn vị thểtích: ρ=m/V

Tỷ trọng dung dịch γ (trọng lượng riêng, tính bằng G/cm3) là trọng lượng của một đơn vịthể tích:

 Xâm nhập chất lưu từ vỉa

 Vận tốc cơ học tăng do giải phóng nhanh mùn khoan

Ngược lại, khi giá trị γ tăng, áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch tăng nên các hiện tượngsau đây có thể xảy ra:

 Mất dung dịch khoan

 Vận tốc cơ học giảm do đất đá ở đáy giếng bị nén chặt hơn và dễ gây tích tụ mùnkhoan ở đáy giếng

Hình 9 Dụng cụ đo tỷ trọng

a Cân đòn bẩy b Cân kiểu phao

2.2 Độ thải nước API (độ thoát nước hay còn gọi là độ thấm lọc của dung dịch, B)

Tính chất thấm là khả năng pha lỏng của dung dịch khoan bị tách ra đi vào các lỗ hổng,khe nứt của đất đá trên thành lỗ khoan khi tồn tại sự chênh lệch áp suất Mỗi dung dịchđều có trị số độ thoát nước tương ứng phụ thuộc hàm lượng keo trong chúng ở điều kiệnnhất định

Độ thoát nước là lượng nước tính bằng cm3 thoát ra từ dung dịch khoan khi thấm lọc quathiết bị lọc có đường kính 75 mm sau khoảng thời gian 30 phút và dưới áp suất 100 psi.Trong điều kiện khoan bình thường, giá trị độ thải nước của dung dịch khoan khoảng 25

cm3/30 phút Khi cần ổn định thành giếng, giá trị B càng nhỏ càng tốt

Dung dịch khoan có độ thải nước lớn sẽ dễ dẫn đến các hiện tượng sau:

 Trương nở và sập lở thành giếng

 Mất nước rửa

 Tăng độ dày lớp vỏ bùn nên đễ kẹt bộ khoan cụ

 Tăng tốc độ cơ học do nhanh chóng cân bằng áp suất giữ hạt mùn khoan ở đáygiếng

Trong công nghiệp dầu khí, dụng cụ đo độ thải nước cho phép mô phỏng và đo độ thấmlọc của dung dịch khoan ở cả điều kiện thường lẫn điều kiện vỉa.

2.3 Độ dày vỏ sét k

Là bề dày lớp vỏ sét bám trên thành giếng (hay trên thiết bị lọc) khi nước từ dung dịchkhoan thấm vào đất đá thành hệ Trị số k càng nhỏ tức là lớp vỏ sét càng mỏng và chặtsít, càng có tác dụng ngăn cản sự lưu thông của chất lưu giữa vỉa với giếng và ngược lại,như vậy thành giếng càng ổn định hơn Ở điều kiện khoan bình thường k=1-2 mm

2.4 Độ nhớt µ (tính bằng mPa.s hay Cp) được xác định bằng tỷ số giữa ứng suất trượt (τ) và tốc độ trượt (γ):) và tốc độ trượt (γ):):

µ= τ γ

Độ nhớt biểu thị khả năng của dung dịch chống lại sự dịch chuyển tương đối giữa các lớpchất lỏng và như vậy nó chỉ xuất hiện khi chuyển động

Trong công tác khoan, người ta thường xác định độ nhớt quy ước bằng nhớt kế March

Độ nhớt quy ước là thời gian (đo bằng giây) chảy hết 946 cm3 dung dịch qua phễu códung tích 1500 cm3 và đường kính trong của cuống phễu bằng 4,75 mm Độ nhớt quy ướccủa nước sạch ở 20oC là 20 s Đội nhớt quy ước được dùng để đánh giá nhanh sự nhiễmbẩn làm thay đổi nhanh chóng các tính chất của dung dịch khoan

Ở điều kiện khoan bình thường, độ nhớt quy ước của dung dịch thay đổi trong khoảng20-25 s Độ nhớt dung dịch nhỏ sẽ khó ổn định thành giếng song cho phép đạt vận tốc cơhọc khoan cao Ngược lại, khi độ nhớt lớn sẽ có các tác dụng:

 Khả năng giữ và nâng mùn khoan tốt

 HБ-600.ạn chế mất dung dịch khoan

 HБ-600.ạn chế sự trương nở và sập thành giếng

 Vận tốc cơ học khoan nhỏ vì khả năng tách mùn khoan khỏi đáy giếng kém

 Tổn hao công suất bơm, giảm hiệu suất hút và đẩy của bơm

Hình 10 Dụng cụ đo độ nhớt quy ước 2.5 Ứng suất trượt tĩnh τ) và tốc độ trượt (γ): (mG/cm 2 hoặc N/m 2 )

Là lực tối thiểu cần thiết tác dụng lên 1 cm2 vật thể nhúng trong dung dịch để làm nóchuyển động và đo được bằng tỷ số giữa lực tác dụng F và diện tích tiếp xúc giữa hai lớpchất lỏng A:

τ = F

A

Ứng suất trượt tĩnh đặc trưng cho độ bền cấu trúc (hay tính xúc biến) của dung dịch.Kết quả đo bằng nhớt kế Fann ở các tốc độ 300 và 600 vòng/phút cho phép tính các giátrị độ nhớt dẻo µp và ứng suất trượt giới hạn của dung dịch τy theo các phương trình thựcnghiệm sau đây:

µ b=θ600−θ300

τ y=θ300−µ p

Với: θ300, θ600 – số đo tương ứng với số vòng quay 300 và 600 vòng/phút của nhớt kếFann

Khả năng của dung dịch kết tụ ở trạng thái tĩnh và loãng ra khi chịu tác động cơ học đượcgọi là tính xúc biến của dung dịch.

Khi ở trạng thái tĩnh, dung dịch hình thành mạng lưới cấu trúc giữ cho mùn khoan ở trạngthái lơ lửng Khi bị tác động cơ học (lắc, khuấy, ), cấu trúc bị phá vỡ

Để xác định tính xúc biến của dung dịch, người ta đo các giá trị θ1 và θ10 sau khi để dungdịch ở trạng thái yên tĩnh 1 phút và 10 phút Tính xúc biến càng cao khi hiệu số θ10- θ1càng lớn Trong điều kiện khoan bình thường, θ1=25÷30 mG/cm2 và θ10=75÷150 mG/cm2 Giá trị ứng suất trượt tĩnh θ lớn có tác dụng:

 Chống mất dung dịch

 Giảm hiện tượng kẹt bộ khoan cụ do mùn khoan lắng đọng khi ngừng tuần hoàndung dịch

 Khó tách mùn ở đáy giếng nên vận tốc cơ học giảm

 Tổn thất thủy lực trong hệ thống tuần hoàn lớn

 Độ ổn định được đo bằng hiệu số tỷ trọng dung dịch ở nửa dưới và trên của 500

cm3 dung dịch đựng trong cốc đo (hình trụ có nút tháo ở giữa bình) để yên sau 24giờ Dung dịch được coi là ổn định nếu hiệu số này không quá 0,02 đối với dungdịch thường và không quá 0,06 đối với dung dịch nặng

2.8 Độ pH

Là đại lượng biểu thị nồng độ ion HБ-600.+ trong dung dịch (đơn vị là mol/l) và được tính bằngbiểu thức pHБ-600.=log[HБ-600.+] Thang đo độ pHБ-600 từ 0-14 Dung dịch có độ pHБ-600 nhỏ hơn 7 là dungdịch axit, bằng 7 là trung tính và lớn hơn 7 có tính kiềm

Dung dịch set thường có độ pHБ-600.=8,5-9,5, còn dung dịch vôi: 11-12 Độ pHБ-600 được đo bằnggiấy quỳ hoặc máy đo độ pHБ-600

3 Phân loại dung dịch khoan

Trong công tác khoan, do tính đa dạng và phức tạp của điều kiện địa chất-kỹ thuật buộcphải sử dụng nhiều loại dung dịch khoan nhằm giải quyết các yêu cầu công nghệ khácnhau Thông thường dung dịch khoan được phân loại theo bản chất của chất lỏng gốc.Người ta phân biệt:

 Dung dịch khoan gốc nước

 Dung dịch khoan gốc dầu

 Dung dịch nhũ tương

Ngoài ra, người ta có thể dùng khí, bọt hoặc dung dịch bọt khí

Các sản phẩm chính để điều chế dung dịch khoan bao gồm:

 Nước (ngọt, lợ, mặn) hoặc dầu

 Sét bentonit, polyme

 Các chất phụ gia:

 Chất giảm độ thải nước

 Chất làm nặng (barit BaSO4, γ=4,3; oxyt sắt ba Fe2O3, 4,9<γ<5,3)

 Ưu điểm chính của loại dung dịch này là:

 Linh động, độ nhớt và tỷ trọng thấp, ít tiêu tốn công suất máy bơm và tốc

 Không phải chi phí sét và không tốn thời gian để gia công dung dịch khoan.

 Giá thành thấp và phổ biến

 Nhược điểm chính của loại dung dịch này là không thể khoan trong các thành hệphức tạp và dễ bị kẹt bộ khoan cụ khi ngừng tuần hoàn dung dịch do không có khảnăng giữ các hạt mùn ở trạng thái lơ lửng

 Không thể khoan trong đất đá kém bền vững, đá điệp thạch nghiêng nhiều,tầng sét dày, tầng chứa muối khoáng

 Chiều sâu sử dụng bị hạn chế ≤1500÷1700m do không tạo được Ptt đủ lớnhoặc do nguyên nhân xói lở thành lỗ khoan do W tăng làm mở rộng khônggian vành xuyến và mùn khoan khó nâng lên

 Không khoan được ở tầng dầu khí có áp lực vỉa thấp vì sẽ làm ướt tầng sảnphẩm, tạo sức căng bề mặt giữa hai pha, gây khó khăn cho mở vỉa và khaithác

 Các ren nối cần nhanh hỏng hơn so với sử dụng dung dịch set

3.1.2 Dung dịch sét

Là hệ thống gồm:

 Pha phân tán là các hạt sét (sét monorilonit)

 Môi trường phân tán là nước

Nếu các hạt của pha phân tán có kích thước nhỏ hơn 0,1 µ (1 µ=1/1000 mm) thì ta có hệkeo, còn kích thước lớn hơn 0,1 µ thì ta có hệ huyền phù Do thành phần sét không đồngnhất nên trong dung dịch khoan bao giờ cũng tồn tại cả hai hệ phân tán keo và huyền phù.Những tính chất cơ bản của sét trong nước:

 Sự trương nở và hydrat hóa các hạt sét

 Sự đông tụ keo sét

 Các đặc điểm chính của dung dịch sét

 Dung dịch sét nhạy cảm với tác dụng của môi trường khoáng hóa

 Tính chất của dung dịch sẽ bị thay đổi đáng kể trong quá trình khoan dotăng hàm lượng pha rắn (hấp thụ mùn khoan) trong dung dịch và nhiệt độmôi trường thay đổi

 Tính chất của dung dịch sẽ được hồi phục một phần khi được gia côngbằng các chất phụ gia hóa học khác nhau

 Khả năng làm sạch đáy lỗ khoan của dung dịch sét kém hơn do có độ nhớtcao

Dung dịch sét có giá thành tương đối thấp lại đáp ứng tương đối tốt các điều kiện khoannên được sử dụng rộng rãi trong thực tế Nhược điểm lớn nhất của dung dịch sét là gâynhiễm bẩn tầng chứa (bít nhét các lỗ rỗng và khe nứt), làm giảm đáng kệ độ thấm tựnhiên của vỉa.

Nhắm bảo vệ độ thấm tự nhiên của tầng chứa, cần sử dụng dung dịch khoan với các đặctính hạn chế nhiễm bẩn tầng chứa Tuy nhiên, việc này thường rất khó và khá tốn kém.Tùy theo mục đích của giếng khoan và đặc tính cơ lý hóa của tầng khai thác, việc khoanvào tầng chứa sẽ được thực hiện hoặc vẫn bằng dung dịch khoan đã dùng (có thể nó đãthích hợp) hoặc thay thế bằng dung dịch hoàn thiện giếng

Ngoài các chức năng của dung dịch khoan như giữ ổn định thành giếng (nhất là trongtrường hợp khai thác giếng trần), rửa sạch giếng khoan và giữ các hạt mùn khoan ở trạngthái lơ lửng, dung dịch hoàn thiện giếng còn phải đảm bảo tránh hiện tượng bít kín tầngchứa HБ-600.iện tượng này rất đáng ngại vì dù ở mức độ thấp nó cũng giảm đáng kể khả năngkhai thác của giếng

Trong thực tế, thành phần của dung dịch hoàn thiện giếng khoan rất đa dạng tùy thuộcvào tính chất tầng chứa và giá thành điều chế Trong nhiều trường hợp, dung dịch khoanđược sử dụng lại để giảm chi phí giếng khoan song lại tăng nguy cơ nhiễm bẩn tầng chứa.Dung dịch khoan gốc nước biển thường được sử dụng do nhiều tính chất của nó tươngthích với các đặc tính của tầng chứa

Các dung dịch có thành phần phức tạp hơn (có chứa cacbonit canxi… và có thể dùngdung dịch axit để phá hủy) , dung dịch gốc dầu có thể được sử dụng

3.2 Dung dịch gốc dầu

3.2.1 Khái niệm chung

Khi khoan qua các tầng sét trương nở, các vỉa muối hoặc chứa muối và nhất là khi mở vỉasản phẩm dầu khí nếu sử dụng dung dịch khoan không hợp lý sẽ dẫn đến nhiều phức tạpkhác nhau Ví dụ nếu mở vỉa sản phẩm dầu khí bằng các loại dung dịch sét bình thường

có độ thải nước cao, trọng lượng riêng lớn, độ nhớt và ứng suất trượt tính không phù hợp

sẽ làm thay đổi độ thấm tự nhiên của vỉa, tạo nhũ tương ngược (nước trong dầu) hoặc gâyngưng kết bịt kín các kênh dẫn, khe nứt trong vỉa sản phẩm Các hiện tượng trên đã gâykhó khăn cho quá trình gọi dòng và khai thác dầu khí sau này

Để khắc phục các phức tạp nói trên, dung dịch khoan trên cơ sở gốc dầu đã sớm được sử

Dung dịch gốc dầu là loại dung dịch có môi trường phân tán là chất lỏng cacbua hydrocòn pha phấn tán có thể là loại sét kỵ nước hoặc các sản phẩm dầu mỏ.

3.2.2 Phân loại dung dịch gốc dầu

Dựa vào pha phân tán dung dịch gốc dầu thường có hai loại

 Pha phân tán là oxit bitum

 Pha phân tán là sét kỵ nước

 Dung dịch gốc dầu có phân tán là oxit bitum

Thành phần của dung dịch

 Môi trường phân tán: dầu diedel

 Pha phân tán: ô xit bitum

 Pha phụ gia: chất tạo cấu trúc CaO, chất HБ-600.TBM anion: xunfanol

Bitum có đặc điểm là tạo hệ phân tán yếu, không bền vững và không có khả năngtạo cấu trúc của dung dịch nên để điều chế dung dịch gốc dầu có pha phân tấn làBitum thì cần phải tạo loại bitum có khả năng tan trong diedel, tạo hạt có kíchthước nhỏ của keo (10-5cm)

Bitum bình thường phải được oxy hóa trong không khí với khoảng thời gian dài,nhiệt độ làm mềm oxit bitum khoảng 150 – 160oC Vì oxit bitum có độ cứng vàdòn cao nên thường nghiền chúng thành bột có kích thước hạt 0,5mm Trước khiđiều chế dung dịch có thể thêm CaO hoặc xunfanol để điều chỉnh cấu trúc củadung dịch

 Dung dịch gốc dầu có pha phân tán là sét

Sét kỵ nước được chế tạo như sau:

Cho muối amin (CHБ-600.2COOR: R=C7-9) vào hệ thống sét – nước Các cation hữu cơbởi muối amin thay thế các cation trao đổi vô cơ của sét làm bề mặt được phủ lớphữu cơ không thấm nước các hạt sét lúc này sẽ lắng xuống Rửa sạch sét bằngnước, sấy khô và ta thu được loại sét không thấm nước Thực chất đây là loại sét

mà nó được bao phủ lớp vỏ gồm các cation muối amin làm sét không thấm nước.Dung dịch loại này có độ thấm bằng 0 và linh động đối với dung dịch nặng nên cóthể dùng để mở vỉa sản phẩm có áp suất vỉa tăng

Thường được sử dụng để khoan vào tầng chứa và là dung dịch hoàn thiện giếng rất tốt.

 Ưu điểm của dung dịch khoan gốc dầu bao gồm:

 Kiểm soát dễ dàng các đặc tính của dung dịch khi không có sự xuất hiệncủa nước hoặc dầu thô

 Không nhạy với các chất gây nhiễm bẩn thông thường của dung dịch gốcnước (NaCl, CaSO4, xi măng, sét)

 Các đặc tính thấm lọc tĩnh tốt ở nhiệt độ và áp suất cao vỏ sét mỏng

 Tỷ lệ mẫu cao, ít gây nhiễm bẩn thành hệ

 Tăng tỷ lệ thu hồi dầu so với giếng khoan rửa bằng dung dịch gốc nước

 Nhược điểm của dung dịch khoan gốc dầu bao gồm:

 Nhạy với nước

 Dễ lắng đọng các chất làm nặng

 Thao tác dễ bẩn người và dễ cháy

 Làm hỏng cao su không chuyên dùng với các hydrocacbua

 Khó phát hiện sự hiện diện của dầu trong mùn khoan

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

 Giá thành cao

3.3 Dung dịch nhũ tương

Trong công tác khoan thăm dò và khai thác dầu khí đã sử dụng rộng rãi loại dung dịchnhũ tương để khoan qua các tầng sét dễ tương nở, các tầng chưa muối, các tầng mất nướchoặc các tầng sản phẩm dầu

3.3.1 Khái niệm về nhũ tương

Định nghĩa: Nhũ tương là một hệ phân tán được tạo thành từ hai loại dung dịch (chấtlỏng) không hòa tan vào nhau, một trong số đó được phân tán thành giọt nhỏ trong chấtlỏng kia

Trong công tác khoan thường gặp hai loại nhũ tương cổ điển:

 Nhũ tương dầu trong nước (nhũ tương thuận): nước là môi trường phân tándầu là pha phân tán.

 Nhũ tương nước trong dầu (nhũ tương nghịch): dầu là môi trường phân tán,nước là pha phân tán

Để tạo nhũ tương thường phải dùng năng lượng (khuấy trộn) để phân tán pha nọ và trongpha kia Độ ổn định của hệ phân tán này phụ thuộc nhiều vào môi trường phân tán và nếucác giọt của pha phân tán càng nhỏ và xa nhau thì càng ổn định Thông thường để nhũtương được ổn định ta phải thêm vào một chất thứ 3 và được gọi là chất ổn định nhũtương nhằm:

 Giảm sức căng bề măt giữa hai pha

 Tạo màng bảo vệ xung quang các giọt đã phân tán bằng thành phần pha rắnhoặc tạo “tầng kép” nhờ việc phân cực và tạo lớp tích điện trái dấu

Tùy thuộc vào tính chất của chất ổn định nhũ tương mà thường chia nhũ tương thành hóahọc và cơ học

3.3.2 Nhũ tương sét gốc nước

Dung dịch nhũ tương sét gốc nước dùng chủ yếu để khoan qua các tầng sét dày, á sét dễtạo nút Tất cả các dung dịch gốc nước không phụ thuộc vào mức độ nhiễm muối đều cóthể điều chế dung dịch nhũ tương sét

So với dung dịch sét bình thường thì dung dịch nhũ tương sét có ưu điểm sau: γ giảm, Ttăng, B giảm, giảm độ cứng đất đá, tăng vận tốc khoan, tăng tuổi thọ dụng cụ khoan

 Bôi trơn tốt, giảm mô men quay, giảm tổn hao thủy lực, giảm kẹt dụng cụkhoan và tạo nút khi khoan

Dung dịch nhũ tương sét gốc nước được điều chế bằng cách thêm vào dung dịch sét banđầu 5-20% dầu Mục đích không phải để điều chỉnh các tính chất của dung dịch cho phùhợp yêu cầu thực tế mà dung dịch nhũ tương sẽ có các tính chất của dung dịch gốc banđầu Vì vậy dung dịch gốc phải có các tính chất, phạm vi sử dụng phù hợp yêu cầu đặt ra.Dầu thêm vào dung dịch có thể là dầu thô hoặc sản phẩm của dầu mỏ Dầu thôi đôi khichưa các thành phần khữ nhũ tương nên nó phải đáp ứng các yêu cầu sau:

 HБ-600.àm lượng cacbuahydro thấp để chống ăn mòn các chi tiết của thiết bị bằngcao su

 Điểm cháy phải lớn hơn 90oC để an toàn

Các chất ổn định nhũ tương có thể chính là các thành phần sét có trong dung dịch, cácloại phụ gia hóa học nhằm ổn định dung dịch.

Kiểm tra độ ổn định nhũ tương bằng cách kiểm tra nồng độ dầu có trong nước thải Nếu

có dầu tức độ ổn định chưa đảm bảo và cần thêm các chất để ổn định hoặc tạo điều kiện

để dầu phân tán tốt

3.3.3 Nhũ tương ngược

Nhũ tương ngược dùng để khoan qua các tầng sét không ổn định, các tầng muối, khoanqua các tầng mất nước và mở vỉa sản phẩm có dị thường áp suất

Ưu việt của dung dịch loại này là độ nhớt cao, y giảm, không tác dụng phụ với muối và

dễ điều chỉnh độ nhớt trong phạm vi rộng Tính chất cơ học – cấu trúc phụ thuộc vào tỷ lệdầu – nước trong dung dịch Các tính chất của dung dịch này cơ bản giống dung dịch gốcdầu nhưng vì có nước nên nó có độ thấm cao, có thể hòa tan muối và độ chịu nhiệt thấp.Thành phần phổ biến của các loại dung dịch khaongs nhũ tương ngược là:

3.3.4 Nhũ tương dầu trong nước

Dung dịch được điều chế từ 5-25% thể tích dầu và một lượng các chất ổn định được trộnvới 75-95% dung dịch sét

Chất lượng của dung dịch này phụ thược nhiều vào chất lượng sét ban đầu Dung dịch sétban đầu có thể là dung dịch gốc vôi (khoảng 1,5% CaO) hoặc dung dịch muối (1-2%NaCl) Chất ổn định thường dùng là CMC

 Ưu điểm nổi bật của loại dung dịch này là:

 Độ thải nước nhỏ (3-5 cm3/30 ph)

 Giảm hiện tượng kẹt bộ khoan cụ, tăng tuổi thọ của chòong và giảm tổnthất thủy lực của máy bơm

 Tăng tốc độ khoan

3.3.5 Nhũ tương nước trong dầu

Dung dịch được điều chế từ 30-60% thể tích nước là pha phân tán còn dầu là pha liên tục.Loại dung dịch được sử dụng để khoan qua các tầng muối háo nước, đất đá dễ trương nở,sập nở và có thể điều chết bằng hai cách sau:

 Trộn dung sét với dầu, sau đó cho hắc ín làm chất ổn định

 Chuyển từ dung dịch nhũ tương dầu trong nước nhờ nhũ tương hóa và cho vào cácchất ổn định như dung dịch hắc ín hoặc vôi tôi

 Ưu điểm của dung dịch nhũ tương nước trong dầu là:

 Bền vững đối với các tác dụng phá hủy của muối, thạch anh, anhydrit…

 Độ thải nước nhỏ B<5 cm3/30 ph

 Có thể đạt tỷ trọng lớn (đến 2)

 Bền vững ở nhiệt độ cao (>100oC)

3.4 Chất rửa là không khí, chất bọt và dung dịch bọt gốc nước

3.4.1 Chất rửa là không khí (khoan thổi khí)

Khí được bơm thay thế dung dịch khaon, đảm bảo tất cả các chức năng cần thiết chocông tác khoan với các khác biệt sau đây:

 Vận tốc năng mùn khoan cao (khoảng 500-900 m/ph)

 Áp suất thủy tĩnh lên đáy giếng khoan rất thấp

 Tốc độ khoan cao (vì áp suất thủy tĩnh lên đáy giếng không đáng kể)

 Không gây nhiễm bẩn thành hệ

 Cần có thiết bị lọc bụi chuyên dụng ở miệng giếng

 Không dử dụng được trong tầng chứa nước

3.4.2 Chất rủa là bọt

Người ta cố gắng giữ các ưu điểm của chất rửa bằng không khí và khắc phục hiện tượngnước xâm nhập bằng cách sử dụng dung dịch bọt (hỗn hợp không khí+nước+chất tạobọt)

 Ưu điểm của dung dịch bọt so với khoan thổi khí là:

 Khả năng rửa giếng khoan bằng bọt lớn hơn

 Lượng khí trong dung dịch bọt giảm khoảng 10 lần so với rửa giếng khoanbằng khí

 Bọt vẫn ổn định khi nước xâm nhập ít

 Nhược điểm chủ yếu của dung dịch bọt là rất ổn định do vậy cần dùng hóa chất vàtia thủy lực để phá hủy nó một cách liên tục trên bề mặt.

Ngoài các dung dịch khoan kể trên còn có các loại dung dịch có tính chất riêng biệt như:

 Dung dịch ức chế

 Dung dịch có hàm lượng rắn ít

 Dung dịch trên cơ sở các polime

4 Các phương pháp tuần hoàn

HБ-600.iện nay, có 3 phương pháp tuần hoàn chủ yếu:

 Thuận

 Nghịch

 HБ-600.ỗ hợp

Ngoài ra còn có phương pháp tuần hoàn cục bộ (khoan không bơm)

4.1 Tuần hoàn thuận

 Ưu điểm

 Thực hiện đơn giản

 Có thể khoan được trong điều kiện mất dung dịch

 Tăng tỷ lệ mẫu, đặc biệt trong đá kém bền vững

 Tác dụng va đập thủy lực của dòng chảy lên thành lỗ khoan nhỏ

 Khả năng tách mùn khoan nhanh, tránh được sự cố kẹt mút cần khoan dolắng mùn

 Cho phép áp dụng kỹ thuật lấy mẫu liên tục

 Phương pháp tuần hoàn nghịch được thực hiện bằng hai cách:

 Có thiết bị bịt kín miệng lỗ khoan

 Không có thiết bị bịt kín miệng lỗ khoan (phải lắp thêm bơm chânkhông, clip hoặc ellecato thủy lực)

 Nhược điểm: Thiết bị bịt kín miệng lỗ khoan phức tạp Không khoan dduwcowcjtrong điều kiện mất nước Cấu trúc bộ dụng cụ khoan phức tạp

4.3 Tuần hoàn phối hợp

Tuần hoàn hỗn hợp trong đó bao gồm cả thuận và nghịch Phương pháp này tổng hợpđược những ưu điểm của hai phương pháp trên và loại trừ được những nhược điểm củachúng

Đơn giản nhất là dùng loại đầu nối chuyển tiếp đặc biệt được lắp giữa 2 cột ống (ốngmẫu và ống mùn) hoặc dùng loại ống mẫu bơm tia:

Tuần hoàn cục bộ:

 Rửa bên trong lỗ khoan (nước rửa không đi lên mặt đất)

 Nước rửa được sử dụng ngay dưới mặt đất bên trong lỗ khoan hoặc là chất lỏngđược đưa xuống lỗ khoan theo chu kỳ từ trên mặt đất

 Điều kiện sử dụng: đất đá kém bền vững, dễ rửa lũa, ở vùng tỷ lệ mẫu thấp, vùng

dễ mất nước rửa, khi cách ly các tầng nước không hợp lý về mặt kinh tế Dùng ởvùng thiếu nước…

 Trong tuần hoàn cục bộ cũng thực hiện bằng hai kiểu: thuận và nghịch

 Tuần hoàn cục bộ thuận thực hiện nhờ máy bơm chuyên dụng đặt chìm

 Tuần hoàn cục bộ nghịch được thực hiện nhờ thiết bị đặt chìm bằng máybơm dẫn động thủy lực hoặc khí nén nhưng độ tin cậy chưa cao, khó vậnhành

 Thời gian làm việc của dụng cụ trên đáy bị gián đoạn

 Tiêu hao công nâng hạ dụng cụ lớn

5 Điều chế, gia công và làm sạch dung dịch khoan

5.1 Điều chế dung dịch khoan