Phân tích ứng suất thành ống phục vụ khai thác dầu khí Phân tích ứng suất thành ống phục vụ khai thác dầu khí Phân tích ứng suất thành ống phục vụ khai thác dầu khí luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI MINH HOÀNG PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT THÀNH ỐNG PHỤC VỤ KHAI THÁC DẦU KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật Máy Thiết bị thuỷ khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THUỶ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THẾ ĐỨC GS TS NGUYỄN THẾ MỊCH Hà Nội - 2012 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… CHƯƠNG 1: CƠ SỞ VỀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ỐNG KHAI THÁC … 12 1.1 Mục đích phân tích ứng suất ống khai thác……………………… …12 1.2 Cơ sở phân tích ứng suất ống khai thác……………………… … 13 1.2.1 Chế tạo ống thông số kỹ thuật……………………… 13 1.2.2 Ứng suất, biến dạng, đặc tính học luyên kim loại ống ……………………………………………………………… ….14 1.2.3 Các tải dọc trục………………………………………… … 15 1.2.4 Sự phình bục…………………………………………………44 1.2.5 Sự ép bẹp………………………………………………….….45 1.2.6 Phân tích ba trục………………………………………….….49 1.2.7 Hệ số an toàn, hệ số thiết kế…………………………………55 1.2.8 Các loại tải trọng………………………………………….….59 CHƯƠNG 2: ÁP DỤNG TÍNH TỐN VỚI MỎ THĂNG LONG – ĐÔNG ĐÔ………………………………………………………………………….….70 2.1 Giới thiệu mỏ Thăng Long – Đông Đô…………………………….…70 2.2 Đặc điểm địa tầng trầm tích……………………………………… …72 2.3 Đặc điểm, tính chất vỉa chất lưu……………………………… ….72 2.4 Kết phân tích ứng suất phục vụ thiết kế khai thác……………… 74 2.4.1 Quy trình phân tích phục vụ thiết kế……………………….… 74 2.4.2 Các trạng thái giếng phân tích……………………… … 75 2.4.3 Cấu hình giếng đặc trưng cho tầng Miocene thấp- Mỏ Thăng Long………………………………………………………………….75 2.4.4 Cấu hình giếng đặc trưng cho tầng Oligocenne thấp – Mỏ Thăng Long……………………………………………………………….…79 2.4.5 Cấu hình giếng đặc trưng tầng móng – Mỏ Thăng Long………82 2.4.6 Cấu hình giếng đặc trưng tầng BII.2.20 BII.2.30 – Mỏ Đơng Đơ………………………………………………………………….…85 2.4.7 Cấu hình giếng đặc trưng tầng BII.1.10 BI.2.30 – Mỏ Đơng Đơ………………………………………………………………….…91 2.4.8 Cấu hình giếng đặc trưng tầng móng – Mỏ Thăng Long………96 2.4.9 Kết luận……………………………………………………….100 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT API Viện dầu khí Hoa Kỳ FTHP Áp suất dịng chảy vào ống nâng FWHP Áp suất dòng chảy đầu giếng FTHT Nhiệt độ dòng chảy vào ống nâng FWHT Nhiệt độ dịng chảy đầu giếng GOR Tỷ số khí dầu OD Đường kính ngồi ID Đường kính PI Chỉ số suất giếng BHP Áp suất đáy giếng TL Thăng Long DD Đơng Đơ PVT Áp suất, Thể tích, Nhiệt độ DST Thử vỉa VLP Đường đặc tính nâng IPR Đường đặc tính dịng vào HRC Độ cứng Rockwell TVD Chiều sâu theo phương thẳng đứng MD Chiều sâu thực WCT Độ ngập nước Pb Áp suất bọt DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1 Điều kiện uốn ống 29 Bảng 1.2 Bảng tính lực giới hạn giếng đứng 30 Bảng 1.3 Bảng giá trị lực giới hạn giếng nghiêng 30 Bảng 1.4 Bảng hệ số ma sát chất lưu 39 Bảng 1.5 Các chế độ ép bẹp ống 46 Bảng 1.6 Các hệ số ép bẹp chuyển tiếp 47 Bảng 1.7 Các hệ số ép bẹp dẻo 47 Bảng 1.8 Hệ số thiết kế theo chuẩn nghành dầu khí Nauy 57 Bảng 1.9 Hệ số thiết kế hồn thiện thơng thường 57 Bảng 2.1 Các tính chất vỉa tính chất dầu khí 72 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Mối quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu ống dẫn đặc trưng 15 Hình 1.2 Trọng lượng ống khai thác 17 Hình 1.3 Lực piston 18 Hình 1.4 Áp suất thử nút ống 19 Hình 1.5 Hình dạng đoạn ống 20 Hình 1.6 Chi tiết PBR nối giãn nở 21 Hình 1.7 Hiện tượng phình ống .23 Hình 1.8 Sự uốn ống gây áp suất .27 Hình 1.9 Phân tích uốn phương pháp phần tử hữu hạn 32 Hình 1.10 Mối liên hệ momen với sức căng hiệu dụng độ hở hướng tâm 34 Hình 1.11 Các dạng uốn 35 Hình 1.12 Chuỗi ống dụng cụ 37 Hình 1.13 Trở lực ống - ống chống 38 Hình 1.14 Lực tác động ống khai thác lên ống chống giếng lệch 39 Hình 1.15 Mối quan hệ Tải trọng Hock thời gian trình làm giếng 41 Hình 1.16 Trở lực dạng tải hoạt động 41 Hình 1.17 Tác dụng trở lực tới điều kiện ban đầu 44 Hình 1.18 Áp suất ép bẹp với ống mỏng - loại L80 48 Hình 1.19 Các thành phần ứng suất phân tích ứng suất ba trục .50 Hình 1.20 Biên dạng ứng suất dọc trục, ứng suất hướng tâm, ứng suất tiếp 52 Hình 1.21 Ứng suất VME 53 Hình 1.22 Đồ thị giới hạn thiết kế với vật liệu L80 55 Hình 1.23 Đồ thị giới hạn thiết kế với hệ số - Vật liệu L80 59 Hình 1.24 Gradient khí .65 Hình 2.1 Vị trí mỏ Thăng Long – Đơng Đơ 70 Hình 2.2 Dự báo sản lượng khai thác mỏ Thăng Long – Đơng Đơ 71 Hình 2.3 Cột địa tầng tổng hợp mỏ Thăng Long – Đông Đô 73 Hình 2.4 Mặt cắt địa chất qua giếng khoan mỏ Thăng Long .74 Hình 2.5 Mặt cắt địa chất qua giếng khoan mỏ Đơng Đơ 76 Hình 2.6 Lược đồ cấu hình giếng tầng Miocene thấp - Mỏ Thăng Long 76 Hình 2.7 Đồ thị giới hạn thiết kế tầng Miocene thấp - Mỏ Thăng Long 77 Hình 2.8 Hệ số an tồn ba trục tầng Miocene thấp - Mỏ Thăng Long 77 Hình 2.9 Hệ số an tồn phình nổ tầng Miocene thấp - Mỏ Thăng Long 78 Hình 2.10 Hệ số an tồn ép bẹp tầng Miocene thấp - Mỏ Thăng Long 78 Hình 2.11 Hệ số an toàn dọc trục tầng Miocene thấp - Mỏ Thăng Long 79 Hình 2.12 Lược đồ cấu hình giếng đặc trưng cho tầng Oligocene thấp- Mỏ Thăng Long 79 Hình 2.13 Đồ thị giới hạn thiết kế tầng Oligocene thấp- Mỏ Thăng Long 80 Hình 2.14 Hệ số an tồn ba trục tầng Oligocene thấp- Mỏ Thăng Long 80 Hình 2.15 Hệ số an tồn phình nổ tầng Oligocene thấp- Mỏ Thăng Long 81 Hình 2.16 Hệ số an toàn ép bẹp tầng Oligocene thấp- Mỏ Thăng Long 81 Hình 2.17 Hệ số an toàn dọc trục tầng Oligocene thấp- Mỏ Thăng Long .82 Hình 2.18 Lược đồ cấu hình giếng đặc trưng tầng móng – Mỏ Thăng Long 83 Hình 2.19 Đồ thị giới hạn thiết kế tầng móng – Mỏ Thăng Long 84 Hình 2.20 Hệ số an tồn ba trục tầng móng – Mỏ Thăng Long 84 Hình 2.21 Hệ số an tồn phình bục tầng móng – Mỏ Thăng Long 85 Hình 2.22 Hệ số an tồn ép bẹp tầng móng – Mỏ Thăng Long .85 Hình 2.23 Hệ số an tồn dọc trục tầng móng – Mỏ Thăng Long 86 Hình 2.24 Lược đồ cấu hình giếng tầng BII.2.20 BII.2.30- Mỏ Đơng Đơ 86 Hình 2.25 Đồ thị giới hạn thiết kế tầng BII.2.20 BII.2.30- Mỏ Đông Đô 87 Hình 2.26 Hệ số an tồn ba trục tầng BII.2.20 BII.2.30- Mỏ Đơng Đơ 87 Hình 2.27 Hệ số an tồn phình bục tầng BII.2.20 BII.2.30- Mỏ Đơng Đơ 88 Hình 2.28 Hệ số an tồn ép bẹp tầng BII.2.20 BII.2.30- Mỏ Đơng Đơ 88 Hình 2.29 Hệ số an tồn dọc trục tầng BII.2.20 BII.2.30- Mỏ Đơng Đơ 89 Hình 2.30 Lược đồ cấu hình giếng đặc trưng tầng BII.1.10 BI.2.30- Mỏ Đông Đô 89 Hình 2.31 Hệ số giới hạn thiết kế tầng BII.1.10 BI.2.30- Mỏ Đơng Đơ .91 Hình 2.32 Hệ số an tồn phình bục tầng BII.1.10 BI.2.30- Mỏ Đơng Đơ 91 Hình 2.33 Hệ số an tồn ép bẹp tầng BII.1.10 BI.2.30- Mỏ Đơng Đơ .92 Hình 2.34 Hệ số an tồn dọc trục tầng BII.1.10 BI.2.30- Mỏ Đơng Đơ .92 Hình 2.35 Lược đồ cấu hình giếng đặc trưng tầng móng- Mỏ Đơng Đơ 93 Hình 2.36 Hệ số giới hạn thiết kế tầng móng- Mỏ Đơng Đơ 93 Hình 2.37 Hệ số an tồn phình bục tầng móng- Mỏ Đơng Đơ 94 Hình 2.38 Hệ số an tồn ép bẹp tầng móng- Mỏ Đơng Đơ .94 Hình 2.39 Hệ số an tồn dọc trục tầng móng- Mỏ Đơng Đơ 95 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Phân tích ứng suất ống khai thác cơng đoạn hầu hết công việc thiết kế hồn thiện giếng khai thác dầu khí Với việc khoan thăm dò vùng nước sâu hơn, vỉa chứa nóng với cơng nghệ hồn thiện giếng phức tạp hơn, phân tích ứng suất ống khai thác trở nên cấp thiết phức tạp Nghành dầu khí Việt Nam giai đoạn phát triển chuẩn bị đưa vào khai thác nhiều mỏ dầu Việc tiến hành phân tích ứng suất ống khai thác không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mà cịn phải đáp ứng u cầu kinh tế mang tính nội địa hóa Vì vậy, đề tài “Phân tích ứng suất thành ống phục vụ khai thác dầu khí ” có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao kế hoạch phát triển khai thác dầu khí nói chung Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Các ống giếng khai thác dầu khí vỉa chịu tác động nhiều dạng lực khác Vì vậy, yêu cầu phải thực phân tích ứng suất để đảm bảo giếng thiết kế không chịu phá hủy học tồn q trình khai thác - Đối tượng nghiên cứu đề tài phân tích ứng suất ống khai thác - Phạm vi nghiên cứu: công việc phân tích ứng suất chúng tơi thực cho cấu hình giếng đặc trưng mỏ Thăng Long ngồi khơi Việt Nam Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu sở phương pháp luận, khai thác phần mềm phân tích ứng suất ống cho giếng khai thác mỏ Thăng Long-Đông Đô Nội dung nghiên cứu đề tài Để giải vấn đề nêu trên, đề tài phải thực nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu sở phương pháp luận phân tích ứng suất ống khai thác - Tổng quan mỏ Thăng Long-Đơng Đơ Hình 2.32: Hệ số an tồn phình bục (mỏ Đơng Đơ-giếng phun ép tầng BII.2.20 BII.2.30) Hình 2.33: Hệ số an tồn ép bẹp (mỏ Đơng Đơ-giếng phun ép tầng BII.2.20 BII.2.30) 89 Hình 2.34: Hệ số an tồn dọc trục (mỏ Đông Đô-giếng phun ép tầng BII.2.20 BII.2.30) 2.4.5 Kết với cấu hình giếng đặc trưng cho BII.1.10 BI.2.30 mỏ Đông Đô (khai thác + phun ép) Ống khai thác với đường kính 3-1/2’’, dạng vật liệu N80; ống phun 41/2’’ dạng vật liệu L-80 lựa chọn cho tầng sản phẩm Lược đồ kích thước thiết kế xác định sau: Hình 2.35: Lược đồ cấu hình giếng đặc trưng cho tầng BII.1.10 BI.2.30 mỏ Đông Đô 90 2.4.5.1 Giếng khai thác: Các kết phân tích với ống khai thác có trọng lượng riêng thấp (9.2 lbm/ft) tổng hợp biểu diễn hình vẽ sau Các kết cho thấy hệ số an tồn tối thiểu khơng bị vi phạm với dạng ống Hình 2.36: Hệ số giới hạn thiết kế (mỏ Đông Đô – giếng khai thác, tầng BII.1.10 BI.2.30) Hình 2.37: Hệ số an tồn phình bục (mỏ Đông Đô – giếng khai thác, tầng BII.1.10 BI.2.30) 91 Hình 2.38: Hệ số an tồn ép bẹp (mỏ Đông Đô – giếng khai thác, tầng BII.1.10 BI.2.30) Hình 2.39: Hệ số an tồn dọc trục (mỏ Đông Đô – giếng khai thác, tầng BII.1.10 BI.2.30) 2.4.5.2 Giếng phun: Các kết phân tích với ống phun ép có trọng lượng riêng thấp (11.0 lbm/ft) tổng hợp biểu diễn hình vẽ sau Các kết cho thấy hệ số an tồn tối thiểu khơng bị vi phạm với dạng ống 92 Hình 2.40: Hệ số giới hạn thiết kế (mỏ Đông Đô – giếng phun ép, tầng BII.1.10 BI.2.30) Hình 2.41: Hệ số an tồn ba trục (mỏ Đông Đô – giếng phun ép, tầng BII.1.10 BI.2.30) 93 Hình 2.42: Hệ số an tồn phình bục (mỏ Đông Đô – giếng phun ép, tầng BII.1.10 BI.2.30) Hình 2.43: Hệ số an tồn ép bẹp (mỏ Đông Đô – giếng phun ép, tầng BII.1.10 BI.2.30) 94 Hình 2.44: Hệ số an tồn dọc trục (mỏ Đông Đô – giếng phun ép, tầng BII.1.10 BI.2.30) 2.4.6 Kết với cấu hình giếng đặc trưng cho tầng móng mỏ Đơng Đơ (khai thác + phun ép) Ống khai thác với đường kính 2-7/8’’, dạng vật liệu N80; ống phun 41/2’’ dạng vật liệu L-80 lựa chọn cho tầng sản phẩm Lược đồ kích thước thiết kế xác định sau: Hình 2.45: Lược đồ cấu hình giếng đặc trưng cho tầng móng mỏ Đơng Đơ 95 2.4.6.1 Giếng khai thác: Các kết phân tích với ống khai thác có trọng lượng riêng thấp (6.4 lbm/ft) tổng hợp biểu diễn hình vẽ sau Các kết cho thấy hệ số an toàn tối thiểu không bị vi phạm với dạng ống Hình 2.46: Hệ số giới hạn thiết kế (Tầng móng, mỏ Đơng Đơ) Hình 2.47: Hệ số an tồn ba trục (Tầng móng, mỏ Đơng Đơ) 96 Hình 2.48 : Hệ số an tồn phình bục (Tầng móng, mỏ Đơng Đơ) Hình 2.49: Hệ số an tồn ép bẹp (Tầng móng, mỏ Đơng Đơ) 97 Hình 2.50: Hệ số an tồn dọc trục (Tầng móng, mỏ Đơng Đơ) 2.4.6.2 Giếng phun: Các kết phân tích với ống phun ép có trọng lượng riêng thấp (11.0 lbm/ft) tổng hợp biểu diễn hình vẽ sau Các kết cho thấy hệ số an toàn tối thiểu không bị vi phạm với dạng ống Hình 2.51: Đồ thị giới hạn thiết kế tầng móng (giếng phun, mỏ Đơng Đơ) 98 Hình 2.52: Hệ số an tồn ba trục tầng móng (giếng phun, mỏ Đơng Đơ) Hình 2.53 : Hệ số an tồn phình nổ tầng móng (giếng phun, mỏ Đơng Đơ) 99 Hình 2.54: Hệ số an tồn ép bẹp tầng móng (giếng phun, mỏ Đơng Đơ) Hình 2.55: Hệ số an tồn dọc trục tầng móng (giếng phun, mỏ Đơng Đơ) 2.4.7 Kết luận: Mỏ Thăng Long - Đơng Đơ có hàm lượng chất gây ăn mòn H2S, CO2 nhỏ Do vật liệu lựa chọn để sử dụng cho ống khai thác 100 giếng khai thác loại thép cácbon thông thường N80 L80 Các cấp đường kính ống khai thác đưa vào mô lựa chọn đường kính tối ưu, phù hợp với khả khai thác giếng Đường kính lựa chọn ½ inch giếng tương ứng thuộc mỏ Thăng Long – Đơng Đơ 101 KẾT LUẬN Phân tích ứng suất ống khai thác cơng việc địi hỏi nhiều tính tốn học Với cấu hình giếng truyền thống, phần mềm thương mại dùng để thực cơng việc Kết phân tích ứng suất ống khai thác phục vụ thiết kế khai thác trình bày nhằm minh họa khía cạnh cần tính tốn khả phần mềm Với cấu hình giếng khơng truyền thống, việc lập trình tính tốn cần thiết 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lam Sơn JOC, “Thang Long - Dong Do Field Development Plan”, 2011 PGS TS Lê Phước Hảo, “ Bài Giảng Cơng nghệ khai thác dầu khí”, 2006 Jonathan Bellarby, “Well completion design”, 2009 Denis PERRIN, “Well completion and servicing: Oil and Gas Field Development Techniques”, 1999 NACE International, “NACE MR0175/ ISO 15156”, 2003 Carl Gatlin, “Drilling and Completions”, 2005 Bellarby, J (2009) Well Completion Design, 1st ed Elsevier Pub, Amsterdam, The Netherlands ISO 13680 (2000) Petroleum and Natural Gas Industries - Corrosion Resistant Alloy Seamless Tube for Use as Casing, Tubing and Coupling Stock - Technical Delivery Conditions Milton, G W (2002), Theory of Composites, Cambridge University Press 10 NORSOK Standard D010 (2004) Well Integrity in Drilling and Well Operations 11 Timoshenko, S P Goodier, J N (1961) Theory of Elasticity, 3rd ed McGraw-Hill Book Company, New York 103 ... 1: CƠ SỞ VỀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ỐNG KHAI THÁC … 12 1.1 Mục đích phân tích ứng suất ống khai thác? ??…………………… …12 1.2 Cơ sở phân tích ứng suất ống khai thác? ??…………………… … 13 1.2.1 Chế tạo ống thông số... giúp đỡ hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn! 10 CHƯƠNG CƠ SỞ VỀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ỐNG KHAI THÁC 1.1 Mục đích phân tích ứng suất ống khai thác Phân tích ứng suất ống khai thác công đoạn... hơn, phân tích ứng suất ống khai thác trở nên cấp thiết phức tạp Nghành dầu khí Việt Nam giai đoạn phát triển chuẩn bị đưa vào khai thác nhiều mỏ dầu Việc tiến hành phân tích ứng suất ống khai thác