Giáo trình Thí nghiệm dung dịch khoan cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Các phương pháp tuần hoàn dung dịch; Các chức năng của dung dịch khoan; Các loại dung dịch khoan được sử dụng; Các thông số của dung dịch khoan và cách xác định. Mời các bạn cùng tham khảo!
CÁC PHƯƠNG PHÁP TUẦN HOÀN DUNG DỊCH
PHƯƠNG PHÁP TUẦN HOÀN THUẬN
Trong phương pháp này dung dịch được bơm xuống giếng khoan theo phía trong cần khoan và đi lên theo khoảng không vành xuyến (quan sát hình 1.1)
Dung dịch thoát ra từ buồng khoan có tốc độ rất lớn nhờ đặc tính của các vòi phun thủy lực, giúp làm sạch răng khoan và tạo áp lực lớn tác động vào đáy giếng khoan để phá vỡ đất đá mềm, cấu trúc bở rời Dòng dung dịch sau đó đi lên khoảng không xung quanh, mang theo mùn khoan và thoát lên bề mặt, đảm bảo quá trình khoan hiệu quả và an toàn.
- Ưu điểm của phương pháp tuần hoàn thuận:
+ Thực hiện đơn giản, không cần những thiết bị phức tạp để bịt kín miệng lỗ khoan
+ Ít phá vỡ thành giếng khoan do dòng đi lên chậm
+ Ít bị tắc (nghẽn) cần khoan do mùn khoan
+ Có thể khoan được trong điều kiện mất dung dịch
+ Lượng tiêu hao nước rửa lớn mới đạt được vận tốc dòng chảy đủ nâng hạt mùn trong không gian vành xuyến, dễ gây sập nở thành lỗ khoan
+ Tỷ lệ lấy mẫu thấp trong đất đá mềm và độ cứng trung bình (do va đập thuỷ lực)
Hình 1.2.Phương pháp tuần hoàn thuận
Trong đó: 1: là đường dung dịch vào
PHƯƠNG PHÁP TUẦN HOÀN NGHỊCH
Dung dịch được bơm xuống giếng khoan thông qua khoảng không vành xuyến và đi lên theo phía trong cần khoan
Trong quá trình khoan, cần tiết diện nhỏ giúp tốc độ đi lên của mẫu nhanh chóng hơn, phù hợp cho các trường hợp cần nâng mẫu nhanh chóng khi lỗ khoan có đường kính nhỏ hoặc khoan qua các lớp đất đá phức tạp như cát, sa thạch phong hoá Phương pháp này còn được áp dụng để thay thế dung dịch tuần hoàn trong lỗ khoan bằng loại dung dịch khác hoặc sử dụng để bơm ép nhằm chống phun hiệu quả.
Phương pháp này yêu cầu bịt kín miệng lỗ khoan bằng thiết bị đặc biệt, tiêu hao năng lượng bơm ép cao và dễ gây tắc cần khoan Mặc dù ít được sử dụng hơn phương pháp thuận, nhưng khi áp dụng đúng điều kiện phù hợp, nó mang lại hiệu quả công tác tốt.
+ Tăng tỷ lệ mẫu, đặc biệt trong đất đá mềm kém bền vững
+ Tác dụng va đập thuỷ lực của dòng chảy lên thành lỗ khoan nhỏ
+ Khả năng tách mùn khoan nhanh, tránh được sự cố kẹt mút cần khoan do lắng mùn
+ Cho phép áp dụng kỹ thuật lấy mẫu liên tục
+ Thiết bị bịt kín miệng lỗ khoan phức tạp Không khoan được trong điều kiện mất nước Cấu trúc bộ khoan cụ phức tạp
+ Dễ gây kẹt lắng mùn khi ngừng tuần hoàn
Phương pháp tuần hoàn nghịch được thực hiện bằng hai cách:
- Có thiết bị bịt kín miệng lỗ khoan
- Không có thiết bị bịt kín miệng lỗ khoan (phải lắp thêm bơm chân không, elip hoặc elevator thuỷ lực)
Hình 1.3.Phương pháp tuần hoàn nghịch
Trong đó: 1: là đường dung dịch vào
TUẦN HOÀN CỤC BỘ
Nước rửa được bơm vào lỗ khoan theo phương pháp rửa thuận, giúp làm sạch và loại bỏ bụi bẩn trong lòng lỗ khoan Trên cần khoan còn được trang bị thiết bị thu mùn khoan (hay còn gọi là thiết bị lắng mùn), đảm bảo hiệu quả trong quá trình làm việc Phương pháp này thường được áp dụng khi không thể rửa sạch toàn bộ lỗ khoan hoặc để nâng cao tỷ lệ lấy mẫu, đặc biệt sau khi xảy ra sự cố như rơi rớt thiết bị vào lòng giếng hoặc chỏng khoan bị mất răng cắt.
Hình 1.4.Phương pháp tuần hoàn cục bộ
Trong đó: 1: là đường dung dịch vào
2: đường dung dịch ra 3: mùn khoan vào ống lắng
Trong bài này, một số nội dung chính được giới thiệu:
- Giới thiệu phương pháp tuần hoàn thuận
- Giới thiệu phương pháp tuần hoàn nghịch
- Giới thiệu phương pháp tuần hoàn cục bộ
❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN BÀI 1
Câu hỏi 1 Mô tả sơ đồ hệ thống tuần hoàn thuận?
Câu hỏi 2 Mô tả sơ đồ hệ thống tuần hoàn nghịch?
Câu hỏi 3 Mô tả sơ đồ hệ thống tuần hoàn cục bộ?
Câu hỏi 4 Trình bày ưu nhược điểm của tuần hoàn cục bộ?
Câu hỏi 5 Trình bày ưu nhược điểm của tuần hoàn thuận?
CÁC CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN
RỬA SẠCH GIẾNG KHOAN VÀ VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN
Mùn khoan được giải phóng kịp thời khỏi đáy giếng tạo điều kiện thuận lợi cho choòng khoan tiếp xúc liên tục, trực tiếp với đất đá ở đáy giếng Quá trình tuần hoàn dung dịch giúp dung dịch chảy qua các lỗ của choòng khoan, tạo lực đẩy rửa sạch đáy giếng và giữ cho quá trình khoan diễn ra hiệu quả Sau khi mùn khoan bị tách ra khỏi đáy giếng, chúng phải được nâng lên mặt bằng cách sử dụng dung dịch tuần hoàn trong giếng khoan để đảm bảo việc khoan tiếp tục liên tục và hiệu quả.
Hình 2.2.Mùn khoan tuần hoàn lên từ dưới giếng
Việc tải mùn khoan lên mặt đất phụ thuộc vào tốc độ đi lên của dung dịch, tính chất của dung dịch, loại đất đá và kích thước của các hạt mùn khoan Mùn khoan di chuyển theo dung dịch khoan và có xu hướng trượt xuống do trọng lực, với vận tốc trượt phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, tỷ trọng của hạt mùn khoan cũng như chất lượng nước rửa Để đảm bảo quá trình tải mùn khoan hiệu quả, cần duy trì tốc độ đi lên của dung dịch để giữ cho mùn khoan không bị tích tụ hoặc trượt ngược xuống.
- Vận tốc đi lên của dùng dung dịch:
Q: lưu lượng dung dịch quay trở về, m 3 /s S: tiết diện ngang của dòng dung dịch quay trở về, m 2
- Vận tốc trượt xuống của hạt mùn khoan:
U = g.d 2 (ủ -d)/18 (m/s) Trong đó: g: gia tốc trọng trường
ủ: trọng lượng riờng của đất đỏ khoan qua
d: trọng lượng riêng của dung dịch
: độ nhớt của dung dịch
- Tốc độ thực của hạt mùn:
Độ nhớt của dung dịch là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tải mùn khoan lên mặt đất Khi độ nhớt tăng, khả năng vận chuyển mùn khoan cũng tăng lên, giúp nâng cao hiệu quả công việc Tuy nhiên, hiệu quả này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như tổn hao thủy lực, khả năng tách mùn khoan khó, và áp suất bơm cao Việc kiểm soát độ nhớt phù hợp là cần thiết để tối ưu quá trình khoan.
Tỷ trọng của dung dịch đóng vai trò quan trọng trong quá trình tải mùn khoan Khi tăng tỷ trọng dung dịch, khả năng tải mùn khoan cũng được cải thiện rõ rệt Tuy nhiên, việc sử dụng áp suất bơm lớn có thể gây ra khó khăn trong việc giải phóng mùn khoan ở đáy giếng vì áp suất của cột dung dịch tác động lên đáy giếng khoan lớn, dẫn đến mất dung dịch và khó phá huỷ đá hiệu quả.
Năng suất máy bơm cao giúp lượng nước rửa bơm vào lỗ khoan nhiều hơn, từ đó làm sạch đáy lỗ khoan hiệu quả và tăng tốc độ khoan Tuy nhiên, năng suất máy bơm cũng bị giới hạn bởi áp suất vỡ vỉa, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình khoan.
Để rửa sạch đáy và tải mùn khoan lên mặt đất hiệu quả, cần sử dụng đúng dung dịch khoan phù hợp Việc vận hành chế độ làm việc của máy bơm một cách hợp lý cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Chọn lựa dung dịch khoan phù hợp và điều chỉnh chế độ bơm đúng cách sẽ nâng cao hiệu suất làm việc và đảm bảo an toàn cho dự án khoan.
TRẤN ÁT ÁP SUẤT THÀNH HỆ
Khi khoan vào đất đá để tạo giếng khoan, quá trình này làm mất cân bằng tự nhiên của đất đá xung quanh Nếu không bù thêm lực, đất đá dễ bị dịch chuyển vào tâm giếng, gây co hẹp, sập lở thành giếng, hoặc phun dầu, làm phức tạp công tác thi công Áp suất thủy tĩnh từ cột dung dịch trong giếng khoan đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng, ổn định thành giếng, ngăn ngừa các sự cố và đảm bảo hoàn thành dự án đạt chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cao.
Áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch cần phải cao hơn hoặc bằng áp suất địa tầng đã khoan qua và sẽ khoan qua, trừ trường hợp khoan vào địa tầng đặc biệt, nhằm ngăn ngừa hiện tượng phun trào trong quá trình khoan.
Hình 2.3.Sự cân bằng áp suất trong quá trình khoan Áp suất thủy tĩnh được xác định bởi các công thức sau:
- P0 là áp suất tại miệng giếng khoan tính bằng (kG/cm 2 )
- : là trọng lượng riêng của dung dịch trong giếng khoan tính bằng (G/cm 3 )
- H: là độ sâu theo phương thẳng đứng của giếng khoan tính bằng (m) Ngoài ra, có thể xác định áp suất thủy tĩnh theo công thức sau:
- P0 là áp suất tại miệng giếng khoan tính bằng (psi)
- : là trọng lượng riêng của dung dịch trong giếng khoan tính bằng (ppg)
- H: là độ sâu theo phương thẳng đứng của giếng khoan tính bằng (ft)
- 0,052: là hệ số chuyển đổi
Áp suất thủy tĩnh phụ thuộc vào độ sâu thẳng đứng của giếng khoan và trọng lượng riêng của dung dịch khoan, giúp hiểu rõ ảnh hưởng của các yếu tố này đến quá trình khai thác Theo các công thức đã trình bày, lực tác dụng của áp suất thủy tĩnh tăng cùng với chiều sâu và trọng lượng riêng của dung dịch, đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và vận hành giếng khoan Việc nắm vững mối quan hệ này giúp tối ưu hóa quá trình khoan và đảm bảo an toàn trong công tác khai thác địa chất.
Trong các giếng khoan xiên thì ta sử dụng độ sâu theo phương thẳng đứng để tính áp suất thủy tĩnh.
GIA CỐ THÀNH GIẾNG KHOAN
Khi dung dịch khoan vượt qua các tầng đất đá thấm thấu, các phần tử rắn trong dung dịch không thể đi sâu vào trong thành hệ do kích thước lớn hơn lỗ hổng của đất đá, nên chúng chỉ bám lại trên thành giếng khoan Sự tích tụ các phần tử rắn này tạo thành lớp vỏ bùn, đóng vai trò như một cột ống chống mỏng trong giếng khoan, giúp ngăn ngừa và làm chậm quá trình dung dịch xâm nhập vào thành hệ.
Độ dày và tính chất của lớp vỏ bùn phụ thuộc vào đặc điểm của dung dịch khoan và đất đá thành ống Lớp vỏ bùn mỏng, mịn và chặt sít càng giúp ngăn ngừa các sự cố phức tạp như trương nở, bó hẹp thành giếng khoan và bong các lớp vỏ sét Do đó, việc kiểm soát đặc tính của lớp vỏ bùn là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình khoan.
- Vỏ bùn được hình thành trên các bề mặt nếu các khe nứt, lỗ hổng của đất đá có kích thước nhỏ
- Vỏ bùn được hình thành từ bên trong các khe nứt, lỗ hổng nếu các lỗ hổng có kích thước tương đối lớn
Hình 2.5.Sự hình thành lớp vỏ sét
Quá trình hình thành lớp vỏ bùn trên thành giếng khoan phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của dung dịch khoan Khi dung dịch có chất lượng tốt và chứa nhiều hạt keo, các hạt keo sắp xếp có trật tự, chặt chẽ trên thành giếng, tạo thành lớp màng mỏng nhưng cứng chắc nhằm hạn chế tối đa nước thấm vào vỉa và củng cố thành giếng Điều này giúp ngăn chặn hiện tượng sập lở, giữ thành giếng vững chắc và hạn chế hiện tượng bó hẹp thành giếng khoan Để nâng cao khả năng gia cố thành giếng, người ta thêm một số hoá phẩm vào dung dịch khoan nhằm điều chỉnh các thông số của dung dịch theo yêu cầu kỹ thuật.
LÀM MÁT VÀ BÔI TRƠN CÁC CHI TIẾT CHỊU MA SÁT CỦA BỘ DỤNG CỤ
Trong quá trình khoan, cột khoan và dụng cụ khoan sinh ra lượng nhiệt đáng kể do ma sát, có thể lên tới gần 1000°C Bên cạnh đó, nhiệt từ cấp địa nhiệt trong giếng khoan cũng ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của dụng cụ khoan và bộ đáy Vì vậy, việc sử dụng dung dịch khoan để hấp thụ và vận chuyển nhiệt lên mặt đất là rất quan trọng để bảo vệ thiết bị và đảm bảo hiệu quả công việc.
Hình 2.6.Gia tăng nhiệt độ lên choòng trong quá trình khoan
Dung dịch khoan không chỉ có chức năng làm mát mà còn đảm nhiệm vai trò bôi trơn cho quá trình khoan và choòng khoan, nhờ các thành phần tạo tính nhớt trong dung dịch Để kéo dài tuổi thọ của choòng và giảm mô men xoắn của cột cần khoan, người ta thường thêm các chất bôi trơn vào dung dịch trong một số trường hợp Thực tế, dung dịch làm lạnh dụng cụ phá đá tốt nhất là nước lã, tiếp theo là dung dịch sét và các loại chất lỏng khác, còn cuối cùng là khí.
Hình 2.7.Dung dịch chuẩn bị bơm xuống giếng
Nước rửa giúp bôi trơn ổ bi, các chi tiết của turbine, hệ thống khoan và ống chống, nhờ đó giảm ma sát ở các bộ phận quay Việc này không chỉ giúp bôi trơn hiệu quả mà còn làm giảm lực tác dụng lên các cơ cấu dẫn đến tăng độ bền của chúng, đặc biệt quan trọng trong quá trình khoan turbine.
Hiệu quả bôi trơn được nâng cao đáng kể khi pha vào dung dịch 8-10% dầu diesel hoặc dầu hỏa Dung dịch nhũ tương dầu mang lại khả năng bôi trơn tối ưu, nhất là khi khoan momen quay giảm 30%, giúp tăng hiệu quả và độ bền của quá trình khoan.
Tóm lại chức năng làm mát và bôi trơn của dung dịch khoan sẽ làm tăng thêm tuổi thọ của cột cần khoan và đặc biệt là choòng khoan.
GIỮ HẠT MÙN KHOAN Ở TRẠNG THÁI LƠ LỬNG KHI NGỪNG TUẦN HOÀN 29 2.6 TÁC ĐỘNG PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ
Trong quá trình khoan, đôi khi cần phải tạm dừng tuần hoàn để thay cần, thay vòng hoặc kích… Điều này khiến khoảng không vành xuyến còn chứa nhiều mùn khoan chưa được nâng lên mặt đất Trọng lượng của các hạt mùn khoan sẽ gây lắng đọng và kẹt giếng khoan, ảnh hưởng đến quá trình khoan tiếp theo.
Một dung dịch tốt cần có khả năng giữ hạt mùn khoan trong trạng thái lơ lửng để tránh hiện tượng lắng xuống đáy giếng và gây kẹt dụng cụ khoan Ngoài ra, dung dịch cần duy trì trạng thái này ngay cả khi ngừng tuần hoàn, đồng thời dễ dàng tách các hạt mùn và tạp chất ra khỏi dung dịch để chuẩn bị cho vòng tuần hoàn tiếp theo Để đáp ứng các yêu cầu này, dung dịch phải có tính lưu biến cao, nghĩa là dễ đông đặc khi không chuyển động và dễ loãng khi có dòng chảy, điều này yêu cầu thực hiện gia công hóa học dung dịch để điều chỉnh đặc tính lưu biến phù hợp.
2.6 TÁC ĐỘNG PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ
Dung dịch được bơm qua lỗ của cọc khoan với vận tốc cao nhờ vòi phun thủy lực để phá hủy đất đá hiệu quả Đất đá là hợp thể có độ bền không đồng nhất, chứa những chỗ yếu trong mạng tinh thể và khe nứt trên bề mặt Khi dung dịch thấm sâu, nó tạo ra vùng phá hủy trước tác động của dụng cụ khoan, làm mở rộng các khe nứt để giúp quá trình phá hủy dễ dàng hơn Thêm vào đó, các hóa phẩm được sử dụng nhằm giảm độ cứng của đất đá và tăng cường tương tác hóa lý giữa môi trường phân tán và bề mặt đất đá mới hình thành, giúp nâng cao hiệu suất phá hủy của cọc khoan Tuy nhiên, dung dịch cần tránh gây trương nở đất đá để không gây ra những phức tạp trong quá trình khoan.
Hiệu quả của quá trình xử lý đất đá càng được nâng cao khi bổ sung các chất giảm độ cứng vào nước rửa Các chất này giúp tăng cường lực tương tác hóa lý giữa môi trường phân hóa và bề mặt mới của đất đá được hình thành trong quá trình phá hủy cơ học Việc sử dụng thêm chất giảm độ cứng không chỉ nâng cao hiệu quả phá vỡ mà còn tối ưu hóa quá trình xử lý đất đá, đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
Các chất làm giảm độ cứng như hoạt chất cacbon, fenol, axit và các muối kiềm của chúng
+ Các chất điện phân: NaCl, MgCl2, CaCl2, AlCl3
+ Các muối của kim loại kiềm NaOH, Na2CO3
Lưu ý: Khi nồng độ các chất trên trong nước rửa nhỏ thì có tác dụng, khi nồng độ tăng thì tác dụng ngược lại
TRUYỀN NĂNG LƯỢNG THỦY LỰC CHO ĐỘNG CƠ ĐÁY
Đối với một số ứng dụng như khoan định hướng hoặc khoan bằng choòng kim cương, người ta thường gắn động cơ đáy ngay phía trên choòng nhằm quay bộ dụng cụ khoan Động cơ này hoạt động nhờ năng lượng từ dòng dung dịch đi qua bên trong bộ dụng cụ đáy, có cả tác dụng truyền năng lượng thủy lực cho tuốc bin khoan Công suất của tuốc bin khoan phụ thuộc vào lưu lượng bơm của máy bơm dung dịch, thể hiện qua công thức liên quan đến lưu lượng dòng dung dịch trong hệ thống.
- N1 và N2 là công suất của động cơ đáy
- Q1 và Q2 là lưu lượng bơm của máy bơm
- Lượng nước rửa tăng lên ít nhưng công suất của turbin thay đổi rất nhiều
- Tăng tiến độ khoan Ở máy bơm có sự liên hệ: Nb = p.Q
Trong đó: Nb: công suất của máy bơm dung dịch p: áp lực ống thoát của máy bơm
Q: lưu lượng của máy bơm dung dịch
Muốn Q tăng để tăng công suất quay của turbin thì tăng Nb hay giảm p Trong kỹ thuật,
Trong kỹ thuật khoan, khả năng điều chỉnh dễ dàng để tăng lưu lượng Q giúp nâng cao hiệu suất Tuy nhiên, do kích thước hạn chế của ống dẫn, việc tăng Q dẫn đến giảm áp suất p, phù hợp với độ bền của ống dẫn thủy lực, bơm và dụng cụ khoan Áp suất p có thể tăng lên đến trị số thấp hơn giá trị pmax, vì pmax giới hạn công suất của máy bơm và đảm bảo an toàn hoạt động.
Khi Nb không đổi, muốn tăng Q thì phải giảm các tổn thất cục bộ Điều này thực hiện bằng 2 cách:
- Tăng đường kính của các phần có nước rửa chảy qua như ống dẫn, cần khoan và đầu nối, các lỗ thoát của choòng
- Dùng nước rửa linh động có tỷ trọng và độ nhớt nhỏ
Khi Q không đổi thì tổn thất thủy lực sẽ nhỏ nhất nếu làm sạch lỗ khoan bằng nước lã
- Tính toán thủy lực khoan nhằm tối ưu ROP (Rate of Penetration) bằng cách:
+ Tăng khả năng tách mùn khoan tại choòng
+ Tối đa độ giảm áp tại choòng
+ Tối ưu lực va đập thủy lực tại đáy giếng
- Áp lực tại choòng được làm giảm bằng cách:
+ Dùng cần khoan và đầu nối có kích thước nhỏ
+ Dùng thiết bị đo trong khi khoan
- Tổn thất áp suất cao khi:
+ Dung dịch có tỉ trọng lớn
+ Dung dịch có độ nhớt lớn
+ Thành phần rắn trong mùn khoan cao
GIẢM TẢI TRỌNG LÊN MÓC NÂNG
Lực đẩy Acsimet giúp giảm đáng kể tải trọng của dung dịch khoan tác dụng lên móc nâng trong quá trình kéo thả và khoan Nhờ vào hiện tượng này, quá trình khoan trở nên an toàn và hiệu quả hơn, giảm thiểu nguy cơ quá tải cho thiết bị nâng và đảm bảo an toàn trong khai thác Lực đẩy Acsimet đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động khoan và nâng khi sử dụng dung dịch khoan trong các công trình địa chất.
Ta có công thức xác định lực đẩy Acsimet như sau:
F: là lực đẩy acsimet V: là thể tích vật thể chìm vào trong dung dịch
d: là trọng lượng riêng của dung dịch khoan
Lực đẩy Ácsimet của dung dịch khoan tác động lên cần khoan và ống chống không chỉ phụ thuộc vào thể tích cần khoan và mức độ ngập của ống trong dung dịch mà còn chịu ảnh hưởng lớn từ trọng lượng riêng của dung dịch khoan Hiểu rõ yếu tố này giúp tối ưu hóa quá trình khoan và đảm bảo an toàn trong các công trình xây dựng Việc chọn lựa dung dịch khoan phù hợp dựa trên trọng lượng riêng là yếu tố quan trọng để kiểm soát lực đẩy và nâng cao hiệu quả công việc.
TRUYỀN THÔNG TIN TỪ ĐÁY GIẾNG LÊN BỀ MẶT
Nhờ sự tuần hoàn của dung dịch khoan, các kỹ sư địa chất có thể xác định các nguồn thông tin chính qua mùn khoan thu được trên sàng rung trong quá trình tuần hoàn dung dịch Dấu vết của chất lỏng hoặc khí cũng được phát hiện nhờ các cảm biến đặt trên mặt đất, giúp cung cấp dữ liệu quan trọng cho công tác khảo sát địa chất Sự thay đổi về các tính chất lý hóa của dung dịch như nhiệt độ, độ pH, và các thành phần khoáng cũng giúp các nhà địa chất và nhà thi công khoan nhận diện tình hình thực tế tại hiện trường, từ đó điều chỉnh phương án thi công phù hợp.
Bên cạnh các chức năng đó của dung dịch khoan thì đòi hỏi dung dịch khoan phải có một số yêu cầu sau:
- Tính chất của dung dịch ít thay đổi dưới tác dụng của áp suất, nhiệt độ, vi khuẩn và tính chất của dung dịch phải dễ được phục hồi
- Dung dịch không được gây nên ăn mòn đối với các thiết bị, dụng cụ và cho phép tiến hành đo đạc trong giếng khoan
Hình 2.10.Sơ đồ mô phỏng thông tin địa chât giếng bằng các đường gamaray
Trong bài này, một số nội dung chính được giới thiệu:
- Tác dụng rửa sạch giếng khoan và vận chuyển mùn khoan
- Tác dụng trấn áp thành hệ
- Tác dụng gia cố thành giếng khoan
- Tác dụng làm mát và bôi trơn các chi tiết chịu ma sát của bộ dụng cụ khoan
- Tác dụng giữ hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn
- Tác dụng phá hủy đất đá
- Tác dụng truyền năng lượng thủy lực cho động cơ đáy
- Tác dụng giảm tải trọng lên móc nâng
- Tác dụng truyền thông tin từ đáy giếng lên bề mặt
❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN BÀI 2
Câu hỏi 1 Trình bày chức năng sửa sạch giếng khoan và vận chuyển mùn khoan lên trên bè mặt?
Câu hỏi 2 Trình bày tác dụng phá hủy đất đá của dung dịch khoan?
Câu hỏi 3 Phân tích chức năng giữ hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn?
Câu hỏi 4 Phân tích chức năng truyền năng lượng cho động cơ đáy của dung dịch khoan?
Câu hỏi 5 Phân tích chức năng truyền thông tin từ đáy giếng lên trên bề mặt?
CÁC LOẠI DUNG DỊCH KHOAN ĐƯỢC SỬ DỤNG
PHÂN LOẠI THEO CHẤT LỎNG NỀN
Theo bản chất của chất lỏng nền dung dịch khoan được phân ra làm 4 loại
Dung dịch tự tạo là hỗn hợp nước lã hòa tan với các loại sét đã qua xử lý sơ bộ, phù hợp để khoan qua đất đá bền vững trong cột địa tầng khoan bằng nước lã Loại dung dịch này giúp thành giếng ổn định, hạn chế hiện tượng sập lở, trương nở và mất nước trong quá trình khoan.
Nước lã hay dung dịch khoan tự tạo là loại dung dịch được sử dụng sớm nhất trong kỹ thuật khoan, đóng vai trò quan trọng trong quá trình khoan Dung dịch này được xem là lý tưởng khi khoan qua các địa tầng có áp suất thấp và đất đá bền vững Việc sử dụng nước lã giúp đảm bảo quá trình khoan diễn ra thuận lợi, an toàn và hiệu quả.
Khi nước lã được sử dụng trong quá trình khoan và rửa giếng khoan, nó tạo thành một huyền phù hai pha gồm phần rắn là các phần tử đất đá và phần lỏng là nước lã This mixture plays a crucial role in aiding the drilling process and ensuring the stability of the well Các đặc tính của huyền phù này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khoan và quá trình xử lý đất đá Hiểu rõ về cơ chế pha rắn và pha lỏng trong nước lã giúp tối ưu hóa các kỹ thuật khoan và nâng cao năng suất công tác.
Khi sử dụng nước lã để khoan, việc bơm rửa với lưu lượng lớn ở cuối hiệp khoan là cần thiết nhằm đẩy hết mùn khoan lên mặt đất, trước khi kéo bộ dụng cụ khỏi lòng đất.
* Ưu điểm của việc sử dụng nước lã:
Sản phẩm có độ linh động cao và độ nhớt thấp, giúp giảm thiểu ứng suất trượt tĩnh và tổn thất thủy lực trong quá trình tuần hoàn Nhờ đó, lưỡi khoan hoạt động hiệu quả hơn, nâng cao hiệu suất khoan và giảm thiểu hao phí năng lượng.
Trọng lượng riêng nhỏ dẫn đến áp suất thủy tĩnh thấp, giúp quá trình tách mùn khoan tại đáy dễ dàng hơn Điều này xảy ra vì các hạt mùn không bị ép chặt lên đáy, từ đó làm tăng tốc độ cơ học trong quá trình tách mùn hiệu quả.
- Giảm khả năng mài mòn của xilanh máy bơm và cần khoan, ống chống
- Không tạo lớp vỏ bùn nên ít gây hiện tượng kẹt mút bộ dụng cụ khoan
- Không phải tốn sét, hoá chất để sản xuất và gia công dung dịch nên giá thành thấp
Nhược điểm chính của dung dịch khoan này là không thể xuyên qua các thành hệ phức tạp, gây khó khăn trong quá trình khoan Ngoài ra, dung dịch còn dễ bị kẹt bộ khoan khi ngừng tuần hoàn, ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn của quá trình khoan.
- Không thể khoan được những vùng đất đá kém bền vững, sét dày
Chiều sâu sử dụng hạn chế thường không vượt quá 1700 mét do trọng lượng riêng nhỏ của vật liệu, khiến không thể tạo áp suất thủy tĩnh đủ lớn để duy trì độ ổn định của thành giếng khoan.
- Do ứng suất trượt tĩnh nhỏ ( 0) nên không có khả năng giữ hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn
Không thể sử dụng nước lã để khoan qua các tầng sản phẩm Dầu hoặc Khí có áp suất vỉa thấp vì điều này có thể làm bẩn vỉa chứa sản phẩm Việc dùng nước lã trong quá trình khoan có thể gây ô nhiễm và ảnh hưởng đến chất lượng cũng như khả năng khai thác của các tầng dự án Do đó, cần lựa chọn phương pháp khoan phù hợp để đảm bảo an toàn và duy trì độ tinh khiết của vỉa sản phẩm dầu khí.
- Những chỗ nối ren nhanh hỏng hơn so với sử dụng dung dịch sét
Dung dịch sét là một loại dung dịch gốc nước gồm hai pha: pha rắn và pha lỏng Pha rắn gồm các hạt sét và các phần tử rắn khác, trong khi pha lỏng bao gồm nước và các phần tử hòa tan trong nước Tính chất của dung dịch sét phụ thuộc vào thành phần của sét và nước được sử dụng để điều chế dung dịch, ảnh hưởng đến khả năng kết dính, độ bền và ứng dụng của sản phẩm cuối cùng.
➢ Thành phần của dung dịch sét
Pha rắn trong dung dịch sét được chia làm hai loại, đó là chất rắn tham gia phản ứng và chất rắn không tham gia phản ứng
• Chất rắn tham gia phản ứng
Chất rắn phản ứng trong dung dịch sét tồn tại dưới hai dạng chính: một là loại sét được sử dụng trong dung dịch khoan để tạo ra các tính chất đặc biệt, nâng cao hiệu quả khoan và ổn định dung dịch; hai là loại sét lẫn vào dung dịch trong quá trình khoan qua các tầng địa chất, ảnh hưởng đến quá trình khoan và hoạt động của chất lỏng khoan.
Sét bentonite, gồm Sodium Montmorillonit và Calcium Montmorillonit, là loại sét cao cấp dùng để sản xuất dung dịch khoan Khả năng trương nở của sét khi gặp nước gấp 10 lần thể tích ban đầu, giúp duy trì tính ổn định của dung dịch khoan Với cấu trúc dạng tấm phẳng có kích thước phù hợp, sét bentonite là phụ gia lý tưởng để kiểm soát sự mất dung dịch và giữ ổn định thành giếng khoan, nâng cao hiệu quả khai thác.
Các loại sét dùng trong nước ngọt chủ yếu bao gồm các chất Alumino Silicat ngậm nước, được hình thành từ các tấm Silicat và Alumino xen kẽ nhau Một hạt sét có thể bao gồm chỉ một lớp hoặc nhiều lớp chồng lên, liên kết chặt chẽ nhờ các lực liên kết nội tại These sét có khả năng làm mềm nước, loại bỏ các tạp chất, cùng với đặc tính dễ phân tán và kết tụ phù hợp trong xử lý nước ngọt.
Bentonite là một loại đất sét gồm ba lớp cấu tạo gồm lớp Aluminat ở trung tâm và hai lớp Silicat phía trên và dưới Các hạt sét có đặc điểm tích điện âm và dương, điều này ảnh hưởng đến tính chất và ứng dụng của chúng Khi các ion dương chủ yếu là Natri (Sodium), loại sét này gọi là Bentonite Sodium Montmorillonite, còn nếu ion dương chủ yếu là Canxi (Calcium), thì được gọi là Bentonite Calcium Montmorillonite Việc phân biệt dựa trên thành phần ion giúp tối ưu hóa các ứng dụng của Bentonite trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Khi các loại sét này tiếp xúc với nước, các phân tử nước sẽ hút vào giữa các hạt sét và đẩy chúng ra xa nhau, gây ra hiện tượng trương nở sét Mức độ trương nở khác nhau giữa sét Sodium và sét Calcium chính là đặc điểm phân biệt cơ bản Ion Ca²⁺ có hóa trị 2 và mang nhiều điện tích hơn ion Na⁺ với hóa trị 1, dẫn đến liên kết giữa các hạt sét Calcium mạnh hơn nhiều so với sét Sodium Vì vậy, các phân tử nước khó tách các hạt sét Calcium ra xa nhau, hạn chế khả năng trương nở của sét Calcium khi gặp nước.
PHÂN LOẠI THEO API VÀ IADC
Trong công tác khoan, việc sử dụng nhiều loại dung dịch khoan là cần thiết do đặc điểm đa dạng và phức tạp của điều kiện địa chất, nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau trong quá trình thi công.
Viện Dầu khí Mỹ (API) và Hiệp hội Các nhà Thầu Khoan Quốc tế (IADC) đã đề ra cách phân loại hệ dung dịch khoan trong bảng 1.1, cùng với các định nghĩa về những đặc điểm chính của hệ dung dịch này Trong số chín hệ dung dịch được phân loại, có sáu hệ được chế tạo từ nước kỹ thuật, hai hệ thuộc dạng gốc dầu mỏ và dầu tổng hợp, trong khi các hệ còn lại thuộc dạng dung dịch hỗn hợp như khí, sương, bọt hoặc khí.
Hệ không phân tán bao gồm các loại dung dịch mở lỗ khoan, dung dịch tự tạo và các dạng dung dịch ít xử lý khác, chủ yếu được sử dụng cho các công tác khoan nông, khoan ống dẫn hướng hoặc định hướng Các hệ dung dịch này không được phép sử dụng các chất làm loãng để phân tán các cấu tử sét hoặc mùn khoan Thành phần chính của dung dịch không phân tán là nước hoặc nước kết hợp với các chất tạo nhớt từ các sản phẩm polysaccarit thiên nhiên Tại Vietsovpetro, từ trước đến nay, vẫn thường sử dụng dung dịch hồ sét Bentonit API dựa trên nền nước kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả và phù hợp với quy trình khoan.
Hệ dung dịch phân tán được sử dụng để khoan các khoảng sâu lớn khi cần độ tỷ trọng cao hoặc gặp các vấn đề phức tạp trong giếng khoan Các thành phần sét hoặc mùn khoan dạng sét trong dung dịch bị phân tán mạnh, đặc biệt khi xử lý bằng các hợp chất gốc Lignosulfonat, lignit hoặc tanin, giúp phá keo tụ và giảm thiểu thải nước hiệu quả Để tăng khả năng ức chế sét và đảm bảo độ ổn định của thành giếng, dung dịch còn chứa các muối kim loại đơn hóa trị như KCl, phèn nhôm Kali, nhằm tạo thuận lợi cho quá trình làm sạch giếng Ngoài ra, các hóa phẩm chuyên dụng cũng được bổ sung để điều chỉnh hoặc duy trì các đặc tính kỹ thuật của dung dịch khoan Hệ dung dịch phân tán như Lignosulfonat hay kết hợp với phèn nhôm Kali là các hệ dung dịch truyền thống do XNLD “Vietsovpetro” sử dụng trong thi công khoan, kể cả trong các giếng định hướng qua thành hệ sét hoạt tính cao.
3.2.3 Hệ dung dịch được xử lý bằng các hợp chất Canxi
Các cation hóa trị hai như Canxi hoặc Magiê khi cho vào dung dịch khoan nền nước có thể tạo ra tính ức chế thành hệ sét, giúp kiểm soát hiện tượng sập lở hoặc mở rộng thành giếng, đồng thời giảm thiểu tác động xấu khi khoan qua các tầng chứa sản phẩm Nhờ sự có mặt của ion Canxi, hệ dung dịch khoan có thể được điều chỉnh để phù hợp với các điều kiện thi công khác nhau Các hợp phần chính của hệ dung dịch Canxi gồm vôi tôi (Ca(OH)2) và Gipsơ (CaSO4), với nồng độ Canxi từ 600-1200 mg/lít Hệ dung dịch vôi có nồng độ thấp, hàm lượng vôi từ 3-5 kg/m³, độ pH từ 11-12, được gọi là dung dịch vôi nồng độ thấp, trong khi đó, khi hàm lượng vôi đạt 15-45 kg/m³, gọi là dung dịch vôi nồng độ cao Ngoài ra, các sản phẩm chuyên dụng cũng được sử dụng để kiểm soát các đặc tính kỹ thuật của hệ dung dịch Canxi nhằm tối ưu hóa quá trình khoan.
Các hệ dung dịch Canxi rất chịu bền muối và bền Anhydrit tuy nhiên chúng dễ bị kết keo và đông đặc ở điều kiện nhiệt độ cao
Dung dịch sét vôi là loại dung dịch sét đã qua xử lý bằng cách pha trộn với vôi tôi hoặc ximăng, quá trình này gọi là vôi hóa Việc gia công sét bằng vôi hoặc ximăng giúp cải thiện tính chất của sét, tăng cường khả năng keo dính và độ bền của lớp sét khi sử dụng trong xây dựng và các lĩnh vực khác Dung dịch sét vôi thường được ứng dụng rộng rãi trong làm gạch, làm tượng và các công trình xây dựng dân dụng, mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao.
• Ưu điểm của dung dịch sét vôi
- Có khả năng ngăn cản sự xâm nhập của mùn khoan vào dung dịch khi đang tuần hoàn và nhanh chóng được tách khỏi hệ thống làm sạch
- Giảm độ thải nước, ngăn cản được sự trương nở của sét
- Có thể sản xuất dung dịch sét nặng có độ nhớt cao
- Có thể làm giảm độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh
- Kém bền khi gặp tầng có nhiệt độ cao, khi nhiệt độ cao khoảng 250 0 C thì cấu trúc dung dịch bị phá vỡ
- Khi ngưng kết thì độ thải nước tăng, nên làm tăng hàm lượng tạp chất do đó gây trở ngại cho công tác khoan
Sử dụng có hiệu quả trong tầng sét dày dễ trương nở, đất đá kém ổn định hoặc những vùng đất đá kẹp muối
- Dung dịch sét CLORUA CANXI: CaCl2
Dung dịch sét Clorua Canxi là loại dung dịch sét chứa phụ gia chính là CaCl2, giúp tăng cường độ kết dính và ổn định của đất Dung dịch sét CaCl2 có hàm lượng Ca+2 trong nước lọc cao, hỗ trợ quá trình khoan qua các loại đất đá kém bền vững dễ tự phân tán Khi bổ sung phụ gia CaCl2 vào dung dịch sét, khả năng kiểm soát đất đá kém ổn định được cải thiện rõ rệt, nâng cao hiệu quả công trình khoan.
Ca²⁺ tác dụng với sét, gây ngưng kết sét và làm tăng độ nhớt của dung dịch Quá trình này làm giảm sự trương nở của đất đá, từ đó giúp cải thiện độ ổn định thành giếng khoan Hiệu quả của quá trình ổn định phụ thuộc vào lượng CaCl₂ được thêm vào trong hỗn hợp.
Thông thường, chỉ thêm CaCl2 vào dung dịch sét khiến dung dịch kém ổn định và dễ phân ly Để nâng cao độ ổn định của dung dịch sét CaCl2, cần bổ sung các chất phụ gia như: Cacbuamethylxenlulo, kiềm than bùn, kiềm than nâu, hoặc kết hợp các loại kiềm khác Việc sử dụng phụ gia phù hợp giúp cải thiện tính ổn định, giảm thiểu hiện tượng phân ly và nâng cao hiệu quả sử dụng trong quá trình xử lý đất sét.
+ Ổn định ở nhiệt độ cao và không bị ngưng kết, độ ổn định tốt nhất khi pH = 7-
+ Ổn định và ít bị ảnh hưởng khi có xi măng, NaCl nên nó được sử dụng để khoan phá cốc xi măng hoặc khoan tầng chứa muối
+ Có khả năng làm bền chắc và ổn định thành giếng khoan
+ Làm cho dung dịch đã có ứng suất trượt tĩnh cao lại càng cao hơn
+ Khó điều chỉnh các thông số dung dịch
- Dung dịch sét thạch cao: CaSO4.2H2O
Dung dịch sét thạch cao là loại dung dịch phụ gia chính, chủ yếu chứa CaSO4.2H2O, có khả năng hòa tan rất thấp trong nước lã Độ hòa tan của thạch cao giảm khi nhiệt độ của nước tăng, do đó, để gia công bằng thạch cao, người ta thường đưa dung dịch lên nhiệt độ khoảng 150°C để đạt hiệu quả tối ưu.
Vì dung dịch sét thạch cao có hàm lượng Ca²⁺ thấp, nên để duy trì độ thải nước của dung dịch ở mức thấp, cần giữ cho độ nhớt của dung dịch cũng ở mức nhỏ Điều này giúp đảm bảo quá trình xử lý diễn ra hiệu quả và ổn định hơn, đồng thời tối ưu hóa quá trình lọc và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến tắc nghẽn hay tích tụ chất bẩn Khi độ nhớt của dung dịch thấp, khả năng thoát nước nhanh hơn, từ đó nâng cao năng suất và giảm thời gian xử lý trong các ứng dụng công nghiệp.
Dung dịch không bị phá vỡ với sự xâm nhập của bên ngoài, độ keo cao, ứng suất trượt tĩnh lớn nên dễ tải mùn khoan
Nhược điểm của ứng suất trượt tĩnh lớn đặc biệt là do phụ thuộc vào pha rắn, khiến không thể sản xuất dung dịch sét thạch cao nặng Ngoài ra, khí dễ xâm nhập vào gây ra hiện tượng sủi bọt và làm tăng nguy cơ lên men vi sinh, làm giảm độ ổn định và chất lượng của sản phẩm.
Các hệ dung dịch chứa các polime cao phân tử dạng mạch dài hoặc mạch nhánh, như CMC, Acrilat, poliacrilamit thủy phân một phần, thường được sử dụng để tăng độ nhớt, cải thiện độ bền cấu trúc, giảm lượng nước thải hoặc tạo khả năng ức chế sét và mùn khoan Để tăng khả năng ức chế của hệ polime, dung dịch còn chứa các muối kim loại đơn hóa trị như KCl hoặc NaCl, cùng với một lượng sét tối thiểu nhằm tăng cường độ bền cấu trúc và hình thành lớp vỏ sét bảo vệ trên thành giếng khoan, giúp ngăn ngừa sập lở và hạn chế thấm dầu into vỉa.
Các hệ dung dịch Polime như PHPA/KCl, polyalkylen glycol và Pro-Flo là những hệ phổ biến nhất được sử dụng trong thi công các giếng khoan tại các vùng mỏ trên thế giới và thềm lục địa Việt Nam Chúng đặc biệt hiệu quả trong khoan qua các hệ tầng cát kết rời rạc và tầng đá móng phi sét Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của dung dịch Polime là khả năng ổn định kém ở nhiệt độ cao trên 130°C, nhưng trong điều kiện phù hợp, chúng vẫn có thể được sử dụng để khoan các giếng có nhiệt độ đáy lớn hơn.
3.2.5 Hệ dung dịch có hàm lượng pha rắn thấp Đây là hệ dung dịch khoan có tổng hàm lượng pha sét và các dạng vật chất rắn luôn luôn được kiểm soát ở mức thấp nhất Thông thường, tổng hàm lượng các pha rắn không được vớt quá giới hạn từ 6 - 10% (theo thể tích), trong đó các chất rắn rạng sét không vượt quá 3% vì tỷ lệ hàm lượng mùn khoan và Bentonit luôn nhỏ hơn 2:1 Các hệ dung dịch có hàm lượng phan rắn thấp thường được đặc trưng bởi sự có mặt trong thành phần của chúng các hợp chất polime tạo nhớt và tạo cấu trúc hoặc sét Bentonit có độ trương nở cao Một trong những ưu việt cơ bản nhất của hệ dung dịch dịch khoan có hàm lượng pha rắn thấp là chúng làm tăng vận tốc cơ học khoan, giảm thiểu ảnh hưởng xấu đến tính chất thấm chứa tự nhiên tầng sản phẩm Các hệ dung dịch có hàm lượng phan rắn thấp mang tên thương mại như visplex (slumberger), hệ baracat (baroid), Glydrill (MI SWACO) và hệ KOP (Vietsovptro) ,… đang được áp dụng phổ biến để khoan qua các hệ tầng phi sét có nhiệt độ đáy giếng cao, kể cả khoan các giếng khoan có góc nghiêng lớn (>45 o )
ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN ĐẾN CÁC THÀNH HỆ TRONG QUÁ TRÌNH KHOAN
Trong quá trình khoan, ảnh hưởng của dung dịch khoan vào thành hệ phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc địa chất và chất lượng của dung dịch Thông thường, tác động của dung dịch khoan đối với thành hệ bao gồm các yếu tố như khả năng duy trì ổn định thành lỗ khoan, ngăn ngừa sập lún, hạn chế mất nước và kiểm soát các tải trọng môi trường địa chất Việc lựa chọn dung dịch phù hợp không chỉ giúp nâng cao hiệu quả khoan mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống khoan, góp phần vào thành công của dự án địa chất.
Sự xâm nhập của nước thải dung dịch vào vỉa gây ra nhũ tương dầu nước bền vững, giảm hiệu quả khai thác giếng Ngoài ra, nó còn gây ra tương tác hóa lý và cơ học tự nhiên của đất đá, ảnh hưởng đến quá trình khai thác và làm giảm năng suất giếng.
- Sự xâm nhập của các hàm lượng pha rắn bít nhét các lỗ rỗng và khe nứt gây nên hiện tượng giảm tính thấm chứa tự nhiên của vỉa
Tiếp xúc trực tiếp giữa các khoáng sét trương nở và dung dịch có độ thải nước cao dẫn đến quá trình trương nở sét, gây nguy cơ sập giếng và thu hẹp thành giếng khoan Hiện tượng này gây ra các sự cố trong quá trình khoan, làm tắc nghẽn các lỗ rỗng trong tầng chứa, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả khai thác và an toàn khi vận hành giếng.
- Sự tác động qua lại giữa dung dịch và tầng chứa vỉa đã làm mất đi tính cân bằng vốn có của vỉa, ảnh hưởng đến trạng thái vỉa
Dung dịch khoan có ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện tự nhiên của thành hệ; mức độ ảnh hưởng này phụ thuộc vào chất lượng của dung dịch khoan trong quá trình thi công các giếng khoan.
CÁC HIỆN TƯỢNG PHỨC TẠP TRONG QUÁ TRÌNH KHOAN
Duy trì độ ổn định thành giếng khoan là yếu tố quyết định thành công trong thi công các giếng dầu khí Đây là nhiệm vụ cấp bách của các xí nghiệp khoan như Vietsopetro, PVD Offshore, đặc biệt đối với các giếng ngang và xiên có góc nghiêng lớn tại mỏ Bạch Hổ Việc đảm bảo sự ổn định của thành giếng giúp giảm thiểu rủi ro và tăng hiệu quả quá trình khai thác dầu khí Chống mất ổn định thành giếng là chìa khóa quan trọng để đảm bảo an toàn và tối ưu hóa hoạt động khoan.
Tính không ổn định của thành giếng khoan xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau như sự trương nở mạnh của phiến đá sét gây bó thành và sập lở thành giếng, cùng với chênh lệch áp suất giữa cột dung dịch trong giếng và thành hệ vượt quá giới hạn cho phép Các yếu tố này đều dẫn đến mất ổn định thành giếng khoan, ảnh hưởng đến quá trình khai thác và an toàn công trình.
Trong quá trình thi công khoan, việc xác định chính xác các nguyên nhân gây mất ổn định thành giếng khoan là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình Việc này giúp chúng ta có thể áp dụng các biện pháp phòng chống phù hợp, giảm thiểu rủi ro và ngăn ngừa các sự cố xảy ra trong quá trình khoan Đồng thời, xác định nguyên nhân mất ổn định còn giúp cải thiện quy trình thi công, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của dự án.
Do đó ta cần đi sâu phân tích các nguyên nhân chủ yếu gây mất ổn định thành giếng
3.4.1 Sự trương nở sét Đây chính là nguyên nhân quan trọng nhất gây ra nhiều sự cố trong quá trình khoan Khi sét bị hydrat hóa sẽ bị trương nở mạnh (đặc biệt là sét Montmorilonite) thể tích của sét tăng lên gấp nhiều lần, bó chặt bộ khoan cụ và làm bít nhét giếng khoan Bên cạnh đó khi trương nở sét trở nên rất yếu, không bền vững nữa và rất rễ rơi vào trong giếng, làm sập lở thành hệ và kẹt bộ khoan cụ
Sự trương nở của sét chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và các cation trao đổi trên màng hấp thụ ngoài của khoáng vật sét, nơi các lớp nước phân tử được hấp thụ trên bề mặt tinh thể Phân tích thành phần khoáng vật của các mẫu sét tại mỏ Bach Hổ cho thấy các lớp đá sét chủ yếu gồm Montmorillonite (45%), Hydromicas (15%) và Kaolinite (40%), trong đó Montmorillonite chiếm tỷ lệ cao nhất và có độ hoạt tính cao nhất khi tiếp xúc với môi trường phân tán Điều này giải thích tại sao khoáng vật sét Montmorillonite dễ gây mất ổn định thành giếng khoan khi sử dụng các dung dịch không phù hợp hoặc chất lượng kém, dẫn đến các vấn đề trong quá trình khoan.
Thành phần cation trao đổi và đặc điểm độ hạt của khoáng vật sét ảnh hưởng lớn đến khả năng trương nở của nó Cation có hoá trị lớn và kích thước nhỏ liên kết chặt chẽ hơn giữa các tinh thể, dẫn đến giảm khả năng trương nở của sét.
Việc cải tiến dung dịch khoan ức chế sét đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát sự trương nở của sét và giảm thiểu các sự cố liên quan đến thành hệ sét Nghiên cứu về các dạng dung dịch khoan mới giúp nâng cao hiệu quả trong việc hạn chế tác động tiêu cực của sét, đảm bảo an toàn và hiệu suất thi công Việc phát triển các dung dịch khoan ức chế sét có ý nghĩa lớn trong công tác bảo vệ hệ thống xây dựng khỏi các rủi ro liên quan đến sét, giảm thiểu thiệt hại và tăng độ bền của công trình.
3.4.2 Mất cân bằng áp suất
Sự mất cân bằng giữa áp suất của cột dung dịch khoan (Pw) và áp suất lỗ rỗng của đất đá (Pr) là nguyên nhân chính gây mất ổn định thành giếng khoan Để đảm bảo thành giếng khoan vững chắc và ổn định, cần duy trì điều kiện cân bằng hợp lý giữa các áp suất này Việc kiểm soát áp suất dung dịch khoan giúp giảm thiểu rủi ro xảy ra các sự cố như sập thành hoặc trượt lở đất đá Vì vậy, thiết lập và duy trì điều kiện ổn định về áp suất đóng vai trò quan trọng trong quá trình khoan, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho quá trình khai thác.
∆p: độ chênh áp suất giới hạn
Khi áp suất của cột dung dịch trong giếng khoan vượt quá áp suất lỗ rỗng của đất đá một giá trị tới hạn, hệ thống giếng khoan có nguy cơ bị phá hủy Điều này có thể dẫn đến mất dung dịch khoan, gây ảnh hưởng đến quá trình khoan và an toàn khai thác Vì vậy, việc kiểm soát áp suất dung dịch là yếu tố quan trọng để duy trì độ ổn định của hệ giếng khoan, tránh các rủi ro mất mát tài nguyên và bảo đảm an toàn công trình.
Mất dung dịch trong quá trình khoan là vấn đề phức tạp gây ra nhiều tổn thất và sự cố nghiêm trọng Hiện tượng mất dung dịch trầm trọng đặc biệt gây ảnh hưởng đến độ ổn định của giếng khoan, nhất là khi khoan qua các thành hệ yếu, có độ thấm cao, nứt nẻ hoặc chứa hang hốc Mất dung dịch có thể xảy ra ở bất kỳ độ sâu nào khi sử dụng dung dịch khoan thường hoặc dung dịch làm nặng, khiến quá trình khoan gặp nhiều khó khăn và rủi ro.
Cần phân biệt hiện tượng mất dung dịch với hiện tượng thải nước
Các thí nghiệm đã chứng minh rằng hiện tượng mất toàn bộ dung dịch chỉ xảy ra khi có sự hiện diện của khe nứt hoặc lỗ hổng trong cấu trúc Đối với đất đá nguyên khối, độ thấm tối thiểu để xảy ra hiện tượng này là 300 Darcy, cho thấy mức độ thấm cao mới gây ra mất dung dịch hoàn toàn Ngoài ra, chất lượng trám ximăng kém cũng là một nguyên nhân quan trọng gây ra hiện tượng mất dung dịch, ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ và kín khít của các lớp đất đá.
Các nguyên nhân chủ yếu làm mất cân bằng áp suất trong giếng khoan là:
Việc duy trì tỷ trọng dung dịch khoan hợp lý là yếu tố then chốt để đảm bảo áp suất thành hệ phù hợp Chế độ khoan không phù hợp, như lưu lượng tuần hoàn quá lớn hoặc quá thấp, có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng Trong quá trình khoan, lưu lượng tuần hoàn quá lớn làm tăng giá trị áp suất động, dẫn đến tăng tổng áp lực cột dung dịch (bao gồm áp suất tĩnh và động) và có thể gây hư hỏng thành giếng Ngược lại, nếu lưu lượng hoặc tính chất lưu biến của dung dịch quá thấp, mùn khoan dễ bị lắng cặn gây kẹt cần khoan, ảnh hưởng đến hiệu quả và an toàn của quá trình khoan.
Thả hoặc kéo bộ khoan quá nhanh có thể gây ra hiệu ứng “piston,” làm tăng hoặc giảm áp suất đột ngột trong lòng giếng Điều này có thể dẫn đến mất ổn định thành giếng và ảnh hưởng đến quá trình khoan Việc kiểm soát tốc độ khoan là rất quan trọng để duy trì áp suất ổn định và đảm bảo an toàn cho quá trình khoan dầu khí.
3.4.3 Hiện tượng mất dung dịch a Nguyên nhân
Bao gồm nguyên nhân địa chất và nguyên nhân về quy trình kỹ thuật
Hình 3.11 Khả năng mất dung dịch trong quá trình khoan
Hiện tượng mất dung dịch khi khoan có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau tùy vào từng trường hợp, song chung quy lại, nguyên nhân chính là do áp lực thủy tĩnh vượt quá áp suất vỉa đá Điều này xảy ra khi áp lực của dung dịch khoan cao hơn áp lực của vỉa đá, gây ra hiện tượng mất dung dịch trong quá trình khoan Việc kiểm soát và cân bằng áp lực này là yếu tố quan trọng để đảm bảo quá trình khoan hiệu quả và an toàn.
Khi ở trạng thái tĩnh, trong lỗ khoan có đầy dung dịch thì sự cân bằng tĩnh của hệ thống lỗ khoan – vỉa được biểu diễn bằng đẳng thức:
Trong quá trình dung dịch tuần hoàn trong lỗ khoan, sự cân bằng động được thiết lập và có thể biểu diễn như sau:
Pct – tổn thất thuỷ lực khi dung dịch đi lên trong vành xuyến
Pcc – tổn thất thủy lực khi dung dịch đi vào các tầng mất dung dịch
Trạng thái cân bằng động bị phá vỡ khi dung dịch xâm nhập vào các khe nứt và hang hốc của đất đá do áp lực của dung dịch vượt quá áp lực vỉa, dẫn đến cần thiết phải có sự chênh lệch áp lực giữa lỗ khoan và tầng chứa Sự chênh lệch áp lực này là yếu tố quan trọng đồng thời ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của các dự án khai thác mỏ.