khoan
3.2.1. Mục đích nghiên cứu
Nhƣ đã nghiên cứu trong mục 3.1, việc thay đổi tiêu chuẩn phá hủy không ảnh hƣởng đến kết quả tối ƣu hóa quỹ đạo khoan, tuy nhiên, có sự khác biệt đáng kể trong tính toán áp suất giếng tối thiểu nhằm giữ ổn định thành giếng. Hay nói cách khác, việc lựa chọn tiêu chuẩn phá hủy đất đá có ảnh hƣởng quan trọng đến tính toán dự báo trọng lƣợng dung dịch khoan. Tính toán trong mục này sẽ đƣợc thực hiện với một số dữ liệu khoan đã công bố. Các tiêu chuẩn Mohr-Coulomb, Mogi-Coulomb và Lade sửa đổi (Modified Lade) đƣợc sử dụng để đánh giá ổn định thành hệ. Kết quả phân tích phần nào giúp ích cho việc lựa chọn tiêu chuẩn phá hủy trong các bài toán thiết kế khoan.
3.2.2. Các kết quả kiểm định sử dụng dữ liệu khoan
* Mỏ Cyrus tại thềm lục địa Vương quốc Anh
Tính toán đƣợc thực hiện cho thành hệ đá cát của mỏ Cyrus tại thềm lục địa Vƣơng quốc Anh [14]. Từ thí nghiệm nén 3 trục, đá cát có lực cố kết bằng 860psi, góc ma sát bằng 43.8° và hệ số Poisson bằng 0.2. Tại độ sâu 8530 ft, ứng suất đứng tƣơng đƣơng với áp lực của lớp phủ với gradient bằng 1 psi/ft. Áp suất lỗ rỗng tại độ sâu này có giá trị ứng với gradient bằng 0.45 psi/ft. Do không có số liệu đo đạc ứng suất ngang tại độ sâu này, các tác giả đã giả sử H và h
cùng ứng với gradient bằng 0.75 psi/ft.
Với vỉa này, các giếng thẳng đứng và nằm ngang đã đƣợc khoan thành công với dung dịch khoan gốc dầu có mật độ bằng 9.6 lb/gal (0.5 psi/ft). Do không có hiện tƣợng mất ổn định đƣợc thông báo, có thể suy đoán rằng các mật độ dung dịch khoan thấp hơn có thể đƣợc sử dụng. Mật độ này thực tế nằm giữa các mật độ gây sụp đổ và mật độ gây nứt vỡ thành hệ. Vì vậy, mật độ dung dịch khoan bằng 9.6 lb/gal có thể đƣợc xem nhƣ biên trên của mật độ gây sụp đổ thành hệ và biên dƣới của mật độ gây nứt vỡ thành hệ (tức ứng suất ngang nhỏ nhất h). Nhƣ thấy trên hình 3.5(a), mật độ gây sụp đổ dự báo bởi tiêu chuẩn Mohr-Coulomb là vƣợt quá mật độ dung dịch khoan thực tế đã đƣợc dùng cho lỗ khoan nghiêng và phần lớn lỗ khoan lệch. Sự không phù hợp với thực tế này có thể có nguyên nhân từ giả thiết không chính xác về ứng suất ngang tại chỗ, hoặc do tiêu chuẩn phá hủy không thích hợp.
(a)
(b)
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của mật độ gây sụp đổ vào độ nghiêng của giếng với mỏ Cyrus: (a) Gradient của h= 0.75 psi/ft, (b) Gradient của h= 0.86 psi/ft.
Tỷ số giữa ứng suất ngang nhỏ nhất với ứng suất đứng (h v) đƣợc quan sát nằm trong khoảng từ 0.3 tới 1.5. Do đó với mỏ này, gradient ứng suất ngang sẽ nằm trong khoảng 0.5-1.5 psi/ft. Các tính toán dự báo mật độ dung dịch khoan gây sụp đổ thành hệ bởi tiêu chuẩn Mohr-Coulomb với ứng suất ngang nằm trong khoảng nói trên đều cho thấy đều cho thấy không có giếng thẳng đứng nào có thể khoan với mật độ dung dịch khoan bằng hoặc dƣới 9.6 lb/gal. Điều này cho thấy việc áp dụng tiêu chuẩn Mohr-Coulomb ở đây đã cho các kết quả không phù hợp thực tế.
Tiêu chuẩn Mogi-Coulomb cũng dự báo mật độ dung dịch khoan gây sụp đổ cao hơn giá trị đƣợc dùng trong thực tế với lỗ khoan ngang và các lỗ khoan
với độ lệch lớn (xem hình 3.5 a). Tuy nhiên, các tính toán thêm cho mật độ gây sụp đổ sử dụng tiêu chuẩn Mogi-Coulomb cho thấy rằng các giếng ngang có thể khoan tại mỏ này với các giá trị mật độ dung dịch thậm chí nhỏ hơn mật độ bùn khoan đã dùng nếu ứng suất ngang đƣợc giả thiết nằm trong khoảng 0.86-1.07 psi/ft. Ví dụ, hình 3.5(b) cho thấy các mật độ gây sụp đổ với giả thiết gradient ứng suất ngang bằng 0.86 psi/ft.
Tiêu chuẩn Lade sửa đổi cho dự báo mật độ gây sụp đổ thành hệ thấp hơn của hai tiêu chuẩn Mohr-Coulomb và Mogi-Coulomb. Kết quả tính toán bởi tiêu chuẩn Lade sửa đổi cũng đƣợc thấy trong các hình 3.5(a)-(b). Kết quả trên hình 3.5 cho thấy rằng trong trƣờng hợp kiểm định này, hai mô hình Mogi-Coulomb và Lade sửa đổi cho các kết quả dự báo sát thực tế hơn so với mô hình Mohr- Coulomb.
* Mỏ khí ngoài khơi Indonesia
Trƣờng hợp so sánh với dữ liệu khoan thứ hai đƣợc thực hiện với một thành hệ sét nén của mỏ khí Pagerungan Island nằm phía bắc Bali, Indonesia [14]. Từ thí nghiệm sức bền nén, thành hệ sét nén ban đầu có lực cố kết bằng 1800 psi, góc ma sát bằng 35° và hệ số Poisson bằng 0.3. Thành hệ sét nén này nằm tại trong khoảng độ sâu từ 4800 ft tới 6200 ft. Với thành hệ này, giếng PGA-2 đã đƣợc khoan thành công với mật độ dung dịch khoan bằng 10.5 lb/gal. Mật độ dung dịch khoan này đƣợc xem nhƣ giới hạn trên của mật độ gây sụp đổ do không có hiện tƣợng mất ổn định nào đƣợc thông báo.
Với giếng PGA-2, gradient ứng suất đƣợc đƣợc đánh giá bằng khoản 1 psi/ft. Từ các kết quả thử nghiệm dò (leak-off test), các ứng suất ngang nhỏ nhất và lớn nhất đƣợc xác định tƣơng ứng bằng 0.87 psi/ft và 1.22 psi/ft. Chiều của ứng suất ngang lớn nhất nằm trong miền N10E tới N35E đƣợc xác định từ hƣớng vệt nứt trong lỗ khoan. Giếng đƣợc khoan lệch 25 độ theo chiều N47E. Điều này có nghĩa là giếng có chiều khoan nằm trong khoảng 10-40 độ tính từ ứng suất ngang lớn nhất.
Trong trƣờng hợp kiểm định ở đây, các mật độ gây sụp đổ đƣợc tính tại độ sâu 6000 ft, trong đó gradient áp suất lỗ rỗng đƣợc lấy bằng 0.45 psi/ft. Tính toán mật độ gây sụp đổ sử dụng tiêu chuẩn Mohr-Coulomb dự báo rằng giếng không ổn định với mật độ dung dịch khoan đã sử dụng (xem hình 3.6(a)). Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb dự báo rằng mật độ dung dịch cần lớn hơn 11.35-11.45 lb/gal để đảm bảo sự ổn định của lỗ khoan lệch 25, tức lớn hơn 0.9 lb/gal so với mật độ dung dịch đƣợc dùng trong thực tế. Theo tiêu chuẩn này thì một lỗ khoan
ổn định có thể khoan vào thành hệ với mật độ dung dịch đã dùng chỉ khi tăng độ nghiêng giếng lên 50 độ.
Khác với tiêu chuẩn Mohr-Coulomb, cả hai tiêu chuẩn còn lại (Mogi- Coulomb và Lade sửa đổi) đều dự báo rằng lỗ khoan sẽ ổn định với mọi độ nghiêng, thậm chí thấp hơn mật độ dung dịch đã đƣợc dùng (xem Hình 3.6(b)- (c). Với tiêu chuẩn Mogi-Coulomb, mật độ gây sụp đổ với giếng nghiêng 25 độ đƣợc xác định khoảng 9.2 lb/gal, tức là thấp hơn khoản 2.2 lb/gal so với giá trị xác lập bởi tiêu chuẩn Mohr-Coulomb. Với tiêu chuẩn Lade sửa đổi, mật độ gây sụp đổ với giếng nghiêng 25 độ đƣợc xác định khoảng 8.8 lb/gal, tức là thấp hơn khoản 2.6 lb/gal so với giá trị xác lập bởi tiêu chuẩn Mohr-Coulomb.
(a)
(b)
(c)
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của mật độ gây sụp đổ vào độ nghiêng của giếng với mỏ khí Pagerungan Island (giếng PGA-2) sử dụng (a) Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb, (b) Tiêu chuẩn
* Mỏ dầu Wanaea thuộc thềm lục địa tây bắc Australia
Chƣơng trình phân tích ổn định đƣợc áp dụng tiếp theo cho mỏ Wanaea thuộc thềm lục địa tây bắc Australian. Tại mỏ này, các giếng khoan đứng đòi hỏi mật độ dung dịch khoan gần với gradient nứt vỡ, vì vậy, kế hoạch phát triển mỏ đề xuất sử dụng các giếng nghiêng hoặc ngang [14]. Trong giai đoạn thăm dò, một lỗ khoan đứng đƣợc khoan tới một thành hệ sét nén tại độ sâu 7028 ft với gradient áp suất lỗ rỗng đƣợc xác định bằng 0.49 psi/ft. Sét nén thành hệ có lực cố kết bằng 435 psi và góc ma sát bằng 31°. Các gradient ứng suất tại chỗ đƣợc xác định bởi đo đạc là: v = 0.92 psi/ft, h = 0.69-0.75 psi/ft và H = 0.85- 0.92psi/ft. Trong khi đó, tính toán mật độ gây sụp đổ với các khoảng ứng suất khác nhau cho thấy rằng ứng suất ngang lớn nhất phải lớn hơn hoặc bằng ứng suất đứng. Do vậy, ứng suất ngang lớn nhất đƣợc mong đợi là bằng 0.92 psi/ft. Với trạng thái này thì chế độ ứng suất tại chỗ của mỏ Wanaea field nằm ở biên chuyển tiếp giữa chế độ ứng suất thuận (NF) và chế độ ứng suất trƣợt bằng (SS).
Thành hệ sét nén đƣợc khoan với mật độ dung dịch bằng 11.85 lb/gal và gây nên một số vệt nứt lớn. Lấy ứng suất ngang nhỏ nhất bằng 0.72 psi/ft và hệ số Poisson bằng 0.25, mật độ sụp đổ đƣợc tính toán theo các tiêu chuẩn ổn định khác nhau và với các hƣớng lỗ khoan khác nhau. Kết quả tính toán đƣợc thấy trên hình 3.7. Có thể thấy đƣợc với hai tiêu chuẩn Mohr-Coulomb và Mogi- Coulomb, mật độ dung dịch khoan đã dùng là không thích hợp với mọi hƣớng lỗ khoan. Điều này phù hợp với thực tế là sự sụp đổ thành hệ đã xảy ra. Trong khi đó, dự báo theo tiêu chuẩn Lade sửa đổi cho kết quả giếng ổn định với mật độ bùn đã dùng với một số góc nghiêng. Kết quả tính phần nào cho thấy sử dụng tiêu chuẩn Lade sửa đổi có thể dẫn đến những dự báo lạc quan không mong muốn.
(a)
(b)
(c) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của mật độ gây sụp đổ vào độ nghiêng của giếng mỏ Wanaea sử dụng (a) Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb, (b) Tiêu chuẩn Mogi-Coulomb, (c) Tiêu chuẩn Lade sửa đổi
* Giếng ngoài khơi vịnh A-rập
Kiểm định đƣợc tiến hành với một số dữ liệu khoan ngoài khơi vịnh A- rập công bố trong [15]. Giếng ở đây đƣợc khoan ngang và đã xuất hiện tình trạng mất ổn định thành giếng khá nặng tại một số giếng. Tại giếng A, sụp đổ thành hệ đƣợc thông báo khi khoan vào vùng sét nén tại độ sâu 6800 ft. Giếng này đã đƣợc khoan theo chiều khoan bằng 30° tình từ hƣớng của ứng suất ngang lớn nhất với một góc lệch bằng 62° so với phƣơng thẳng đứng. Đặc tính đất đá, ứng suất tại chỗ và áp suất lỗ rỗng đƣợc xác định nhƣ sau:
- Lực cố kết: 870 psi - Góc ma sát trong: 31.3 độ - Hệ số Poisson: 0.33 - Gradient v: 1.1 - Gradient H: 1.0 - Gradient h: 0.9 - Gradient áp suất lỗ rỗng: 0.46
Tại cũng vùng sét nét trên, một giếng khác (giếng B) đã đƣợc khoan thành công theo chiều của ứng suất ngang nhỏ nhất (tức góc phƣơng vị α=90°).
Trƣờng ứng suất mô tả ở trên do đó nằm ở chế độ ứng suất thuận (NF) với ứng suất ngang bất đẳng hƣớng. Với chế độ ứng suất này, mật độ dung dịch có thể chấp nhận đƣợc thấp nhất là ứng với giếng khoan theo chiều song song với
h
, tức chiều của giếng B. Khi chiều khoan gần hơn với chiều của H, mật độ dung dịch cần cao hơn để ngăn ngừa sụp đổ thành hệ. Hình 3.8 minh họa kết quả tính toán mật độ gây sụp đổ với các quỹ đạo lỗ khoan khác nhau sử dụng ba tiêu chuẩn phá hủy. Có thể thấy đƣợc là mật độ gây sụp đổ thấp nhất là ứng với giếng B (α = 90°) với góc nghiêng tối ƣu là 45°.
Từ kết quả tính toán có thể thấy rằng nhƣ mong đợi, tiêu chuẩn Mohr- Coulomb là quá thận trọng trong dự báo mất ổn định lỗ khoan với tất cả các quỹ đạo giếng. Hình 3.8(a) cho thấy tiêu chuẩn này dự báo sự mất ổn định cho cả giếng A (đúng với thực tế) và cả giếng B (không đúng với thực tế). Theo chiều ngƣợc lại nhƣ đƣợc thấy trên Hình 3.8(c), tiêu chuẩn Lade sửa đổi dự báo ổn định cho cả hai giếng mà điều này đúng với thực tế giếng B nhƣng không đúng
với giếng A. Chỉ có tiêu chuẩn Mogi-Coulomb là dự báo đúng giếng A mất ổn định và giếng B ổn định đúng theo thực tế quan sát.
(a)
(b)
(c)
Hình 3.8: Sự phụ thuộc của mật độ gây sụp đổ vào độ nghiêng với một thành hệ sét nén tại vùng ngoài khơi thuộc vịnh A-rập (a) Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb, (b) Tiêu chuẩn Mogi-
3.2.3. Nhận xét chung
Kết quả tính toán trên cơ sở một số dữ liệu khoan đã công bố trình bày trong mục trên cho thấy với phần lớn bộ dữ liệu, việc sử dụng tiêu chuẩn Mohr- Coulomb cho các kết quả dự báo mất ổn định lỗ khoan khá thận trọng. Trong khi đó, tiêu chuẩn Lade sửa đổi đƣa ra những dự báo phần nào quá lạc quan. Tiêu chuẩn Mogi-Coulomb đƣa ra kết quả dự báo hợp lý hơn cả.
Với kết quả kiểm định trên, có thể đề xuất nên sử dụng tiêu chuẩn Mogi- Coulomb trong các trƣờng hợp mà số liệu đầu vào (đặc tính đất đá, trƣờng ứng suất, áp suất lỗ rỗng) đƣợc xác định tƣơng đối chắc chắn. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp mức độ chính xác của dữ liệu đầu vào không cao, sự thận trọng là cần thiết và vì vậy nên sử dụng tiêu chuẩn Mohr-Coulomb trong những trƣờng hợp này.