Bài giảng Dung dịch khoan – ximăng: Chương 1 - Đỗ Hữu Minh Triết - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Smith, SPE monograph vol.[r]

(1)

1

DUNG DỊCH KHOAN - XIMĂNG

GV: ĐỗHữu Minh Triết

Email: dhmtriet@hcmut.edu.vn

2 GEOPET

Tài liệu tham khảo

Kỹthuật khoan dầu khí, Lê Phước Hảo, 1995

Bài giảng dung dịch khoan vữa trám, Trần Đình Kiên, 2002 Applied Drilling Engineering, A T Bourgoyne Jr., K K Millheim, M E

Chenevert, F S Young Jr., SPE, 1991

Drilling fluids, Solids Control and Hydraulics (Module A-E), Smith

International, 1990

Principles of Drilling Fluid Control, 12nd Edition, API, 1969 Cementing, Dwight K Smith, SPE monograph vol 4, 1990 Well Cementing, Erick B Nelson, 1990

3 GEOPET

Kiểm tra tại lớp, tập: 20% Kiểm tra giữa học kỳ(tuần 8): 20% Thi cuối kỳ(tuần 16): 60%

Kiểm tra – Đánh giá

4 GEOPET

Nội dung tóm tắt

A. Dung dịch khoan

Các khái niệm, tính chất, thơng số dung dịch

khoan, cách gia cơng hóa học chúng Cách rửa lỗkhoan

bằng nước lã dung dịch tựnhiên Các loại dung dịch dùng điều kiện phức tạp Cách làm dung dịch

B. Ximăng

(2)

5 GEOPET

CHƯƠNG 8: KỸTHUẬT BƠM TRÁM XIMĂNG GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ 13-14

CHƯƠNG 7: CHỌN VỮA XIMĂNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 12

CHƯƠNG 6: XIMĂNG PORLAND 11

CHƯƠNG 5: LÀM SẠCH DUNG DỊCH 10

CHƯƠNG 4: DUNG DỊCH KHOAN TRONG ĐIỀU KIỆN PHỨC TẠP 7-8-9

CHƯƠNG 3: GIA CƠNG HĨA HỌC DUNG DỊCH SÉT

CHƯƠNG 2: DUNG DỊCH SÉT 3-4-5

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀRỬA LỖKHOAN 1-2

Nội dung Tuần

(3)

CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM CHUNG

VỀ RỬA LỖ KHOAN

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết

1-2

GEOPET RỬA LỖKHOAN LÀ GÌ?

Rửa lỗkhoanlà dùng chất lỏng hay chất khí đểthực nhiệm vụ: Làm đáy lỗ khoan

Bôi trơn làm mát dụng cụkhoan

Định nghĩa

Dung dịch khoan dung dịch tuần hoàn bơm từbề mặt vào cần khoan, qua chng khoan quay lại bềmặt khoảng khơng vành xuyến công tác khoan.

Dung dịch khoan có thểlà chất lỏng khí

Dung dịch khoan khơng khí Dung dịch khoan dạng bọt Dung dịch khoan nước Dung dịch khoan gốc dầu

Dung dịch khoan gốc polyme tổng hợp (olefin este)

1-3

GEOPET

I LỊCH SỬPHÁT TRIỂN VÀ SỬDỤNG

CÁC LOẠI DUNG DỊCH VÀO CÔNG TÁC KHOAN

- ThếkỷXIX ởTrung Quốc người ta tiến hành rửa lỗkhoan nước lã, sau nước lã hạt sét có sẵn

- 1905, dung dịch sét dùng đểrửa lỗkhoan giếng khoan ởTexas

- 1921, ôxit sắt xay nhỏđược dùng đểlàm nặng dung dịch ởbang Arkansas bang Louissiana (Mỹ) Sau đó, barit tìm thấy có khả làm nặng dung dịch tốt

- Đồng thời với việc làm nặng dung dịch người ta tìm xút (NaOH) aluminat natri đểlàm ổn định dung dịch giữcác hạt chất làm nặng trạng thái lơ lửng

1-4

GEOPET

- 1937, tinh bột dùng làm giảm độthoát nước dung dịch - 1944, Carboxymetyl Celullose (CMC) dùng làm giảm độthốt

nước dung dịch

- Sau đó, ởMỹvà Nga đồng thời tìm dung dịch gốc dầu đểmởvỉa dầu - 1939 – 1940, người ta dùng huyền phù carbonat đểrửa lỗ khoan - 1943, người ta dùng dung dịch có vơi đểcó thểchịu nhiệt độ

190oC mà không bịđặc.

- 1953, dùng dung dịch thạch cao đểthực mục đích - Ngồi việc rửa lỗkhoan chất lỏng, cịn dùng chất khí đểrửa lỗ

khoan, thực vào 1918

I LỊCH SỬPHÁT TRIỂN VÀ SỬDỤNG

(4)

1-5

GEOPET

Hệthống tuần hoàn dung dịch

1-6

GEOPET

Ổn định thành giếng

Ngăn sựxâm nhập

của chất lưu Giúp xác lưu chất vđịỉanh

Vận chuyển mùn khoan lên bềmặt

Bôi trơn, làm mát bộkhoan cụ

II CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN

¾ 1 Rửa lỗkhoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng ¾ 2 Giữmùn khoan lơ lửng ngưng tuần hồn ¾ 3 Làm mát, bơi trơn bộkhoan cụ

¾ 4 Giữthành lỗkhoan không bịsập lở, tránh nước rửa tượng dầu-khí-nước vào lỗkhoan ¾ 5 Gây tác dụng lý hóa phá hủy đất đá ¾ 6 Truyền lượng cho turbin khoan

GEOPET

Các chức năng khác

¾ Đảm bảo tính xác cho cơng tác đánh giá vỉa ¾ Kiểm sốt sựăn mịn thiết bị(O2, CO2, H2S) ¾ Hỗtrợq trình trám ximăng hồn thiện giếng ¾ Giảm thiểu tác hại cho mơi trường

¾ Truyền thơng tin địa chất lên mặt đất

¾ Là mơi trường trung gian đểtruyền tín hiệu điều khiển

II CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN GEOPET

Rửa lỗkhoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng Chức 1

Đây điều kiện đểđạt tốc độ học khoan cao

Muốn rửa đáy lỗkhoan phải kịp thời đưa mùn khoan lên mặt đất theo khoảng không vành xuyến thành lỗkhoan cần khoan Mức độrửa lỗkhoan phụthuộc vào số lượng chất lượng nước rửa bơm vào lỗkhoan: tốc độ dòng nước rửa lên, tính chất học, cấu trúc nước rửa, kích thước trọng lượng hạt mùn khoan

(5)

1-9

GEOPET

Giữmùn khoan lơ lửng ngưng tuần hoàn Chức 2

Trong trình khoan thường xảy tượng ngừng khoan

cách đột ngột tiếp cần, thay chng khoan Lúc khoảng khơng vành xuyến cịn nhiều mùn khoan chưa nâng lên mặt đất Do trọng lượng thân, hạt mùn khoan lắng xuống gây tượng kẹt lỗ khoan

Đểtránh tượng kẹt lỗkhoan, phải dùng dung dịch có tính lưu biến cao Dung dịch loại ởtrạng thái yên tĩnh, ứng suất giới hạn chúng tăng lên (q trình gel hóa), đủđểgiữcác hạt mùn khoan không bịlắng xuống

1-10

GEOPET

Giữmùn khoan lơ lửng ngưng tuần hoàn (tt) Chức 2

Khả giữcác hạt mùn khoan ởtrạng thái lơ lửng loại

nước rửa đánh giá kích thước lớn hạt mùn khoan khơng bịchìm loại nước rửa

Khi rửa lỗkhoan nước lã chất khí, tính lưu biến

loại dung dịch thấp, chỉđược ngừng tuần hoàn sau đưa hết mùn khoan lên mặt đất Đồng thời phải nhanh chóng khơi phục lại tuần hồn dung dịch

1-11

GEOPET

Làm mát, bôi trơn bộkhoan cụ

Chức 3

Trong q trình khoan, dụng cụphá đá bịnóng nhiệt độ ởđáy (địa nhiệt)và ma sát với đất đá

Năng lượng học ma sát sẽsinh nhiệt Một phần làm nóng dụng

cụphá đá phần vào đất đá Nhiệt độ ởvùng tiếp xúc 800 -1000oC sẽgiảm độbền độchống mòn của dụng cụ.

Khi dùng chất lỏng khí đểrửa lỗkhoan chất sẽthu nhiệt

dẫn đến sựcân nhiệt độ: nhiệt độtỏa trình ma sát sau thời gian nhiệt độcác chất rửa lỗkhoan Lúc nhiệt độcủa dụng cụphá đá không đổi

1-12

GEOPET

Làm mát, bôi trơn bộkhoan cụ(tt) Chức 3

Việc làm mát dụng cụphá đá phụthuộc lưu lượng, tỉnhiệt nhiệt độ

ban đầu chất đểrửa lỗ khoan Lưu lượng tỉnhiệt lớn nhiệt độtrung bình ởchỗtiếp xúc nhỏ Mặt khác lỗkhoan lớn việc làm lạnh chng khoan nhanh

Thực tếcho thấy dung dịch làm lạnh dụng cụphá đá tốt nước

lã, sau dung dịch sét chất lỏng khác, cuối chất khí

Nước rửa cịn bơi trơn ổbi, chi tiết khác turbin, choòng khoan

(6)

1-13

GEOPET

Giữthành lỗkhoan không bị sập lở, tránh mất nước rửa hiện tượng dầu-khí-nước vào lỗkhoan

Chức 4

Mỗi lớp đất đá, vỉa khoáng sản, tầng chứa dầu, khí, nước nằm lịng

đất có áp lực vỉa Pvcủa chúng (áp lực địa tĩnh) từvài atm, vài trăm đến hàng nghìn atm Ởđiều kiện bình thường, sựcân áp lực đất đá nên chúng ổn định khoan qua chúng sựcân bịphá vỡ Dưới tác dụng áp lực vỉa, lớp đất đá vào lỗkhoan

Khi lỗkhoan có nước rửa cột chất lỏng lỗkhoan sẽtạo áp lực thủy tĩnh Pv

Khi Pv> Pttthì đất đá, dầu khí nước sẽđi vào lỗkhoan gây tượng

sập lởthành lỗkhoan hay tượng dầu, khí, nước vào lỗkhoan làm bão hịa dung dịch, đơi có thểđẩy dung dịch khỏi lỗkhoan phun lên Tăng tỷtrọng Pttcó tác dụng chống lại Pv Mặt khác dùng dung dịch sét sẽtạo nên lớp vỏmỏng sét chặt sít xung quanh thành lỗ khoan, ngăn cách vỉa lỗkhoan thành lỗkhoan ổn định

1-14

GEOPET

Giữthành lỗkhoan không bị sập lở, tránh mất nước rửa hiện tượng dầu-khí-nước vào lỗkhoan (tt)

Chức 4

Khi Pv< Ptt, nước rửa vào khe nứt đất đá làm giảm thểtích nước rửa,

gây tượng nước rửa phần hay hoàn toàn Hiện tượng xảy khoan qua đất đá nứt nẻ, nhiều lỗhổng…

Đồng thời với tượng nước rửa, Pttgiảm mực nước lỗ khoan giảm sẽdẫn đến tượng sập lởthành lỗkhoan; dầu, khí, nước vào lỗkhoan

Khắc phục cách dùng dung dịch sét chất lượng tốt, tỷtrọng nhỏtạo nên vỏsét chặt sít ngăn cách lỗkhoan vỉa, đồng thời Pttnhỏsẽ

thành lập nên trạng thái cân Ptt= Pvđểchống nước rửa Trong trường hợp nước rửa mạnh, người ta dùng hỗn hợp đông nhanh để

khắc phục

GEOPET

Gây tác dụng lý hóa phá hủy đất đá Chức 5

Là thông sốchếđộ khoan

Nước rửa qua lỗthốt chng có kích thước nhỏcó tốc độkhá lớn dự

trữmột động Động sửdụng làm đáy lỗkhoan gặp đất đá mềm, phá hủy trực tiếp

Tác động học dòng nước rửa lên đáy lỗ khoan đánh giá áp lực hay lực đập dòng nước rửa tiếp xúc với đất đáởđáy Lực đập phụthuộc tốc độ, khối lượng mật độcủa dòng nước rửa

Khi khoan qua đất đá cứng, nước rửa chỉgóp phần vào việc tăng tốc độ học khoan nước làm giảm độcứng đất đá

GEOPET

Gây tác dụng lý hóa phá hủy đất đá (tt) Chức 5

Đất đá có độbền khơng đồng nhất, màng tinh thểcó chỗrất yếu bềmặt có khe nứt ngang dọc Khi nước rửa thấm sâu vào làm khe nứt bịsâu thêm, rộng tạo điều kiện cho việc phá hủy đá dễdàng

Hiệu quảđó tăng thêm ta thêm vào nước rửa chất giảm độcứng Tác

dụng chất tăng lực tương tác hóa lý mơi trường phân hóa bề

mặt đất đá tạo trình phá hủy học

Các chất làm giảm độcứng hoạt chất cacbon, fenol, axit muối kiềm chúng

+ Các chất điện phân: NaCl, MgCl2, CaCl2, AlCl3 + Các muối kim loại kiềm NaOH, Na2CO3

Lưu ý:Khi nồng độcác chất nước rửa nhỏthì có tác dụng, nồng

(7)

1-17

GEOPET

Truyền năng lượng cho turbin khoan

Đối với số trường hợp khoan giếng định hướng có góc nghiêng lớn khoan ngang, người ta sử dụng động cơđáy (tuabin động thể tích)

Động làm việc nhờ lượng dịng dung dịch tuần hồn giếng

Yếu tốquyết định lượng nước rửa bơm vào turbin nghĩa suất máy bơm

Ỵlượng nước rửa tăng lên cơng suất turbin thay đổi nhiều

Ỵtăng tiến độkhoan

Ởmáy bơm có sựliên hệ: Nb = pQ Trong đó:

Nb: cơng suất máy bơm dung dịch p: áp lực ống thoát máy bơm Q: lưu lượng máy bơm dung dịch

Chức 6

3 2 t t Q Q N N       =

1-18

GEOPET

Truyền năng lượng cho turbin khoan (tt)

Muốn Q tăng để tăng cơng suất quay turbin tăng Nbhay giảm p Trong kỹthuật, Nbcó thểđiều chỉnh dễdàng nên tăng Q dễdàng kỹthuật khoan, kích thước ống dẫn hạn chế nên Q tăng làm p giảm Tùy theo độbền ống dẫn thủy lực, bơm dụng cụkhoan mà p tăng đến trịsốp < pmaxdo giá trịpmaxđã làm hạn chếQ máy bơm

Khi Nb khơng đổi, muốn tăng Q phải giảm tổn thất cục Điều thực cách

- Tăng đường kính phần có nước rửa chảy qua nhưống dẫn, cần khoan đầu nối, lỗthốt chng

- Dùng nước rửa linh động có tỷtrọng độnhớt nhỏ

Khi Q khơng đổi tổn thất thủy lực sẽnhỏnhất làm lỗkhoan

bằng nước lã

Chức 6

1-19

GEOPET

Truyền năng lượng cho turbin khoan (tt)

Tính tốn thủy lực khoan nhằm tối ưu ROP (Rate of Penetration) cách:

Tăng khả tách mùn khoan choòng

Tối đa độgiảm áp choòng

Tối ưu lực va đập thủy lực đáy giếng

Áp lực choòng làm giảm cách: Dùng cần khoan đầu nối có kích thước nhỏ Dùng động cơđáy

Dùng thiết bịđo khoan

Tổn thất áp suất cao khi: Dung dịch có tỉtrọng lớn

Dung dịch có độnhớt lớn

Thành phần rắn mùn khoan cao

Chức 6

1-20

GEOPET

1 Phương pháp rửa thuận 2 Phương pháp rửa nghịch 3 Phương pháp rửa cục bộ