3.2.2.1. Cấu trúc giếng khoan
Cấu trúc giếng khoan được tạo ra nhờ các ống chống sau:
- Ống định hướng: Có tác dụng gia cố các lớp đá bởi rời, mềm, xốp, kém bền
vững gần bề mặt, phòng chống sự xói lở, rửa trôi phần gần miệng giếng khi tuần hoàn dung dịch, ngăn cản sự xuất hiện của khí nông. Trong điều kiện biển nó có tác dụng ngăn nước biển với giếng khoan đảm bảo cho quá trình khoan thực hiện được độ sâu thiết kế. Ống được chống và bơm trám đến bề mặt.
- Ống dẫn hướng: Có vai trò rất quan trọng không thể thiếu trong cấu trúc
giếng: một mặt ống được chống xuống làm nhiệm vụ gia cố thành giếng tránh sập lở, ngăn cách khí nông và sự xâm nhập vào giếng của các tầng chứa nước ngầm gần bề mặt. Mặt khác ống là điểm tựa để đặt các thiết bị phục vụ cho khoan tiếp theo, chống ống ở các khoảng dưới và ống phục vụ khai thác sau này. Ống cũng được chống và bơm trám toàn bộ.
- Ống chống trung gian: Được thả xuống nhằm gia cố thành giếng, tạo sự
cách ly giữa các tầng nước và các tầng sản phẩm, giữa các tầng sản phẩm với các tầng sản phẩm. Ống cũng có tác dụng phòng chống các sự cố phức tạp có thể xảy ra ở quá trình khoan tiếp theo. Trong những điều kiện thuận lợi cho phép có thể sử dụng với vai trò của ống khai thác.
- Ống chống trung gian khác: Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể có thể thả theo toàn bộ chiều sâu giếng đã khoan hoặc chỉ thả ở phần giếng có thành chưa được gia cố. Trong trường hợp chống lửng cần có sự kê gối giữa ống trước và ống sau khoảng 100 m.
- Ống khai thác: Là ống đảm bảo sự gia cố và cách ly các tầng sản phẩm với
nhau, với các tầng khác trong mặt cắt địa chất. Song vai trò cơ bản hơn cả là làm kênh dẫn dầu khí từ vỉa chứa lên bề mặt trong quá trình khai thác. Các ống chống khi thả và khi sử dụng trong khai thác chịu tác dụng của lực kéo và ứng lực bóp méo hoặc phá ra dưới tác động của chênh áp giữa bên trong và bên ngoài ống, vì vậy trước khi chống ống cần tính toán và xác định kích thước, chủng loại ống sao cho bảo đảm, căn cứ vào độ sâu chống ống, áp suất vỉa, áp suất dư trong lòng ống, độ bền cho tiết diện khi chịu lực kéo, độ bền cho ren ống khi chịu lực kéo...
3.2.2.2. Lựa chọn cấu trúc giếng khoan
Trong công tác thi công giếng khoan tìm kiếm thăm dò dầu khí thì việc thiết kế và lựa chọn cấu trúc giếng khoan đóng vai trò quan trọng. Cấu trúc giếng khoan được thiết kế dựa trên các cơ sở dữ liệu có sẵn do bộ phận địa chất kỹ thuật đưa ra và những tài liệu thu thập được từ các giếng khoan trước, bao gồm:
- Mục đích và nhiệm vụ của giếng khoan. - Tầng sản phẩm dự kiến.
- Chiều sâu giếng khoan.
- Áp suất vỉa (Pv), áp suất phá vỉa Pph.v = 0,0834H+ 0,66Pv - Loại giếng khoan: thẳng, xiên, ngang,…
- Đặc điểm địa tầng, đặc điểm đất đá gặp trong giếng khoan.
- Dự báo phương pháp khai thác trong trường hợp giếng chuyển thành giếng khai thác sau khi đã hoàn thành nhiệm vụ chính của giếng là tìm kiếm (thăm dò,…).
3.2.2.3. Cấu trúc giếng
Cấu trúc của một giếng khoan phải đảm bảo các yếu tố sau:
- Bảo đảm khoan đạt chiều sâu thiết kế với điều kiện đã đề ra. - Có thể tiến hành các phương pháp mở vỉa sản phẩm và khai thác.
- Đề phòng và khắc phục những phúc tạp trong khi khoan, áp dụng và sử dụng được những thành tựu có khả năng lợi thế cho kỹ thuật vào quá trình thi công. - Chi phí tối thiểu cho việc thi công.
Căn cứ vào cấu trúc giếng khoan do các nhà thầu trước đây đã thi công đồng thời kết hợp với kết quả nghiên cứu các đặc điểm địa chất, thạch học của các tầng dự kiến sẽ gặp trong GK A – 1X, thì cấu trúc giếng khoan A – 1X được thiết kế bao gồm các ống chống tương ứng trong các khoảng độ sâu sau đây:
- Ống định hướng 20”, thả tới chiều sâu 510m
Ống thả trong khoảng độ sâu này có tác dụng ngăn cản các lớp đất đá bở rời, mềm xốp kém bền vững từ bề mặt, và tạo giá đở cho cột ống chống 13 3/8”.
- Ống dẫn hướng 13 3/8”, thả tới chiều sâu 1580m
Ống thả ở độ sâu này có tác dụng gia cố thành giếng khoan, tránh sập lở, tạo kết cấu đỡ cho toàn bộ cột chống tiếp theo. Trám xi măng từ miệng giếng xuống độ sâu 1580m. - Ống khai thác 9 5/8”, thả tới chiều sâu 2450m
Ống đảm bảo sự cách ly các tầng sản phẩm với các tầng khác trong mặt cắt địa chất, ngăn cách sự xâm nhập và chuyển động tự do của khí. Phục vụ cho quá trình thử vỉa và nhiệm vụ quan trọng hơn là làm kênh dẫn phục vụ khai thác chất lưu từ vỉa chứa lên mặt. Trám xi măng xuống tận đáy giếng khoan (2450m).
Cấu trúc giếng khoan được thể hiện ở bảng 10.1 sau đây:
Bảng 3.4. Tính toán cột ống chống giếng khoan
TT Đường kính ống chống (in) Đường kính giếng(in) Chiều sâu thả ống chống (mMD) Trám xi măng 1 20 26 510 Trám toàn bộ 2 133 8 17 1 2 1580 Trám toàn bộ 3 95 8 12 1 4 2450 Trám toàn bộ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2.3. Dung dịch khoan
3.2.3.1. Tác dụng của dung dịch khoan
Trong khoan sâu, đặc biệt là khoan dầu khí không thể không quan tâm đến vai trò của dung dịch khoan. Dung dịch khoan có vai trò quan trọng bởi nó có tác dụng:
- Làm mát choòng khoan, làm mát và bôi trơn cần khoan khi khoan bằng phương pháp Roto, tăng cao khả năng phá đá của choòng.
- Làm sạch đáy giếng khoan, vận chuyển mùn lên mặt đất.
- Giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng tạm thời không lắng xuống đáy giếng làm kẹt cần, bịt đường tuần hoàn khi tạm thời ngừng khoan, ngừng tuần hoàn.
- Tạo áp lực lên thành giếng chống sập lở, thu hẹp thành giếng.
- Tạo áp lực cân bằng với áp suất vỉa tránh khả năng xâm nhập của chất lưu vào lòng giếng và xấu hơn là hiện tượng phun của chất lưu làm khó khăn, ngưng trệ quá trình khoan, thậm chí phá huỷ toàn bộ giếng và toàn bộ thiết bị, gây chết người.
- Tạo lớp vỏ bùn không cho dung dịch ngấm vào vỉa làm bẩn vỉa sản phẩm và đẩy dầu khí ra cách xa giếng khoan gây khó khăn khi gọi dòng và thử vỉa.
- Truyền năng lượng cho động cơ thuỷ lực khi khoan bằng phương pháp khoan Tuabin.
3.2.3.2. Tính chất cơ bản của dung dịch khoan
Chất lượng và hiệu suất của công tác khoan phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng dung dịch đáp ứng với các đặc điểm địa chất, kỹ thuật ở từng khoảng độ sâu.
Chất lượng dung dịch khoan phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Mật độ dung dịch (tỷ trọng).
- Độ nhớt của dung dịch. - Độ thải nước của dung dịch.
- Khả năng tạo vỏ bùn của dung dịch khoan.
- Hàm lượng các phần tử chất rắn (hàm lượng cát). - Độ PH của dung dịch.
- Độ nén của dung dịch - Nhiệt độ dung dịch
- Độ mút của vỏ bùn
- Độ bền của dung dịch theo thời gian (tính ổn định)
Bên cạnh đó người ta có thể dùng các hoá phẩm, chất phụ gia để làm tăng hay giảm độ lớn của một số tham số nào đó cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật ở từng khoảng độ sâu.
3.2.3.3. Lựa chọn mật độ (tỷ trọng) dung dịch khoan
Một trong những tính chất quan trọng nhất của dung dịch khoan là mật độ của dung dịch. Để đảm bảo mật độ dung dịch hợp lý ta phải điều chỉnh sao cho dung dịch tạo ra cột áp suất thuỷ tĩnh thoả mãn điều kiện:
Pv < PT < Pn.v
Trong đó:
Pv: Áp suất vỉa ở độ sâu (at)
PT: Áp suất tĩnh tạo bởi cột dung dịch Pn.v: Áp suất làm nứt, phá vỡ vỉa (at).
Xác định mật độ dung dịch phù hợp đáp ứng yêu cầu kỹ thuật là công việc phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố. Ngày nay người ta thường sử dụng công thức thực nghiệm để tính mật độ của dung dịch khoan như sau:
𝑑 = (𝐻 − ℎ𝑟) ∗ 𝑘𝑑𝑡∗𝑘ℎ 𝐻
Trong đó:
d: Tỷ trọng dung dich hợp lý theo tính toán (g/cm3). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
H: Độ sâu đang khoan (m).
hr: Độ chênh lệch chiều cao của Roto và mặt nước biển (ta lấy hr = 0m). kdt: Hệ số dị thường áp suất.
kh: Hệ số lấy theo độ sâu.
- H < 1.200 m → kh = 1,1 - 1,5
- 1.200 m < H < 2.500 m → kh = 1,07 - 1,1 - H > 2.500 m → kh = 1,04 - 1,07
Căn cứ vào tính chất của đá, của áp suất vỉa ta chọn tỷ trọng dung dịch hợp lý:
γ= d ± 0,02 g/cm3
Do H = 0 ÷ 470m < 1200m => kh = 1,1 ÷ 1,2 lấy trung bình là 1.15, kr=0m, kdt = 1. Thay số vào ta được tỷ trọng dung dịch hợp lý của giếng khoan A – 1X trong khoảng độ sâu 0 ÷ 470m.
𝑑470 =(𝐻 − ℎ𝑟) ∗ 𝑘𝑑𝑡∗ 𝑘ℎ
𝐻 =
(470 − 0) ∗ 1 ∗ 1.15
470 = 1.15
Tương tự cho các khoảng độ sâu khác trong giếng khoan A – 1X. Dựa vào đó ta có thể tính được thông số γ của dung dịch khoan theo các khoảng độ sâu cho giếng khoan A – 1X. Kết quả tính toán được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 3.5. Bảng giá trị dung dịch khoan theo chiều sâu
Khoảng độ sâu (m) H (m) hr (m) kdt kh γ (g/cm3) 0 ÷ 470 470 0 1 1.1 ÷ 1.2 1.15 ± 0.02 470 ÷ 500 500 0 1.01 1.1 ÷ 1.2 1.162 ± 0.02 500 ÷ 860 860 0 1.02 1.1 ÷ 1.2 1.173 ± 0.02 860 ÷ 2220 2220 0 1.01 1.07 ÷1.1 1.1 ± 0.02 2220 ÷ 2420 2420 0 1 1.07 ÷1.1 1.09 ± 0.02 3.2.4. Xác định áp suất nứt vỉa
Tỷ trọng dung dịch đưa vào sẽ tạo ra cột áp suất thủy tĩnh sao cho áp suất thủy tĩnh này phải nhỏ hơn áp suất nứt vỉa. Do đó ta tính toán áp suất nứt vỉa và áp suất thủy tĩnh do dung dịch đưa vào tạo ra cho các độ sâu theo công thức sau:
Pn.v = 0,083H + 0,66Pv
Trong đó:
- Pn.v: Áp suất nứt vỉa, phá vỡ vỉa (at). - H: Độ sâu xác định áp suất nứt vỉa (m). - Pv: Áp suất vỉa ở độ sâu H (at).
Thay số vào ta được áp suất nứt vỉa và áp suất thủy tỉnh của giếng khoan A – 1X trong khoảng độ sâu 0 ÷ 470m lần lượt là:
𝑃𝑛.𝑣250 = 0.083 ∗ 𝐻 + 0.66 ∗ 𝑃𝑣 = 0.083 ∗ 470 + 0.66 ∗ 48 = 70,69 (𝑎𝑡)
Ta có bảng kết quả áp suất nứt vỉa, áp suất thủy tĩnh cho các khoảng độ sâu trong giếng khoan 1A như sau:
Bảng 3.6. Bảng kết quả áp suất thủy tỉnh và áp suất nứt vỉa theo các khoảng sâu
Độ sâu (m) Áp suất vỉa (at) Áp suất nứt
vỉa (at) Tỷ số Pnv/Pv 470 48 70,69 1,47 500 51,03 75,18 1,473 860 87,75 129,3 1,474 2220 225,1 332,83 1,479 2420 245,1 362,63 1,48
3.2.5. Lựa chọn phương pháp khoan
Có nhiều phương pháp khoan. Với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, công nghệ các phương pháp khoan lạc hậu, kém hiệu quả dần bị loại bỏ dần, đặc biệt là trong lĩnh vực dầu khí do các đặc điểm sau:
- Các giếng khoan dầu khí thường có đường kính rất thay đổi, độ sâu lớn. - Yêu cầu thiết bị nhiều, phức tạp, kích thước và công suất lớn.
- Khoan qua các tầng trầm tích rất sâu với đặc điểm địa chất phức tạp, luôn gặp các dị thường khác nhau về áp suất và nhiệt độ.
- Quá trình xuyên phá đá chủ yếu là dùng choòng có chóp xoay. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chính vì vậy trong khoan dầu khí hầu như chỉ còn sử dụng hai phương pháp là khoan Roto và khoan Tuabin.
Khoan Roto
Là phương pháp khoan mà chuyển động quay của choòng khoan được thực hiện nhờ động cơ trên mặt đất truyền xuống thông qua bàn xoay Roto và cần khoan.
Ưu điểm:
- Khoan được độ sâu lớn, có thể tăng tốc độ khoan kể cả ở độ sâu lớn.
- Các thông số cơ bản đảm bảo chế độ khoan là tải trọng P lên choòng, tốc độ xoay của choòng n0, lưu lượng Q của dung dịch có thể điều chỉnh hoàn toàn độc lập không phụ thuộc lẫn nhau.
- Có thể khoan trong điều kiện đòi hỏi mật độ dung dịch lớn hơn 1,7 - 1,8 g/cm3. - Khoan trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao (T > 150oC).
Nhược điểm:
- Trong khi khoan cả cột cần khoan phải xoay, uốn, kéo hoặc nén,… nên bề mặt cần khoan dễ bị mài mòn và đứt gãy.
- Do phải xoay toàn bộ cần khoan nên công suất tiêu hao lớn đặc biệt khi chiều sâu tăng.
- Chỉ phù hợp nhất với giếng khoan thẳng đứng.
Ứng dụng:
- Khoan ở độ sâu lớn với yêu cầu tăng tốc độ khoan.
- Khoan qua các tầng sét, sét phiến độ dày lớn, tính dẻo, đàn hồi cao dùng choòng với răng có kích thước lớn, bước răng chắc và lượng dung dịch tăng. - Khoan trong điều kiện nhiệt độ lớn (T > 150oC).
- Khoan với dung dịch có mật độ cao (γ > 1,8 g/cm3) để tránh sập lở, giảm đường kính giếng khi mà không thể khoan bằng phương pháp Tuabin điện.
- Khoan lấy mẫu lõi.
- Khoan với quá trình làm sạch giếng bằng phương pháp thổi khí hay dùng dung dịch lẫn dầu.
Khoan Tuabin
Là phương pháp khoan mà chuyển động quay của choòng được thực hiện nhờ động cơ đáy là Tuabin (Tuabin thuỷ lực) hay động cơ điện.
Khoan bằng Tuabin thuỷ lực
Ưu điểm:
- Cột cần không xoay khi khoan nên không bị mài mòn, không bị xoắn, không bị uốn tránh được đứt gãy cần.
- Có hiệu quả cao, rất phù hợp khi khoan định hướng.
Nhược điểm:
- Đòi hỏi công suất bơm cao để đảm bảo công suất thuỷ lực lớn.
- Không điều chỉnh được các thông số chủ yếu của chế độ khoan một cách độc lập.
- Khi khoan qua các tầng đất đá dẻo đòi hỏi tốc độ vòng quay choòng lớn thì Tuabin thuỷ lực không đáp ứng được. Đặc biệt khi chiều sâu lớn.
- Công tác bảo dưỡng, sửa chữa phức tạp, giá thành cao.
Ứng dụng:
- Khoan giếng không quá sâu với mật độ dung dịch không vượt quá 1,8 g/cm3. - Khoan giếng khoan với nhiệt độ không cao (T < 150oC) tránh làm hỏng các (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
gioăng đệm kín.
- Khoan giếng khoan định hướng, giếng có nhiều đáy.
- Làm giảm độ lệch giếng khoan trong những điều kiện phức tạp dễ gây lệch giếng.
Khoan bằng động cơ điện
Ưu điểm: Giống như khoan Tuabin thuỷ lực.
Nhược điểm:
- Không khoan được trong điều kiện nhiệt độ cao (T > 140oC) và mật độ dung dịch lớn hơn 1,8 g/cm3.
- Công tác bảo dưỡng, sửa chữa phức tạp, giá thành cao.
Ứng dụng:
- Khoan các giếng với đường kính 190 - 394 mm bằng dung dich có γ ≤ 2,3 g/cm3, nhiệt độ không quá 140oC.
- Có thể sử dụng khoan với phương pháp làm sạch đáy giếng bằng thổi khí hay dung dịch có chứa khí.
Căn cứ vào cấu trúc địa chất, ta chọn khoan Roto là phương pháp khoan phù hợp nhất nhằm đạt hiệu quả cao, chi phí thấp nhất.
3.3. Nghiên cứu địa chất, địa vật lý giếng khoan
Việc xác định các giá trị của các thông số đặc trưng cho tầng chứa như độ rỗng, độ thấm, độ đồng nhất... là rất quan trọng đối với các nhà kỹ sưa địa chất. Việc xác định các giá trị này phải đòi hỏi nghiên cứu các tài liệu địa chất giếng khoan, trong đó công việc lấy mẫu là hết sức cần thiết, nhất là những giếng khoan đang trong giai