Cùng một bộ dụng cụ đáy với cùng các thông số chế độ khoan nhưng khi khoan ở những vị trí khác nhau thì lại thu được giá trị ∆α khác nhau, nói cách khác là cường độ thay đổi góc ngh[r]
(1)Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 60, Kỳ (2019) 35-40 35
Nghiên cứu chế hình thành lực làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan xây dựng hệ số khu vực cho Mỏ Bạch Hổ
Nguyễn Văn Giáp *
Khoa Dầu khí , Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam
THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT
Q trình:
Nhận 12/9/2018 Chấp nhận 05/1/2019 Đăng online 28/02/2019
Lực sườn (side force) choòng nguyên nhân làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan Nội dung báo chủ yếu tập trung vào nghiên cứu chế hình thành lực sườn yếu tố ảnh hưởng đến với mục đích để điều khiển quỹ đạo choòng theo thiết kế Để phù hợp với thực tế sản xuất, tác giả nghiên cứu chế hình thành lực sườn cho loại cấu trúc dụng cụ khoan: loại định tâm loại hai định tâm Cơ chế hình thành lực sườn tại choòng chế lực đòn bẩy, chng định tâm điểm tựa, đoạn cần nặng cánh tay địn (chính khoảng cách các điểm tựa) Như việc điều chỉnh giá trị lực sườn thực chất việc điều chỉnh vị trí lắp định tâm Giá trị lực sườn mang giá trị dương, giá trị âm khơng, tương ứng với việc tăng góc nghiêng, giảm góc nghiêng ổn định góc nghiêng Trong nghiên cứu mình, tác giả sử dụng phương pháp thu thập, thống kê phân tích tài liệu thức tế; nguyên lý cân lực môi trường tĩnh môi trường động; ứng dụng phần mềm thương mại Landmark với phương pháp đối chứng thực nghiệm Để kết tính tốn lý thuyết phù hợp với kết thực tế áp dụng cho mỏ Bạch Hổ, tác giả xây dựng hệ số khu vực cho vịm vịm Bắc, vịm Nam vịm Trung tâm Ngồi tác giả đề cập đến phương pháp lựa chọn dụng cụ đáy tối ưu, dụng cụ đáy có khoảng điều chỉnh (S) lớn
© 2019 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm
Từ khóa:
Bộ dụng cụ đáy Mỏ Bạch Hổ Lực sườn
1 Mở đầu
Phạm vi nghiên cứu báo phương pháp khoan sử dụng động mặt (roto topdrive) Lực sườn chng (kí hiệu Fs) ngun nhân làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan (Rahman, 1996) Việc nghiên cứu chế
hình thành lực sườn với mục đích tìm yếu tố sinh lực sườn, từ có biện pháp để điều khiển quỹ đạo chng khoan theo thiết kế
Có yếu tố sinh lực sườn làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan chia thành nhóm yếu tố là: yếu tố khách quan yếu tố chủ quan
Những yếu tố khách quan yếu tố liên quan đến địa chất, tức liên quan đến quy luật cong tự nhiên (được đặc trưng hệ số khu vực) Đây yếu tố không điều khiển
_
*Tác giả liên hệ
(2)36 Nguyễn Văn Giáp/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 35-40 Những yếu tố chủ quan :
- Những yếu tố cấu trúc dụng cụ đáy: Đường kính cần nặng, đường kính chng, đường kính định tâm, số lượng định tâm, khoảng cách đặt định tâm (tính từ chng) Trong yếu tố cấu trúc dụng cụ đáy khoảng cách đặt định tâm thơng số quan trọng có ảnh hưởng tới cường độ thay đổi góc nghiêng (kí hiệu ∆α);
- Những yếu tố thông số chế độ khoan Trong yếu tố thông số chế độ khoan thơng số quan trọng tải trọng đáy (kí hiệu Fa)
Những yếu tố chủ quan yếu tố thay đổi được, dụng cụ đáy thả xuống giếng khơng thể thay đổi cấu trúc Như q trình khoan ta điều chỉnh ∆α cách điều chỉnh Fa Vì Fa thông số chế độ khoan nên phép điều chỉnh khoảng hẹp (từ giá trị Fa max đến
Fa min đó) Chính mà ta phải chọn dụng cụ đáy có cấu trúc để thay đổi Fa giá trị Fs thay đổi nhiều Đó dụng cụ đáy có khoảng điều chỉnh (S) lớn
Cùng dụng cụ đáy với thông số chế độ khoan khoan vị trí khác lại thu giá trị ∆α khác nhau, nói cách khác cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế (∆αtt) có sai khác so với cường độ thay đổi góc nghiêng lý thuyết (∆αlt) tính theo phần mềm Landmark Chính ta phải xây dựng hệ số khu vực
2 Cơ chế hình thành lực làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan
Cơ chế hình thành lực sườn chng chế lực đòn bẩy (Rahman, 1996) Giá trị Fs phụ thuộc vào độ lớn mơ men uốn chng chiều dài cánh tay địn Điều chỉnh mơ men uốn choòng cách điều chỉnh tải trọng đáy (Fa), điều chỉnh chiều dài cánh tay đòn cách điều chỉnh vị trí đặt định tâm Lực sườn chng ngun nhân làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan tỷ số Fs/Fa yếu tố định đến cường độ thay đổi góc nghiêng giếng khoan (Nguyễn Văn Thịnh, Nguyễn Văn Giáp, 2006) Như việc điều khiển góc nghiêng giếng khoan thực chất việc thay đổi giá trị lực sườn cách thay đổi cấu trúc dụng cụ đáy thay đổi tải trọng đáy
Về lý thuyết, sử dụng dụng cụ đáy có cấu trúc nhiều định tâm việc điều khiến góc nghiêng giếng khoan xác (Xulacsin, 1997), việc sử dụng nhiều định tâm gây khó khăn cho cơng tác khoan, đơi nguyên nhân dẫn đến cố Thực tế sản xuất thường sử dụng dụng cụ đáy loại định tâm loại hai định tâm cho trường hợp tăng góc nghiêng, giảm góc nghiêng ổn định góc nghiêng giếng khoan Để phù hợp với thực tế sản xuất, tác giả nghiên cứu chế hình thành tính tốn lực làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan cho loại cấu trúc dụng cụ khoan: định tâm hai định tâm
2.1 Bộ dụng cụ đáy có định tâm
Sơ đồ phân tích lực dụng cụ đáy định tâm biểu diễn Hình
Đoạn cần nặng AB xem dầm liên kết gối tựa đầu; tác dụng tải trọng dọc trục trọng lượng thân, đoạn cần nặng AB chịu uốn Để tiện cho việc tính tốn mà khơng phạm phải sai số lớn, ta coi đoạn AB đoạn thẳng tải trọng dọc trục điểm cần nặng có phương song song với trục giếng khoan
Phân tích hệ lực theo toạ độ Oxz, ta gọi:
RA, RB- Phản lực gối tựa A B, (N); Fs- Lực sườn chng có giá trị ngược chiều với RA, (N); L1- Khoảng cách từ choòng tới định tâm, (m); Lt - Khoảng cách từ định tâm tới điểm tiếp xúc gần đoạn cần nặng phía với thành giếng khoan, (m); q1 - Trọng lượng 1m cần nặng đoạn cần nặng thứ (lấy chiều dài L1), (N/m); q2- Trọng lượng 1m cần nặng đoạn cần nặng thứ hai (lấy chiều dài Lt), (N/m); - Góc nghiêng thân giếng, (độ); Fb- Tải trọng dọc trục điểm B, (N); l1- Khe hở theo bán kính định tâm với chng, (m);
l1= 2
D Dc dt
l2 - Khe hở theo bán kính đoạn cần nặng thứ hai với choòng (m);
l2 = 2
d Dc n2
Trong đó: Dc - Đường kính chng khoan, (m);
Ddt- Đường kính định tâm, (m); dn2- Đường kính ngồi đoạn cần nặng thứ hai, (m) ; Q1- Trọng lượng đoạn cần nặng thứ nhất, (N); Q2- Trọng
(1)
(3)Nguyễn Văn Giáp/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 35-40 37
lượng đoạn cần nặng thứ hai, (N); m - Mô men uốn định tâm, (N.m); C1- Trọng tâm đoạn cần nặng AB; K- Hệ số kể đến sức đẩy Acsimet dung dịch khoan
Viết phương trình mô men với điểm B:
MB= Fb l1 + Q1 cos 2 l . 1
+ RA L1 - m - Q1 sin 2
L . 1
=
Trong đó:
Q1 = q1 L1 K
Fb = Fa - Q1 cos = Fa - q1 L1 K cos RA= - FS
Thay (4), (5), (6) vào công thức (3) ta được:
(Fa - q1 L1.K.cos).l1 + q1.L1.K.cos
2 l1
-FS.L1 -m-q1.L1.K.sin
2 L1
=0
Chuyển vế ta được:
FS = 1 1 L l
Fc1 - 0,5 q1 L1 K sin - 1 L
m
Cơng thức (7) dùng để tính lực sườn chng dụng cụ có định tâm
Trong đó: Fc1- Tải trọng dọc trục trung bình điểm C1
Fc1 = Fa - 0,5 q1 L1 K cos
Từ công thức (7) ta thấy: muốn tính FS
thì phải biết giá trị mô men uốn m định tâm Mô men uốn m xác định theo điều kiện liên tục (Rahman, 1996) sau:
t 1 2 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 3 t 2 1 2 1 1 2 2 1 1 t 1 L . L l l I . E . 6 L l . I . E .
6 4.L .I
sin . I . K . L . q 4 sin . K . L . q I . L I . L m . 2
Cơng thức (9) dùng để tính giá trị mơ men uốn m Trong đó: 1 , 2 ,1 ,2 hệ số; I-
Hình Sơ đồ phân tích lực dụng cụ đáy định tâm 1- Choòng khoan; 2- Đoạn cần nặng 1; 3- Định tâm; 4- Đoạn cần nặng
(4)38 Nguyễn Văn Giáp/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 35-40 Mơ men qn tính cần nặng, (m4); E- Môđuyn
đàn hồi vật liệu chế tạo cần khoan, (N/m2)
Để tính mơ men uốn định tâm theo cơng thức (9) phải tính chiều dài Lt; chiều dài Lt tính theo điều kiện biên Jiazhi
(Rahman, 1996):
sin . . K . q
. L . m . 4 l l I . E . 24 L
2 2
2 2 t 1
2 2 2 4
t
Cơng thức (10) dùng để tính chiều dài Lt Trong đó: j ,j ,j hệ số đặc trưng cho ảnh hưởng lực nén dọc trục tới lệch uốn theo phương nằm ngang
Từ cơng thức (9) ta thấy: muốn tính mơ men uốn m định tâm phải biết chiều dài Lt, từ công thức (10) ta lại thấy: muốn
tính Lt lại phải biết trước giá trị m; vậy, ta phải dựa vào kinh nghiệm để chọn trước Lt , sau sử dụng cơng thức (9) để tính mơ men uốn m Có giá trị m, ta thay tiếp vào cơng thức (10) để tính lại giá trị Lt; cách tính lặp lại sai số nhỏ Điều phải thực máy tính
2.2 Bộ dụng cụ đáy có định tâm
Sơ đồ dụng cụ đáy có định tâm Hình Ta gọi: L1- Chiều dài đoạn cần nặng 1;
L2- Chiều dài đoạn cần nặng 2; Lt- Chiều dài tiếp tuyến đoạn cần nặng 3; m1- Mô men uốn định tâm 1; m2- Mô men uốn định tâm
Tương tự cơng thức tính lực sườn dụng cụ đáy có định tâm, ta có cơng thức tính cho loại hai định tâm sau:
1 1 1
1
1 1 dt C 1 c S
L m sin
. L . K . q . 5 , 0
L . 2
D D F F
Cơng thức (11) dùng để tính lực sườn choòng với dụng cụ đáy định tâm
Khi xác định giá trị Fs ta tính ∆α nhờ việc sử dụng phần mềm Landmark (Halliburton, 2004) Giá trị ∆α tính giá trị lý thuyết (∆αlt) Cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế (∆αtt) có sai khác so với tính tốn lý thuyết khác điều kiện địa chất vòm thuộc mỏ Bạch Hổ Sự khác ∆αlt ∆αtt đặc trưng hệ số điều chỉnh góc nghiêng gọi hệ số khu vực Việc phân chia thành nhiều khu vực để tìm hệ số điều chỉnh kết xác đổi lại phức tạp Trong phạm vi nghiên cứu để phù hợp với thực tế sản xuất, tác giả chia mỏ Bạch Hổ thành khu vực để xây dựng hệ số điều chỉnh là: vịm Bắc, vòm Nam vòm Trung tâm
(10) (11)
(5)Nguyễn Văn Giáp/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 35-40 39 3 Xây dựng hệ số điều chỉnh góc nghiêng cho
từng vòm mỏ Bạch Hổ
Để tính hệ số điều chỉnh góc nghiêng cho vịm mỏ Bạch Hổ phải có số liệu cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế (∆αtt) cường độ thay đổi góc nghiêng lý thuyết (∆αlt) Số liệu ∆αtt thu thập từ kết thực tế giếng khoan mỏ Bạch Hổ (Viện Nghiên cứu Khoa học Thiết kế Dầu khí biển, 2016), cịn số liệu ∆αlt tính tốn theo chương trình Landmark (Halliburton, 2004) Sau phân tích số liệu thực tế loại bỏ số khoảng khoan có tính dị thường, cịn lại 192 khoảng khoan đưa vào sử dụng để tính tốn theo phần mềm Landmark Từ số liệu kêt thực tế ∆αtt kết tính tốn lý thuyết ∆αlt 192 khoảng khoan ta xây dựng đồ thị Hình
Từ đồ thị Hình 3, xác định phương trình biểu diễn mối quan hệ ∆αtt
∆αlt cho vòm (12), (13), (14) Vòm Bắc:
∆αtt Bắc = 1,18.∆αlt + 0,36
Vòm Trung tâm:
∆αtt T.Tâm = 1,12 ∆αlt + 0,14
Vòm Nam:
∆αtt Nam = 1,14 ∆αlt + 0,20
Có thể nhận thấy quan hệ ∆αtt ∆αlt cho vịm tuyến tính bậc nhất, có dạng: y = a.x + b
Như vậy, để kết tính tốn ∆αlt phù hợp
với thực tế ta phải thêm hệ số điều chỉnh aα
bα Một cách tổng quát ta có: Vịm Bắc:
∆αtt Bắc = aα Bắc ∆αlt+ bα Bắc
Vòm Trung tâm:
∆αtt T.Tâm = aα T.tâm ∆αlt + bα T.tâm
Vòm Nam:
∆αtt Nam = aα Nam ∆αlt + bα Nam
Trong đó:
aα Bắc = 1,18; bα Bắc = 0,36; aα T.tâm = 1,12; bα T.tâm = 0,14; aα Nam = 1,14; bα Nam = 0,20;
Từ kết biểu diễn Hình 3, ta có số nhận xét sau:
Mối quan hệ ∆αtt ∆αlt cho vòm tuyến tính bậc khơng qua gốc tọa độ, ∆αlt = ∆αtt có giá trị giá trị khơng lớn Điều có nghĩa sử dụng dụng cụ đáy ổn định góc nghiêng sai lệch cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế lý thuyết nhỏ phạm vi chấp nhận
Sự sai lệch cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế lý thuyết vịm với khơng lớn; lớn vòm Bắc (aα Bắc = 1,18) nhỏ vòm Trung tâm (aα T.tâm = 1,12) Ta thấy hệ số bα có giá trị dương, ∆αlt < sai lệch cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế lý thuyết nhỏ ∆αlt > Nói cách khác giảm góc nghiêng lệch lý thuyết thực tế nhỏ tăng góc nghiêng
Như trình bày, tỷ số lực sườn tải đáy định đến cường độ thay đổi (12)
(13) (14)
(15) (16) (17)
(6)40 Nguyễn Văn Giáp/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 35-40 góc nghiêng giếng khoan Nếu có trước
dụng cụ đáy, ta tính giá trị ∆α mà dụng cụ đáy tạo Ngược lại định trước giá trị
∆α, ta hồn tồn tính cấu trúc dụng cụ đáy nhờ việc sử dụng phần mềm Landmark Có nhiều dụng cụ đáy khác cho giá trị ∆α, ta chọn dụng cụ đáy có khoảng điều chỉnh (S) lớn S tính sau (Nguyễn Văn Thịnh, Nguyễn Văn Giáp, 2006):
a min
2 s
max a
1 s
F F F
F
S
Trong đó: (Fs)1: Lực sườn tương ứng với giá
trị lớn tải trọng đáy (Fa)max; (Fs)2: Lực
sườn tương ứng với giá trị nhỏ tải trọng đáy (Fa)min
4 Kết luận
Từ kết nghiên cứu, ta đưa kết luận sau: Lực sườn chng hình thành theo chế lực đòn bẩy nguyên nhân làm thay đổi góc nghiêng giếng khoan Khi cho trước dụng cụ đáy, ta tính giá trị ∆α dụng cụ đáy tạo ngược lại
Để kết tính tốn lý thuyết phù hợp với
thực tế áp dụng cho mỏ Bạch Hổ, ta phải thêm hệ số khu vực aα bα (công thức 12, 13 14)
Có nhiều dụng cụ đáy có cấu trúc khác cho giá trị ∆α Trong điều kiện cho phép, nên lựa chọn dụng cụ đáy có khoảng điều chỉnh S lớn
Tài liệu tham khảo
Halliburton, 2004 Wellplan BHA Landmark Nguyễn Văn Thịnh, Nguyễn Văn Giáp, 2006
Nghiên cứu xây dựng mối quan hệ cường độ cong α giếng khoan với tỷ số lực sườn tải trọng đáy (Fs/Fa). Tuyển tập cơng trình khoa học, chun đề kỷ niệm 40 năm thành lập Bộ môn Khoan - Khai thác - Rahman, R., 1996 Drilling technology core program manual University of New South Wale
Viện Nghiên cứu Khoa học Thiết kế Dầu khí biển, 2016 Tài liệu địa chất tài liệu thực tế giếng khoan
Xulacsin, С С., 1997 Khoan định hướng Nhà Xuất bản Lòng đất, Matxcova
ABSTRACT
Study on mechanism of side force generation with application to determine of regional coefficients dedicated to the Bach Ho oil field
Giap Van Nguyen
Faculty of Oil and Gas, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam
The side force induced at drilling bit is one of the key factors to cause inclination to the wellbore This article is dedicated to study the generation of side force and impact factors in order to accurately monitor and control trajectory of the bit as designed In the context of this work, two types of the bottom hole assembly (BHA) are investigated which consist of one and two stabilizers respectively Mechanism of side force generation obeys the principle of levers, in which, the bit and stabilizers play as a fulcrum, drillstrings function as arms, ie the distance between fulcrums As a consequence, the modification of side force is esentially the distribution of stabilizers above the bit and along the bottomhole assemble The side force produced could be positive, negative or zero correcsponding to the building up, dropping off or holding the inclination angle of the borehole The study is carried out with theoretical calculations which employ force balance principle applied to static and dynamic environments, the application of Lanmark software and the use of experimental control Study results enable the author to regionally build experimental coefficients devoted to major reserves of the Bach Ho field Besides, a suitable methodology is also emphasized in this work to optimize the selection of BHAs, which has the maximum adjustment range S