Phân tích ổn định giếng dựa trên mô hình ứng suất xung quanh lỗ khoan

Việc phát triển mô hình ứng suất xung quanh lỗ khoan liên quan đến các ứng suất tại chỗ, tính chất đất đá cũng như áp suất giếng và cấu hình giếng được trình bày. Nó có thể hiển thị sự phân bố ứng suất quanh một giếng khoan định hướng bất kỳ. Kế tiếp, các biểu đồ bán cầu dưới được trình bày để biểu thị áp suất giếng đòi hỏi khởi tạo các hư hỏng kéo và nén của giếng.

Science & Technology Development, Vol 5, No.T20- 2017 Phân tích ổn định giếng dựa mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan  Đỗ Quang Khánh  Lê Nguyễn Hải Nam  Hoàng Trọng Quang  Nguyễn Xuân Huy Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM ( Bài nhận ngày 30 tháng 12 năm 2016 nhận đăng ngày 27 tháng 11 năm 2017) TĨM TẮT Phân tích ổn định giếng đóng vai trò quan trọng khoan dầu khí Các vấn đề ổn định giai đoạn khoan thường hậu kết hợp ảnh hưởng học hóa học Nghiên cứu nhằm đánh giá ổn định học giếng dựa mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan Việc phát triển mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan liên quan đến ứng suất chỗ, tính chất đất đá áp suất giếng cấu hình giếng trình bày Nó hiển thị phân bố ứng suất quanh giếng khoan định hướng Kế tiếp, biểu đồ bán cầu trình bày để biểu thị áp suất giếng đòi hỏi khởi tạo hư hỏng kéo nén giếng Một chương trình phân tích rủi ro giếng khoan (RAoWB) thiết kế phát triển ngơn ngữ lập trình tính tốn Matlab nhằm biểu diễn phân tích biểu đồ rủi ro khe nứt kéo sinh khoan DITFs (Drilling Induced Tensile Fractures) sạt lở BOs (Breakouts) Chúng giúp chọn lựa quỹ đạo giếng tối ưu dự đoán ổn định giếng gây áp suất giếng khơng thích hợp Từ khóa: phân tích ổn định, mơ hình ứng suất, lỗ khoan MỞ ĐẦU Nhu cầu phân tích ổn định giếng ngày gia tăng cơng nghiệp dầu khí, đặc biệt khoan giếng góc nghiêng lớn bồn trầm tích sâu siêu sâu [1] Phân tích ổn định giếng quan trọng trình khoan giếng dầu khí Các vấn đề ổn định giai đoạn khoan thường kết kết hợp ảnh hưởng học hóa học, phụ thuộc vào nhiều thông số ứng suất chỗ, áp suất lỗ rỗng, tính chất đất đá, dung dịch khoan, quỹ đạo giếng, v.v…[2, 3, 4, 8] Theo lý thuyết học đá, khoan môt giếng vào thành hệ đất đá bị khử tạo thành lỗ khoan Đất đá xung quanh lỗ khoan phải chịu ứng suất gây trước đất đá khử Điều gây biến đổi trạng thái ứng suất xung quanh lỗ khoan áp suất chất lưu giếng thường khơng phù hợp với ứng suất thành hệ chỗ Do có phân bố lại tập trung ứng suất lân cận lỗ khoan [3,4,5,6,7,8] Điều dẫn đến hư hỏng Trang 290 giếng ứng suất sinh xung quanh lỗ khoan vượt sức bền thành hệ Nghiên cứu nhằm đánh giá ổn định học giếng dựa mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan Việc phát triển xây dựng mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan liên quan đến nhiều thông số, bao gồm ứng suất chỗ, tính chất đất đá áp suất giếng cấu hình giếng trình bày Kết mơ hình hiển thị phân bố ứng suất quanh giếng khoan định hướng Các phép biểu diễn biểu đồ bán cầu trình bày nhằm đánh giá ổn định giếng theo góc nghiêng góc phương vị khác Một chương trình phân tích rủi ro giếng khoan (RAoWB) thiết kế phát triển ngơn ngữ lập trình tính tốn Matlab nhằm biểu diễn phân tích biểu đồ rủi ro khe nứt kéo sinh khoan DITFs ứng với hư hỏng kéo sạt lở BOs ứng hư hỏng nén Trường hợp nghiên cứu thực tế phân tích ổn định giếng áp dụng cho giếng khoan TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T5- 2017 mỏ X thuộc bồn trũng Cửu Long, thềm lục địa Việt Nam Chúng giúp dự đoán ổn định giếng gây áp suất giếng khơng thích hợp chọn lựa quỹ đạo giếng tối ưu VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan Việc tính tốn ứng suất quanh giếng khoan nghiêng đòi hỏi tensor ứng suất chỗ biến đổi vào hệ tọa độ giếng Trong hệ tọa độ này, tensor ứng suất khơng biểu diễn độ lớn hướng ứng suất Các thành phần ứng suất trượt khác không tensor ứng suất biến đổi phải biểu diễn lại để tính tốn phân bố lại tập trung ứng xuất xung quanh lỗ khoan [4, 5, 8] Hình Giếng khoan nghiêng với ứng suất vòng (σϴϴ), ứng suất dọc trục (σzz), ứng suất hướng kính (σrr), ứng suất nhỏ (σtmin) ứng suất lớn (σtmax), ω góc σtmax trục giếng Trong giếng nghiêng bất kỳ, ứng suất tác động vùng lân cận thành giếng khoan thường không nằm dọc theo trục giếng (Hình 1) Để khảo sát ứng suất hư hỏng giếng nghiêng phải sử dụng ba hệ tọa độ (Hình 2) là: Hệ tọa độ ứng suất với xs, ysvà zs tương ứng với hướng S1, S2 S3; Hệ tọa độ giếng với xb, yb zb xb hướng kính phía đáy giếng, zb hướng xuống dọc theo trục giếng yb hướng trực giao hệ tọa độ thuận Hệ tọa độ địa lý với X, Y Z hướng theo hướng Bắc, hướng Đơng thẳng đứng hướng xuống; Hình Ba hệ tọa độ dùng để biến đổi giếng nghiêng (theo Peska and Zoback, 1995)[6] Trang 291 Science & Technology Development, Vol 5, No.T20- 2017 Theo Peska and Zoback (1995) phép biến đổi tensor sử dụng để tính tốn thành phần ứng suất ba hệ tọa độ khảo sát Để thuận tiện chọn hệ tọa độ tham chiếu hệ tọa độ địa lý mà đảm bảo đo tensor ứng suất qũy đạo giếng Tổng qt, tensor ứng suất biểu diễn (1) 𝑺𝑯𝒎𝒂𝒙 Ss =( 𝟎 𝟎 𝟎 𝟎 𝟎 𝟎 𝑺𝒉𝒎𝒊𝒏 𝟎 𝟎 𝟎 𝟎 𝟎 𝟎) 𝑺𝒗 (1) Để biến đổi tensor ứng suất vào hệ tọa độ giếng (xb, yb, zb), ta cần hai phép biến đổi tọa độ liên tiếp Đầu tiên, cần biến đổi trường ứng suất vào hệ tọa độ địa lý Tensor ứng suất hệ tọa độ địa lý Sg biểu diễn (2) Sg = RST S S RS Kế tiếp, cần biến đổi tensor ứng suất từ hệ tọa độ địa lý vào hệ tọa độ giếng Tensor ứng suất hệ tọa độ giếng Sb biểu diễn (3) (3) ma trận Rblà ma trận biến đổi tensor ứng suất Sg vào hệ tọa độ giếng Khi xem xét theo ứng suất hiệu dụng tensor ứng suất hiệu dụng (4) σij = Sb,ij – δijPp 𝝉𝜽𝒛 = 𝟐(𝝈𝟐𝟑 𝒄𝒐𝒔𝜽 − 𝝈𝟏𝟑 𝒔𝒊𝒏𝜽) 𝝈𝒓𝒓 = ∆P ∆P độ chênh áp suất áp suất giếng Pm áp suất lỗ rỗng Pp Đối với giếng nghiêng tùy ý ứng suất 𝜏𝜃𝑧 khác khơng, nghĩa ứng suất dọc trục ứng suất vòng khơng phải ứng suất Do vậy, ứng suất thành giếng tính bởi: 𝝈𝒕𝒎𝒂𝒙 = 𝝈𝒕𝒎𝒊𝒏 = 𝟏 𝟐 𝟏 𝟐 (𝝈𝒛𝒛 + 𝝈𝜭𝜭 + √(𝝈𝒛𝒛 − 𝝈𝜭𝜭 )𝟐 + 𝟒𝝉𝟐𝜭𝒛 ) (6) (𝝈𝒛𝒛 + 𝝈𝜭𝜭 − √(𝝈𝒛𝒛 − 𝝈𝜭𝜭 )𝟐 + 𝟒𝝉𝟐𝜭𝒛 ) (7) 𝝈𝒓𝒓 = ∆P (8) 𝝈𝒕𝒎𝒂𝒙 𝝈𝒕𝒎𝒊𝒏 ứng suất hiệu dụng lớn nhỏ mặt phẳng tiếp tuyến thành giếng (Hình 2) Ngồi ra, góc ω 𝝈𝒕𝒎𝒂𝒙 trục giếng mặt phẳng tiếp tuyến thành giếng xác định bởi: 𝐭𝐚𝐧 𝟐𝝎 = 𝝉𝜽𝒛 𝝈𝒛𝒛 −𝝈𝜭𝜭 (9) (4) Sb,ij thành phần i, j tensor ứng suất Sbvà δij ma trận Kronecker Các ứng suất hiệu dụng xung quanh lỗ khoan giếng nghiêng tùy ý có bán kính R biểu diễn tổng quát theo hệ tọa độ trụ phương trình tốn học Một cách đơn giản hóa thành giếng, ứng suất hiệu dụng thành giếng (r = R) là: Trang 292 𝝈𝒛𝒛 = 𝝈𝟑𝟑 − 𝟐ʋ(𝝈𝟏𝟏 − 𝝈𝟐𝟐 ) 𝒄𝒐𝒔𝟐𝜽 − 𝟒ʋ𝝈𝟏𝟐 𝒔𝒊𝒏𝟐𝜽 (5) (2) ma trận Rs ma trận biến đổi tensor ứng suất Ss vào hệ tọa độ địa lý Sb = Rb (RST SS RS) RbT 𝝈𝜽𝜽 = 𝝈𝟏𝟏 + 𝝈𝟐𝟐 − 𝟐(𝝈𝟏𝟏 − 𝝈𝟐𝟐 ) 𝒄𝒐𝒔𝟐𝜽 − 𝟒𝝈𝟏𝟐 𝒔𝒊𝒏𝟐𝜽 − ∆P Đánh giá ổn định giếng qua phép biểu diễn bán cầu Nhằm đánh giá ổn định giếng theo hướng bất kỳ, sử dụng phép biểu diễn bán cầu (như minh họa Hình 3) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T5- 2017 Hình Phép biểu diễn bán cầu dùng để đánh giá ổn định tương đối giếng với góc phương vị góc nghiêng khác (theo Peska and Zoback, 1995) Mỗi điểm biểu đồ bán cầu biểu diễn cho giếng có góc phương vị δ góc nghiêng φ cho trước Giếng thẳng đứng tương ứng với điểm tâm Giếng ngang tương ứng với điểm chu vi ngồi với góc phương vị tương thích Giếng nghiêng biểu diễn điểm góc phương vị cho trước góc nghiêng theo khoảng cách hướng kính tương thích biểu đồ Các biểu đồ bán cầu nhằm đánh giá ổn định giếng xây dựng thông qua biểu đồ phân tích rủi ro việc thành tạo sạt lở BOs khe nứt kéo sinh khoan DITFs Các biểu đồ biểu diễn thông số khác nhau, chẳng hạn áp suất giếng đòi hỏi khởi tạo hư hỏng kéo tương ứng với khe nứt kéo sinh khoan DITFs hay hư hỏng nén tương ứng với sạt lở BOs Áp dụng công thức lý thuyết trên, chương trình phân tích rủi ro giếng khoan RAoWB (Risk Analysis of WellBore) thiết kế phát triển ngơn ngữ lập trình Matlab cho phép tiến hành việc phân tích ổn định giếng dựa mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan phép biểu diễn bán cầu KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trường hợp 1: Kiểm tra đối sánh kết cơng trình nghiên cứu Barton (1998) phân tích hư hỏng nén chiều rộng sạt lở BOs giếng KTB, Đức Các kết cơng trình nghiên cứu Barton (1998) cho thấy chiều rộng sạt lở BOs quan sát giếng KTB, Đức 400 độ bền đất đá C 350 MPa độ lớn ứng suất ngang lớn SHmax xấp xỉ 205 MPa giếng khoan KTB độ sâu 5390 m với thông số sau: hướng SHmax 1700N; ứng suất thẳng đứng Sv = 151 MPa; ứng suất ngang nhỏ Shmin = 105 MPa; áp suất Pp = Pm = 54 MPa Sử dụng chương trình RAoWB để kiểm tra đối sánhlại kết nghiên cứu Barton tiến hành phân tích ổn định giếng giếng có quỹ đạo chịu tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu 5390 m giếng khoan KTB, Đức Các kết đạt từ chương trình RAoWB thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan độ sâu khảo sát 5390 m giếng khoan KTB, Đức biểu diễn Hình Trang 293 Science & Technology Development, Vol 5, No.T20- 2017 Hình Phân bố ứng suất xung quanh giếng khoan KTB độ sâu 5390 m Từ Hình thấy: Sự phân bố thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan giếng khoan KTB, Đức độ sâu khảo sát 5390 m, chịu tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ phạm vi từ bán kính giếng 1.0 R đến bán kính r = 1.5R (R bán kính giếng) Nếu độ bền đất đá cho trước 350 MPa chiều rộng sạt lở wBO tính tốn thành giếng xấp xỉ 400 Giá trị phù hợp với giá trị quan sát thực tế Trang 294 giếng KTB giá trị cơng trình nghiên cứu Barton (1998) 40 ± 50 Ngoài ra, độ bền đất đá tăng chiều rộng sạt lở wBO giảm ngược lại Đặc biệt, độ bền đất đá vượt q 400 MPa sạt lở BOs hồn tồn không xảy (nghĩa chiều rộng sạt lở wBO 00); độ bền đất đá thấp 50 MPa tất vị trí thành giếng bị sạt lở (nghĩa chiều rộng sạt lở wBO 1800) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T5- 2017 A) B) C) D) E) F) Hình Các biểu đồ rủi ro giếng độ sâu 5390 m trường hợp Như vậy, chúng không cho phép biểu diễn cách chi tiết thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan mà cho phép kiểm tra đối sánh lại thông tin khác chiều rộng sạt lở wBO độ sâu khảo sát 5390 m giếng KTB, Đức cơng trình nghiên cứu Barton (1998) Kế tiếp, kết đạt biểu đồ rủi ro liên quan đến khe nứt sinh khoan DITFs ứng với hư hỏng kéo sạt lở BOs ứng với hư hỏng nén giếng có quỹ đạo khác chịu tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu khảo sát 5390 m giếng KTB biểu diễn hình Trang 295 Science & Technology Development, Vol 5, No.T20- 2017 Từ Hình này, ta thấy: Các biểu đồ rủi ro liên quan đến khe nứt sinh khoan DITFs ứng với hư hỏng kéo (được gọi biểu đồ rủi ro khe nứt kéo khoan DIFT) giếng có quỹ đạo khác chịu tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu khảo sát 5390 m giếng KTB biểu diễn theo áp suất giếng (Hình 5B) biểu đồ hướng DITFs (Hình 5A) Các biểu đồ rủi ro liên quan sạt lở BOs ứng với hư hỏng nén (được gọi biểu đồ rủi ro sạt lở BO) giếng có quỹ đạo khác chịu tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu khảo sát 5390 m giếng KTB biểu diễn theo độ bền đất đá (Hình 5D), chiều rộng sạt lở (Hình 5F), hay áp suất giếng (Hình 5E), với biểu đồ hướng BOs (Hình 5C) Đặc biệt, từ biểu đồ rủi ro theo chiều rộng sạt lở wBO (Hình 5F) thấy rõ ràng với độ bền đất đá cho trước 350 MPa chiều rộng sạt lở tính tốn thành giếng đứng gần 400 giống phân tích hình Hơn nữa, tính tốn chiều rộng sạt lở giếng khác dự đoán khả rủi ro thành tạo BOs Trường hợp 2: Phân tích ổn định giếng mỏ X, bồn trũng Cửu Long, khơi Việt Nam Việc quan sát tài liệu FMI xuất khe nứt kéo sinh khoan DITFs không xảy sạt lở BOs độ sâu 2300 m tầng vỉa móng mỏ X, bồn trũng Cửu Long, khơi Việt Nam từ biểu đồ log FMI kết hợp với ứng suất thẳng đứng từ biểu đồ log mật độ Sv; ứng suất ngang nhỏ Shmin từ thử nghiệm LOTs; áp suất lỗ rỗng Pp từ thử nghiệm DSTs cho thấy thành phần tensor đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu khảo sát 2300 m tầng vỉa móng mỏ X biểu thị Bảng 1: Bảng Tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu khảo sát 2300 m mỏ X, bồn trũng Cửu Long Các thành phần ứng suất Ở độ sâu 2300 m Với C0=100 MPa, khơng có BOs có DITFs 1440N Azi_SHmax, 0N Từ FMI Sv, MPa =0,0093Z1,10066 Shmin, MPa Từ LOTs với gradient 14,95MPa/km [0,65 psi/ft] Pp, MPa Từ DSTs với gradient 11,64MPa/km [0,51 psi/ft] SHmax, MPa Các giá trị bảng biểu diễn tensor đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu khảo sát 2300 m tầng vỉa móng mỏ X sử dụng làm thơng số đầu vào cho việc thiết lập mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan biểu đồ phân tích rủi ro qua phép biểu diễn bán cầu liên quan đến hư hỏng kéo hư hỏng nén độ sâu khảo sát 2300 m mỏ X Sử dụng chương trình phân tích rủi ro RAoWB tác động thành phần tensor 3D đầy đủ độ sâu khảo sát, tiến hành phân tích ổn định giếng Trang 296 48,82 MPa 34,39 MPa 26,77 MPa 50 MPa giếng khoan có góc phương vị góc nghiêng khác độ sâu khảo sát mỏ X, bồn trũng Cửu Long, khơi Việt Nam Các kết đạt từ chương trình RAoWB thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan độ sâu khảo sát 2300 m giếng thăm dò thẳng đứng X1 mỏ X biểu diễn Hình Từ Hình 6, ta thấy: Sự phân bố thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan giếng X1 độ sâu khảo sát 2300 m, chịu TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T5- 2017 tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ phạm vi từ bán kính giếng 1.0 R đến bán kính r = 1.5R (R bán kính giếng) thường thực tế cân khả xuất sạt lở BOs xảy độ bền đất đá granite đo lên đến 100 Mpa cao Nếu BOs xuất vị trí rủi ro dọc theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin tập trung ứng suất nén Để ngăn cản rủi ro việc xuất sạt lở BOs độ bền đất đá đòi hỏi cần lớn 60 MPa Do vậy, với chế độ khoan thông Tuy nhiên, việc xuất khe nứt sinh khoan DIFTs dọc theo hướng ứng suất ngang lớn SHmax rõ ràng ứng suất nhỏ đạt đến giá trị âm thành giếng Hình Phân bố ứng suất xung quanh giếng khoan X1 độ sâu 2300 m, mỏ X, bồn trũng Cửu Long Như vậy, chúng không cho phép biểu diễn cách chi tiết thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan mà cho phép kiểm tra lại thông tin hư hỏng giếng thăm dò thẳng đứng X1 từ biểu đồ FMI với xuất khe nứt kéo sinh khoan DITFs mà hồn tồn khơng có sạt lở BOs độ sâu khảo sát 2300 m Kế tiếp, kết đạt biểu đồ rủi ro liên quan đến khe nứt sinh khoan DITFs ứng với hư hỏng kéo sạt lở BOs ứng với hư hỏng nén giếng có quỹ đạo khác chịu tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ độ sâu khảo sát 2300 m mỏ X biểu diễn Hình Từ Hình 7, phân tích rủi ro việc xuất DITFs và/hay BOs giếng có quỹ đạo khác chịu tensor ứng suất chỗ độ sâu khảo sát nhằm dự đoán ngăn ngừa ổn định giếng khoan chọn lựa quỹ đạo giếng tối ưu lập kế hoạch giếng Sự xuất DITFs và/hay BOs giếng nghiêng phụ thuộc vào quỹ đạo giếng tensor 3D đầy đủ ứng suất chỗ bao gồm hướng độ lớn, độ bền đất đá độ sâu khảo sát Ổn định giếng Trang 297 Science & Technology Development, Vol 5, No.T20- 2017 thường đánh giá theo rủi ro việc tuần hoàn dung dịch tạo thành khe nứt kéo khoan DITFs thành giếng (được gọi biểu đồ rủi ro DITF); rủi ro việc sạt lở giếng tạo thành sạt lở BOs (được gọi biểu đồ rủi ro BO) SHmax giếng khoan hướng gần 1440N 3240N (song song với SHmax) giếng đứng X1 Tại tất hướng giếng khác khe nứt kéo khoan DITFs nghiêng lệch đáng kể trục giếng (Hình 7A) Hướng khe nứt kéo khoan DITFs (nếu xuất hiện) dọc trục giếng hướng theo hướng A) B) C) D) E) F) Hình Các biểu đồ rủi ro giếng độ sâu 2300 m mỏ X, bồn trũng Cửu Long Biểu đồ rủi ro DITF thường biểu diễn theo áp suất giếng cho phép mà lớn giá trị khe nứt kéo khoan DITFs xảy (Hình 7B) Từ biểu đồ thấy: Tại giếng đứng khả rủi ro thành tạo DITFs cao nhất, nghĩa giá trị áp suất giếng lớn cho phép xảy DITFs nhỏ Đối giếng khoan Trang 298 dọc theo hướng ứng suất ngang lớn SHmax giá trị biểu đồ rủi ro DITF giảm nhẹ Tuy nhiên, đối giếng khoan dọc theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin giá trị biểu đồ rủi ro DITF lại tăng đáng kể Đặc biệt, giếng ngang khoan theo hướng Shmin việc xuất DITFs đòi hỏi áp suất TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T5- 2017 giếng cao 65 MPa Do vậy, khả rủi ro thành tạo DITFs thấp giếng ngang khoan theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin (540N 2340N) đòi hỏi độ bền đất đá cao 46 MPa Do vậy, khả rủi ro thành tạo BOs thấp giếng ngang khoan theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin (540N 2340N) Dưới trạng thái trường ứng suất áp suất giếng gần với áp suất lỗ rỗng (26.67 MPa) khe nứt kéo khoan DITFs xảy hầu hết các giếng phù hợp thực tế khoan giếng đứng X1, ngoại trừ giếng nghiêng lệch cao có hướng giếng dọc theo hướng gần với hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin Tại giếng lệch lớn (góc nghiêng lệch > 500) khoan dọc theo hướng gần 540N and 2340N (tức song song với ứng suất ngang nhỏ Shmin), khởi tạo khe nứt kéo khoan DITFs xảy đòi hỏi áp suất giếng phải cao 40MPa Thật vậy, theo biểu đồ tiến hành khoan cân giếng lệch cao X2 (góc nghiêng 510, góc phương vị 2260) giếng cận ngang X3 (góc nghiêng 880, góc phương vị 2310) hồn tồn khơng có xuất khe nứt kéo khoan DIFTs giống hệt thực tế khoan Dưới trạng thái trường ứng suất với độ bền đất đá đo (100 MPa) sạt lở BOs hồn tồn khơng xảy với tất giếng có quỹ đạo Thật vậy, theo biểu đồ tiến hành khoan cân giếng đứng X1 giếng lệch lớn X2 (góc nghiêng 510, góc phương vị 2260) giếng cận ngang X3 (góc nghiêng 880, góc phương vị 2310) hồn tồn khơng có xuất sạt lở BOs giá trị cao độ bền đất đá đòi hỏi ngăn cản thành tạo sạt lở BOs 62 MPa giếng đứng Điều phù hợp thực tế khoan giếng Hướng sạt lở BOs (nếu xuất hiện) biểu diễn theo hướng nhìn xuống lỗ khoan Các giếng hướng dọc theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin (540N 2340N) có sạt lở BOs phía phía lỗ khoan, giếng hướng dọc theo hướng ứng suất ngang lớn SHmax (1440N 3240N) có sạt lở BOs cạnh bên lỗ khoan (Hình 7C) Biểu đồ rủi ro BO thường biểu diễn theo độ bền đất đá đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs mà lớn giá trị sạt lở BOs khơng xảy (Hình 7D) Từ biểu đồ ta thấy: Tại giếng đứng khả rủi ro thành tạo BOs cao nhất, nghĩa giá trị độ bền đất đá đòi hỏi ngăn cản thành tạo sạt lở BOs cao Đối giếng khoan dọc theo hướng ứng suất ngang lớn SHmax giá trị biểu đồ rủi ro BO theo độ bền đất đá giảm nhẹ Tuy nhiên, đối giếng dọc theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin giá trị biểu đồ rủi ro BO theo độ bền đất đá lại giảm đáng kể Đặc biệt, giếng ngang khoan theo hướng Shmin việc ngăn cản thành tạo sạt lở BOs Hơn nữa, biểu đồ rủi ro BO biểu diễn theo độ rộng sạt lở BOs (Hình 7E) Từ biểu đồ thấy trạng thái trường ứng suất với độ bền đất đá đo thông số khoan khoan giếng đứng độ rộng sạt lở BOs biểu đồ 0, nghĩa sạt lở BOs hồn tồn khơng xảy với tất giếng có qũy đạo mỏ X Biểu đồ rủi ro BO biểu diễn theo áp suất giếng đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs mà lớn giá trị sạt lở BOs khơng xảy (Hình 7F) Từ biểu đồ thấy: Tại giếng đứng khả rủi ro thành tạo BOs cao nhất, nghĩa giá trị áp suất giếng đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs cao Đối giếng khoan dọc theo hướng ứng suất ngang lớn SHmax giá trị biểu đồ rủi ro BO theo áp suất giếng đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs giảm nhẹ Tuy nhiên, đối giếng dọc theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin giá trị biểu đồ rủi ro BO theo áp suất giếng đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs lại giảm đáng kể Đặc biệt, giếng ngang khoan theo hướng Shmin việc ngăn cản thành tạo sạt lở BOs đòi hỏi áp suất giếng đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs gần 19 MPa Do vậy, khả rủi ro thành tạo BOs thấp giếng ngang Trang 299 Science & Technology Development, Vol 5, No.T20- 2017 khoan theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin (540N 2340N) Dưới trạng thái trường ứng suất áp suất giếng gần với áp suất lỗ rỗng (26.67 Mpa) sạt lở BOs hồn tồn khơng xảy với tất giếng có quỹ đạo giá trị áp suất giếng đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs khoảng từ 19 MPa (đối với giếng ngang khoan theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin) đến 22 MPa (đối với giếng đứng) Thật vậy, theo biểu đồ tiến hành khoan cân giếng đứng X1 giếng lệch lớn X2 (góc nghiêng 510, góc phương vị 2260) giếng cận ngang X3 (góc nghiêng 880, góc phương vị 2310) hồn tồn khơng có xuất sạt lở BOs giá trị cao áp suất giếng đòi hỏi để ngăn cản thành tạo sạt lở BOs khoảng 21 MPa giếng đứng Điều phù hợp thực tế khoan giếng cho phép đánh giá khả khoan áp dụng công nghệ khoan cân có áp suất giếng nhỏ áp suất lỗ rỗng (26.67 Mpa) mỏ X Tóm lại, từ kết đạt qua việc sử dụng chương trình phân tích rủi RAoWB mỏ X, bồn trũng Cửu Long, khơi Việt Nam để tiến hành phân tích ổn định giếng thấy sau: Đối với khả xảy hư hỏng DITFs BOs, giếng đứng giếng không ổn định giếng ngang khoan theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin (540N 2340N) giếng ổn định Quỹ đạo khoan tối ưu hướng khoan dọc theo hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin (540N 2340N) lớn X2 (góc nghiêng 510, góc phương vị 2260) giếng cận ngang X3 (góc nghiêng 880, góc phương vị 2310) có hướng khoan khoan gần với hướng ứng suất ngang nhỏ Shmin (540N 2340N) mỏ Điều cho phép đánh giá khả khoan áp dụng cơng nghệ khoan cân có áp suất giếng nhỏ áp suất lỗ rỗng (26.67 Mpa) mỏ X KẾT LUẬN Dựa mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan phép biểu diễn bán cầu dưới, phân tích ổn định giếng giếng có quỹ đạo khoan thực thơng qua phân tích hư hỏng kéo tương ứng với khe nứt kéo sinh khoan DITFs hư hỏng nén tương ứng với sạt lở BOs thể qua biểu đồ DITF biểu đồ BO Chương trình phân tích rủi ro giếng khoan RAoWB thiết kế phát triển ngơn ngữ lập trình tính tốn Matlab áp dụng để tiến hành phân tích ổn định giếng cho trường hợp nghiên cứu Chúng không dự đoán đánh giá ổn định giếng mà cho phép chọn lựa quỹ đạo giếng tối ưu hay áp suất giếng thích hợp Các kết đạt trường hợp nghiên cứu trường mỏ X, bồn trủng Cửu Long, khơi Việt Nam phù hợp với thực tế khoan giếng khoan mỏ Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Phòng Mơ phỏng, khoa Kỹ Thuật Địa Chất Dầu Khí, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Bách khoa–ĐHQG-HCM khuôn khổ đề tài mã số T-ĐCDK-2016-16 Phân tích ổn định giếng mỏ X phù hợp thực tế khoan giếng đứng X1 giếng lệch Wellbore stability analysis based on the stress model around boreholes  Do Quang Khanh  Le Nguyen Hai Nam  Hoang Trong Quang  Nguyen Xuan Huy University of Technology, VNU–HCM Trang 300 TAÏP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T5- 2017 ABSTRACT Wellbore stability analysis plays an important role in diagrams are presented to demonstrate the wellbore the oil and gas drilling Instability problems during the pressure required to initiate borehole tensile and drilling phase are often the results of a combination of compressive failures A program for the risk analysis of both mechanical and chemical effects This study aims to wellbore (RAoWB) is designed and developed by the assess the mechanical wellbore stability based on the Matlab programming language to describe and analyse stress model around boreholes The development of the the risk diagrams of the drilling induced tensile fractures stress model around boreholes, which is associated with (DITFs) and breakouts (BOs) They help to choice the the in-situ stresses, rock properties as well as the optimum wellbore trajectories for well planning, as well wellbore pressure and configuration, are presented It as to predict the wellbore instabilities caused by could visualize the stress distribution around an inappropriate wellbore pressures arbitratily orientated wellbore Next, lower hemisphere Keywords: wellbore stability analysis, stress model, boreholes TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B.S Aadnoy, M.E Chenevert, Stability of highly inclined boreholes, SPE Drilling Engineering, 2, 364–374 (1987) [2] C.A Barton, D.A Castillo, D Moos, P Peska, M.D Zoback, Characterizing the full stress tensor based on observations of drilling -induced wellbore failures in vertical and inclined boreholes leading to improved wellbore stability and permeability prediction, APPEA Journal 38, 1, 466–487 (1998) [3] E Fjaer, R.M Holt, P Horsrud, A.M Raaen, R Risnes, Petroleum related rock mechanics 2nd, Elsevier Ed., Developments in Petroleum Science, 53, 1–491 (2008) [4] D.Q Khanh, PhD's thesis, Characterizing the full in-situ stress tensor and its applications for petroleum activities, Dept of Energy and Recourses Engineering, Chonnam National University, Korea (2013) [5] D.Q Khanh, L.N.H Nam, N.X Huy, H.T Quang, N.T.T Tam, B.T An, Development of the stress model around boreholes, Proceedings of the 5th World Conference on Applied Sciences, Engineering and Technology 02-04 June, HCMUT, Vietnam, ISBN 13: 978-81-930222-2-1, 115–122 (2016) [6] P Peska, M.D Zoback, Compressive and tensile failure of inclined wellbore and determination of insitu stress and rock strength, Journal of geophysical Research, 791–812 (1995) [7] J Qing, K Randy, S Doug, Stress damage in borehole and rock cores; Developing new tools to update the stress map of Alberta, Geo convention: Intergration (2013) [8] M.D Zoback, Reservoir Geomechanics, Cambridge University Press, New York, 1–449 (2010) [9] M.D Zoback, C.A Barton, M Brudy, D.A Castillo, T Finkbeiner, B.R Grollimund, D.B Moos, P Peska, C.D Ward, D.J Wiprut, Determination of stress orientation and magnitude in deep wells, Int Journal Rock Mechanic and Mining Science, 40, 1049–1076 (2003) Trang 301 ... áp suất giếng nhỏ áp suất lỗ rỗng (26.67 Mpa) mỏ X KẾT LUẬN Dựa mơ hình ứng suất xung quanh lỗ khoan phép biểu diễn bán cầu dưới, phân tích ổn định giếng giếng có quỹ đạo khoan thực thơng qua phân. .. tốn phân bố lại tập trung ứng xuất xung quanh lỗ khoan [4, 5, 8] Hình Giếng khoan nghiêng với ứng suất vòng (σϴϴ), ứng suất dọc trục (σzz), ứng suất hướng kính (σrr), ứng suất nhỏ (σtmin) ứng suất. .. thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan độ sâu khảo sát 2300 m giếng thăm dò thẳng ứng X1 mỏ X biểu diễn Hình Từ Hình 6, ta thấy: Sự phân bố thành phần ứng suất xung quanh lỗ khoan giếng X1 độ