NGHIÊN CỨU DÒNG CHẤT LƯU TRONG GIẾNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHOAN

Tom tat tiengviet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM ĐỨC THIÊN NGHIÊN CỨU DÒNG CHẤT LƯU TRONG GIẾNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHOAN Chuyên ngành: Khoan và hoàn thiện giếng dầu khí Mã số : 62.53.50.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2012 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Khoan khai thác, Khoa dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Cao Ngọc Lâm 2. PGS.TS Võ Xuân Minh Phản biện 1: TS Khiếu Hữu Bộ Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Minh Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Ngọ Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại Trường đại học Mỏ - Địa chất, Từ Liêm, Hà Nội Vào hồi … giờ … ngày … tháng… năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Khi thi công giếng khoan, có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hiệu quả khoan như sử dụng loại dụng cụ, thiết bị khoan, công nghệ kỹ thuật áp dụng, loại phương pháp khoan, loại dung dịch sử dụng,…trong đó có một khía cạnh ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khoan đó là quá trình tuần hoàn dung dịch để tách và vận chuyển mùn khoan làm sạch giếng. Khi nghiên cứu sự tuần hoàn dung dịch cho ta biết được khả năng, mức độ làm sạch mùn khoan trên đáy giếng, đồng thời cho ta biết khả năng vận chuyển mùn khoan lên mặt. Nếu chế độ dòng chảy hợp lý sẽ làm sạch hạt mùn ở đáy một cách kịp thời và nâng hạt mùn lên mặt đất tốt nhất. Vì lý do trên, việc nghiên cứu dòng chất lưu trong giếng để hiểu rõ bản chất quá trình vận chuyển mùn khoan và khả năng làm sạch đáy giếng có một ý nghĩa lớn để nâng cao hiệu quả khoan. Chính vì vậy đề tài:"Nghiên cứu dòng chất lưu trong giếng để nâng cao hiệu quả khoan" là cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích nghiên cứu Dòng chất lưu trong giếng khoan khi khoan được hiểu là dòng tuần hoàn dung dịch khoan, có thể là chất lỏng khoan, chất khí hoặc hỗn hợp dạng bọt. Như vậy, đề tài nêu trên là rất rộng, cho nên nội dung bản luận án này tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu dòng chất lỏng khoan với ba khía cạnh: - Nghiên cứu các quy luật chuyển động của dòng chảy chất lỏng khoan trong khoảng không vành xuyến (KKVX) và cột cần khoan, gắn với chất lỏng khoan sử dụng tại bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long. - Nghiên cứu khả năng vận chuyển mùn khoan của dòng chất lỏng khoan trong KKVX của thân giếng đứng cũng như sự ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả vận chuyển mùn khoan, áp dụng trong khoan tại bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long. - Nghiên cứu tối ưu về thủy lực của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan để nâng cao hiệu quả làm sạch đáy giếng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu sự chuyển động của các loại chất lỏng khoan Newton và phi Newton chảy trong cột cần và KKVX. - Nghiên cứu sự chuyển động của các loại chất lỏng khoan sử dụng trong các giếng khoan bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long. - Nghiên cứu sự vận chuyển mùn khoan và các thông số ảnh hưởng đến vận chuyển mùn khoan trong KKVX của giếng thân đứng, áp dụng trong khoan tại bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long. - Nghiên cứu sự làm sạch đáy giếng trên cơ sở tối ưu thủy lực qua choòng khoan dựa trên chỉ tiêu là công suất thủy lực tối ưu và lực va đập đáy tối ưu. 4. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu sự chuyển động chất lỏng khoan chảy trong cột cần và KKVX giếng khoan, bao gồm: + Thiết lập biểu thức tổn thất áp suất ma sát của các loại chất lỏng khoan chảy tầng trong cột cần và KKVX để xác định độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng khoan phi Newton và chế độ chảy của chúng; + Sự chuyển động của chất lỏng khoan trong KKVX lệch tâm; + Tổn thất áp suất của chất lỏng khoan chảy tầng và rối trong cột cần và KKVX; + Tổng hợp các dữ liệu khoan thực tiễn để khẳng định trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX. - Nghiên cứu sự vận chuyển mùn khoan trong KKVX vùng thân giếng đứng dưới các khía cạnh: + Xác định bản chất của quá trình vận chuyển mùn khoan trong vùng thân giếng đứng; +Tính toán mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số: vận tốc chuyển động của chất lỏng khoan, tính lưu biến của chất lỏng khoan, khối lượng riêng chất lỏng khoan, khối lượng riêng hạt mùn, kích thước hạt mùn, tốc độ cơ học khoan đến hiệu quả vận chuyển mùn và tổn thất áp suất của dòng chất lỏng khoan chuyển động. - Nghiên cứu khả năng làm sạch đáy giếng của chất lỏng khoan, bao gồm: + Thiết lập các công thức về tối ưu công suất thủy lực, lực va chạm đáy của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan; + Tính toán mô phỏng quá trình tối ưu về công suất thủy lực và lực va chạm đáy khi cho các thông số thay đổi như lưu lượng, tính lưu biến, tốc độ cơ học khoan,… 5. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện tốt nội dung nghiên cứu nêu trên, luận án đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau: 1. Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng một số giả thiết, các định luật, sử dụng toán học để nghiên cứu về sự chuyển động của các loại chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX và tối ưu hóa thủy lực qua lỗ phun choòng khoan. 2. Thu thập và xử lý thống kê các dữ liệu thực tế về thi công giếng khoan tại Việt Nam và một số nước trên thế giới. 3. Thiết lập tính toán và lập chương trình tính toán mô phỏng bằng phần mềm Matlab để: - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số vận tốc chất lỏng khoan, tính lưu biến, khối lượng riêng hạt mùn, khối lượng riêng chất lỏng khoan, kích thước hạt mùn, tốc độ cơ học khoan đến hiệu quả vận chuyển mùn và tổn thất áp suất ma sát; - Nghiên cứu quá trình tối ưu làm sạch đáy giếng theo chỉ tiêu công suất thủy lực và lực va chạm đáy của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan. 6. Tài liệu cơ sở của luận án - Luận án được xây dựng trên cơ sở các tài liệu cơ bản về thủy lực, chất lỏng khoan, thủy lực khoan, vận chuyển mùn khoan, dòng chảy nhiều pha, dòng tia đã được xuất bản trong và ngoài nước. - Trong quá trình làm luận án, tác giả còn tham khảo rất nhiều tài liệu chất lỏng khoan, tính lưu biến chất lỏng khoan, vận chuyển mùn khoan giếng đứng, nghiêng, ngang, thủy lực choòng khoan,… đã công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước. - Các kiến thức và kinh nghiệm có được trong quá trình giảng dạy và nghiên cứu khoa học về lĩnh vực thủy lực tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất. 7. Các luận điểm bảo vệ 1. Trong quá trình khoan các giếng khoan bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long hầu hết các trường hợp chất lỏng khoan chảy tầng trong KKVX và chảy rối trong cột cần khoan. 2. Vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX hợp lý khi vận chuyển mùn khoan các giếng khoan bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long là 0,7 đến 1,3 m/s, giá trị giới hạn dưới của vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX không nên nhỏ hơn 0,4 m/s. 3. Trong quá trình khoan chỉ tiêu tối ưu công suất thủy lực chỉ áp dụng được ở chiều sâu nhỏ đến trung bình, còn chỉ tiêu tối ưu lực va đập đáy có thể áp dụng ở chiều sâu lớn. 8. Điểm mới về khoa học 1. Đưa ra một phương pháp toán học logic để thiết lập được biểu thức tổn thất áp suất do ma sát cho các loại chất lỏng khoan Newton, phi Newton chảy tầng trong cột cần và KKVX nếu ta biết được biểu thức mô tả chất lỏng khoan , từ đó có thể đưa chất lỏng khoan phi Newton thành chất lỏng Newton thông qua độ nhớt tương đương Newton, đồng nghĩa với việc xác định được chế độ chảy của chất lỏng khoan phi Newton một cách dễ dàng. 2. Khi nghiên cứu sự chuyển động của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX giếng khoan của các loại chất lỏng khoan khác nhau ứng dụng ở bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long, tác giả phát hiện hầu hết các trường hợp chất lỏng khoan chảy tầng trong KKVX (ngoại trừ nước và chất lỏng khoan có độ nhớt tương đương hoặc nhỏ hơn nước) và chảy rối trong cột cần khoan. 3. Đưa ra một mô hình và chương trình tính toán mô phỏng quá trình vận chuyển mùn khoan, từ đó có thể dễ dàng đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá tình vận chuyển mùn khoan. 4. Khi nghiên cứu tính toán mô phỏng gradient áp suất trong KKVX giếng khoan, tác giả phát hiện: trong quá trình vận chuyển mùn khoan các giếng khoan bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long khi tăng vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX đến 1,3 m/s làm gradient áp suất giảm và đặc biệt giảm nhanh ở giá trị nhỏ hơn 0,4 m/s. Giá trị vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX làm gradient áp suất có khoảng nhỏ hợp lý là từ 0,7 đến 1,3 m/s. Điều này khẳng định vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX hợp lý khi vận chuyển mùn khoan là 0,7 đến 1,3 m/s, giá trị giới hạn dưới của vận tốc v a không nên nhỏ hơn 0,4 m/s. 5. Lần đầu tiên tính toán mô phỏng tối ưu thủy lực của dòng chất lỏng qua choòng khoan và đưa ra được điều kiện áp dụng các chỉ tiêu tối ưu, đó là: chỉ tiêu công suất tối ưu của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan chỉ áp dụng được chiều sâu nhỏ đến trung bình còn chỉ tiêu tối ưu lực va đập đáy có thể áp dụng được chiều sâu lớn. 9. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học: - Luận án đã nghiên cứu logic và đầy đủ về toán học khi thiết lập công thức tổn thất áp suất ma sát của các loại chất lỏng khoan ở chế độ chảy tầng để đưa ra biểu thức xác định độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng khoan phi Newton, từ đó xác định chế độ chuyển động của chất lỏng phi Newton. - Đánh giá, minh họa sự ảnh hưởng của các yếu tố như vận tốc chất lỏng khoan, tính lưu biến chất lỏng khoan, khối lượng riêng chất lỏng khoan, khối lượng riêng hạt mùn, kích thước hạt mùn, tốc độ cơ học khoan đến hiệu quả vận chuyển mùn trong giếng thân đứng. - Đưa ra được điều kiện tối ưu thủy lực của dòng dung dịch qua lỗ phun choòng khoan, đồng thời đưa ra phạm vi áp dụng điều kiện tối ưu thủy lực qua choòng khoan. 2.Ý nghĩa thực tiễn: Là cơ sở cho các kỹ sư thiết kế chương trình thi công khoan. 10. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần Mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 150 trang, khổ giấy A4 cỡ chữ 13, font chữ Time New Roman, trong đó có 45 hình vẽ, 89 bảng biểu và phần phụ lục. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẤT LƯU TRONG QUÁ TRÌNH KHOAN 1.1.Giới thiệu Vận chuyển mùn khoan và làm sạch đáy giếng là vấn đề quan trọng và cốt lõi trong công nghệ khoan. Theo tiến trình phát triển công nghệ khoan được rất nhiều tác giả nghiên cứu và quan tâm, các nghiên cứu tập trung vào sự chuyển động của chất lỏng, hình thức vận chuyển mùn khoan, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận chuyển, tính toán dòng chất lỏng chảy qua lỗ phun chòong khoan làm sạch đáy giếng. Có nhiều mô hình toán học và thực nghiệm để xác định và làm sáng tỏ cơ chế thủy lực vận chuyển mùn khoan. Vấn đề thường gặp phải với hầu hết mô hình vận chuyển mùn khoan là sự không chính xác, thông thường so sánh với kết quả thực nghiệm hoặc kết quả tình huống khoan.Vì vậy, cần một mô hình toán học mới để khắc phục một số hạn chế của các mô hình thủy lực đang tồn tại. Dưới đây là tổng quan về sự nghiên cứu dòng chất lỏng khoan. 1.2. Tổng quan về các tài liệu nghiên cứu 1.2.1.Các nghiên cứu thực nghiệm Đề cập đến các tài liệu nghiên cứu theo các khía cạnh: Tính lưu biến của dung dịch; Lưu lượng dòng chảy trong KKVX; Kích thước hạt mùn khoan; Khối lượng riêng của dung dịch hoan; Độ nhớt; Tốc độ sinh mùn khoan; Độ nghiêng giếng khoan trong vận chuyển mùn và làm sạch đáy giếng. 1.2.2. Các nghiên cứu lý thuyết Đưa ra các mô hình vận chuyển mùn, bao gồm mô hình 2 lớp, mô hình 3 lớp trong các điều kiện giếng có độ nghiêng khác nhau 1.2.3. Các tài liệu về thủy lực chòong khoan Các tài liệu đưa cách tính toán các thông số thủy lực và tỷ lệ tiêu thụ công suất máy bơm cho choòng khoan. 1.3. Tổng kết và đánh giá Trên cơ sở tổng kết các tài liệu nghiên cứu về dòng chất lỏng khoan, ta có thể đưa ra một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu, đó là: - Phương pháp tổng quát đề xác định chế độ chảy của các loại chất lỏng khoan mà mô tả dưới các biểu thức tính lưu biến khác nhau; - Lý thuyết hóa và mô phỏng tổng quát các thông số ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển mùn khoan; - Nghiên cứu trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX có gắn với thông số thực tế khoan; - Tính toán gradient áp suất của dòng chất lỏng khoan vận chuyển hạt mùn trong KKVX; - Xác định khoảng vận tốc chất lỏng khoan vận chuyển hợp lý và vận tốc chất lỏng khoan tối thiểu khi vận chuyển mùn khoan; - Phát triển toán học để tìm điều kiện tối ưu thủy lực của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan và điều kiện áp dụng nhằm làm tăng hiệu quả làm sạch đáy giếng. CHƯƠNG 2 CHẤT LỎNG KHOAN VÀ SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG KHOAN TRONG CỘT CẦN VÀ KKVX GIẾNG KHOAN 2.1. Chất lỏng khoan và tính lưu biến 2.1.1. Tính lưu biến của chất lỏng khoan Tính lưu biến là sự mô tả quan hệ giữa ứng suất trượt và tỷ suất trượt của chất lỏng. Hầu hết chất lỏng khoan là chất lỏng phi Newton, tổng quá có thể mô tả sau đây. 2.1.1.1.Chất lỏng Newton Chất lỏng Newton được xác định bởi mối quan hệ:  = s trong đó:- ứng suất trượt; s-tỷ suất trượt; -độ nhớt chất lỏng Newton. 2.1.1.2. Chất lỏng phi Newton 1- Chất lỏng Bingham Chất lỏng Bingham được xác định bởi mối quan hệ:  =  y +  p s trong đó:  y -ứng suất ban đầu;  p -độnhớt chất lỏng Bingham. 2- Chất lỏng Power Law Chất lỏng Power Law được xác định bởi mối quan hệ :  = ks n trong đó : k - hệ số đậm đặc(hệ số sệt ); n - chỉ số đặc tính chảy. 3- Chất lỏng Herschel Bulkley (yield power law) Chất lỏng Herschel Bulkley được xác định bằng mối quan hệ:  =  y + ks n Viện dầu khí Mỹ (API) đã lựa chọn chất lỏng Power Law là mô hình chất lỏng tiêu chuẩn. 2.1.2. Các thông số lưu biến thực tế của chất lỏng khoan Theo kết quả thực nghiệm[57]: Chất lỏng khoan gốc nước có τ y = 2.2 Pa, k = 2.15 Pa.s n ; n = 0.3858 Chất lỏng khoan gốc dầu có τ y = 4.35 Pa, k = 4 Pa.s n ; n = 0.3561 Theo nghiên cứu của Mojis [44] về chất lỏng khoan gốc nước với hai loại chính là: nước cộng sét với các phụ gia và nước biển cộng polymer và các phụ gia. Loại nước sét được dựa trên chất lỏng khoan nền (CLN), pha chế gồm 15g bentonite trong 350 ml nước (tương đương15lbm bentonite trong 1bbl nước) cộng thêm một lượng sút (NaOH) đủ để độ PH bằng 9. Hai loại muối được sử dụng là KCl và KF, hai loại polymer là Xanthan và PHPA, chất làm nặng là barite. Thông số và tính lưu biến của dung dịch khoan tương ứng với các thành phần được thể hiện trong bảng 2.1 [44]. Bảng 2.1: Tính lưu biến của một số chất lỏng khoan Loại chất lỏng khoan KLR (kg/m 3 ) τ y (N/m 2 ) n k (Pa.s n ) CLN+KCl 1290 7,9033 0,48 1,612 CLN+KF 1171 9,74 0,3 2,71 KCl+PHPA 1200 1,62 0,74 0,06 KCl+Xanthan 1166 12,02 0,412 2,117 KF+PHPA 1166 0,91 0,763 0,03 KF+Xanthan 1172 13,172 0,478 1,491 Hiện nay, tại Việt Nam qua số liệu báo cáo [4], các loại chất lỏng khoan sử dụng đa dạng, được đo và thể hiện dưới 2 thông số là ứng suất trượt ban đầu và độ nhớt dẻo, tức là được mô tả dưới dạng chất lỏng khoan Bingham-Sevedov (bảng 2.2, 2.3). Bảng 2.2: Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Nam Côn Sơn STT Loại chất lỏng khoan KLR chất lỏng, kg/m 3 Ứng suất ban đầu, N/m 2 Độ nhớt dẻo,Pa.s 1 SW/GEL/PAC 1114 8,1 0,0120 2 SW/GUAR GUM 1084 6,7 0,0210 3 VISKOPOL 1042 4,8 0,0235 4 VISKOPOL/PRE.BENTONITE 1090 8,1 0,0440 5 SW/POLYMER 1078 7,2 0,0120 6 KCL/PHPA 1108 8,4 0,0160 7 PAC/CMC 1132 7,2 0,0190 8 GEL/VISKOPOL/PRE.BENTO NITE 1120 9,1 0,0475 9 GEL/CMC 1048 5,7 0,0325 10 ANCO 2000 1132 7,4 0,0175 11 KCL/POLYMER 1084 6,0 0,0185 12 ULTRADRIL 1174 11,3 0,0305 Bảng 2.3: Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Cửu Long STT Loại chất lỏng khoan KLR chất lỏng kg/m 3 Ứng suất ban đầu N/m 2 Độ nhớt dẻo, Pa.s 1 ULTRADRIL 1210 5,3 0,0315 2 SW HIVIS SWEEP 1042 1,0 0,0030 3 KCL/POLYMER/IDCAP D 1282 6,2 0,0235 4 KCL/IDCAP/MUD 1174 6,5 0,0180 5 SPUD MUD 1078 5,3 0,0080 6 SOBM 1234 8,1 0,0180 7 OLEFIN SOBM 1234 11,3 0,0175 8 SBM 1318 14,6 0,0200 9 NaCl/BRINE 1150 3,4 0,0060 10 RDIF 1150 8,6 0,0225 11 KCL/POLYMER 1108 6,9 0,0235 12 PREHYDRATED/BENTONITE HIVIS PIL 1019 4,6 0,0175 13 KCL/POLYMER/LCM 1108 8,4 0,0270 14 SW/GUA GUM/CMC 1150 10,3 0,0380 15 SW/GUA GUM/GEL/CMC 1090 6,7 0,0155 16 GEL/POLYMER 1090 4,8 0,0245 17 GEL/CMC 1078 5,5 0,0155 2.2.Tổn thất áp suất do ma sát trong cột cần và KKVX giếng khoan 2.2.1. Tổn thất áp suất do ma sát trong cột cần và KKVX khi chảy tầng . ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM ĐỨC THIÊN NGHIÊN CỨU DÒNG CHẤT LƯU TRONG GIẾNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHOAN Chuyên ngành: Khoan và hoàn thiện giếng dầu khí Mã. nghiên cứu dòng chất lưu trong giếng để hiểu rõ bản chất quá trình vận chuyển mùn khoan và khả năng làm sạch đáy giếng có một ý nghĩa lớn để nâng cao hiệu quả