CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN VÀ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG TRỰC TIẾP ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN
II. 1.1.4.2 Mô hình lưu biến
II.2 Các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển mùn khoan
II.2.1 Góc nghiêng
Tăng góc nghiêng trong quá trình khoan giếng làm tăng công suất bơm thủy lực cần thiết để làm sạch lòng giếng. Sự gia tăng này đạt mức tối đa tại góc nghiêng khoảng 65o và giảm dần từ 75o đến 90o.
Góc nghiêng từ 35o bắt đầu hình thành những ổ lắng đọng mùn khoan tùy thuộc vào một số điều kiện.
Hình 2.19 - Sự hình thành ô lắng đọng mùn khoan ở góc nghiêng từ 0o-35o [7]
Tại góc nghiêng từ 35o-50o những ổ lắng đọng mùn khoan bắt đầu hình thành xu hướng trượt ngược xuống đáy giếng.
Hình 2.20 - Sự hình thành và tích tụ mùn khoan [7]
II.2.2 Tốc độ quay của cột cần khoan (RPM)
Trong quá trình khoan giếng, cột cần khoan thường xuyên có chuyển động quay vòng theo trục thân giếng. Tốc độ quay của cột cần khoan tác động nhiều hơn trong các
giếng khoan nghiêng so với giếng đứng, tuy nhiên mối quan hệ giữa tốc độ quay cột cần khoan và góc nghiêng vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Trong khoảng không vành xuyến nhỏ, tác động của chuyển động quay của cột cần khoan nhiều hơn so với khoảng không vành xuyến lớn.
Đối với những thân giếng ngang hoặc có góc nghiêng lớn, tốc độ khoan cơ học thấp và kích thức hạt mùn nhỏ là điều kiện lý tưởng nhất để sử dụng sự quay cột cần khoan một cách hiệu quả.
Trong khi ngừng khoan, việc duy trì chuyển động quay của cột cần khoan giúp làm xói mòn những ổ lắng đọng mùn khoan và loại bỏ những hạt mùn còn sót lại.
Chuyển động quay của cột cần khoan tăng cường loại bỏ những hạt mùn bên phía hẹp của giếng lệch tâm.
Hình 2.21 - Tác động của thông số RPM lên sự lắng đọng hạt rắn trong khoảng không vành xuyến (Bassal, 1995) [7]
Hình 2.22 - Tác động của thông số RPM lên sự lắng đọng hạt rắn trong khoảng không vành xuyến (Bassal, 1995) [7]
Hình trên cho thấy tốc độ quay cần khoan càng cao làm giảm sự lắng đọng mùn khoan trong giếng. Với dung dịch khoan cho trước, với trường hợp cơ sở là sự lắng đọng mùn khoan tại tốc độ quay của cần khoan là 0 vòng/phút. Khi tốc độ quay của cột cần khoan đạt 120 vòng/phút, sự lắng đọng mùn khoan có thể giảm 50% và giảm tối đa khoảng 70% tại 180 vòng/phút. Nói chung, ngoại trừ hoạt động CT trong lòng giếng, tốc độ quay của cột cần khoan nên được giữ tối thiểu khoảng 100 vòng/phút.
Mặc dù sự quay của cột cần khoan có lợi cho việc làm sạch giếng thì cần phải lưu ý rằng tốc độ quay của cột cần khoan quá cao có thể gây ra một số sự cố trong quá trình khoan như làm mòn ống chống và phá hủy cấu trúc cơ học của giếng thân trần.
II.2.3 Tốc độ dòng chảy dung dịch trong khoảng không vành xuyến II.2.3.1 Vận tốc dung dịch trong khoảng không vành xuyến
Vận tốc dòng chảy trong khoảng không vành xuyến được định nghĩa là tổng lưu lượng chất lỏng (Q) trong khoảng không vành xuyến chảy qua một tiết diện cắt ngang (A). Dòng chảy bao gồm pha rắn và pha lỏng. Pha rắn là những hạt mùn khoan và pha
dịch phải lớn hơn vận tốc lắng của hạt mùn. Vận tốc của dung dịch (Vfluid) được biểu diễn bởi phương trình:
𝑽𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅 = 𝑸/𝑨 (2.24a)
II.2.3.2 Vận tốc vận chuyển mùn khoan
Một hạt mùn khoan đồng thời chịu tác động của một lực hướng lên trên bởi vận tốc nâng của dung dịch khoan và một lực hướng xuống dưới bởi tác động của trọng lực.
Khi một hạt mùn rơi ngược trở lại trong dung dịch cố định thì được gọi là vận tốc lắng đọng hay vận tốc trượt (Vslip) của hạt mùn đó. Vận tốc vận chuyển mùn khoan (VT) từ đó được hiểu là hiệu số giữa vận tốc nâng của dung dịch và vận tốc trượt của hạt mùn, và được biểu diễn bằng công thức sau:
𝑽𝑻 = 𝑽𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅− 𝑽𝒔𝒍𝒊𝒑 (2.24b)
II.2.3.3 Tỉ lệ vận chuyển mùn khoan
Việc làm sạch giếng khoan được định lượng bằng tỉ lệ vận chuyển mùn khoan (FT):
𝑭𝑻 = 𝑽𝑻
𝑽𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅 (2.25)
Nếu tỉ lệ vận chuyển mùn khoan dương thì mùn khoan sẽ được vận chuyển lên bề mặt và nếu vận tốc trượt bằng 0, mùn khoan sẽ được vận chuyển với vận tốc bằng vận tốc của dòng chảy dung dịch và khi đó tỉ lệ vận chuyển mùn khoan sẽ bằng 1.
Hình 2.23 - Tác động của tốc độ dòng chảy và góc nghiêng lên việc vận chuyển mùn khoan trong khoảng không vành xuyến (Tomren, 1979) [7]
Hình 2.23 mô tả sự lắng đọng hạt rắn trong khoảng không vành xuyến tăng lên khi tăng góc nghiêng giếng khoan. Với tốc độ dòng chảy thấp, sự lắng đọng hạt rắn đạt giá trị tối đa tại góc nghiêng từ 45o-65o, bởi vì tại góc nghiêng như vậy những ổ lắng đọng mùn khoan có thể trượt ngược lại xuống phía dưới giếng. Khi tốc độ dòng chảy đủ cao thì sự lắng đọng hạt mùn khoan đạt giá trị tối đa khi giếng khoan là giếng ngang.
Ngoài ra, hình 2.23 còn cho thấy sự lắng đọng hạt rắn trong khoảng không vành xuyến giảm khi tăng vận tốc tuần hoàn dung dịch, và có thể thấy rõ xu thế này tại khoảng góc nghiêng từ 30o đến 55o.
II.2.4 Độ lệch tâm của cột cần khoan
Trong quá trình khoan, đặc biệt là khoan ngang và khoan định hướng, cột cần khoan thường không đồng tâm với lòng giếng, hoặc có thể hiểu là cột cần khoan không nằm ở trung tâm khoảng không vành xuyến. Để xác định được vị trí của cột cần khoan trong giếng khoan thì cả độ lệch và hướng lệch tâm của cột cần khoan phải được xác định. Công thức để xác định độ lệch được biểu diễn bằng phương trình:
𝒆 = 𝒂
𝑹−𝒓 (2.26)
Trong đó: R – bán kính lòng giếng r – bán kính ngoài cần khoan
a – khoảng cách giữa tâm giếng và tâm cần khoan theo mặt cắt ngang
Góc lệch tâm β biểu thị hướng lệch của cần khoan, và được đo theo chiều kim đồng hồ từ đường OC đến đường OI (hình 2.24). Kết hợp độ lệch tâm e (0≤e≤1) với góc lệch β (0≤ β ≤2π) có thể diễn tả bất kì tọa độ của cần khoan trong khoảng không vành xuyến.
Hình 2.25 - Tác động của độ lệch tâm lên tốc độ dòng chảy [14]
Hình 2.26 - Ảnh hưởng của sự lệch cần khoan đối với sự tích tụ hạt mùn trong khoảng không vành xuyến [7]
Hình 2.26 mô tả tác động của độ lệch tâm của cần khoan đối với sự lắng đọng hạt mùn trong khoảng không vành xuyến tại những góc nghiêng khác nhau và vận tốc tuần dòng chảy dung dịch khác nhau. Độ lệch tâm càng lớn và tốc độ dòng chảy càng thấp thì sự lắng đọng hạt mùn càng cao. Khi tốc độ dòng chảy đủ cao thì độ lệch tâm chỉ ảnh hưởng đến sự lắng đọng hạt mùn tại những giếng có góc nghiêng lớn từ 60o đến 90o.
II.2.5 Thông số dung dịch khoan
Dung dịch khoan có nhiều chức năng trong quá trình khoan giếng. Một trong những chức năng chính của việc tuần hoàn dung dịch là mang mùn khoan khỏi giếng.
Những đặc tính của dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển những hạt mùn khoan là tỷ trọng dung dịch khoan và độ nhớt của dung dịch khoan (độ nhớt dẻo, yield point, và một số tính chất lưu biến khác). Hình 2.27 và hình 2.28 minh họa tác động của tỷ trọng và độ nhớt dung dịch đối với sự lắng đọng hạt mùn trong khoảng không vành xuyến. Nói chung, dung dịch khoan có tỷ trọng và độ nhớt cao thì có khả năng giữ hạt mùn ở trạng thái lơ lửng tốt hơn từ đó làm giảm thiểu sự lắng đọng của hạt mùn.
Hình 2.27 - Tác động của độ nhớt đối với sự lắng đọng hạt mùn (Tomren, 1979) [7]
Hình 2.27 còn miêu tả độ nhớt của dung dịch có tác động nhiều hơn đối với sự lắng đọng hạt mùn ở dải vận tốc dòng chảy thấp.
Hình 2.28 - Tác động của tỷ trọng dung dịch đối với sự lắng đọng hạt mùn (Tomren, 1979) [7]
Đặc tính chính của tỷ trọng dung dịch là duy trì áp suất đáy giếng (BHP). Việc tăng tỷ trọng dung dịch sẽ làm giảm tốc độ khoan cơ học. Độ nhớt dung dịch cao làm cho khả năng xói mòn hạt rắn thấp hơn. Khi những hạt mùn bắt đầu hình thành nên những ổ lắng đọng trong giếng có góc nghiêng lớn thì dung dịch có độ nhớt cao sẽ ít có khả năng cuốn theo những hạt mùn lắng đọng đó. Như đã nói trước đây, quá trình quay của cần khoan có thể hổ trợ dung dịch khoan làm xói mòn những ổ lắng đọng đó, và khi đó dung dịch khoan có tỷ trọng và độ nhớt cao có thể mang những hạt mùn đi và chống sự hình thành những ổ lắng đọng mùn khoan.
II.2.6 Tính chất hạt mùn
Đặc tính của hạt mùn (độ sắc, kích thước, khối lượng riêng) cũng có một số ảnh hưởng nhất định đối với việc vận chuyển mùn khoan. Nhìn chung, hạt mùn càng nhỏ thì sự lắng đọng mùn khoan sẽ lớn hơn hạt mùn có kích thước lớn trong giếng có góc nghiêng lớn từ 70o đến 90o. Hay nói cách khác, trong những giếng có góc nghiêng lớn, hạt mùn càng nhỏ thì càng khó để vận chuyển lên bề mặt hơn.
Hình 2.29 - Tác động của kích thước hạt đối với sự lắng đọng mùn khoan (Parker 1987) [7]
II.2.7 Tốc độ khoan cơ học (ROP)
Việc tăng tốc độ khoan cơ học đồng nghĩa với lượng mùn khoan nhiều hơn trong cùng một khoảng thời gian, làm tăng công suất bơm thủy lực yêu cầu để làm sạch giếng.
Hình 2.30 - Tương quan giữa tốc độ khoan cơ học và lưu lượng dòng chảy dung dịch khoan với những góc nghiêng khác nhau [7]
Hình 2.31 - Tương quan giữa tốc độ khoan cơ học và lưu lượng dòng chảy dung dịch khoan với những góc nghiêng khác nhau [7]
II.2.8 Chế độ dòng chảy
Chế độ dòng chảy đóng vai trò quan trọng tác động trực tiếp lên quá trình vận chuyển mùn khoan, và dòng chảy đó có thể là chảy tầng hoặc chảy rối. Chế độ dòng chảy phụ thuộc vào vận tốc của dung dịch, kích thước và hình dạng của khoảng không vành xuyến, tỷ trọng và độ nhớt của dung dịch. Vùng dòng chảy của dung dịch giữa chảy tầng và chảy rối được gọi là vùng chuyển tiếp. Trong vùng chuyển tiếp, dòng chảy dung dịch mang cả tính chất của dòng chảy tầng và dòng chảy rối. Trong suốt quá trình khoan, sự quay của cần khoan có thể tạo ra dòng chảy rối. Khi tốc độ dòng chảy thấp hoặc khi dung dịch có độ nhớt cao thì tạo thành dòng chảy tầng. Ngược lại, dòng chảy rối phát sinh khi vận tốc dòng chảy lớn hoặc dung dịch có độ nhớ thấp. Ngoài ra, cần khoan hoặc thành giếng thô sẽ làm tang sự rối loạn dòng chảy. Tóm lại, để làm cho dung dịch di chuyển theo dòng chảy rối thì cần một áp lực bơm lớn hơn đối với dòng chảy tầng.
Vùng chuyển tiếp giữa chảy tầng và chảy rối được điều khiển bởi lực nhớt và lực quán tính trong dòng chảy. Trong dòng chảy tầng, lực nhớt chiếm ưu thế, trong khi đó đối với dòng chảy rối thì lực quán tính đóng vai trò quan trọng nhất. Và tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt được gọi là số Reynolds. Số Reynolds trong khoảng không vành xuyến được mô tả bằng phương trình sau:
𝑹𝒆 = (𝑫𝒉𝒐𝒍𝒆−𝑫𝒑𝒊𝒑𝒆)∗𝑽∗𝝆
𝝁 (2.27)
Với:
Dhole – đường kính trong của ống chống hoặc đường kính thành giếng mở Dpipe – đường kính ngoài cột cần khoan
V – vận tốc trung bình của dòng dung dịch ρ – tỷ trọng dung dịch
à - độ nhớt của dung dịch
Vùng chuyển tiếp giữa chảy tầng và chảy rối xuất hiện tại vận tốc dòng chảy tới hạn. Đối với dung dịch khoan thông thường, số Reynolds trong vùng chuyển tiếp thường dao động từ 2000 đến 4000.