Nghiên cứu cơ sở xác định phản áp bề mặt trong công nghệ khoan kiểm soát áp suất

Bài viết Nghiên cứu cơ sở xác định phản áp bề mặt trong công nghệ khoan kiểm soát áp suất các tác giả trình bày cơ sở xác định phản áp bề mặt từ đó đưa ra phương pháp điều chỉnh thích hợp nhằm nâng cao hiệu quả công nghệ khoan kiểm soát áp suất.

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 49, 01-2015, tr.13-17 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ XÁC ĐỊNH PHẢN ÁP BỀ MẶT TRONG CƠNG NGHỆ KHOAN KIỂM SỐT ÁP SUẤT NGUYỄN KHẮC LONG, NGUYỄN VĂN THÀNH, TRƯƠNG VĂN TỪ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất NGUYỄN VĂN KHƯƠNG, Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam Tóm tắt: Khoan kiểm sốt áp suất cơng nghệ khoan có khả thích ứng sử dụng để kiểm sốt xác áp suất khoảng không vành xuyến dọc theo thành giếng khoan, tránh phức tạp liên quan tới áp suất xảy q trình khoan dung dịch, kẹt cần chênh áp, sập lở thành giếng khoan, xuất chất lưu vỉa xâm nhập vào giếng, Q trình kiểm sốt thực việc điều chỉnh phản áp bề mặt từ miệng giếng, thơng qua sử dụng hệ thống tuần hồn dung dịch kín Trong phạm vi báo, tác giả trình bày sở xác định phản áp bề mặt từ đưa phương pháp điều chỉnh thích hợp nhằm nâng cao hiệu cơng nghệ khoan kiểm sốt áp suất cơng nghệ khoan kiểm sốt áp suất cần Đặt vấn đề Trong trình khoan phải trì giá trị áp thiết suất đáy giếng lớn áp suất vỉa nhỏ áp Giới thiệu công nghệ MPD suất vỡ vỉa Ở vỉa có giá trị áp suất vỉa áp Theo hiệp hội nhà thầu khoan quốc tế, suất vỡ vỉa gần thường xảy công nghệ khoan kiểm soát áp suất định tượng phức tạp dung dịch, kẹt cần nghĩa “công nghệ khoan có khả thích ứng khoan, sập lở Với công nghệ khoan thông sử dụng để kiểm sốt xác áp suất thường, giá trị áp suất đáy giếng cột dung dịch khoảng không vành xuyến dọc theo thành giếng giếng khoan tạo nên Với công nghệ khoan khoan, đảm bảo áp suất đáy giếng ln phù hợp kiểm sốt áp suất (MPD-Managed Pressure với áp suất vỉa, tránh cố liên quan tới áp Drilling), giá trị áp suất đáy giếng cột dung suất xảy q trình khoan” Quá dịch giếng phản áp bề mặt (SBP-Surface trình kiểm sốt thực việc điều Back Pressure) tạo chỉnh phản áp bề mặt (áp suất bổ sung) từ miệng Việc điều chỉnh phản áp bề mặt công giếng, thông qua sử dụng hệ thống tuần hồn nghệ MPD giúp kiểm sốt xác áp suất dung dịch kín [1,2] khoảng khơng vành xuyến để áp suất tuần hoàn Nguyên tắc MPD sử dụng cụm đáy luôn cân với áp suất vỉa thông van điều áp máy bơm nén áp suất bổ sung để qua hệ thống tuần hồn kín Điều cho phép kiểm soát áp suất đáy giếng bù lại tổn thất hạn chế thay đổi trọng lượng riêng tuần hồn áp suất khoảng khơng vành xuyến (KKVX) tương đương khắc phục phức tạp có liên quan (hình 1) dung dịch khoan, khí xâm nhập, kẹt cần Cơng nghệ khoan kiểm sốt áp suất gồm chênh áp, sập lở thành giếng khoan, cho phép phương pháp chính: khoan an tồn qua địa tầng phức tạp tầng - Duy trì áp suất đáy giếng khơng đổi có dị thường cao nhiệt độ, áp suất, vùng có giới hạn an tồn khoan nhỏ, vùng dung dịch (CBHP- Constant Bottom-hole Pressure); - Khoan mũ dung dịch (PMCD-Pressurize trầm trọng Vì việc xác định xác giá trị phản Mud Cap Drilling); áp bề mặt cần thiết từ đưa phương pháp - Khoan trọng lượng riêng dung dịch kép điều chỉnh thích hợp nhằm nâng cao hiệu (DGD- Dual Gradient Drilling) 13 Hình Q trình khoan kiểm sốt áp suất CBHP sử dụng hệ thống tuần hồn kín, dung dịch khoan lên bề mặt dẫn hướng đến hệ thống van tiết lưu tự động bán tự động, hệ thống van tạo phản áp bề mặt (Pbp) lên dòng dung dịch thơng qua việc điều chỉnh đóng mở van Áp suất tác động vào khoảng không vành xuyến nhằm bù lại lượng tổn hao áp suất bị giảm giảm lưu lượng bơm, áp suất đáy giếng giữ cố định suốt trình khoan Hình minh họa trình cố định áp suất đáy giếng điểm trạng thái tĩnh trạng thái động Trong phạm vi báo, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu sở xác định Pbp cho phương pháp Hình Phương pháp trì áp suất đáy không đổi 14 PMCD phương pháp khoan không tuần hoàn dung dịch mùn khoan lên bề mặt, sử dụng để khoan qua địa tầng dung dịch trầm trọng cacbonat đá móng nứt nẻ thường thấy Việt Nam Phương pháp sử dụng đồng thời hai hệ dung dịch có tính chất riêng biệt Hệ dung dịch nặng có độ nhớt cao bơm vào KKVX trì phản áp bề mặt miệng giếng để ngăn ngừa giảm áp dòng xâm nhập vào đáy giếng Hệ dung dịch nhẹ sẵn có, khơng tốn bơm vào giếng qua cột cần khoan, qua chng khoan mang theo hạt mùn khoan bít nhét, lấp đầy vào khe nứt, lỗ rỗng hay hang hốc vỉa (hình 3) Hình Phương pháp khoan mũ dung dịch Với phương pháp DGD, dòng hồi dung dịch bơm tràn đáy biển quay trở lại bể chứa dung dịch giàn khoan thông qua sử dụng đường hồi dung dịch có đường kính nhỏ đặt riêng biệt máy bơm chìm (hình 4) Phương pháp ứng dụng môi trường khoan nước sâu, giếng có giới hạn khoan nhỏ Mục đích phương pháp DGD điều chỉnh đường gradient áp suất dung dịch khoan vào giới hạn khoan nhằm kéo dài khoảng cách lần chống ống, cho phép giảm số lượng ống chống kỹ thuật sử dụng giếng, nâng cao mức độ an tồn khoan Hình Phương pháp khoan trọng lượng riêng dung dịch kép Xác định phản áp bề mặt Trong công nghệ MPD, giá trị áp suất đáy giếng xác định theo công thức [3]: Pbhp = Pafl + Phh+ Pbp , (1) đó: Pbhp - áp suất đáy giếng khoan, Psi; Pafl- tổn thất áp suất ma sát KKVX, Psi; Phh- áp suất thủy tĩnh cột dung dịch giếng khoan tạo nên, Psi; Pbp- phản áp bề mặt, Psi; Áp suất thủy tĩnh phụ thuộc vào khối lượng riêng dung dịch khoan chiều sâu giếng khoan mà phụ thuộc vào hàm lượng mùn khoan (C) khối lượng riêng mùn khoan (ρc) Theo Erdem Tercan, áp suất thủy tĩnh xác định theo công thức sau [3]: Phh = 0,052 [(1-C).ρ + 8,345.C ρc].h , (2) đó: C- hàm lượng mùn khoan, %; ρ- khối lượng riêng dung dịch khoan, ppg; ρc- khối lượng riêng mùn khoan, g/cm3; h- chiều sâu giếng khoan, ft Giá trị tổn thất áp suất ma sát KKVX giếng khoan tuần hoàn (Pafl) phụ thuộc vào lưu lượng tuần hồn, chế độ dòng chảy, đường kính thủy lực tính chất lưu biến dung dịch khoan Lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan xác định dựa vào tốc độ lên trung bình dòng dung dịch khoan KKVX, va: 24,51.Q , (3) va  d h  d 02 15 đó: va – tốc độ dung dịch khoan KKVX, ft/m; Q – lưu lượng tuần hồn dòng dung dịch, gpm; dh – đường kính ống chống (với đoạn chống ống) giếng khoan (với đoạn thân trần), in; d0- đường kính ngồi cần khoan, in Chế độ dòng chảy dung dịch khoan xác định dựa vào mối quan hệ hệ số Reynold chuẩn (Nrec) hệ số Reynold tính tốn (Nreg) Nrec = 3470 – 1370n , (4) P  (5) N reg  hh a , 19,36 w đó:τw - ứng suất trượt hai lớp chất lỏng thành giếng, psi; n- hệ số chảy dung dịch khoan Dung dịch khoan có lẫn hạt mùn sau gia cơng hóa học tuần hồn giếng tính tốn theo mơ hình chất lỏng Herschel – Bulkley Khi hệ số chảy xác định theo công thức:  2 pv   YP   y n  3,32 lg     YP y  pv  ,   (6) đó: νPV – độ nhớt dẻo chất lỏng, lb.s/ft2; τYP- ứng suất trượt động, psi; τy - ứng suất trượt hai lớp chất lỏng KKVX, psi Hệ số ma sát chất lỏng (f) thay đổi theo chế độ chảy Hệ số ma sát chế độ chảy tầng, chảy chuyển tiếp, chảy rối xác định theo công thức: 16 N reg 16 a , f trans  , f turb  b , (7) f lam  N reg N reg N reg đó: flam - hệ số ma sát chất lỏng trạng thái chảy tầng; ftrans - hệ số ma sát chất lỏng trạng thái chuyển tiếp; fturb - hệ số ma sát chất lỏng trạng thái chảy rối; 1,75  lg( n ) lg( n )  3,93 a, b - hệ số: a  b  50 Như vậy, ta thu công thức xác định tổn thất áp suất ma sát KKVX: 1,076.Phh v a2 f l i Pa   , (8) 10 d i 16 đó: li – chiều dài thành phần khoan cụ giếng khoan, ft; di- đường kính thủy lực tương ứng với thành phần khoan cụ giếng khoan, ft; di = dh – db, db - đường kính ngồi phận khoan cụ, ft Giá trị áp suất đáy giếng (Pbhp) thu từ thiết bị đo áp suất (PWD) lắp đặt thiết bị đo khoan (MWD) Như giá trị phản áp bề mặt phương trình (1) xác định sau ta thu thông số áp suất đáy giếng khoan, tổn thất áp suất ma sát KKVX áp suất thủy tĩnh cột dung dịch giếng khoan tạo nên Mặt khác, để ngăn ngừa tượng ổn định thành giếng, giá trị phản áp bề mặt bổ sung từ bề mặt phải tạo áp suất đáy giếng lớn áp suất vỉa Phương pháp điều chỉnh phản áp bề mặt Khi áp dụng công nghệ MPD, ta điều chỉnh áp suất đáy giếng áp suất tổn hao KKVX cách sử dụng hệ thống tuần hồn dung dịch kín Giá trị phản áp bề mặt trì cho áp suất đáy giếng không đổi thông số lưu lượng tuần hoàn dịch khoan, khối lượng riêng dung dịch khoan thay đổi Trong trình khoan phản áp bề mặt điều chỉnh thông qua việc đóng mở cụm van điều áp cách tự động Khi lưu lượng máy bơm dung dịch khoan giảm dần cụm van điều áp từ từ đóng lại để bù lại tổn thất áp suất KKVX Khi lưu lượng máy bơm dung dịch khoan tăng dần, áp suất đáy giếng tăng, cụm van điều áp mở từ từ nhằm giảm phản áp bề mặt Quá trình thực theo hình Trong trình tiếp cần, máy bơm dung dịch ngừng hoạt động, tổn hao áp suất ma sát KKVX đồng thời áp suất đáy giếng giảm Lúc đó, việc bổ sung phản áp bề mặt để bù lại tổn thất áp suất KKVX nhằm trì áp suất đáy giếng thực cách khởi động bơm nén áp suất bổ sung bề mặt Việc điều chỉnh cụm van điều áp bơm nén áp suất bổ sung giữ cho áp suất đáy giếng không đổi chuyển từ trạng thái động sang trạng thái tĩnh (hoặc ngược lại) thực dựa vào mơ hình thủy lực [1,3] Lưu lượng máy bơm (l/ph) Hình Mối liên hệ áp suất van điều áp lưu lượng máy bơm Kết luận Như giá trị phản áp bề mặt (Pbp ) phụ thuộc vào áp suất đáy giếng khoan, tổn thất áp suất ma sát KKVX, áp suất thủy tĩnh cột dung dịch giếng khoan tạo nên Khi áp dụng cơng nghệ khoan kiểm sốt áp suất để khoan qua tầng dễ xảy phức tạp liên quan đến áp suất trình khoan phải xác định xác giá trị phản áp bề mặt cần thiết để có phương pháp điều chỉnh thích hợp, nhằm phát huy tối đa tính ưu việt cơng nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Billl Rehm, Jerome Schubert, Arash Haghshenas, Amir Saman Paknejad, Jim Hughes, 2008 Managed Pressure Drilling Houston, Texas [2] Donald G Reitsma, Yawan Couturier, 2012 New Choke Controller for Managed Pressure Drilling Proceedings of the 2012 IFAC Workshop on Automatic Control in Offshore Oil and Gas Production, University of Science and Technology, Trondheim, Norwegian [3] Erdem Tercan, May 2010, Managed Pressure Drilling Techniques, Equipment & Application, Thesis of Middle East Technical University SUMMARY Research on the basis of surface back pressure determination in managed pressure drilling technology Nguyen Khac Long, Nguyen Van Thanh, Truong Van Tu Hanoi University of Mining and Geology Nguyen Van Khuong, Vietnam National Oil and Gas Group Managed Pressure Drilling is an adaptive drilling process used to precisely control the annular pressure profile throughout the wellbore, to prevent the well from the pressure-related drilling problems, including lost circulation, differential pipe sticking, wellbore instability, kick, etc The control is proceeded by adjusting the surface back pressure, through the use of closed-loop circulation system In this paper, the authors present the basis for determining the surface back pressure from which the appropriate adjustment methods are given to improve the efficiency of managed pressure drilling technology 17 ... ổn định thành giếng, giá trị phản áp bề mặt bổ sung từ bề mặt phải tạo áp suất đáy giếng lớn áp suất vỉa Phương pháp điều chỉnh phản áp bề mặt Khi áp dụng công nghệ MPD, ta điều chỉnh áp suất. .. nên Khi áp dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất để khoan qua tầng dễ xảy phức tạp liên quan đến áp suất q trình khoan phải xác định xác giá trị phản áp bề mặt cần thiết để có phương pháp điều... nâng cao mức độ an tồn khoan Hình Phương pháp khoan trọng lượng riêng dung dịch kép Xác định phản áp bề mặt Trong công nghệ MPD, giá trị áp suất đáy giếng xác định theo công thức [3]: Pbhp = Pafl