3.1.2 Các loại cấu trúc giếng khoan Dầu khí. 3.1.3 Các yếu tố chi phối cấu trúc giếng khoan. 3.1.4 Tính toán cấu trúc giếng khoan.
3.2Gia cốthành giếng khoan.
Khi khoan các giếng khoan dầu khí phải tiến hành gia cố thành giếng, nhằm mục đích.
- Giữ cho thành giếng không sập lở,
- Cách ly các vỉa dầu, khí với các tầng chứa chất lưu khác nhau. Điều đó đảm bảo cho dầu khí chảy từ giếng khoan lên miệng không mất mát.
Để gia cố thành giếng thả vào lỗ khoan một loại ống đặc biệt, gọi là ống chống. Sau đó lấp đầy khoảng không gian bên ngoài ống chống bằng vữa xi măng nhờ những thiết bị trám đặc biệt.
3.2.1 CHỐNG ỐNG LỖ KHOAN
Chống ống là công tác gia cố thành giếng khoan bằng cách đưa vào giếng những cột ống chống được tạo thành bằng những ống kim loại, nối với nhau bằng ren hoặc hàn. Ở mỗi giếng khoan có thể chống từ 12 cột ống, có khi lên tới 45 cột tuỳ theo mục đích, chiều sâu và điều kiện của mỗi giếng.
3.2.2 Cấu trúc của giếng khoan
Giếng khoan dầu khí là những công trình cơ bản, được xây dựng theo đề án đã lập ra từ trước. Yếu tố xuất phát cơ bản để lập thiết kế là việc lựa chọn và xây dựng cấu trúc giếng khoan. Cấu trúc giếng khoan được tạo thành bởi một số cột ống chống có đường kính và chiều dài khác nhau thả lồng vào nhau trong giếng, kết hợp với những đường kính choòng tương ứng dùng để khoan. Cấu trúc của giếng khoan bao gồm:
- Cấu trúc của các cột ống chống (số lượng, chiều sâu, đường kính), - Choòng khoan sử dụng (loại choòng, đường kính),
3.2.2.1Sơ đồ chống ống tổng quát (hình 5.1)
Trong quá trình khoan, chống ống mang một đặc tính không liên tục. Khi khoan đến một chiều sâu nào đó phải ngừng khoan và tiến hành thả ống và trám xi măng. Sau đó tiếp tục khoan với choòng có đường kính bé hơn đường kính bên trong của ống chống thả trước đó và quá trình lại được lập lại. Dd Dcd Hd Dtg Htg Dctg Hctg Hk Dk Hck Dck a. Sơ đồ tổng quát Dd Dtg Hd Dk Htg Hk
b. Sơ đồ đơn giản
Hình 5.1 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc của giếng khoan
- Cột ống định hướng: Có tác dụng định hướng ban đầu cho giếng khoan, chống lại sự sập lở đất đá và ô nhiễm của dung dịch đối với tầng nước mặt, tạo kênh dẫn cho dung dịch chảy vào máng, bảo vệ không cho dung dịch xối sập nền khoan và móng thiết bị. Nếu đất đá ở trên mặt ổn định và không xảy ra mất dung dịch thì không dùng. Đường kính thông thường từ 500 600mm, nhô cao trên mặt khoảng 1,5 2m.
- Cột ống dẫn hướng: Có tác dụng giữ ổn định cho thành lỗ khoan ở phần trên khỏi bị sập lở. Bảo vệ các tầng chứa nước ở phần trên khỏi bị nhiễm bẩn của dung dịch khoan. Đóng những tầng đầu tiên có chứa những chất lưu
dưới áp suất cao có khả năng gây phun. Đóng vai trò một trụ rỗng trên đó có lắp các thiết bị miệng giếng như đầu ống chống, thiết bị chống phun. Treo toàn bộ các cột ống tiếp theo và một phần thiết bịlòng giếng phục vụ cho quá trình khai thác.
Đây là cột ống đầu tiên nhất thiết phải có, chiều sâu thả thông thường từ 70 400m cũng có thể đạt tới 800 1000m tuỳ theo điều kiện địa chất và kỹ thuật.
Do chịu nén bởi toàn bộ trọng lượng của các cột ống tiếp theo, do đó cột ống này phải được trám xi măng hết chiều dài, phần nhô lên mặt đất phải đủ bền.
- Cột ống chống khai thác: Đâylà cột ống cuối cùng được thả xuống giếng khoan. Nó tạo nên kênh dẫn để lấy dầu và khí và bảo vệ các thiết bị khai thác như bơm sâu, ống ép khí... Ngoài ra cột ống này còn cho phép kiểm tra áp suất, thực hiện công tác tăng dòng sản phẩm như nổ thuỷ lực, xử lý vỉa bằng axit...
Cột ống chống này chỉ không thả trong trường hợp chắc chắn lỗ khoan không có vỉa sản phẩm. Nếu tầng sản phẩm gồm các đá chứa liên kết tốt thì chỉ thả đến nóc vỉa.
- Cột ống chống trung gian: Còn được gọi là cột ống chống kỹ thuật, nó được thả do yêu cầu của điều kiện địa chất. Công tác khoan không thể tiếp tục được nếu không có nó. Ví dụ để đóng các tầng nham thạch có thể xảy ra
những khó khăn phức tạp trong quá trình khoan như sập lở, bó hẹp thành, mất dung dịch... và cho phép khoan lỗ khoan tới tầng sản phẩm theo thiết kế. Do đó cột ống này có thể không có hoặc với số lượng 12 cột cá biệt 34 cột.
- Cột ống chống lửng: Còn được gọi là cột ống chống ngầm, nó có độ dài tương đối ngắn, được thả với chiều dài từ đáy lỗ khoan cho đến 50-100m ở bên trong cột ống trước đó. Chúng có thể bảo đảm chức năng của ống chống trung gian hoặc ống chống khai thác. Cột ống này được đưa vào giếng khoan nhờ cột cần khoan và được treo vào cột ống trước đó nhờ một đầu nối đặc biệt.
Trong trường hợp cột ống chống lửng giữ chức năng của cột ống chống khai thác, cột ống này cũng có thể đục lỗ ở trên mặt đất rồi mới thả xuống.
Trong trường hợp cột ống chống bên trên đó không chịu được áp suất bên trong, thì cột ống chống lửng sau khi trám xi măng được kéo dài
lên trên mặt.
Ưu điểm của cột ống chống lửng là do chiều dài bé nên tiết kiệm được ống, công tác thả ống cũng nhanh hơn.
Nếu trong lỗ khoan ngoài ống định hướng và ống dẫn hướng chỉ có ống dẫn khai thác thì cấu trúc của lỗ khoan được gọi là các cấu trúc một cột ống. Nếu thêm một cột ống trung gian thì gọi là cấu trúc hai cột ống, nếu thêm nhiều cột ống trung gian thì gọi là cấu trúc nhiều cột ống.
3.2.2.2Các yếu tốxác định cấu trúc lỗ khoan
Các yếu tố xác định cấu trúc của lỗ khoan bao gồm: địa chất, kỹ thuật, công nghệ, và kinh tế.
- Yếu tố địa chất: Tài liệu chính để chọn cấu trúc lỗ khoan là mặt cắt địa chất và vị trí của các tầng nham thạch khoan qua, áp suất và các chất lưu chứa trong đó. Những tầng nham thạch có thể gây khó khăn phức tạp trong quá trình thi công giếng. Điều kiện địa chất là yếu tố cơ bản để xác định cấu trúc ống chống (số cột ống và chiều sâu thả từng cột ống). Cột ống chống phải đóng các tầng nham thạch có thể gây ra những trở ngại trong quá trình khoan.
Trước khi thả một cột ống cần phải phân tích tất cả các khả năng kỹ thuật và quy trình nhất là biện pháp xử lý bằng dung dịch khoan để thực hiện khoan không có cột ống đó. Nếu không giải quyết được thì mới thả ống chống.
- Yếu tố kỹ thuật: Yếu tố này đề cập đến khả năng cung cấp vật liệu ống chống, các thiết bị bề mặt bảo đảm cho quá trình thả và treo nó.
- Yếu tố công nghệ: Yếu tố này xác định cấu trúc giếng khoan trong thời gian ngắn nhất.
- Yếu tố kinh tế: Giá thành của cột ống chống thông thường chiếm khoảng 15-20% có trường hợp lên tới 40-50% giá thành của toàn bộ giếng khoan. Như vậy đường kính của cột ống chống không những ảnh hưởng đến giá thành của nó mà còn đến các công tác khác.
Nếu khoan đường kính lớn sẽ kéo dài thời gian khoan, giá thành khoan tăng lên kéo theo giá thành của choòng, dung dịch, xi măng cũng tăng lên. Vì vậy việc chọn đường kính ống phải chọn đường kính nhỏ nhất có thể.
Cấu trúc của giếng còn phụ thuộc vào mục đích của giếng khoan. Các giếng khoan khai thác được tiến hành trên những vùng đã nắm chắc địa tầng nên vấn đề lựa chọn cấu trúc chủ yếu là hợp lý hoá cấu trúc nhằm cải thiện điều kiện khoan, khai thác và giảm chi phí khoan, tìm giải pháp để giảm đường kính, số cột ống và lượng xi măng trám.
Ngược lại các lỗ khoan thăm dò tiến hành trên các vùng ta chưa nắm vững địa tầng nên vấn đề quan trọng nhất là cấu trúc phải bảo đảm thực hiện thành công lỗ khoan. Nói chung phải chấp nhận một cấu trúc rộng. Tức là cấu trúc mà cho phép chúng ta thêm vào một số cột ống chống trong trường hợp cần thiết mà không thay đổi đường kính của cột ống khai thác.
3.2.3 5.1.2 Tính toán cấu trúc giếng khoan
3.2.3.1Tính đƣờng kính các cột ống và đƣờng kính choòng
Sau khi đã chọn được cấu trúc của giếng khoan một cách hợp lý, chúng ta tiến tới tính toán cấu trúc của giếng khoan.
Nguyên tắc tính toán cấu trúc của giếng khoan bắt đầu từ đường kính của cột ống khai thác cho đến cột ống chống trên cùng theo thứ tự từ dưới lên. Cấu trúc lỗ khoan được tính toán làm thế nào để bảo đảm cho quá trình khoan cũng như thả ống chống đến chiều sâu dự kiến được thông suốt. Các bước tính toán như sau:
- Chọn đường kính cột ống khai thác chủ yếu dựa vào lưu lượng khai thác của giếng.
- Chọn đường kính của choòng khoan chủ yếu dựa vào đường kính mufta của ống chống Dm, khoảng hở để trám xi măng giữa Mufta và thành lỗ khoan (được chọn theo bảng 5.1). đường kính của choòng khoan để khoan cột ống tương ứng được tính theo công thức sau :
Bảng 3 Khe hởcho phép giữa mufta của ống chống và thành lỗ khoan Đ.kính ống (mm) 114, 127 140, 146 168, 178 194 279, 245 273, 299 324, 340 351 377, 407 426 (mm) 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-45 45-50
- Xác định đường kính trong của ống chống trước đó theo công thức:
Dt = Dc + (6 8)mm (5.2)
Dựa vào các số liệu đã tính toán để chọn đường kính choòng và đường kính ống theo kích thước gần nhất (sản xuất theo quy chuẩn).
3.2.3.2Xác định chiều cao trám xi măng
Ở các giếng khai thác khí, công tác trám xi măng được tiến hành trên toàn bộ chiều dài của tất cả các ống chống với mục đích bảo đảm an toàn cho quá trình khai thác.
Đối với các giếng khai thác dầu cột ống dẫn hướng bắt buộc phải trám xi măng trên toàn bộ chiều dài của chúng. Còn các cột ống khác chiều cao trám xi măng tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất và kỹ thuật.
Theo điều kiện địa chất: Cột ống chống trung gian có thể trám từ dưới đến vùng có thể gây gia những khó khăn phức tạp trong quá trình khoan. Cột ống khai thác sẽ trám đến đáy của cột ống chống trên đó một khoảng ít nhất 50-60m.
Theo điều kiện kỹ thuật: Nếu như chúng ta xem một cột ống chống có chiều sâu H và trám xi măng trên một chiều dài Hc và xem phần không trám xi măng như một thanh dầm chịu lực có ngàm ở 2 đầu. Đầu trên được lắp vào đầu ống chống và đầu dưới vào vành đá xi măng. Phần không trám xi măng sẽ chịu tải do các lực sau đây:
- Trọng lượng của bản thân chúng, - Thay đổi áp suất bên trong,
Vì vậy chiều cao trám xi măng được xác định dựa vào điều kiện phần không trám của cột ống chống luôn được giữ ở trạng thái kéo và luôn luôn ở dưới tải trọng cho phép ở mối nối ren. Tức là:
Fcf (H - Hc) qtb + Ft + Fn hay 4 ` 2 d P P Qph th d (5.3) trong đó qtb: Trọng lượng trung bình của một mét cột ống chống L q l qtb i. i (5.4)
Fn: Lực sinh ra do thay đổi nhiệt độ bên trong cột ống
Fn = 32,1. qtb. t (5.5)
t = 2530oC
Ft: Tải trọng sinh ra do thay đổi áp suất bên trong cột ống
tb tb t t D q P F . 11 , 0 (5.6)
Pt: Thay đổi áp suất bên trong Pt = 150 200kg/cm2. tb: Độ dày trung bình của cột ống chống L li i tb . (5.7)
D: Đường kính ngoài của ống chống,
Fcf: ứng lực cho phép làm tuột mối nối ren của đoạn ống thứ hai trên xuống,
H: Chiều dài cột ống.
3.2.4 Các bộ phận của cột ống chống 3.2.4.1Ống chống
Ống chống là những loại ống chế tạo từ những loại thép đặc biệt chuyên dùng để gia cố thành lỗ khoan, chúng được nối với nhau qua đầu nối và tạo thành cột ống chống.
Cột ống chống được phân biệt giữa chúng qua đường kính định mức, bề dày thành, chất lượng thép và điều kiện nối.
- Đường kính định mức chính là đường kính ngoài của cột ống và được sản xuất theo quy chuẩn quốc tế. Đường kính định mức của chúng là (mm) 114, 127, 140, 146, 154, 168, 178, 194, 219, 245, 273, 299, 324, 340, 351, 377, 407, 426, 508.
- Thông thường ống chống được chế tạo bằng những loại thép các bon và thép hợp kim đặc biệt. Đặc tính cơ lý của thép chế tạo ống theo tiêu chuẩn GOCT và API được xác định theo bảng 5.2 và 5.3.
Bảng 4 Đặc tính cơ lý của ống chống theo tiêu chuẩn GOCT
Loại thép C D K E L M P c (kg/mm2) 32 38 50 55 65 75 95 b (kg/mm2) 55 65 70 75 50 90 110
Bảng 5 Đặc tính cơ lý của ống chống theo tiêu chuẩn API
Loại thép H-40 j-55 K-55 C-75 L-80 N-80 C-95 P- 105 P- 110 3- 125 5- 150 c (kg/mm2) 35 46 46 52 63 76 84 88 98 105 b (kg/mm2) 42 52 67 67 70 99 77 84 88 112
- Các ống được nối với nhau bằng hàn hoặc bằng ren. Mỗi một loại lại được tiến hành theo nhiều phương án riêng. Chất lượng của mối nối được thể hiện qua.
+ Hiệu quả mối nối (tỷ số giữa độ bền kéo ở mối nối và thân ống), + Độ kín của mối nối,
+ Với mọi biện pháp nhằm tăng hiệu quả và độ kín của mối nối, nhưng không dẫn đến sự thay đổi đường kính của ống chống,
+ Giá thành của ống không quá lớn,
Trong hai phương án nối ống thì phương án nối ống bằng ren là được sử dụng rộng rãi nhất. Có các kiểu nối ren như Mufta, Extreameline, Bathtress...
3.2.4.2Cấu trúc phần dƣới của cột ống chống
Để đảm bảo thả cột ống chống một cách dễ dàng và trám xi măng đạt chất lượng tốt, thì phần dưới của cột ống chống phải lắp các bộ phận như đế ống chống, van ngược, vành giữ nút xi măng, định tâm ống chống, chổi quét màng vỏ sét. Đế ống chống (hình 5.2): Được lắp ở dưới cùng của cột ống chống. Chân đế Đầu định hướng Hình 72 Đếống chống Nếu không lắp đế ống chống thì mặt dưới của ống chống sẽ cắt vỏ sét và đất đá ở thành lỗ khoan, kết quả là lỗ khoan bị bẩn, đầu dưới của ống bị bịt kín và nhiều trường hợp phải kéo ống lên khỏi lỗ khoan vì không thể thả xuống được hoặc không thể bơm rửa được. Mặt dưới của đế ống chống có hình bán cầu để cho phép phần dưới của cột ống thả xuống dễ dàng hơn và để định hướng ống chống
trong quá trình thả. Đế có 3 phần chính: đầu định hướng, chân đế và ống chân đế.
Van ngƣợc: Dùng để giảm bớt trọng lượng khi thả ống chống. Đẩy
Hình 5.3 Cấu tạo của van ngƣợc dạng đĩa 1. Thanh đẩy 2. Lò xo 3. Đế 4. Đia van
dung dịch bẩn bên ngoài ống lên mặt đất và ngăn không cho dung dịch xi măng chảy ngược vào bên trong ống chống. Được lắp phía trên đế ống chống. Van ngược có nhiều loại như van đĩa (hình 5.3), van bi...
Trong các lỗ khoan xuất hiện khí, thì dù thả ống chống
đến độ sâu nào cũng phải lắp
van ngược hoặc đế ống chống có van ngược để tránh hiện tượng phun khí trong quá trình chống ống cũng như trám xi măng.
Khi thả ống chống có lắp van ngược, trong ống sẽ không có nước rửa. Bởi vậy cứ thả xuống khoảng 100 -200m thì nên đổ nước rửa vào bên