Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ khoan định hướng cho mỏ Bạch Hổ

Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ khoan định hướng cho mỏ Bạch Hổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ- ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN GIÁP

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CẤU TRÚC BỘ DỤNG CỤ KHOAN ĐỊNH HƯỚNG

CHO MỎ BẠCH HỔ Chuyên ngành: Khoan và hoàn thiện giếng dầu khí

Mã số : 62.53.50.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2009

khí, Trường Đại học Mỏ- Địa chất.

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Trần Đình Kiên, Trường Đại học Mỏ- Địa chất.

2 TSKH Trần Xuân Đào, XNLD Vietsovpetro.

Phản biện 1: PGS.TS Nghiêm Hữu Hạnh.

Phản biện 2: PGS.TS Lê Phước Hảo.

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc.

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nướchọp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc - Từ Liêm - Hà Nội,vào hồi … giờ …., ngày … tháng … năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia, Hà Nội hoặc Thư việnTrường Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội

1.Nguyễn Văn Giáp, Nguyễn Thế Vinh (2001), “Phương pháp tínhtoán và lựa chọn bộ dụng cụ đáy sử dụng trong khoan định

hướng”, Tuyển tập các công trình khoa học Đại học Mỏ- Địa

chất, (34), tr.158- 160.

2.Nguyễn Văn Giáp (2004), “Ảnh hưởng của vị trí định tâm tới lực

sườn tại choòng khoan”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ- Địa

chất, (6),tr.1-2.

3.Nguyễn Văn Giáp (2006), Nghiên cứu cơ chế làm việc của bộ dụng

cụ khoan trong giếng khoan xiên và ứng dụng trong việc thiết kế cấu trúc bộ dụng cụ khoan để khoan các giếng khoan xiên, Báo

cáo đề tài NCKH&CN cấp Bộ, mã số B2004-36-69

4.Nguyễn Văn Thịnh, Nguyễn Văn Giáp (2006), “Nghiên cứu xâydựng mối quan hệ giữa cường độ cong α của giếng khoan với tỷ

số giữa lực sườn và tải trọng đáy (Fs/Fa)”, Tuyển tập các công

trình khoa học, chuyên đề kỷ niệm 40 năm thành lập Bộ môn Khoan- Khai thác, tr.4- 8.

5.Nguyễn Văn Giáp (2006), “Nghiên cứu các phương pháp điềuchỉnh góc nghiêng của thân giếng khoan trong khoan dầu khí”,

Tuyển tập các công trình khoa học, chuyên đề kỷ niệm 40 năm thành lập Bộ môn Khoan- Khai thác, tr.11-14.

6.Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Văn Giáp (2006), “Nghiên cứu ảnhhưởng của đường kính định tâm tới hướng đi của choòng

khoan”, Tuyển tập các công trình khoa học, chuyên đề kỷ niệm

40 năm thành lập Bộ môn Khoan- Khai thác, tr.15-18.

7.Nguyễn Văn Giáp, Trần Đình Kiên, Trần Xuân Đào (2006),

“Nghiên cứu và đánh giá trạng thái động học của choòng khoan

trong khoan xiên định hướng”, Tuyển tập báo cáo hội nghị

Khoa học- Công nghệ 30 năm Dầu khí Việt Nam: Cơ hội mới, thách thức mới”, 1, tr.762-772.

8.Nguyễn Văn Giáp (2008), “Quy luật thay đổi góc phương vị khi sử

dụng phương pháp khoan roto ở mỏ Bạch Hổ”, Tạp chí KHKT

Mỏ- Địa chất, (24), tr.4-8.

9.Nguyễn Văn Giáp(2009), Nghiên cứu sự lệch góc phương vị trong

khoan xiên định hướng bằng phương pháp khoan roto tại vùng

mỏ Bạch hổ, Báo cáo đề tài NCKH&CN cấp Bộ, mã số

B2007-02-37

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong hơn 2 thập kỷ qua, ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam

đã không ngừng phát triển và từng bước khẳng định vị thế của mìnhtrên trường quốc tế Hiện nay hàng loạt các mỏ như Bạch Hổ, Rồng,Đại Hùng, Sư Tử Đen, Sư Tử Trắng, Sư Tử Vàng, Cá Ngừ Vàng,Rồng Đôi, Hải Sư, Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Nguyệt Thạch,Thiên Nga, Cá Chò, Phi Mã… đã lần lượt đi vào khai thác dầu khíhoặc đã được phát hiện có tiềm năng dầu khí Các mỏ dầu khí nàyphân bố theo dọc thềm lục địa Việt Nam, do đó công tác phát triển

mỏ phải triển khai trong môi trường biển và hầu hết các giếng đều làgiếng khoan xiên với mục đích đạt được độ rời đáy cần thiết

Thực tế khi xây dựng các giếng khoan xiên định hướng ở mỏBạch Hổ cho thấy: các công đoạn cắt góc, lái chỉnh hướng đi củachoòng không những mất rất nhiều thời gian mà còn phải thườngxuyên đối mặt với những phức tạp, sự cố Trong rất nhiều trường hợpkhi gặp sự cố phức tạp đã phải bỏ lại toàn bộ thiết bị đo và động cơđáy ở đáy giếng Không những thế mà quỹ đạo thân giếng và vị tríđáy giếng bị sai lệch nhiều so với thiết kế, ảnh hưởng đến mạng lướicác giếng khai thác Sự sai lệch về quỹ đạo thân giếng không nhữnglàm cản trở quá trình thi công mà còn làm giảm chỉ tiêu kinh tế kỹthuật của giếng Với sự phức tạp của địa tầng bồn trũng Cửu Long,khi khoan qua “tập sét Bạch Hổ” trương nở (Oligocen) hoặc các đớimất dung dịch trầm trọng thì việc sử dụng động cơ đáy cho việc cắtgóc, lái chỉnh hướng đi của choòng là hết sức phức tạp mà hiệu quảkhông cao Khi khoan bằng động cơ đáy, do bộ cần khoan khôngquay nên dễ bị sự cố kẹt cần khoan hoặc khi khoan trong đới mấttuần hoàn dung dịch thì việc truyền tín hiệu của thiết bị đo MWD bị

vô hiệu hóa, động cơ đáy không thể hoạt động nhất là khi trong dungdịch khoan có sử dụng các chất bít nhét chống mất dung dịch Đây

chính là những nguyên nhân hạn chế hiệu quả khi sử dụng phươngpháp khoan bằng động cơ đáy trong quá trình cắt góc, lái chỉnhhướng đi của choòng.

Vì vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ khoanđịnh hướng trong phương pháp khoan roto để lái chỉnh quỹ đạo thângiếng trong khoan xiên định hướng có tính cấp thiết và có tính thựctiễn, nhằm đưa ra nhiều lựa chọn cho công tác khoan xiên địnhhướng không những đối với mỏ Bạch Hổ mà còn đối với các mỏkhác có đặc điểm địa chất tương tự

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu, tính toán và hoànthiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy sử dụng trong khoan định hướng bằngphương pháp khoan roto cho mỏ Bạch Hổ nhằm đơn giản hóa côngnghệ và thiết bị của quy trình lái chỉnh quỹ đạo thân giếng, đưa rađược nhiều lựa chọn cho công tác khoan xiên định hướng mà vẫnđảm bảo được quỹ đạo thân giếng theo thiết kế với hiệu quả kinh tế

kỹ thuật tốt nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: quy trình công nghệ lái chỉnh quỹ đạo thângiếng, cụ thể là cấu trúc bộ dụng cụ đáy sử dụng trong khoan xiênđịnh hướng bằng phương pháp khoan roto

Phạm vi nghiên cứu: hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy trongkhoan xiên định hướng bằng phương pháp khoan roto bao gồm: kíchthước choòng, định tâm, cần nặng cũng như cấu trúc, thứ tự lắp đặtphù hợp với đặc thù của địa tầng và quỹ đạo hiện thời của thân giếngcũng như mục đích lái chỉnh thân giếng

Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng đáy cho 2 địa tầng: trầmtích Miocen và Oligocen; cho 2 loại bộ dụng cụ đáy: 1 định tâm và 2định tâm; cho 2 đường kính choòng: 311,2mm và 215,9mm; với cácgóc nghiêng của thân giếng: α= 100, α= 200, α= 300và α= 400

4 Nội dung nghiên cứu

Phân tích, đánh giá định tính và định lượng về hướng đi củachoòng khoan thông qua số liệu thực tế của gần 200 giếng khoan ở

mỏ Bạch Hổ, nhằm xác định quy luật thay đổi hướng đi của choòng.Trên cơ sở đó, tác giả nghiên cứu cơ chế hình thành cũng như bảnchất thành phần lực làm thay đổi hướng đi của choòng

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá mức độ ảnh hưởngcủa từng yếu tố tới hướng đi của choòng nhằm định hướng chonghiên cứu và xác định các yếu tố cần hoàn thiện

Sử dụng phần mềm thương mại Landmark làm công cụ để tínhtoán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy thông qua hệ số điều chỉnhđặc trưng của mỏ Bạch Hổ Hệ số điều chỉnh đặc trưng được xâydựng từ thực nghiệm nhằm nâng cao mức độ chính xác và tin cậy củaphần mềm thương mại Landmark khi ứng dụng vào mỏ Bạch Hổ.Lập cơ sở dữ liệu ở dạng bảng tra cứu về cấu trúc bộ dụng cụ đáycho các trường hợp cụ thể khác nhau, cho các mục đích lái chỉnhkhác nhau nhằm tạo điều kiện thuận lợi nhất cho công tác thiết kế vàlắp ráp ngoài khoan trường

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Thu thập, thống kê và phân tích tài liệu thức tế;

- Nguyên lý cần bằng lực trong môi trường tĩnh và động;

- Ứng dụng phần mềm thương mại Landmark với phương phápđối chứng thực nghiệm

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

- Tìm ra quy luật hướng đi của choòng;

- Tìm ra cơ sở lý thuyết về cơ chế hình thành lực làm thay đổihướng đi của choòng;

- Xây dựng hệ số điều chỉnh đặc trưng khi ứng dụng phần mềmthương mại Landmark vào điều kiện cụ thể của mỏ Bạch hổ;

- Trên nguyên tắc tính toán cho mỏ Bạch Hổ, có thể tính toán chocác mỏ khác và khi sử dụng những phần mềm thương mại khác

Ý nghĩa thực tiễn:

- Đã giải quyết được những vấn đề đặt ra từ thực tiễn sản xuất;

- Kết quả nghiên cứu phù hợp với thực tế sản xuất và dễ sử dụng;

- Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu giảng dạy và tài liệutham khảo cho sinh viên đại học và học viên cao học thuộc cácngành Mỏ và Dầu khí

7 Luận điểm bảo vệ

- Quy luật thay đổi góc phương vị khi góc nghiêng thân giếngthay đổi;

- Cơ chế hình thành lực làm thay đổi góc phương vị của thângiếng;

- Hệ số điều chỉnh đặc trưng khu vực khi ứng dụng phần mềmthương mại Landmark để tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụđáy

Chương 3- Các yếu tố ảnh hưởng tới hướng đi của choòng

Chương 4- Tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BỘ DỤNG CỤ ĐÁY TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN ROTO 1.1 Cấu trúc bộ dụng cụ đáy

Bộ dụng cụ đáy là một khái niệm tương đối, có thể hiểu đó làphần dưới của bộ dụng cụ khoan, phần có ảnh hưởng mang tínhquyết định tới hướng đi của choòng Chiều dài của bộ dụng cụ đáyđược xác định trên cơ sở mặc định là khoảng cách từ choòng tớiđiểm tiếp xúc đầu tiên giữa cần nặng với thành giếng khoan Nhưvậy thành phần chính của bộ dụng cụ đáy bao gồm: choòng khoan,định tâm và cần nặng; ngoài ra còn một số bộ phận được lắp trên bộdụng cụ đáy với các mục đích kỹ thuật khác nhau

1.2 Những công trình nghiên cứu trên thế giới

1.2.1 Những nghiên cứu về điều khiển góc nghiêng 

Các tác giả đều thống nhất về nguyên nhân làm thay đổi gócnghiêngcủa thân giếng là do sự hình thành lực sườn Fs Sơ đồ lựctác dụng lên choòng trên mặt phẳng được biểu diễn trên hình 1.2 baogồm:

- Tải trọng đáy Fa do trọng lượng bản thân của một phần bộ dụng

cụ khoan tạo nên;

Hình 1.2 Sơ đồ lực tác dụng lên choòng khoan 1- Cần nặng; 2- Định tâm ; 3- Choòng khoan

L 0

Ft

Fa



Fu Fs

Fg Z

2 1

- Thành phần lực Fg là hình chiếu theo phương OX của phầntrọng lượng cần nặng có chiều dài L, có chiều hướng xuống dưới vàluôn có xu hướng làm giảm góc nghiêng thân giếng;

- Lực uốn Fu được hình thành do mô men uốn tại định tâm gầnchoòng, có phương trùng với phương của Fg còn chiều phụ thuộcvào chiều uốn của đoạn cần nặng đầu tiên có chiều dài L

- Tổng hợp và ta được lực sườn ; = + ;

- Tổng hợp + ta được lực tổng ; = +

1.2.2 Những nghiên cứu về điều khiển góc phương vị 

Các tác giả cho rằng sự thay đổichủ yếu là do thành phần nằmngang theo phương OY của lực uốn tại choòng, thành phần này cógiá trị khá nhỏ Chưa có công trình nào công bố về cơ chế hình thànhlực làm thay đổi góc phương vịvà công thức tính toán

1.3 Những công trình nghiên cứu ở Việt Nam

Những công trình đã công bố ở Việt Nam còn ít và chưa đầy đủ.Các nghiên cứu chủ yếu về lĩnh vực sử dụng động cơ đáy Trongnhững công trình đã công bố, các tác giả có đưa ra một số phươngpháp lựa chọn bộ dụng cụ đáy nhưng chủ yếu là điều chỉnh gócnghiêng Chưa có công bố nào nghiên cứu một cách đầy đủ về điềuchỉnh góc phương vị cũng như cơ sở khoa học của nó

Ở Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí Vietsovpetro từ ngày thành lậpđến nay đã khoan gần 300 giếng khoan xiên định hướng với nhữngthành công đáng trân trọng; đã đạt được góc nghiêng của thân giếng

là 930và khoảng rời đáy lớn hơn 2000m Trang thiết bị cũng đã từngbước được hiện đại hóa như đã đưa vào sử dụng động cơ đáy, hệthống đo trong quá trình khoan MWD, các phần mềm thương mạichuyên dụng như Drilling Offices, Landmark…; nhưng cho đến nayvẫn chưa có được một công trình nào nghiên cứu một cách tổng thể

và chuyên sâu về lĩnh vực khoan xiên định hướng Việc tính toánthiết kế và lắp ráp bộ dụng cụ đáy cũng như thao tác thi công ngoài

hiện trường được thực hiện trên cơ sở kinh nghiệm đúc kết từ thựctiễn của các kỹ sư và chuyên gia.

1.4 Những tồn tại và những vấn đề cần tập trung nghiên cứu

Mặc dù đã đạt được rất nhiều những kết quả đáng trân trọng,nhưng từ thực tế cho thấy vẫn còn một số tồn tại và những vấn đềcần tập trung nghiên cứu và giải quyết như sau:

Tính theo phần mềm Landmark thì sự lệch của thân giếng theogóc phương vị là nhỏ, nhưng trên thực tế thì khá lớn, đôi khi lớn hơn

cả sự lệch theo góc nghiêng; hiện nay vẫn chưa có cơ sở lý thuyếtđầy đủ về sự lệch góc phương vị

Việc tính toán thiết kế bộ dụng cụ đáy chủ yếu là dựa vào kinhnghiệm thực tế của các chuyên gia cho từng vùng mỏ nhất định; mặc

dù đã có sử dụng phần mềm thương mại Landmark nhưng cũng mớichỉ dừng lại ở mức độ tham khảo và định hướng cho những quyếtđịnh mà thôi

Trên cơ sở đánh giá tổng quan về các công trình nghiên cứu tronglĩnh vực khoan xiên định hướng trên thế giới và trong nước, cụ thể làcông tác khoan xiên định hướng ở Xí nghiệp Liên doanh Dầu khíVietsovpetrro; với đề tài luận án: “ Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc

bộ dụng cụ khoan định hướng cho mỏ Bạch Hổ”, tác giả định hướngcác nghiên cứu của mình theo các hướng chính sau:

- Tìm ra quy luật hướng đi của choòng;

- Nghiên cứu cơ chế và những nguyên nhân làm thay đổi hướng

đi của choòng;

- Xác định những thông số cấu trúc của bộ dụng cụ đáy cần hoànthiện;

- Nghiên cứu tính toán hệ số điều chỉnh đặc trưng khi ứng dụngphần mềm thương mại Landmark cho điều kiện mỏ Bạch Hổ;

- Tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy

Chương 2.

QUY LUẬT HƯỚNG ĐI CỦA CHOÒNG VÀ CƠ CHẾ

HÌNH THÀNH LỰC LÀM THAY ĐỔI HƯỚNG ĐI CỦA CHOÒNG 2.1 Quỹ đạo thực tế của các giếng khoan ở mỏ Bạch Hổ

Các giếng khoan xiên định hướng được thực hiện theo 4 dạng quỹđạo truyền thống sau: dạng quỹ đạo 5 đoạn, 4 đoạn, 3 đoạn và 5 đoạnloại mới, việc lựa chọn dạng quỹ đạo nào là phụ thuộc vào kỹ thuậtcông nghệ hiện có, điều kiện địa chất và mục đích sử dụng giếng.Thực tế cho thấy việc đảm bảo quỹ đạo thực tế của thân giếng điđúng quỹ đạo thiết kế không phải lúc nào cũng như ý muốn, khảnăng đảm bảo ổn định góc nghiêng của thân giếng đã khó nhưng việcđảm bảo ổn định góc phương vị của thân giếng lại còn khó hơn

2.2 Quy luật hướng đi của choòng

Việc nghiên cứu quy luật hướng đi của choòng nhằm mục đíchđịnh hướng cho nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy phục

vụ cho công tác thiết kế và lái chỉnh xiên trong quá trình thi công

2.2.1 Quy luật cường độ thay đổi góc nghiêng ∆α

Khi góc nghiêng thân giếng α thay đổi thay đổi thì ∆α cũng thayđổi và tuân theo quy luật được biểu diễn trên đồ thị hình 2.7 và hình2.8

Hình 2.7 Ảnh hưởng của góc nghiêng thân giếng α tới ∆α

(Bộ dụng cụ giảm góc nghiêng)

Từ đồ thị hình 2.7 và hình 2.8 ta thấy rằng khi α tăng thì ∆α tăng,tức là tăng khả năng cắt xiên, khi α giảm thì giá trị tuyệt đối của ∆αgiảm Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với công tác thiết kế vàcông tác thi công, vì với cùng một bộ dụng cụ đáy tăng hoặc giảmgóc nghiêng sử dụng trong một hiệp khoan, nhưng ∆α hằng số.

2.2.2 Quy luật cường độ thay đổi góc phương vị

Từ số liệu thống kê của 192 khoảng khoan của mỏ Bạch Hổ, cóthể thiết lập được mối quan hệ giữa cường độ thay đổi góc phương vịthực tế ∆φttvới cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế ∆αttđược biểudiễn trên đồ thị hình 2.9

Mối quan hệ giữa cường độ thay đổi góc phương vị ∆φ vớicường độ thay đổi góc nghiêng ∆α phụ thuộc vào các yếu tố như:điều kiện địa chất, cấu trúc của bộ khoan cụ, các thông số công nghệ

…, nhưng từ đồ thị hình 2.9 có thể nhận thấy quy luật chung đó là:

- Ở những khoảng khoan giảm góc nghiêng tức là cường độ thayđổi góc nghiêng mang giá trị âm<0 thì cường độ thay đổi gócphương vị mang giá trị dương>0;

- Ở những khoảng khoan tăng góc nghiêng tức là cường độ thayđổi góc nghiêng mang giá trị dương>0 thì cường độ thay đổi gócphương vị mang giá trị âm<0;

Hình 2.8 Ảnh hưởng của góc nghiêng thân giếng α tới ∆α

(Bộ dụng cụ tăng góc nghiêng)

- Quan hệ giữa cường độ thay đổi góc phương vị  với cường

độ thay đổi góc nghiêngtuân theo quy luật sau:

Vòm Bắc: ∆φttBắc = -1,13.ttBắc - 0,36

Vòm Trung tâm: ∆φttT.tâm= -1,05.ttT.tâm- 0,23

Vòm Nam: ∆φttNam = -1,07.ttNam- 0,28

Phạm vi khảo sát là < 80/100m

Mức độ của mối tương quan này hết sức nhạy cảm, chính vì vậy

mà ở một số khoảng khoan quy luật này thể hiện không rõ nét, nhất

là ở những khoảng khoan mà góc nghiêng của thân giếng<100 vàkhi giá trị tuyệt đối của cường độ thay đổi góc nghiêng <

20/100m Khi góc nghiêng của thân giếng >100 và >20/100mthì quy luật trên thể hiện khá rõ nét

2.3 Cơ chế hình thành lực làm thay đổi hướng đi của choòng 2.3.1 Nghiên cứu cơ chế hình thành và tính toán lực làm thay đổi góc nghiêng thân giếng

Lực sườn Fs quyết định tới sự thay đổi góc nghiêng α Nếu cótrước một bộ dụng cụ đáy, ta sẽ tính được Fs; ngược lại nếu địnhtrước giá trị của Fs, ta tính được cấu trúc bộ dụng cụ đáy

Hình 2.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ∆φtt với ∆αtt