Các thông số là tải trọng phá huỷ đất đá G, lƣu lƣợng nƣớc rửa Q, tốc độ quay của choòng n, đƣợc tính sao cho:
- Việc thi công giếng khoan đƣợc tiến hành một cách nhanh nhất, có tốc độ thƣơng mại cao;
- Tận dụng hết khả năng làm việc cho phép của thiết bị trong đó phải khống chế trong vùng làm việc hợp lý của choòng, máy bơm khoan, Rôto hoặc động cơ thủy lực đáy. Vì nếu vƣợt quá giới hạn này thì sự cố khoan luôn đe doạ nhƣ sập lở thành giếng, choòng bị phá huỷ (nếu quay với tốc độ quá nhanh ngoài vùng chỉ tiêu, nhất là ổ tựa của chóp xoay bị phá huỷ);
Để bảo đảm đƣợc nhƣ vậy là ta đã thiết lập đƣợc một hệ thống số chế độ khoan cho các khoản khoan một cách tối ƣu. Có một tốc độ quay tối ƣu, lƣu lƣợng nƣớc rửa hợp lý khi tải trọng phá huỷ lên choòng phù hợp nhất.
Trên quan điểm nhƣ vậy ta tiến hành tính toán để lựa chọn các thông số chế độ khoan. Song ta có thể thừa hƣởng các kinh nghiệm đã đƣợc tổng kết lại khi khoan các giếng trƣớc đây tại mỏ Bạch Hổ để lựa chọn sao cho chế độ khoan của giếng thiết kế đƣợc phù hợp với điều kiện địa chất, chỉ tiêu kỹ thuật của giếng.
4.2. Lựa chọn choòng và phƣơng pháp khoan cho giếng MT-1X 4.2.1. Lựa chọn choòng cho các công đoạn khoan
a. Các yếu tố cơ bản để lựa chọn choòng khoan
Để lựa chọn đƣợc choòng khoan phù hợp cho từng đoạn khoan nâng cao hiệu quả phá huỷ đất đá, đẩy nhanh tiến độ thi công giếng khoan thƣờng dựa vào các yếu tố sau:
- Độ cứng và độ mài mòn của đất đá; - Hệ dung dịch khoan;
- Khoan xiên;
Khi lựa chọn cho òng khoan cần lƣu ý những điểm sau:
Độ cứng của đất đá: Các loại choòng khác nhau có cơ chế phá hủy đất đá khác nhau. Choòng chóp xoay phá hủy đất đá theo cơ chế cắt vỡ và mài mòn, choòng cánh dẹt phá hủy đất đá theo cơ chế cắt, choòng kim cƣơng phá hủy đất đá theo cơ chế mài mòn. Chính vì vậy, tùy theo các loại đất đá khác nhau mà ta sử dụng các loại choòng khoan cũng khác nhau.
Đất đá mềm dẻo sẽ thích hợp cho cơ chế phá hủy cắt, choòng cánh dẹt thích hợp để khoan qua tầng đất đá này.
Đất đá có độ cứng cao sẽ không thích hợp cho cơ chế cắt , choòng kim cƣơng đƣợc sử dụng để khoan vào tầng đất đá cứng đến rất cứng theo cơ chế mài mòn.
Choòng chóp xoay phá hủy đất đá theo cơ chế cắt vỡ và mài mòn nên đối tƣợng phá hủy đất đá của loại này đa dạng. Loại choòng chóp xoay có thể đƣợc lựa chọn để phá hủy đất đá mềm bở rời đến cứng và rất cứng. Tuy nhiên với đất đá cứng thì hiệu quả sử dụng của choòng chóp xoay không bằng choòng kim cƣơng.
Hệ dung dịch : Loại dung dịch khoan và các đặc tính của nó ảnh hƣởng đến tốc độ khoan nhờ khả năng rửa sạch đáy giếng khoan. Mặt khác áp suất đáy do cột dung dịch khoan tạo ra luôn lớn hơn áp suất thành hệ, điều này làm giảm hiệu quả phá hủy đất đá của choòng.
Phƣơng pháp khoan: Các phƣơng pháp khoan khác nhau sẽ có thông số chế độ khoan khác nhau, do đó tùy thuộc vào từng phƣơng pháp khoan mà ta lựa chọn choòng khoan cho phù hợp. Khi lựa chọn choòng khoan cần lƣu ý những đặc điểm sau.
Choòng kim cƣơng chịu lực cắt và va đập thấp, do đó khi khoan choòng kim cƣơng phải khoan với tải trọng thấp. Tiến độ khoan của choòng kim cƣơng lớn làm giảm thời gian kéo thả khi phải thay choòng là một tích cực khi sử dụng choòng kim cƣơng. Đối với choòng PDC: Khi sử dụng phƣơng pháp khoan bằng động cơ đáy nên dùng choòng có số rang nhiều hơn để trung hòa sự mài mòn do tốc độ quay lớn. Khi khoan bằng phƣơng pháp roto( hoặc Top Drive) nên dùng choòng có hệ thống vòi phun nhằm mở đáy giếng khoan và mặt choòng
b. Lựa chọn choòng cho các công đoạn khoan
Để quá trình thi công đạt các chỉ tiêu kỹ thuật cao, dựa vào yếu tố địa chất ta chia giếng khoan thành các khoảng khoan khác nhau. Để xác định các khoảng khoan phù hợp ta căn cứ vào các điều kiện sau:
- Đặc điểm địa chất mặt cắt chi tiết của giếng khoan; - Cấu trúc và Profile của giếng.
Do sự không đồng nhất của các tầng đất đá mà chủ yếu là sự khác nhau về thành phần cơ lý và thành phần thạch học giữa tầng cát và tầng sét ở các hệ tầng Plioxen đệ tứ, Mioxen và Oligoxen. Sự thay đổi tính chất cơ lý của đá Granit theo độ sâu. Profile của giếng có 4 đoạn bằng phƣơng pháp thống kê ta xác định các khoảng khoan và choòng khoan cho hợp lý cho từng khoảng khoan của giếng.
Hình 4.1. Choòng khoan 3 chóp xoay Hình 4.2. Choòng kim cương
Khoảng khoan từ 85 – 400m
Trong khoản khoan này chúng ta tiến hành khoan mở lỗ, đất đá mềm tơi xốp, độ xi măng yếu có độ cứng từ 1 ÷ 2 theo độ khoan. Ta chọn choòng 3 chóp xoay ký hiệu 660.4L111, choòng có thể khoan đƣợc 1200 m, tốc độ cơ học khoan 76 m/h.
Khoảng khoan từ 400 – 2384m
Khoảng khoan này nằm trong đoạn tăng góc, ta sử dụng choòng có ký
hiệu 17 ½’’XR + C , choòng có thể khoan đƣợc 800 m.
Khoảng khoan từ 2384 – 4209m
Khoản này ta sử dụng choòng có ký hiệu 12 ¼’’
QD605X,MDSi519LHBPX choòng có thể khoan đƣợc 2400m
Khoảng khoan từ 4209– 4929m: Khoảng này ta chọn choòng có ký hiệu
8 ½’’ Mdi419LHUPX, choòng có thể khoan đƣợc 840m
Khoảng khoan từ 4209– 4929m: Khoảng này ta chọn choòng có ký hiệu 8
½’’ GTSG1, choòng khoan có thể khoan đƣợc 210m
Khoảng khoan từ 4929– 5579m: Khoảng này năm trong đoạn thẳng đứng,
ta chọn choòng 3 chóp xoay có ký hiệu 6 ½’’ XR40YODPS
Bảng 4.1. Choòng khoan qua các công đoạn
Khoảng khoan
(m)
Loại choòng Định mức khoan
của choòng (m) Số lƣợng (cái) 85 ÷ 400 660.4L111 1200 1 400 ÷ 2384 17 ½’’XR + C 800 2 2384 ÷ 4209 12 ¼’’QD605X,MDSi519LHBPX 2400 1 4209 ÷ 4929 8 ½’’ MDi419LHUPX 840 1 4209 ÷ 4929 8 ½’’ GTSG1 210 4 4209 ÷ 4929 6 ½’’ XR40YODPS 150 5
4.3 Lựa chọn phƣơng pháp khoan
Giếng khoan MT-1X đƣợc thi công trên giàn tự nâng TAM ĐẢO 01 của xí nghiệp Vietsovpetro. Vì vậy ở đây chỉ dùng hai phƣơng pháp khoan đó là: Khoan bằng động cơ Top Driver và khoan bằng động cơ đáy.
4.3.1. Phƣơng pháp khoan bằng động cơ Top Driver. Ƣu điểm:
Khoan bằng động cơ Top Driver cũng hoạt động dựa trên nguyên lý tƣơng tự nhƣ trong phƣơng pháp khoan Rotor, chuyển động xoay đƣợc truyền tới choòng khoan thông qua cột cần khoan để phá hủy đất đá. Tuy nhiên chuyển động xoay này đƣợc truyền từ động cơ Top Driver, thay vì truyền từ bàn Rotor. Chính vì vậy, khoan bằng động cơ Top Driver có các đặc điểm sau:
- Các thông số chế độ khoan có thể đƣợc điều chỉnh độc lập và hợp lý trong quá
trình khoan để đảm bảo sự làm việc tối ƣu của choòng khoan trong các điều kiện đất đá khác nhau.
- Yêu cầu về công suất của máy bơm khoan: Trong khoan bằng động cơ Top
Driver không cần lớn nhƣ trong phƣơng pháp khoan bằng động cơ đáy, đồng thời các thiết bị trên bề mặt cũng đơn giản, dễ bảo dƣỡng, sửa chữa.
- Khoan bằng động cơ Top Drive cho phép truyền tải trọng đáy lớn và đạt hiệu
quả cao khi khoan ở độ sâu từ nhỏ đến trung bình.
- Khoan bằng động cơ Top Drive cho phép giảm thời gian tiếp cần và khắc phục
sự cố do kẹt bộ dụng cụ hiệu quả hơn so với khoan Rotor. Do đó không cần sử dụng cần chủ đạo, vì nó vừa quay , vừa nâng.
Nhƣợc điểm:
Trong quá trình khoan gây mất mát công suất do lực ma sat giữa cột cần khoan và thành giếng khoan, có khi làm tăng sự cố đối với cần khoan do ứng suất sinh ra trong quá trình làm việc. Vì vậy trong khoan định hƣớng rất hạn chế sử dụng.
- Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hƣớng trong tháp để làm mất mômen cản.
- Phải gia cố kết cấu tháp do có lực xoắn phụ.
- Phải có các ống mềm hoặc cáp tải điện phụ trong tháp khoan.
- Tăng đáng kể khối lƣợng trên cao.
4.3.2. Phƣơn pháp khoan động cơ đáy Ƣu điểm:
Sử dụng năng lƣợng của dòng chảy dung dịch để làm quay choòng khoan đƣợc lắp ngay bên dƣới Turbin nhờ các cánh Turbin lắp ngay bên trong. Cột cần khoan khoan quay , nó có nhiệm vụ truyền nƣớc rửa từ bề mặt xuống đáy giếng khoan để cho Turbin làm việc. Ngoài ra cần khoan còn định vị Turbin, kéo thả bộ dung cụ đáy… Vì vậy, ứng suất phát sinh trong quá trình khoan của cột cần nhỏ( đặc biệt là ứng suất xoắn và ứng suất uốn…) do đó mà giảm đƣợc sự cố về đứt cần khoan, tránh mài mòn các bộ phận của cột cần và thiết bị quay trên mặt.
Đặc điểm của phƣơng pháp này là thuận lợi trong quá trình khoan định hƣớng.
Nhƣợc điểm:
- Đặc tính làm việc của Turbin là số vong quay lớn, điều này rất hạn chế khi sử
dụng choòng chop xoay, thời gian làm việc ngắn do sự mài mòn nhanh của ổ tựa.
- Ở những hệ tầng đất đá đòi hỏi mômen phá đá lớn thì một số loại Turbin thông
thƣờng không đạt yêu cầu này.
- Vùng làm việc ổn định của số vòng quay Turbin hẹp nên ra ngoài giới hạn này
Turbin có thể ngừng làm việc.
- Trong khoan Turbin, công suất thủy lực lớn. Do vậy, khi khoan chế độ vòi thủy
lực sẽ kém hiệu quả, phức tạp , cồng kềnh phải làm việc với công suất lớn . Điều này giới hạn chiều sâu làm việc của Turbin.
- Những chi phí cho quá trình bảo dƣỡng , bảo quản cao làm tăng giá thành một
mét khoan.
4.3.3. Chọn phƣơng pháp khoan cho từng khoảng khoan.
Căn cứ vào ƣu điểm, nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp khoan, đặc điểm địa chất dự kiến qua mặt cắt giếng khoan, hình dạng thân giếng khoan, điều kiện kinh tế, kỹ thuật ở vùng mỏ. Vì vậy, để đảm bảo yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật cho giếng khoan ta có thể lựa chọn phƣơng pháp khoan cho từng khoảng khoan nhƣ sau:
- Từ 85-120m: Ta sử dụng phƣơng pháp khoan bằng động cơ Top Driver.
- Từ 120-400m: Ta sử dụng phƣơng pháp khoan bằng động cơ Top Driver.
- Từ 400-2384m: Ta sử dụng phƣơng pháp khoan bằng động cơ đáy
- Từ 4209-4929m: Ta sử dụng phƣơng pháp khoan bằng động cơ Top Driver.
- Từ 4929-5579m: Ta sử dụng phƣơng pháp khoan bằng động cơ Top Driver.
4.5 Lựa chọn thông số chế độ khoan cho các công đoạn khoan 4.5.1 Phƣơng pháp xác định các thông số chế độ khoan 4.5.1 Phƣơng pháp xác định các thông số chế độ khoan
a. Phƣơng pháp xác định lƣu lƣợng cho các khoảng khoan
* Tính toán lưu lượng cho khoan động cơ đáy:
- Lƣu lƣợng lớn nhất cho phép khoan đƣợc ở chiều sâu L đƣợc tính theo công thức:
(l/s) (4.1)
Trong đó:
N: Công suất của máy bơm (mã lực);
b: Hiệu suất của máy bơm;
d: Trọng lƣợng riêng của dung dịch (G/cm3); Ap: Hệ số tổn thất áp suất ở tuabin;
PT: Là áp suất tiêu thụ ở tuabin.
A: Hệ số tổn thất áp suất không phụ thuộc chiều dài cột ống. A = abm + acn.lcn + ac + at
abm: Hệ số tổn thất áp suất ở bề mặt; acn: Hệ số tổn thất trong cần nặng;
ac: Hệ số tổn thất áp suất ở các lỗ thoát nƣớc của choòng khoan.;
F: Tổng tiết diện các lỗ thoát nƣớc của choòng khoan. (mm2) at: Hệ số tổn thất áp suất thực nghiệm.
lcn: Chiều dài cần nặng. (m)
B: Hệ số tổn thất áp suất phụ thuộc chiều dài cột cần khoan B = atc + + avx
atc: Hệ số tổn hao áp suất trong cần khoan. 3 max ). . ( . . 5 , 7 d p b L B A A N Q 2 .Q P A d T p 2 2 , 1 F ac l adn
adn: Hệ số tổn hao áp suất tại đầu nối. l: Chiều dài cần dựng. (m)
avx: Hệ số tổn hao áp suất ở không gian vành xuyến. L: Chiều dài cột cần. (m)
- Lƣu lƣợng nhỏ nhất cho phép đảm bảo rửa sạch đáy và nâng mùn khoan lên đƣợc tính theo công thức:
(l/s) (4.2)
Trong đó:
D: Đƣờng kính lỗ khoan. (m) d: Đƣờng kính cần khoan. (m)
Vmin: Tốc độ đi lên tối thiểu của dung dịch ở khoảng không vành xuyến.
- Từ hai công thức (4.1) và (4.2) ta chọn lƣu lƣợng máy bơm khoan Q thoả mãn điều kiện: Qmin < Q < Qmax
* Tính toán lưu lượng cho khoan bằng động cơ Top Drive:
Khoan bằng động cơ Top Drive cũng hoạt động dựa trên nguyên lý xoay bộ dụng cụ giống nhƣ trong khoan Roto, vì vậy ta có thể áp dụng các công thức tính toán trong khoan Roto vào trong khoan bằng động cơ Top Drive.
- Lƣu lƣợng lớn nhất cho phép khoan đƣợc ở chiều sâu L đƣợc tính theo công thức:
(l/s) (4.3)
- Lƣu lƣợng nhỏ nhất cho phép đƣợc tính theo công thức:
(l/s) (4.4)
- Từ hai công thức (4.3) và (4.4) ta chọn lƣu lƣợng máy bơm khoan Q thoả mãn điều kiện: Qmin < Q < Qmax
b. Phƣơng pháp xác định tải trọng đáy
Để tính đƣợc tải trọng đáy tối ƣu ta phải đi xác định một số tải trọng sau: * Xác định tải trọng nhỏ nhất để choòng phá huỷ đất đá.
G1 = F. (4.5) Trong đó: : Giới hạn bền nén của đất đá. (kg/mm2) 3 min 2 2 min .( ). .10 4 D d V Q 3 max ). . ( . . 5 , 7 d b L B A N Q 3 min 2 2 min .( ). .10 4 D d V Q
F: Diện tích tiếp xúc của răng choòng với đất đá ở đáy lỗ khoan
(mm2) (4.6)
nt: Hệ số phủ của răng choòng. nt = 1,05 2
K: Hệ số mòn của choòng. K = 1 1,5
Dc: Đƣờng kính choòng khoan. (mm)
* Xác định tải trọng làm việc định mức của choòng khoan G2:
G2 = GT. Dc (4.7)
Trong đó:
Dc: Đƣờng kính của choòng (cm)
GT: Tải trọng riêng (kg/1cm đƣờng kính choòng).
* Xác định tải trọng cho phép lớn nhất tác động lên choòng G3: Tải trọng này có trong bảng thống kê các thông số kỹ thuật của choòng.
* Xác định tải trọng thống kê thu đƣợc từ ngoài thực tế G4 (tải trọng thống kê). * Tải trọng đảm bảo cho mô men của tuabin đạt giá trị cực đại GM:
GM = (0,8 0,9). Gf (4.8)
Gf: Tải trọng hãm của tuabin.
* Tải trọng đảm bảo cho công suất của tuabin đạt giá trị cực đại GN:
GN = (0,6 0,7). Gf (4.9)
Tải trọng đáy Gc đặt lên choòng khoan để phá huỷ đất đá phải đƣợc tính chọn
sao cho:
* Đối với khoan bằng động cơ Top Drive: G1 < Gc < G3
G2 Gc G4 * Đối với khoan tuabin:
G1 < Gc < G3 G2 Gc G4 Gc GN
c. Phƣơng pháp xác định số vòng quay n
Xác định tốc độ quay cho khoan bằng động cơ đáy:
Sau khi tính đƣợc Q và G, chúng ta tiến hành xác định số vòng quay n.
2 . .D K n F t c
n = nkt - f kt M n ( Mc + Mô) (vòng/phút) (4.10) Trong đó:
nkt : số vòng quay không tải, nkt = 2.no n0 : đƣợc tính theo công thức: n0 = An. Q Mô = rôGth G
Mc = 4,53.K.G.Dc
K: Hệ số kể đến sự mài mòn của chóp xoay K = 0,2 ÷ 0,3
Choòng còn mới K= 0,1 ÷ 0,2
Vậy để công suất đạt cực đại, ngƣời ta chọn n = n0 = nkt/2. Sau khi chọn đƣợc n, ta tính Lcf : Lcf =