1. Cơ sở lí thuyết 3 1.1. Vận tốc vòi phun tối đa 3 1.2. Công suất thủy lực của mũi khoan tối đa 4 1.3. Lực va đập của tia tối đa 6 1.4. Phương pháp phân tích đồ họa 7 2. Trình tự giải bài toán bằng phương pháp phân tích đồ họa 8 3. Bài toán minh họa 9 3.1. Giải bài toán bằng EXCEL 9 3.2. Giải bài toán bằng MATLAB 14 4. Kết luận 16 1. Cơ sở lí thuyết Vấn đề xác định kích thước vòi phun phù hợp cho mũi khoan là một trong những ứng dụng thường xuyên hơn cả của các phương trình tổn thất áp lực do ma sát được thực hiện bởi các kĩ sư khoan. Sự gia tăng đáng kể tốc độ khoan cơ học có thể đạt được thông qua sự lựa chọn vòi phun thích hợp cho mũi khoan. Ở những thành hệ tương đối dày, tốc độ khoan cơ học tăng là do hoạt động động làm sạch ở đáy giếng được cải thiện. Sự tối ưu hóa các thông số thủy lực của vòi phun chưa đạt được. Trước khi điều này có thể thực hiện được, các quan hệ toán học phải được thiết lập để xác định hiệu quả thủy lực trên: Tốc độ khoan cơ học Chi phí vận hành Sự mài mòn mũi khoan Các vấn đề tiềm năng của lỗ khoan như rửa lỗ khoan Công suất vận chuyển dung dịch khoan Hiện tại, vẫn còn có nhiều bất đồng ý kiến về thông số thủy lực nào nên được sử dụng để nâng cao hiệu quả hoạt động làm sạch bằng thủy lực. Trong đó, các thông số thiết kế thủy lực được sử dụng phổ biến nhất là: Vận tốc vòi phun của lỗ khoan Công suất thủy lực của mũi khoan Lực va đập của tia (phun mạnh ra từ vòi phun) Chúng ta sẽ khảo sát các thông số này khi lần lượt cho một trong ba thông số thành tối đa. 1.1. Vận tốc vòi phun tối đa Máy bơm thường được vận hành ở tốc độ dòng chảy tương ứng với tốc độ của bùn khoan di chuyển trong vành giếng khoan ước tính tối thiểu để nâng mùn khoan. Nếu các vòi phun có kích thước sao cho áp suất bề mặt ở tốc độ dòng chảy này bằng với áp suất bề mặt cho phép tối đa thì vận tốc dung dịch trong các vòi phun sẽ có thể đạt được tối
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠNG NGHỆ KHOAN DẦU KHÍ LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC VỊI PHUN CHO MŨI KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỒ HỌA SVTH : Nguyễn Xuân Trực MSSV : 1513804 GVHD : ThS Trần Nguyễn Thiện Tâm TP.HCM, 2018 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án môn học, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Trần Nguyễn Thiện Tâm, giảng viên Bộ môn Khoan Khai Thác – Khoa Địa chất Dầu khí – Trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Em xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nói chung, thầy khoa Địa chất Dầu khí nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng để hồn thành đề tài đồ án TP.Hồ Chí Minh, ngày 19, tháng 04, năm 2017 Sinh viên Nguyễn Xuân Trực MỤC LỤC Cơ sở lí thuyết .3 1.1 Vận tốc vòi phun tối đa 1.2 Công suất thủy lực mũi khoan tối đa 1.3 Lực va đập tia tối đa 1.4 Phương pháp phân tích đồ họa Trình tự giải tốn phương pháp phân tích đồ họa Bài toán minh họa 3.1 Giải toán EXCEL 3.2 Giải toán MATLAB 14 Kết luận .16 Cơ sở lí thuyết Vấn đề xác định kích thước vòi phun phù hợp cho mũi khoan ứng dụng thường xuyên phương trình tổn thất áp lực ma sát thực kĩ sư khoan Sự gia tăng đáng kể tốc độ khoan học đạt thơng qua lựa chọn vòi phun thích hợp cho mũi khoan Ở thành hệ tương đối dày, tốc độ khoan học tăng hoạt động động làm đáy giếng cải thiện Sự tối ưu hóa thơng số thủy lực vòi phun chưa đạt Trước điều thực được, quan hệ toán học phải thiết lập để xác định hiệu thủy lực trên: - Tốc độ khoan học - Chi phí vận hành - Sự mài mòn mũi khoan - Các vấn đề tiềm lỗ khoan rửa lỗ khoan - Công suất vận chuyển dung dịch khoan Hiện tại, có nhiều bất đồng ý kiến thơng số thủy lực nên sử dụng để nâng cao hiệu hoạt động làm thủy lực Trong đó, thơng số thiết kế thủy lực sử dụng phổ biến là: - Vận tốc vòi phun lỗ khoan - Công suất thủy lực mũi khoan - Lực va đập tia (phun mạnh từ vòi phun) Chúng ta khảo sát thông số cho ba thơng số thành tối đa 1.1 Vận tốc vòi phun tối đa Máy bơm thường vận hành tốc độ dòng chảy tương ứng với tốc độ bùn khoan di chuyển vành giếng khoan ước tính tối thiểu để nâng mùn khoan Nếu vòi phun có kích thước cho áp suất bề mặt tốc độ dòng chảy với áp suất bề mặt cho phép tối đa vận tốc dung dịch vòi phun đạt tối đa Điều chứng minh cách sử dụng phương trình vận tốc vòi phun, ta thấy vận tốc vòi phun tỉ lệ thuận với bậc hai áp suất giảm mũi khoan: D pbit 8.074 �104 D p b Do đó, vận tốc vòi phun đạt tối đa áp lực mũi khoan tối đa Áp lực mũi khoan tối đa áp lực bơm lớn áp lực tổn thất ma sát cột cần khoan, vành giếng khoan nhỏ Áp lực tổn thất ma sát nhỏ tốc độ dòng chảy tối thiểu 1.2 Cơng suất thủy lực mũi khoan tối đa Năm 1958, Speer công bố cơng trình nghiêng cứu hiệu mũi khoan có vòi phun cải thiện cách tăng công suất thủy lực bơm Speer cho tốc độ khoan học tăng với công suất thủy lực mùn khoan loại bỏ nhanh cách chúng tạo Sau đạt mức độ “làm hồn hảo” khơng nên tăng tốc độ khoan lượng thủy lực Ngay sau Speer xuất báo mình, số tác giả áp lực tổn thất ma sát cột cần khoan vành giếng khoan, lượng thủy lực phát triển đáy giếng khoan khác với lượng thủy lực phát triển bơm Họ kết luận công suất mũi khoan thông số quan trọng thay cơng suất bơm Hơn nữa, kết luận cơng suất mũi khoan khơng thiết phải tối đa hóa cách vận hành máy bơm với công suất tối đa Các điều kiện để công suất mũi khoan tối đa đưa Kendall and Goins (1960) Áp lực bơm sử dụng cho: - Tổn thất áp suất ma sát thiết bị bề mặt ps - Tổn thất áp suất ma sát ống khoan pdp cần nặng pdc - Tổn thất áp suất gây việc đẩy nhanh dung dịch khoan qua vòi phun - Tổn thất áp suất ma sát vòng xoắn cần nặng pdca vòng xoắn ống khoan pdpa Phương trình tốn học: Ppump D ps D pdp D pdc D pdca D pdpa p bit (1) Tổng áp suất tổn thất ma sát đến từ mũi khoan gọi tổn thất áp lực dọc đường pd : pd D ps D pdp D pdc D pdca D pdpa Từ (1) (2) (2) � Ppump pd pbit (3) Vi phân tổn thất áp lực dọc đường tính cho trường hợp thơng thường dòng chảy rối có phương trình: 1.75 dpd 0.75 v 0.25 0.75q1.75 0.25 dL 1800d 0.25 8624d 4.75 D pd q1.75 m Vì thế, pd biểu diễn bằng: D pd cq Trong đó, m số lý thuyết có giá trị gần 1.75 c số phụ thuộc vào tính chất bùn hình dạng wellbore Thay biểu thức vào (3), ta được: p b p p cq m Từ đó, cơng suất thủy lực tính: m 1 D pbit q D ppump q cq 1714 1714 PHb Sử dụng phương trình để xác định tốc độ dòng chảy mà cơng suất thủy lực mũi khoan tối đa: m dPHb p p (m 1)cq 0 dq 1714 p p ( m 1)cq (m 1)p d m Suy ra: d PHp Ta có vi phân cấp : dq hay pd p p m 1 m(m 1)cq m 1 0 1714 Do đó, cơng suất thủy lực nhỏ tổn thất áp lực dọc đường m lần áp lực bơm Tốc độ dòng chảy tối đa xác định: qmax 1714PHp E pmax Trong đó, E hiệu suất bơm, pmax áp lực bơm tối đa cho phép Tốc độ dòng chảy sử dụng khoan đạt đến độ sâu mà pd / p p giá trị tối ưu Tốc độ dòng chảy sau giảm dần theo chiều sâu để trì tỉ lệ pd / p p giá trị tối ưu Tuy nhiên, tốc độ dòng chảy khơng giảm xuống tốc độ dòng chảy tối thiểu để nâng mùn khoan 1.3 Lực va đập tia tối đa Một số kỹ sư khoan thích chọn kích thước vòi phun để lực va chạm tia tối đa công suất thủy lực mũi khoan McLean kết luận từ thực nghiệm vận tốc dòng chảy đáy hố khoan tối đa cho lực tác động tối đa Eckel thí nghiệm với mũi khoan nhỏ phòng thí nghiệm cho thấy tốc độ khoan học liên quan tới hệ số Reynolds Khi kích thước vòi phun chọn cho lực va đập tia tối đa, hệ số Reynolds xác định Eckel cực đại Các điều kiện để lực va đập tia tối đa đưa Kendall Goins Lực va đập tia cho phương trình: Fj 0.01823cd q D p bit 0.01823c d q (D p pump D p d ) m Fj =0.01823cd D p pumpq c d q m2 ) p cq d Do nên Sử dụng phương trình để xác định tốc độ dòng chảy mà lực va đập tia tối đa: dFj dq Suy ra: 0.009115c d [2p pq (m 2)cq m1 ] p p q cq m2 2p p q (m 2)cq m 1 � q[2p p (m 2)pd ] d Fj Do dq 0 0 hay pd p p m2 nên lực va đập tia tối đa pd p p m2 1.4 Phương pháp phân tích đồ họa Việc lựa chọn kích thước vòi phun đơn giản hóa phần thơng qua việc sử dụng phương pháp phân tích đồ họa, cụ thể sử dụng biểu đồ log – log 1.75 Từ pd tỉ lệ thuận với q , vẽ log( pd ) log(q) mặt lý thuyết có độ dốc 1.75 Hình tóm tắt điều kiện để lựa chọn kích thước vòi phun cho mũi khoan sử dụng thơng số thủy lực khác nhau: Hình – Sử dụng đồ thị log – log để lựa chọn hoạt động bơm phù hợp kích thước vòi phun Các điều kiện cho hoạt động bơm phù hợp lựa chọn vòi phun cho mũi khoan xảy giao điểm đường pd đường dẫn thủy lực tối ưu q opt Đường dẫn hệ thống thủy lực tối ưu có đoạn đường thẳng là: Interval 1, Interval Interval Interval định nghĩa q q max , tương ứng với phần cạn giếng khoan, nơi bơm vận hành áp lực tối đa cho phép Interval 2, định nghĩa số pd , tương ứng với phần trung gian giếng, nơi tốc độ dòng chảy giảm dần để trì pd / pmax giá trị thích hợp cho cơng suất thủy lực lực va đập tia đạt tối đa Interval 3, định nghĩa q q , tương ứng với phần sâu giếng, nơi tốc độ dòng chảy giảm xuống đến giá trị tối thiểu nâng mùn khoan lên bề mặt Điểm giao giúp xác định điểm tối ưu (pb )opt (A t ) opt công thức q opt (pd )opt ( p b ) opt pmax ( pd ) opt (A t )opt xác định cách: , từ tìm Diện tích vòi phun 8.311 �105 q cd2 � pb opt Sau đó, vòi phun chọn cho tổng diện tích vòi phun xấp xỉ (A t )opt Trình tự giải tốn phương pháp phân tích đồ họa Bước 1: Chỉ đường dẫn thủy lực tối ưu Bước 2: Vẽ pd q Bước 3: Từ đồ thị, xác định q pd tối ưu p bit Bước 4: Tính Bước 5: Tính (A t )opt ppump pd tổng diện 8.311 �105 q cd2 � pb opt tích vòi phun (TFA): Bước 6: Tính đường kính vòi phun tối ưu: d N opt 4A opt 3 Bài tốn minh họa Xác định kích thước vòi phun để lực va đập tia đạt tối đa cho lần khoan Biết mũi khoan sử dụng có ba vòi phun đường kính 12/32 in Khi có 9.6 lbm/gal mùn khoan bơm hoạt động với tốc độ 485 gal/min, áp lực bơm 2800 psig bơm chạy chậm với tốc độ 247 gal/min áp lực bơm 900 psig Công suất bơm thủy lực 1250 hp hiệu suất bơm 0.91 Tốc độ dòng chảy nhỏ để nâng mùn khoan 225 gal/min Áp lực bề mặt tối đa cho phép 3000 psig Giả sử mật độ mùn khoan không thay đổi lần khoan Tóm tắt: D 12 / 32 in 9.6 lbm/gal q1 485 gal/min p1 2800 psig q 247 gal/min p2 900 psig PHP 1250 hp E 0.91 qmin 225 gal/min d N opt ? 3.1 Giải toán EXCEL Bước 1: Nhập giá trị INPUT thực “Define Name” 10 Bước 2: Đường dẫn thủy lực tối ưu gồm đoạn là: q max ; Pd ; q Tiến hành vẽ đoạn thẳng biểu đồ log - log EXCEL hỗ trợ vẽ đoạn thẳng biết tọa độ điểm Thực tính tốn sau Excel: + Tính độ tổn thất áp lực qua mũi khoan tốc độ dòng chảy 485 247 gal/min sau: 8.311 �105 q12 8.311 �105 �9.6 �4852 Pb1 1894 2 Cd2 �A 2t � 3 �12 �� 0.952 �� �� �� �4 �32 �� psi 5 5 8.311 �10 q 8.311 �10 �9.6 �247 Pb2 491 2 Cd2 �A 2t � 3 �12 �� 0.952 �� �� �� �4 �32 �� psi + Tính tổn thất áp lực dọc đường tốc độ dòng chảy 485 247 gal/min sau: Pd1 Ppump1 Pb1 2800 1894 906 Pd2 Ppump2 Pb2 900 491 409 psi psi Kết tính tốn Pb Pd EXCEL ảnh đây: 11 Thể điểm (q1 , Pd1 ) (q , Pd2 ) lên đồ thị log – log ảnh đây: + Tính hệ số góc m đường thẳng qua điểm theo công thức: log( Pd1 ) log( Pd ) log(906) log(409) �1.2 log(q1 ) log(q ) log(485) log(247) + Tính tốc độ dòng chảy lớn q max : m 1714PHP E 1714 �1250 �0.91 650 Pmax 3000 gal/min + Tính tổn thất áp lực dòng đường Pd : q max Pd 2 Pmax �3000 1875 m2 1.2 psig 12 Bảng kết tính tốn EXCEL: Sau tính tốn thơng số cần thiết, tiến hành vẽ thơng số lên biểu đồ log – log: + Vẽ Pmax ,q max ,q , Pd : Xác định điểm đầu điểm cuối đoạn thẳng cần vẽ, kết EXCEL thể bảng sau: Các đoạn thẳng thể lên đồ thị: 13 Tiếp theo, vẽ đường thẳng qua điểm (q1 , Pd1 ) (q , Pd2 ) Phương trình đường thẳng biểu đồ log – log với hệ số góc m có dạng: log y m � log x log(q1 ) log( Pd1 ) log y 1.2 � log x log(485) log(906) (1) Thay số, ta được: Đường OPTIMUM đường thẳng song song trục Ox qua giao điểm đoạn thẳng: (1) q max Giao điểm nghiệm hệ phương trình sau: log y 1.2 � log x log(485) log(906) � �x 650 �� � x 650 �y 1280 � Vậy đường OPTIMUM qua điểm y=1280 Tiến hành vẽ lên biểu đồ: Nghiệm y 1280 tổn thất áp lực dọc đường tối ưu Pd opt 1280 psi Pb opt Pmax Pd opt 3000 1280 1720 psi Suy Kết tính EXCEL: 14 + Tính tổng diện tích mặt cắt vòi phun: A t opt 8.311 �105 q 2max 8.311 �10 5 �9.6 �650 0.466 Cd2 � Pb opt 0.922 �1720 + Đường kính vòi phun tối ưu: d N opt A t opt 3 in �0.466 0.445 3 in Kết EXCEL: 3.2 Giải toán MATLAB Sử dụng MATLAB GUI phiên 2016 để thiết kế giao diện giải tốn Bước 1: Sử dụng cơng cụ công cụ GUI để thiết kế giao diện, công cụ bao gồm: Pust Button, Edit Text, Static Test, Axes Kết trình thiết kế giao diện ảnh đây: Bước 2: Thực gắn TAG cho ô INPUT viết code chuyển đổi liệu nhập vào thành kiểu số (String to Number): 15 Bước 3: Viết code tính tốn tương tự EXCEL: Bước 4: Khai báo tọa độ điểm cách sử dụng ma trận a = [ x1 x ] ; b = [ y1 y ] Sau sử dụng lệnh vẽ đồ thị biểu đồ log-log: 16 Bước Viết code in kết hình: Kết tính tốn vẽ đồ thị: Kết luận Để giải tốn “Lực chọn kích thước vòi phun tối ưu cho mũi khoan”, sử dụng phương pháp đồ họa để xử lí tốn cách đơn giản Hai phần mềm thông dụng EXCEL MATLAB Tuy nhiên, qua thực tế làm đề tài, em thấy phần mềm MATLAB có ưu điểm vượt trội so với EXCEL, phần đồ thị 17 Tài liệu tham khảo [1] Bourgoyne, A T., et al - Applied Drilling Engineering (SPE Textbook Series-1984).pdf [2] ThS Đỗ Quang Khánh & ThS Bùi Tử An - Bài giảng điện tử “Tin học ứng dụng kỹ thuật địa chất & dầu khí” 18 ... pd p p m2 1.4 Phương pháp phân tích đồ họa Việc lựa chọn kích thước vòi phun đơn giản hóa phần thơng qua việc sử dụng phương pháp phân tích đồ họa, cụ thể sử dụng biểu đồ log – log 1.75 Từ... tốc vòi phun tối đa 1.2 Công suất thủy lực mũi khoan tối đa 1.3 Lực va đập tia tối đa 1.4 Phương pháp phân tích đồ họa Trình tự giải tốn phương pháp phân tích đồ họa ... kiện để lựa chọn kích thước vòi phun cho mũi khoan sử dụng thông số thủy lực khác nhau: Hình – Sử dụng đồ thị log – log để lựa chọn hoạt động bơm phù hợp kích thước vòi phun Các điều kiện cho hoạt