Bài giảng khoan dầu khí tập 2 part 4 pptx

ảnh hưởng các thông số chế độ khoan đến chỉ tiêulàm việc của choòng.. Phá huỷ là một quá trình rất phức tạp do đó có một sự liên hệ chặt chẽ giữa các thông số của chế độ khoan, để phân t

6.2.2.2 Vận tốc hiệp:

vh = t hc

c + tnt (m/h) (Vận tốc choòng trong t/g 1 hiệp khoan)

Tnt: thời gian nâng thả cột cần khoan và thay choòng

6.2.2.3 Vận tốc kỹ thuật:

vt= T720 H

c+ Tnt+ Tt =

720 H

Ts (m/tháng - máy)(1 tháng 1 máy khoan được,m) -Ts = Tc + T nt+ Tt là thời gian sản xuất

Ttthời gian để thực hiện các công tác đặc biệt trong lỗ khoan, (chống ống trám ximăng, thực hiện các phép đo trong lỗ khoan, gia công dung dịch )

6.2.2.4 Vận tốc thương mại:

Vmt= T 720 H

c+ Tnt+ Tt + Tf =

720 H

Ts + Tf

720 H

T (m/tháng-máy)

Tf - Thời gian để thực hiệncác công tác không cần thiết cho công tác khoan, như giải quyết các sự cố kỹthuật, sửa chữa thiết bị và dụng cụ khoan Ngừng làm việc do thiếu nhiên liệu, vật tư hoặc công tác tổ chứckhác

T- tổng thời gian để khoan giếng, từ khi bắt đàu đến khi kết thúc

6.2.2.5 Giá thành một mút khoan:

C = Cc+(tc+ tnt) C0

Trong đó :

Cc giá thành của choòng khoan

C0 giá thành trong một giờlàm việc của thiết bị khoan

bao gồm: - Bảo dưỡng thiết bị

- Tiền sữa chữa cần khoan , tuốc bin, bảo quản thiết bị

- Tiền năng lượng và chất đốt

- Lượng công nhân và chi phí gián tiếp

6.3 ảnh hưởng các thông số chế độ khoan đến chỉ tiêulàm việc của choòng

Phá huỷ là một quá trình rất phức tạp do đó có một sự liên hệ chặt chẽ giữa các thông số của chế độ khoan, để phân tích ảnh hưởng của các thông số chế độ khoan đến chỉ tiêu làm việc của choòng, chúng ta tiến hành phân tích

riêng biệt từng thông số trên cơ sở giữ các thông số khác không đổi và chúng

ta cũng xác định được một vài liên quan giữa các thông số

6.3.1 ảnh hưởng của tải trọng đáy đến các chỉ tiêu làm việc của choòng

Phá huỷ đất đá ở đáy lỗ khoan là kết quả ấn đột của răng choòng vào

đất đá và sự chuyển dời trên mặt phẳng đáy của choòng khoan (chuyển động quay ) Độ ngập của răng choòng phụ thuộc vào tải trọng chiều trục, độ cứng của đất đá hình dạng và độ mòn của răng Tải trọng càng lớn thì chiều sâu ngập cáng lớn Như vậy tải trọng càng tăng thì vận tốc cơ học càng tăng

Tải trọng riêng : G r= AGc

tx

Atx diện tích tiếp xúc của răng choòng với đất đá

Để xét sự ảnh hưởng của tải trọng đến chỉ tiêu làm việc của choòng ta giữ n = const

- Gr<  đ (đoạn O-A)

+ Nếu tải trọng riêng nhỏ hơn độ cứng của đất đá , đất đá bị phá ở miền phá hủy bề mặt Trong miền này sự tăng của vch và tăng tải trọng đáy theo một

đường thẳng rất thấp Hiệu quả phá huỷ đất đá rất thấp , choòng bị mài mòn nhanh

- Khi Gf> đ (đoạn B-C) đất đá bị phá huỷ trong phạm vi của miền phá huỷ thể tích Trong phạm vi này vch tăng lên rất nhanh với sự gia tăng của tải trọng theo đường BC Trong miền này năng lượng để phá huỷ đất đá cũng ít hơn Vận tốc mài mòn của choòng cũng bé hơn

(đoạn A-B)

- Giữa hai miền này là miền phá huỷ do hiện tượng mỏi đường cong AB Nếu như theo dõi tải trọng riêng tại điểm C, dùng cho mỗi Q

Hình25

Gr

gB

gA

V ch

q1 q2 q3 c3

c2 c1

b a

0

Vận tốc cơ học sẽ tăng lên rất chậm và có su hướng giảm Nguyên nhân khi tăng Gr lưu lượng Q không đủ để rửa sạch đáy lỗ khoan Đất đá bị phá huỷ

ứ lại ở đáy và làm giảm độ ngậpcủa răng choòng và đất đá Do đó vận tốc cơ học khong tăng lên được và sẽ có xu hướng giảm dần Khi nghiên cứuvề tiến

độ của choòng theo tỷ trọng ở các phương pháp khoan rôtơ và tuôc bin ta cóđồ thị sau:

6.3.2 ảnh hưởng của số vòng quay đến chỉ tiêu làm việc của choòng

- Kết quả nghiên cứu của srâynher đã chỉ ra rằng: khi khoan bằng choòng cháp xoay, nếu tăng số vòng quay n thì độ sâu ngập của răng choòng giảm xuống Ngược lại khi tăng số vòng quay sẽ làm tăng số lần va đập của răng choòng xuống đất đá Do đó tùy thuộc yếu tố này hay yếu tố khác nó sẽ làm tăng hiệu suấtlàm việc của choòng, nhưng lại làm giảm tuổi thọ của nó rất nhiều Như vậy khi tăng tốc độ quay của choòng chóp xoay thì tốc độ cơ học khoan có thể tăng hoặc giảm xuống, tuỳ theo yếu tố nào (trong các yếu tố nói trên) có ưu thế hơn trong điều kiện đã cho

Khi khoan đá dòn hoặc dòn dẻo mà " hệ số dẻo" không lớn lắm thì tốc

độ cơ học khoan cực đại có thể đạt được với số vòng quay rất lớn (hàng ngàn vòng trong một phút )

Hình26: khoan Roto

h,v

0

g

Hình27: khoan tua bin g

h

n v n,h,v

0

h c

h c, T c

T c

Còn đối với đất đá dẻo, đặc biệt là đất đá không bị phá huỷ dòn thì tốc

độ cơ học khoan cực đại có thể đạt được với số vòng nhỏ

6.3.ảnh hưởng của các thông số thuỷ lực đến các chỉ tiêu làm việc của choòng

Hai chức năng quan trọng nhất của dung dịch khoan là :

- Rửa sạch đáy lỗ khoan

- Vận chuyển đất đá phá huỷ ở đáy lỗ khoan làm mặt đất Qua "rửa sạch đáy lỗ khoan " chúng ta hiểu rằng cần phải thực hiện một tuần hoàn dung dịch khoan với lưu lượng, vận tốc vòi phun và tính chất của dung dịch đảm bảo tách và cuốn sạch mùn khoan ở đáy một cách nhanh chóng Trong trường hợp này vận tốc cơ học sẽ là cực đại Trường hợp ngược lại dưới đáy lỗ khoan

sẽ tích luỹ mùn khoan gây nên hiện tượng bít choòng giảm chiều sâu ngập của răng và vận tốc cơ học sẽ giảm Tóm lại chúng ta phải sử dụng một lưu lượngvà vận tốc vòi phun lớn để đảm bảo việc sạch đáy lỗ khoan

6.3.1 ảnh hưởng riêng biệt của lưu lượng và vận tốc vòi phun

6.3.1.1 ảnh hưởng của lưu lượng

Giữ n = const, Gc = const Chúng ta nhận thấy rằng vận tóc cơ học tăng với sự tăng của Q Với một giá trị nào đó thì v không tăng được nữa bởi vì chúng đã thoả mãn với một tải trọng và số vòng quay không đổi

Biến thiên giữa vận tốc cơ học và lưu lượng theo công thức sau đây:

V = a + b Q Q

Trong đó : a, b là hai hằng số phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất và các đại lượng Q, n và từng loại cấu trúc của choòng

6.3.1.2 ảnh hưởng của tia dung dich khi ra khỏi vòi phun

Qua việc tăng vận tốc của dung dịch ra khỏi vòi phun ở choòng, ngay cả trong lúc giữ Q = const, vận tốc cơ học cũng tăng khi vj = 70  80 m/s nó có tác dụng tách các mảng đá đã bị phá huỷ ở đáy lỗ khoan Tăng vj có hiệu lực

v ch

tốt hơn tăng Q bởi vì vj còn vó tác dụng không cho mùn khoan bịt choòng Chúng ta thấy rằng tăng v1 quá lớn thì Vchtăng không đáng kể và đưa đến tổn thất áp suất lớn ở choòng

6.3.2 ảnh hưởng phối hợp giữa Q và v 1

Người ta nghiên cứu sự phối hợp giữa Q và v1dưới dạng các thông số lực đập thuỷlực và công suấtthuỷ lực ở choòng

6.3.2.1 Lực đập thuỷ lực

Fi = d.I d

t

= dd t (m v2- m v1) = Q (v2 - v1) Trong đó : v1v2là vận tốc trước và sau va chạm

 : Khối lượng riêng của dung dịch

Trước khi va đập vận tốc vòi phun là v2 sau khi va đập không đáng kể

Fi = .Q.vj Quá thí nghiệm chúng ta thấy rằng vận tốc cơ học tăng rất nhanh với với .Q.vj đến một giá trị nhất định nào đó thì tăng ít

6.3.2.2 Công suất thuỷ lực ở choòng

Nt= Q Pc.

Pc : tổn thất áp lực ở choòng khoan Pc= 1

2

v12 2g  với  hệ số lưu lượng ở vòi ( = 0,42 0,48)

Nt= 1 2g 2  Q vj

2

Kết luận : chúng ta nhận thấy rằng vchtăng với sự tăng của Nt do đó tăng với tích Q.vj2

6.4 ảnh hưởng của chất lượng dung dịch khoan đến các chỉ tiếu làm việc của choòng

6.4.1 Trọng lượng riêng của dung dịch

Chúng ta nhận thấy rằng nếu khoan với dung dịch có trọng lượng riêng  Vận tốc cơ học sẽ lớn, thời gian khoan sẽ giảm ảnh hưởng của  đối với vch

Hình 30

vj m/s

vch

(Ptt- Pv`)

(kG/cm2)

được giải thích bằng áp suấtchênh lệch ở đáy làm mùn khoan khó tách ra và

đất đá ở đáy còn bị nén chặt hơn nhất là đất đá mềm

P = Ptt- Pv

Ptt áp suấtthuỷ tĩnh do cột áp của dung dịch khoan trong lỗ khoan

Pv áp suất vỉa

H, T độ sâu thực tế của giếng và thời gian thực tế để khoan

áp suấtchênh lệch có ảnh hưởng đến tốc độ cơ học khoan do hai yếu tố

6.4.1.1 Thay đổi độ cứng của đất đá

Độ cứng đất đá ở đáy lỗ khoan được xác định bằng công thức:

 = 0 + k(Ptt- Pv` )

0 là độ cứng của đất đá ở điều kiện khí quyển:

k là một hệ số phụ thuộc vào từng loại choòng khoan, người ta đã xác định

- Choòng chóp xoay K= 5,5

- Choòng kim cương K =6,5

- Choòng lưỡi cắt K=5

Hình 32

6.4.1.2 Thay đổi lực giữ giữa mảng đất dá bị phá huỷ ở đáy giếng khoan

Nếu một răng của choòng cắm vào đá Bên cạnh phần đá bị phá vỡ phía dưới răng choòng (phần a) nó còn kéo theo một thể tích đá bị phá huỷ xung quanh nó ( Phần b) lớn hơn thể tích (a) rất nhiều lần

Hình 31

t

h

1

2 3

1- Khoan bằng dung dịch sét 2- Khoan bằng nước lã

3- Khoan thổi khí

áp suất chênh lệch giữa dung dịch khoan và chất lỏng trong vỉa có xu hướng giữ mảng đất đá bị phá huỷ Trong thời gian tác độngcủa răng, đất đá

đẩy lên rất khó do lực ma sát áp suất chênh lệch càng lớn bao nhiêu, lúc ma sát cũng lớn bấy nhiêu Sau khi răng choòng rời ra khỏi chúng, mảng đá bị phá huỷ cuốn di dưới tác dụng của dòng dung dịch lại càng khó do lực ma sát

và lực vuông góc với nó như nói ở trên Để mảng đá đã bị phá huỷ dễ dàng cuốn đi dưới tác dụng của dòng dung dịch hay của răng, áp suất bề mặt trượt phải tăng lên và cân bằng với áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch Cân bằng áp suất xẩy ra do:

Hình 33

- Dung dịch khoan thấm vào lỗ hổng, khe nứt của mảng đá bị phá huỷ, nói tóm lại giảm tải trọng riêng của dung dịch khoan tức là giảm áp suất chênh lệch Ptt- Pvcòn gọi là "áp suất giữ" Làm tăng thêm hiệu quả phá đá

6.4.2 Độ thoát nước của dung dịch

Như ta đã biết độ thoát nước của dung dịch càng lớn thì áp suấtchênh lệch Ptt - Pv`càng bé Bởi vì vận tốc cân bằng áp suấtcàng lớn Do đó dùng nước lã để khoan ta thu đượcvận tốc lớn vch

Những dung dịch có độ thoát nước bé nó sẽ để lại một màng sét có độ thấm bé và nó sẽ gây một gredien áp suấtlớn trong chiều sâu ngập của răng choòng Hơn nữa màng sét ở đáy sẽ làm chậm sự tiếp xúc giữa răng và đá và chúng hỗn hợp với mùn khoan tạo nên một hỗn hợp dẻo gây khó khăn cho sự rửa của dung dịch Do đó nếu đất đá ở thành lỗ khoan ổn định được thì nên khoan với dung dịch có độ thoát nước lớn

a b Ptt

f f

p

Pv

6.4.3 Hàm lượng chất rắn

Hàm lượng chất rắn bao gồm sét, barit, cát và mùn khoan trong quá trình khoan Tăng hàm lượng chất rắn tức là tăng  của dung dịch đưa đến tăng

áp suấtchênh lệch Ptt - Pv , hậu quả là giảm vch Hàm lượng chất rắn sẽ gây mài mòn các bộ phận trong hệ thống tuần hoàn Bơm, cột cần khoan, choòng khoan v.v

6.5 Thiết kế chế độ khoan

Qua thiết ké chế độ khoan chúng ta hiểu rằng đó là chọn và tính toán các thông số chế độ khoan một cách hợp lý

Xuất phát từ yêu cầu cơ bản là phải khoan lỗ khoan với thời gian ngắn nhát, chất lượng cao và tiết kiệm vật tư Trước khi chọn chế dộ khoan cần phải:

1 Nghiên cứu cẩn thận các điều kiện địa chất (địa tầng kiến tạo) của

vùng sẽ khoan và tính chất cơ lý của đất đá

2 Dự kiến các đoạn có thể xảy ra hiện tượng phức tạp (sập lở, mất

nước, phun ) và xác định áp lực của vỉa khai thác

3) Nghiên cứu khả năng cong tự nhiên của giếng khoan, các biện pháp

phòng cong đã áp dụng, hiệu quả của các phương pháp đó

4) Tuỷ theo điều kiện địa chất mà:

a Chọn nước rửa, xác định các thông số của nó để khoan các tầng khác nhau

b Chọn phương pháp khoan cho từng đoạn

c Chọn loại choòng để khoan các tầng

Nếu khoan ở vùng mà trước đây chưa có khoan sâu thì phải dựa vào kết quả khoan ở các vùng có điều kiện địa chất tương tự mà xác định các điều nói trên

Tuỳ theo phương pháp khoan, tính chất đất đá, chất lượng nước rửa, kiểu choòng khoan đã chọn mà xác địnhGc, Q và n Khi đó dù phương pháp khoan nào cũng cần thoả mãn các yêu cầu sau:

1 Tận dụng tốt nhất khả năng của tổ hợp thiết bị khoan

2 Chọn nước rửa có tỷ trọng, độ nhớt và ứng suấtcắt tĩnh bé nhất , nếu có thể

3 Lưu lượng nước rửa phải đủ rửa sạch đáy lỗ khoan và đưa mùn khoan lên mặt đất

Vì vậy, việc chọn chế độ khoan hợp lý phụ thuộc vào phương pháp khoan nên chúng ta cần xét từng phương pháp một

6.5.1 Thiết kế chế độ khoan khi khoan bằng choòn g kim cương

Cụ thể chúng ta sẽ xác định các thông số chính: Q, Gc, n

6.5.1.1 Lưu lượng trong khoan kim cương được xác định qua biểu thức sau:

Trong đó: q - hệ số làm sạch đáy lỗ khoan, được đặc trưng bằng tỷ lưu lượng trên một đơn vị diện tích đáy lỗ khoan đơn vị : cm

3/s

cm2 Giá trị q dao

động từ :0,06  0,10cm3/s.cm2; Sđ - Diện tích đáy, lỗ khoan đơn vị là cm2

Sđ = K .D

2 c

4 Trong đó:

K - Hệ số mở rộng đáy lỗ khoan so với đường kính choòng khoan

K Dao động trong khoảng 1,05  1,30

Dc - Đường kính choòng kim cương

6.5.1.2 Xác định tải trọng đáy lên choòng

Tải trọng chiều trục lên choòng kim cương được xác định theo công thức sau:

Gc= a  Stx Trong dó : hệ số tính đến sự đặc trưng phá huỷ đất đá ở đáy và độ bền của kim cương: a =0,5  0,8

Stx- Diện tích tiếp xúc giữa kim cương và đáy lỗ khoan, phụ thuộc vào kích thước và loại choòng (có thể tra bảng)

Stxcũng có thể tính bằng công thức sau:

Stx= 0,03 d c Kt

dc : Đường kính trung bình của kim cương (mm)

Kt- Số kim cương ở bề mặt phá huỷ phía dưới của choòng Khi bắt đầu khoan bằng choòng mới, tải trọng không được vượt quá 0,5 -1 tấn

Đối với đất đá nứt nẻ, tải trọng nên giảm 50% so với gá trị tính toán

6.5.1.3 Xác đinh số vòng quay của choòng

Vận tốc quay của choòng kim cương có thể xác định qua biểu thức

n = 60 d  Dc (v/ph)

Trong đó: Dc- đường kính của choòng kim cương (m)

d - vận tốc dài giới hạn của choòng d= 3  5 m/s

6.5.2 Thiết kế chế độ khoan Tuôc Bin

6.5.2.1 Xác định lưu lượng trong khoan tuốc bin

ở đầu đoạn khoan thiết kế chúng ta có thể tính toán lưu lượng lớn nhất cho phép Qmax

Qmax=

b (Ap+ A + B L ) l/s

Đồng thời chúng ta cũng tính một lưu lượng tối thiểu Qmin đảm bảo rửa sạch đáy lỗ khoan và nâng hạt mùn khoan lên mặt đất

Qmin= 0,785 103(Dc2 - D2) vmin= 4 (Dc2 - D2) vmin Lưu lượng chúng ta chọn sẽ nằm trong khoảng:

Qmin< Q< Q max

Để chọn Q chúng ta phải dựa vào đặc tính kỹ thuật của cả bơm dung dịch nữa Khi chọn được Q chúng ta tính toán chiều sâu cho phép khoan với lưu lượng đã chọn theo công thức

Lcf = 75 Nb- (Ap+ A)  Q

3 .B Q3 Nếu như chiều sâu cho phép mà chúng ta tính được bé hơn chiều sâu thiết kế thì kết hợp với đặc tính của máy bơm chúng ta chọn một lưu lượng bé hơn lưu lượng trước nhưng vẫn nằm trong khoản Qmin và Qmax Đồng thời tính

Lcf với lưu lượng sau đã chọn, và cứ thế cho đến hết chiều sâu

N Công suất truyền của bơm (mã lực)

b Hiệu suất của bơm

A Hệ số tổn thất áp suất không phụ thuộc vào chiều dài cần khoan