Những kết quả nghiên cứu được tác giả trình bày trong bài báo đã thể hiện tính ưu việt và hiệu quả khi ứng dụng thiết bị làm mát dung dịch “Mud cooler” cho giếng nhiệt độ và áp suất cao ST-3P-ST. Việc ứng dụng hiệu quả thiết bị làm mát dung dịch “Mud cooler” là minh chứng khoa học đầy đủ cho việc áp dụng thi công các giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao ở mỏ khí Sư Tử Trắng của bể Cửu Long.
ỨNG DỤNG THIẾT BỊ LÀM MÁT DUNG DỊCH “MUD COOLER” ĐỂ KHOAN GIẾNG NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO (HPHT) Ở BỂ CỬU LONG NGUYỄN TRẦN TUÂN* The effective application of “Mud cooler” machine to support for drilling in high temperature, high pressure infill ST-3P-ST well Abstract: This paper presents some studies on applying the Mud cooler in Oil & Gas drilling in high temperature, high pressure infill wells in Cuu Long reservoir The author has proposed a method to study the theory of temperature effects on drilling fluid properties, that have been tested practically The author has remarked on each type of drilling rig and installation location With these remarks, give the option to install the "Mud cooler" on the rig at the appropriate location and method so that the temperature of the solution will be reduced to a safe level The effective application of this equipment has greatly assisted drilling process since the fluid temperature has reduced sharply before returning to the mud tank This has helped cut down expenses significantly by prolonging eqipment's endurability, saving time for drilling, ship renting, drilling services and minimize the budget spent on buying the fluid and additives to recover it Thus, the drilling workers' working conditions have been facilitated The studies'results have been proved scientifically and practically through the successful drilling of well ST-3P-ST This will make the way for other local wells and reservoirs with the same conditions of temperature and pressure Key words: High temperature, , ST-3P-ST well, Mud cooler ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU * Hiện nay, mỏ Sư Tử Trắng thuộc bể Cửu Long thi cơng giếng khoan đan dày nhằm tìm kiếm nâng cấp trữ lượng dầu khí Các giếng khoan đan dày mỏ Sư Tử Trắng giếng nhiệt độ áp suất cao Trong giếng nhiệt độ áp suất cao (HPHT), dung dịch khoan chịu nhiệt tốt có giới hạn định Nếu vượt * Bộ môn Khoan- Khai thác, Trường Đại học Mỏ Địa chất E-mail: nguyentrantuan1102@gmail.com 36 nhiệt độ áp suất giới hạn, dung dịch khoan bị phá vỡ cấu trúc, tính ổn định làm thay đổi thông số giảm độ nhớt, độ thải nước, v.v dẫn đến phức tạp cố khoan Kết nghiên cứu lý thuyết thực tế cho thấy nhiệt độ 80oC độ nhớt hầu hết loại dung dịch khoan ~ 0,35 cp; điều ảnh hưởng nghiêm trọng tới cấu trúc dung dịch [2,3] gây ổn định thành giếng cố phức tạp khoan, đòi hỏi chi phí nhiều thời gian thi cơng giếng chi phí hóa phẩm để gia ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 công dụng dịch, dẫn tới giá thành khoan giếng tăng Đồng thời, nhiệt độ dung dịch khoan tăng nhiệt độ cho phép ảnh hưởng đến khả làm việc tuổi thọ thiết bị khoan, đến khả làm việc dụng cụ khoan; tới mức độ xác thiết bị đo lường (MWD) thiết bị ghi (LWD) khoan Chúng dẫn đến hao mòn mức chi tiết đàn hồi thiết bị đo MWD, LWD; làm hư hỏng vòng bịt kín cao su thiết bị chống phun (BOP), máy khuấy, máy ly tâm máy bơm dung dịch [3] Ngoài ra, dung dịch khoan q nóng giải phóng khí độc từ hóa phẩm gia cơng dung dịch, gây ô nhiễm nguy hiểm đến môi trường làm việc người thợ khoan Phân tích tài liệu địa chất chế độ nhiệt giếng khoan bể Cửu Long; tác giả nhận thấy việc sử dụng phương tiện “Mud cooler” để làm mát giữ ổn định nhiệt độ cho phép dung dịch khoan hệ tuần hồn giếng việc khơng thể thiếu, có tính cần thiết đáp ứng kịp thời yêu cầu sản xuất giảm thiểu tác động không tốt nhiệt độ giếng khoan NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ NHIỆT VÀ PHÂN BỐ NHIỆT TRONG GIẾNG KHOAN Trong trình khoan, dung dịch khoan bị làm nóng nhiều yếu tố kết hợp với kết hợp áp suất, nhiệt độ tự nhiên thành hệ giếng với ma sát học dụng cụ khoan làm việc Điều làm cho tính lưu biến dung dịch thay đổi; đặc biệt độ nhớt dung dịch giảm xuống mức cho phép chuyển động phân tử tăng lên (hình 1), cấu trúc dung dịch bị phá vỡ, lực ma sát nội bị giảm Hiện tượng giải thích thuyết động học phân tử ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 y B y y v v B o v F 2 A A Hình 1.Chuyển động lớp chất lỏng Để dịch chuyển tương đối lớp chất lỏng với cần tác dụng lực F1 đó, lực có giá trị lực ma sát nội tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tiếp xúc S lớp chất lỏng Mối liên quan lực tác dụng diện tích tiếp xúc biểu diễn cơng thức: F1 = fS (1) Trong : f - ứng suất trượt (đặt đơn vị diện tích); S - diện tích lớp tiếp xúc Vận tốc chuyển động lớp thay đổi theo quy luật tuyến tính, nghĩa tỷ lệ với khoảng cách từ chúng tới mặt phẳng chuyển động B-B (2) Ứng suất trượt f tỷ lệ với biến thiên vận tốc theo hướng trục tung (y) phụ thuộc vào (y) theo quy luật tuyến tính Vì ta viết: (3) - hệ số ma sát nội phụ thuộc vào tính chất chất lỏng, thay (3) vào (1) ta có: (4) Tổng quát hơn, ứng với thay đổi gradien vận tốc chiều dày đủ nhỏ lớp chất lỏng, ta có: (5) Từ ta có: (6) Về mặt ý nghĩa vật lý hệ số η lực tiếp 37 tuyến cần thiết để làm dịch chuyển tương đối hai lớp chất lỏng có bề mặt tiếp xúc đơn vị diện tích, cách đơn vị độ dài với vận tốc đơn vị vận tốc Trong q trình tuần hồn dung dịch, trao đổi nhiệt từ đáy giếng lên bề mặt diễn suốt trình khoan Biên độ chênh lệch nhiệt độ đáy giếng vỉa phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc chuyển động dòng chảy dung dịch hệ tuần hồn giếng khoan [4] Hình Đường biểu thị nhiệt độ giếng ST-3P-ST mỏ Sư Tư Trắng Chế độ nhiệt suốt chiều dài thân giếng thay đổi phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố Graddien nhiệt độ giếng khoan không giống nhau; giếng khoan sâu, nhiệt độ thân giếng lớn (hình 2), làm thay đổi tính chất lưu biến dung dịch Ngày 38 nay, phần mềm máy tính Cơng ty Dịch vụ dung dịch khoan MI-Swaco, Halliburton Baroid, Scomi, dễ dàng cung cấp số liệu có tính chất định tính chi tiết cấu hình nhiệt độ giếng khoan; kết hợp với kết thu từ thiết bị đo MWD khoan, ta nhận biết xác nhiệt độ đáy giếng để đề xuất giải pháp xử ký phục hồi tính chất dung dịch khoan [1] KHẢO SÁT LẮP ĐẶT THIẾ T BỊ LÀM MÁT DUNG DỊCH KHOAN “MUD COOLER” VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TẠI 3.1 Sơ đồ lắp đặt thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” giàn khoan giếng ST-3P-ST Trên sở nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị “Mud cooler” khảo sát thực tế, phân tích đặc thù loại giàn khoan vị trí lắp đặt; tác giả nhận định lắp đặt thiệt bị “Mud cooler” giàn vị trí khơng phù hợp “nhiệt độ dung dịch khơng giảm tới mức an tồn để thi công” Hàng loạt thử nghiệm thực để kiểm tra tính thực tiễn việc lắp đặt hệ thống làm mát dung dịch cho thấy: lắp đặt thiết bị làm mát hợp lý, phù hợp với loại giàn khoan đem lại hiệu cao việc giảm nhiệt độ giếng, tăng tuổi thọ thiết bị khoan, kiểm sốt tốt tính lưu biến dung dịch với sử dụng chất phụ gia, sử dụng hiệu thiết bị MWD Đặc tính tiên tiến hệ thống thiết bị “Mud cooler”: - Các phận hoạt động song song nối tiếp để phù hợp với khoạt động khoan; tỷ lệ lưu thông dung dịch giảm nhiệt độ theo yêu cầu nhà thầu thi cơng; - Theo dõi tình trạng hoạt động thiết bị đồng hồ đo áp suất nhiệt kế học tất dòng chảy qua thiết bị; - Khung khung trượt cấp chứng nâng hạ cho thiết bị hoạt động biển; ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 - Đường chảy lớn để ngăn chặn tắc nghẽn trình thiết bị hoạt động - Thiết bị dễ sử dụng lắp đặt dễ dàng giàn khoan thông qua đầu kết nối ống nhanh - Tất chi tiết thiết bị chế tạo theo tiêu chuẩn ASME API - Thiết kế nhỏ gọn cho phép dễ dàng vận chuyển xe tải bờ tàu dịch vụ biển, container giảm thiểu yêu cầu không gian boong để lắp đặt thiết bị Ngay từ đưa giàn khoan vào vị trí khoan biển; thiết bị làm mát dung dịch (Mud Cooler) tiến hành lắp đặt song song với thiết bị khoan khác Khi khoan dòng dung dịch tuần hoàn lên bề mặt chảy qua hệ thống thiết bị làm mát Mud Cooler trước chảy hệ thống bể chứa Với hoạt động hiệu hệ thống làm mát, nhiệt độ dung dịch giảm từ 10-15 o C giúp cho hệ thống máy bơm, dụng cụ khoan giếng, thiết bị đo LWD/MWD đảm bảo hoạt động lâu dài hơn, giảm thời gian từ 1-2 ngày phải kéo thả thay dụng cụ khoan Đặc biệt với hệ thống làm mát dung dịch tính chất dung dịch bảo đảm tốt hơn, không bị phá vỡ cấu trúc dung dịch, giảm giá thành dung dịch thêm nhiều hóa chất phụ gia để bổ sung cho tính chất dung dịch Có phương pháp lắp đặt hệ thống làm mát Mud Cooler giàn khoan: i/ Phương pháp - lắp đặt trực tiếp từ phòng máy bơm, đầu nối Mud Cooler lắp trực tiếp vào bể chứa dung dịch dòng hồi dung dịch làm mát chảy trực tiếp trở lại vào bể chứa dung dịch (hình 3) ii/ Phương pháp thứ 2- lắp đặt bề mặt; đầu nối Mud Cooler nối trực tiếp vào bể lắng cát bên sàng rung dòng hồi dung dịch làm mát chảy đường hồi vào bể chứa dung dịch (hình 4) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 Hình Sơ đồ lắp đặt hệ thống Mud Cooler giàn khoan (từ phòng máy bơm) Hình Sơ đồ lắp đặt hệ thống Mud Cooler giàn khoan (trực tiếp vào bể lắng) Sau khảo sát giàn khoan jack-up PVD6, hệ thống Mud Cooler đề xuất lắp đặt sau (hình 5): - Thiết bị làm mát (Mud Cooler) lắp đặt mạn phải giàn khoan, bên sàn cantilever cạnh hệ thống máy bơm vữa ximăng Trọng lượng cụm Mud Cooler 6,1 tấn; cần diện tích bề mặt lắp đặt 13m² (kích thước thiết bị dài 4,8m x rộng 2,3m x cao 2,05m); - Thiết bị lọc (Strainer) lắp đặt cạnh mạn phải giàn khoan; trọng lượng thiết bị Strainer 1,0 tấn; diện tích lắp đặt 2.1m² (kích thước thiết bị rộng 0,99m x dài 2,12m x cao 1,1m); - Máy bơm ly tâm (Centrifugal Pump) 39 lắp đặt mạn phải giàn, khu vực sàng rung - Máy bơm điện chìm (Submersible Pump) dự phòng để cung cấp nước biển làm mát thiết bị Mud Cooler trường hợp hệ thống bơm nước biển giàn khoan bị hư hỏng Giếng khoan ST-3P-ST thiết kế sử dụng hệ dung dịch khoan gốc dầu (SBM), với tính ức chế sét tốt Nhưng nhiệt độ giếng khoan cao, cấu trúc tính lưu biến dung dịch thay đổi làm ảnh hưởng tới ổn định thành giếng khoan Hơn nữa, giếng sử dụng hệ dung dịch khoan gốc dầu cần phải trì nhiệt độ nhiệt độ tự bốc cháy bọt dầu để đảm bảo điều kiện an tồn cơng tác khoan Chính vậy, Cơng ty dầu khí Cửu Long định sử dụng thử nghiệm hệ thống làm mát dung dịch “Mud cooler” cho giếng ST-3P-ST Hình 5: Sơ đồ lắp đặt Mud Cooler giàn khoan jack-up PVD6 3.2 Kết thử nghiệm thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” giếng khoan ST-3P-ST Giếng khoan ST-3P-ST thuộc mỏ Sư Tử Trắng Cửu Long JOC giếng nhiệt độ, áp suất cao; nhiệt độ đáy giếng lên tới gần 170oC (hình 1) [1] Giếng khoan thiết kế mở cửa sổ từ thân giếng cũ qua ống chống 13 3/8” chiều sâu 1686 mMD Khoan 12 ¼” chống ống 5/8” tới chiều sâu 3500mMD/3200mTVD; sau khoan thân giếng đường kính ½” chống ống lửng 7” từ 3400mMD tới 4298mMD; đoạn cuối giếng khoan đường kính 6” chống ống lửng ½” từ 4098mMD tới 4562mMD Cấu trúc giếng khoan ST-3P-ST xem hình [ 1] 40 Hình 6: Cấu trúc giếng ST-3P-ST Kết thử nghiệm cho thấy: nhiệt độ giếng khoan cao hiệu giảm nhiệt độ dung dịch qua hệ thống Mud cooler rõ ràng [1] Với kết ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 nhiệt độ giảm Min-Mid-Max là: 10 o C - 17 o C - 20 o C chứng minh hiệu ứng dụng hệ thống làm mát dung dịch để hỗ trợ cho giếng khoan nhiệt độ áp suất cao (HPHT) Ứng dụng hệ thống làm mát dung dịch cho phép tăng thời gian làm việc dụng cụ khoan giếng giảm số lần kéo thả để thay dụng cụ phá hủy đá; giữ tính chất dung dịch ổn định (giảm lượng hóa chất phụ gia để xử lý dung dịch); làm mát bề mặt tạo mơi trường an tồn cho cơng nhân viên làm việc giàn đặc biệt người trực tiếp làm việc với dung dịch hàng ngày, hàng Các kết thử nghiệm thiết bị làm mát Mud cooler giếng khoan ST-3P-ST trình bày bảng Từ kết đạt ứng dụng thiết bị làm mát giếng ST-3P-ST; tác giả tính tốn tiết kiệm chi phí cho cơng tác khoan từ nghiên cứu ứng dụng Nếu giảm lần kéo thả tiết kiệm ngày làm việc giàn khoan, từ giảm đáng kể giá thành khoan Kết tính tốn chi phí xem bảng Bảng Các kết sử dụng hệ thống làm mát dung dịch “Mud cooler” giếng khoan ST-3P-ST ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 41 Bảng Các chi phí tiết kiệm ứng dụng hệ thống làm mát dung dịch “Mud cooler” giếng khoan ST-3P-ST Đơn giá (USD) Mô Tả Tiết kiệm lần kéo thả để thay khoan cụ BHA, tiết kiệm ngày giàn khoan làm việc 55.000 110.000 Tiết kiệm ngày thuê tàu dịch vụ 20.000 40.000 Tiết kiệm ngày thuê dịch vụ khoan nhà dịch vụ thứ 175.000 350.000 Giảm lượng hóa chất phụ gia để xử lý dung dịch môi trường nhiệt độ cao 90.000 90.000 Trừ chi phí dịch vụ Mud Cooler -110.000 -110.000 Tổng cộng: 480.000 Với tổng tiết kiệm gần nửa triệu đô la Mỹ (480.000USD) số ấn tượng với ứng dụng thiết bị làm mát “Mud cooler” cho giếng khoan nhiệt độ áp suất cao Với việc giảm thời gian kéo thả khoan cụ bị hỏng, tăng thời gian khoan; giảm tượng phức tạp dung dịch khoan gây KẾT LUẬN Ứng dụng hiệu thiết bị “Mud cooler” giảm thiểu chi phí khoan lớn yếu tố: tiết kiệm thời gian khoan, thời gian thuê tàu, thời gian thuê dịch vụ khoan giảm thiểu chi phí sử dụng chất phụ gia để phục hồi tính chất dung dịch… Những kết nghiên cứu tác giả trình bày báo thể tính ưu việt hiệu ứng dụng thiết bị làm mát dung dịch “Mud cooler” cho giếng nhiệt độ áp Số lượng Tổng giá thành (USD) STT suất cao ST-3P-ST Việc ứng dụng hiệu thiết bị làm mát dung dịch “Mud cooler” minh chứng khoa học đầy đủ cho việc áp dụng thi công giếng khoan nhiệt độ áp suất cao mỏ khí Sư Tử Trắng bể Cửu Long TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công ty liên doanh điều hành Cửu Long (2018), Chương trình khoan ST-3P-ST [2] Trần Đình Kiên (2002), Dung dịch khoan vữa trám, giáo trình trường Đại học Mỏ - Địa chất [3] Trương biên, Nguyễn Xuân Thảo, Phạm Thành, Trần Bản nnk biên dịch (2007), Cẩm nang kỹ sư công nghệ khoan giếng sâu NXB KHKT, Hà Nội [4] Editions Technip (2014), Drilling Data handbook Người phản biện: PGS, TS NGUYỄN XUÂN THẢO 42 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 ... thống làm mát dung dịch để hỗ trợ cho giếng khoan nhiệt độ áp suất cao (HPHT) Ứng dụng hệ thống làm mát dung dịch cho phép tăng thời gian làm việc dụng cụ khoan giếng giảm số lần kéo thả để thay dụng. .. ST-3P-ST Việc ứng dụng hiệu thiết bị làm mát dung dịch “Mud cooler” minh chứng khoa học đầy đủ cho việc áp dụng thi công giếng khoan nhiệt độ áp suất cao mỏ khí Sư Tử Trắng bể Cửu Long TÀI LIỆU... THIẾ T BỊ LÀM MÁT DUNG DỊCH KHOAN “MUD COOLER” VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TẠI 3.1 Sơ đồ lắp đặt thiết bị làm mát dung dịch khoan “Mud cooler” giàn khoan giếng ST-3P-ST Trên sở nghiên cứu nguyên lý làm