Hiện tượng này xảy ra khi khoan qua tầng sét hay tầng có hàm lượng sét cao, đặc biệt là sét montmorilonit, sét hút nước và trương nở làm giảm đường kính giếng khoan gây kẹt bộ dụng cụ khoan do chênh áp. Dự kiến khả năng này gặp ở độ sâu 2.180 – 2.630m.
5.7.5. Khả năng khí phun (hiện tượng kick)
Đây là hiện tượng nguy hiểm khi khoan qua các tầng sản phẩm mà do một số nguyên nhân như: dung dịch có tỷ trọng không đủ lớn, hiệu ứng Piston khi thả cần hoặc khoan qua thành hệ có dị thường áp suất cao làm cho áp suất vỉa lớn hơn áp suất thủy tĩnh (tạo bởi cột dung dịch) thì chất lưu thành hệ (nếu có) có thể chảy vào giếng gây ra hiện tượng dòng xâm nhập.
Khả năng này có thể xảy ra khi khoan đến độ sâu 2.200m trở xuống đáy giếng khoan 2.750m vì ở đây có gradient áp suất cao.
Vì vậy khi khoan đến độ sâu này chúng ta phải chú ý điều chỉnh tỷ trọng dung dịch khoan cũng như tốc độ thả cần, cũng như nhận biết kịp thời chính xác các dấu hiệu của di thường áp suất để có các bước xử lý kịp thời, chính xác, hiệu quả khi khoan. Phải luôn duy trì áp suất sao cho: Pv < Ptt < Pnứt vỉa
Ngoài ra:
- Tài liệu khu vực cho thấy có thể xảy ra khả năng gặp khí H2S hoặc CO2, nhưng khả năng gặp các khí này với hàm lượng cao là rất ít. Hàm lượng CO2 trong khu vực chỉ đạt 5 – 6 %.
- Ít có khả năng gặp tầng cát nông chứa khí.
5.8. Gia cố thành giếng khoan
Khi khoan các giếng khoan dầu khí là những giếng khoan có độ sâu lớn ta cần gia cố thành giếng khoan nhằm mục đích:
- Làm cho bền chắc, không bị sập lở hay bó cần hoặc các sự cố khác do kết cấu kém vững chắc của đá trên thành giếng khoan.
- Tạo ngăn cách giữa các vỉa chứa dầu, khí và nước.
- Tạo kênh dẫn bền chắc vĩnh viễn nối thông vỉa chứa với bề mặt dưới ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau.
Để đạt được mục đích trên người ta tiến hành chống ống và trám xi măng sau khi chống ống.
5.8.1. Lập cấu trúc kĩ thuật giếng khoan
Cấu trúc giếng khoan được tạo ra nhờ các ống chống sau:
Ống định hƣớng: có tác dụng gia cố các lớp đá bở rời, mềm xốp, kém bền
vững gần bề mặt, phòng chống sự xói mòn rửa trôi phần gần miệng giếng khi tuần hoàn dung dịch, ngăn ngừa sự xuất hiện khí nông. Trong điều kiện biển nó có tác dụng ngăn nước biển với giếng khoan đảm bảo quá trình khoan thực hiện được độ sâu thiết kế. Ống được chống và bơm trám đến bề mặt.
Ống dẫn hƣớng: là ống có vai trò rất quan trọng không thể thiếu trong cấu
trúc giếng. Một mặt ống được chống làm nhiệm vụ gia cố thành giếng khoan, tránh sập lở, ngăn cách khí nông và sự xâm nhập vào giếng của các tầng nước gần bề mặt. Mặt khác, ống là điểm tựa để đặt các thiết bị phục vụ cho khoan tiếp theo, ống ở các khoảng dưới và ống phục vụ khai thác sau này. Ống cũng được chống và bơm trám xi măng toàn bộ.
Ống trung gian: ống được thả nhằm gia cố thành giếng, tạo sự cách ly giữa
các tầng nước và tầng sản phẩm, giữa các tầng sản phẩm với các tầng sản phẩm khác. 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 trung gian tùy thuộc vào điều kiện cụ thể có thể thả theo toàn bộ chiều sâu giếng 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 100m.
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 dẫn dầu khí từ vỉa chứa lên bề mặt trong quá trình khai thác.
Ống chống khi thả và 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 đảm bảo, 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,…
5.8.2. Lựa chọn cấu trúc giếng khoan
Trong công tác thi công giếng khoan thăm dò dầu khí, việc thiết kế và lựa chọn cấu trúc giếng khoan đóng vai trò rất quan trọng. Cấu trúc giếng khoan được thiết kế dựa trên các dự kiến cho trước do bộ phận địa chất kĩ thuật đưa ra. Bao gồm:
- Mục đích và nhiệm vụ giếng khoan. - Tầng sản phẩm dự kiến.
- Chiều sâu giếng khoan.
- Áp suất vỉa ( Pv ), áp suất nứt vỉa Pnv = 0,083H + 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…
5.8.3. Cấu trúc giếng khoan
Từ số liệu thực tế của các giếng khoan trong vùng và yêu cầu thi công giếng khoan là kinh tế nhất, cấu trúc giếng khoan được thiết kế theo bảng 5.3.
Giếng khoan thiết kế gồm 4 cột ống:
- Ống chống 9 5/8” (Ống khai thác): thả đến độ sâu 2.775mBRT kê gối vào ống trung gian 100m (mBRT độ sâu m tính từ bàn Roto). Ngăn các tầng chứa sản phẩm, phục vụ cho công tác thử vỉa và khai thác. Tiến hành bơm trám xi măng toàn bộ chiều dài của ống chống.
- Ống chống 13 3/8” (Ống trung gian): thả tới chiều sâu 2.655 mBRT kê gối vào ống dẫn hướng 100 m. Tạo kết cấu đỡ cho toàn bộ cột chống tiếp theo, tạo sự tuần hoàn lên bề mặt. Tiến hành bơm trám xi măng toàn bộ chiều dài của ống chống.
- Ống chống 20” (Ống dẫn hƣớng): thả từ miệng giếng đến độ sâu 775 mBRT qua tầng sập lở ngăn cách các lớp trầm tích bở rời Pliocene – Đệ Tứ, tạo kết cấu đỡ cho toàn bộ cột ống chống tiếp theo. Bơm trám xi măng toàn bộ chiều dài của ống chống.
- Ống chống 30” (Ống định hƣớng): goi là ống cách nước, thả từ miệng giếng tới khoảng độ sâu 120 mBRT trong đó có khoảng độ sâu từ đáy biển 60mBRT đến miệng giếng để ngăn nước. Bơm trám xi măng từ 60 mBRT đến 120 mBRT.
Bảng 5.3 Tính toán cột chống ống giếng khoan Y-1X Đƣờng kính giếng (inch) Đƣờng kính ống chống (inch) Chiều sâu thả ống chống (mBRT) 36 30 120 26 20 775 17 13 3/8 2.655 12 9 5/8 2.775 5.8.4. Bơm trám xi măng
5.8.4.1. Mục đích của việc bơm trám xi măng
- Gia cố tạo độ bền vững cho ống chống.
- Cách ly tầng sản phẩm với các tầng khác và giữa các tầng sản phẩm với nhau. - Tạo đế kín cho các thiết bị đối áp lắp đặt trên miệng giếng.
5.8.4.2. Phƣơng pháp bơm trám
Nguyên tắc bơm trám
Vữa xi măng được bơm trực tiếp vào ống hoặc qua cột cần khoan và ép vào khoảng không vành xuyến giữa phần ngoài của cột ống và thành giếng khoan, sao cho cột vữa này dâng đến chiều cao thiết kế.
Vữa này được trộn trên mặt đất một cách liên tục nhờ hai đầu phun dưới áp suất làm ướt và đẩy xi măng bột đến bể nhỏ, ở đó tỷ trọng của vữa được kiểm tra liên tục. Sau đó, người ta sử dụng bơm Piston cao áp để ép vữa vào giếng.
Điều chỉnh tỷ trọng vữa xi măng bằng cách thay đồi lưu lượng nước chảy về phía dưới điểm gặp xi măng và nước trộn. Xi măng khô được cung cấp nhờ phương pháp trọng lực từ tháp xilô. Các thiết bị trám xi măng ngoài biển hiện đại còn cung cấp xi măng bằng ống dẫn dưới áp suất khí quyển đến nơi tiếp xúc với nước trộn.
Trám xi măng phân làm 3 loại:
- Trám cơ bản ( trám chính ): trám một ống sau khi thả. - Trám bổ sung nhằm sửa chữa lần trám thứ nhất.
- Trám đặc biệt: có thể ép xi măng vào vỉa ( trám dưới áp lực ) hoặc đổ cầu xi măng trong thành giếng.
Phương pháp phù hợp với giếng khoan Y-1X là trám cơ bản.
5.8.4.3. Kiểm tra chất lƣợng trám xi măng
Sau khi hoàn tất việc bơm trám xi măng ta phải tiến hành kiểm tra chất lượng bơm trám xi măng bằng các phương pháp địa vật lý như sau:
- Phương pháp đồng vị phóng xạ, - Phương pháp đo nhiệt.
- Đo tốc độ siêu âm.
Giếng khoan Y-1X là giếng khoan tìm kiếm trên đối tượng khí trong trầm tích Miocene, nếu có phát hiện thương mại thì sẽ trở thành giếng khai thác. Vì vậy, với yêu cầu kĩ thuật các ống chống sau khi thả sẽ bơm trám xi măng từ chân đế đến
miệng giếng với tất cả các ống chống (riêng ống 30” chỉ bơm trám từ độ sâu 60mBRT tính từ đáy biển đến chân ống). Đồng thời sau khi bơm trám xi măng xong ta phải tiến hành kiểm tra lại chất lượng bơm trám xi măng.
5.9. Dung dịch khoan
5.9.1. 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 dich 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 khoan lên mặt đất.
- Giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng tạm thời không lắng xuống đáy giếng làm kẹt cần khoan, bịt đường tuần hoàn khi tàm thời ngừng khoan, ngừng tuần hoàn.
- Tạo áp lực lên thành giếng khoan 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 chất lưu làm khó khăn, ngưng trệ quá trình khoan, thậm chí phá hủy toàn bộ giếng và toàn bộ thiết bị, gây chết người.
- Tạo lớp vỏ bùn không cho dung dịch ngấm vào vỉa làm bẩn sản phẩm và đẩy dầu khí ra cách xa giếng khoan gây khó khăn cho khi gọi dòng sản phẩm và thử vỉa.
- Truyền năng lượng cho động cơ thủy lực khi khoan bằng phương pháp khoan Tuabin.
5.9.2. 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 các đặc điểm địa chất, kỹ thuật ở từng khoảng độ sâu.
Chất lượng dung dịch khoan phụ thuộc các yếu tố sau: - Trọng lượng riêng của dung dịch (γ).
- Độ nhớt dung dịch (ŋ). - Độ thải nước (B).
- Khả năng tạo vỏ bùn của dung dịch khoan. - Nhiệt độ của dung dịch.
- Độ nén của dung dịch. - Độ mút của vỏ bùn.
- Độ bền của dung dịch theo thời gian.
Bên cạnh đó, người ta có thể dùng các hóa phẩm, chất phụ gia để làm tăng hay giảm độ lớn của một số tham số nào đó phù hợp với yêu cầu kĩ thuật ở từng khoảng độ sâu.
5.9.3. Lựa chọn tỷ trọng dung dịch khoan
Một trong những yếu tố quan trọng nhất của dung dịch khoan là trọng lượng riêng của dung dịch. Từ điều kiện áp suất và để đảm bảo an toàn trong quá trình khoan, đó là đảm bảo cho tỷ trọng dung dịch hợp lý ta phải điều chỉnh sao cho dung dịch tạo ra cột áp suất thủy tĩnh thỏa mãn điều kiện:
Trong đó:
- Pv: Áp suất vỉa (at).
- Ptt: Áp suất thủy tĩnh tạo ra bởi cột dung dịch (at). - Pnv: Áp suất nứt vỡ vỉa (at).
Pnv = 0,083H + 0,66Pv ( Công thức thực nghiệm ).
Bảng 5.4: Áp suất vỉa và áp suất nứt vỉa
Độ sâu (m) Pv (at) Pv (Psi) Pnv (at) Pnv (Psi)
0 1 14,7
750 80,54 1.183,94 115,41 1.696,53
2.180 235,77 3.465,82 336,55 4.947,29
2.630 318,56 4.682,83 428,54 6.299,54
2.750 376,38 5.532,79 476,66 7.006,90
Xác định tỷ trọng dung dịch khoan cho phù hợp đáp ứng yêu cầu kỹ thuật là công việc phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố. Hiện nay người ta thường dùng công thức thực nghiệm để tính tỷ trọng dung dịch khoan như sau:
γ= x Kp x Kh
Trong đó:
- γ : Tỷ trọng dung dịch
- H: Độ sâu tại điểm tính toán (mBRT).
- Hr: Chiều cao của bàn roto so với mực nước biển (Hr = 25m) - Kp: Gradient áp suất.
- Kh: Hệ số lấy theo độ sâu. Từ kinh nghiệm ta có:
0 < H < 1.200m → Kh = 1,1 – 1,5
1.200m < H < 2.500m → Kh = 1,07 – 1,1 H > 2.500m → Kh = 1,04 – 1,07
Dựa vào tính chất của đất đá, của áp suất vỉa ta chọn tỷ trọng dung dịch cho phù hợp : γtt= γ ± 0,02 g/cm3.
Đối với giếng khoan Y-1X ta chọn dung dịch như bảng 5.5:
Bảng 5.5 : Giá trị tỷ trọng dung dịch khoan
H (mBRT) Kp Kh Giá trị γtt (g/cm3)
0 - 775 1,01 1,15 1,12 ± 0,02
775 – 2.205 1,03 1,10 1,12 ± 0,02
2.205 – 2.655 1,15 1,07 1,22 ± 0,02
5.10. Chọn phƣơng pháp khoan
5.10.1.Các phương pháp khoan trong ngành dầu khí
Có nhiều phương pháp khoan khác nhau. Với sự phát triển của khoa học, kĩ thuật, công nghệ các phương pháp khoan lạc hậu, kém hiệu quả dần bị loại bỏ, đặc biệt trong lĩnh vực dầu khí do các đặc điểm sau :
- Các giếng khoan dầu khí thường có đường kính thay đổi, độ sâu rất 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.
Chính vì vậy, trong khoan dầu khí hầu như chỉ sử dụng hai phương pháp là khoan Roto và khoan Tuabin.
5.10.1.1. Khoan Roto
Là phương pháp khoan mà chuyển động quay của choòng khoan được thực hiện nhờ chuyển động cơ trên mặt đất truyền xuống thông qua bàn xoay Roto và cần khoan.
Ƣu 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 quay của choòng no, 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 tỷ trọng dung dịch lớn hơn 1,7 -1,8 g/cm3. - Khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao (T > 150o
C).
Nhƣợc 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 với giếng khoan thẳng đứng.
Ứng dụng :
- Khoan độ sâu lớn với yêu cầu tăng tốc độ khoan.
- Khoan qua các tầng sét, sét phiến độ dày lớn, tính dẻo, tính 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 tỷ trọng dung dịch cao (γ > 1,8g/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.
5.10.1.2. Khoan Tuabin
Là phương pháp khoan mà chuyển động quay của choòng được thực hiện nhờ