Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 8 pdf

Van ngược: Dùng để giảm bớt trọng lượng trên móc nâng khi thả ống, đẩy dung dịch bẩn bên ngoài ống chống lên trên mặt, không cho dung dịch xi măng chảy ngược vào bên trong ống chống..

Đối với ống cỡ từ 412 ’’ đến 758 ” bước ren 5 vòng ren/in, độ côn 1

96

Đối với ống cỡ 103

4 ở mối nối có 2 mặt tiếp xúc căng A và B đảm bảo mối nối

có độ kín tuyệt đối

Ưu điểm của kiểu ống “Extremline”: Kín tuyệt đối, hiệu quả mối nối rất cao (92100%) Thi công rễ dàng vì đường kính mối nối ít thay đổi so với thân ống

4.1.3.2 Cấu trúc phần dưới của cột ống chống :

Để chống ống dễ dàng và trám xi măng đạt chất lượng cao thì phần dưới cột ống chống phải được cấu tạo đặc biệt Chúng gồm có các bộ phận:

Để ống chống, van ngược, vòng dừng, định tâm, chổi quét màng voẻ sét

1 Đế ống chống :

Đế ống chống được tạo thành bởi 3 chi tiết lắp nối vào nhau, đó là:

a/ Đầu định hướng(1)

Làm nhiệm vụ dẫn hướng cho cột ống chống đi xuống, không cho ống cắt đất đá trên thành lỗ khoan Đầu định hướng được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau (gang đúc, xi măng đúc, gỗ) (xem hình vẽ 8)

Hiện nay đầu định hướng bằng gang đúc được sử dụng nhiều nhất

3

2

1

1

1

b/ Chân đế: (2)

Là ống thép dày: 1519mm, dài 300600mm Đầu dưới tiện ren để vặn vào đầu định hướng bằng gang hay bê tông đúc: hoặc để trơn khi dùng đầu

định hướng bằng gỗ Đầu trên có ren trong để nối với phần dưới của ống chân

đế Chân đế chịu toàn bộ tải trọng tác động lên phần dưới của ống chống Là khâu nối giưã đầu định hướng và ống chân đế

c/ ống chân đế:(3)

Là đoạn ống thép thành dày dài: 1,52m, tiện ren 2 đầu Đầu dưới nối với chân đế, đầu trên nối với ống chống Sau khi lắp phải hàn lại để tránh tự tháo Trên ống chân đé có khoan các lỗ thoát để lưu thông dung dịch và dung dịch xi măng trám đề phòng đầu định hướng bị tắc khi đáy giếng khoan nhiều mùn Kích thước tiết diện ngang của các lỗ thoát bằng diện tích tiết diện của các ống dẫn dung dịch xi măng đến đầu bơm trám

2 Van ngược:

Dùng để giảm bớt trọng lượng trên móc nâng khi thả ống, đẩy dung dịch bẩn bên ngoài ống chống lên trên mặt, không cho dung dịch xi măng chảy ngược vào bên trong ống chống Van ngược được lắp ở phía trên đế ống chống Có nhiều loại van ngược; dạng đĩa, dạng bi Hiện nay dạng van đĩa

được sử dụng nhiều nhất (xem hình vẽ 9)

1 - đế van

2 - đĩa van

3 - thanh đẩy

4 - lò xo

5 - êcu hãm

Các lỗ khoan xuất hiện khí thì dù thả ống chống đến độ sâu nào cũng nhất thiết phải lắp van ngược để tránh hiện tượng phun trong quá trình chống ống cũng như trám xi măng

2

4

5

Vì lắp van ngược nên bên trong không có nước rửa Bởi vậy cứ thả khoảng 100200m thì nên đổ nước rửa vào bên trong ống chống nhằm tránh

áp lực bên ngoài có để đạt tới giá trị làm bóp méo ống hoặc hỏng van ngược

3 Vòng dừng:

Là một vòng bằng ngang, dày 1520mm, được lắp trong mupfta của ống chống cách đáy một khoảng h = 2030m Công dụng của vòng dừng là giữ lại các mút trám xi măng phục vụ cho công tác bơm trám

Vòng dừng được lắp đặt ở độ cao như vậy là để ngăn lại lượng dung dịch xi măng cuối cùng (có lẫn bùn sét) không bị ép ra ngoài ống chống

4 Vòng định tâm ống chống:

Công dụng là để định tâm cột ống chống không cho cột ống tựa vào thành lỗ khoan, tạo cho vành đá xi măng trám đồng đều xung quanh cột ống chống, nhằm nâng cao chất lượng trám xi măng Có nhiều loại định tâm khác nhau (xem hình vẽ 10)

Loại có bản thép thẳng đứng (a), loại có bản thép uốn khúc b, loại có bản thép uốn cong(c)

5 Chổi quét màng vỏ sét

Công dụng: Cao sạch lớp vỏ sét bám trên thành lỗ khoan khi thả ống chống nhằm tạo rự dính kết tốt giữa xi măng trám với đất đá thành lỗ khoan

Cấu tạo của chổi quét màng vỏ sét gồm 2 dạng chính, loại thẳng đứng (a), loại nằm ngang (b), xem hình 11

Loại thẳng đứng làm việc bằng cách quay cột ống chống khi thả

Loại nằm ngang làm việc bằng cách dạo lên dạo xuống cột ống chống Ngoài ra còn lại chổi quét kết hợp với vòng định tâm mang lại hiệu quả cao nhất hiện nay

Hình : Chổi quét màng sét

a Loại thẳng đứng b Loại nằm ngang

4.1.3.3 Đầu ống chống

a/ Công dụng:

Là thiết bị bề mặt được lắp ở phần trên cùng của cột ống chống nhằm treo các cột ống và làm kín các khoảng không vành xuyến giữa chúng và kiểm tra áp suất tại các khoảng vành xuyến tương ứng

b/ Cấu tạo và lắp ráp:

5

4

6

3

1

2

Hình 5.6 Đầu ống chống

1 Mặt bích đơn 2 ống dẫn hướng 3 Mặt bích

kép 4 Chấu chèn 5 Đệm cao su 6 ống dẫn

Việc lắp ráp đầu ống chống

được tiến hành theo từng bước Sau khi khoan và chống, trám xi măng xong ống dẫn hướng (2), chúng được treo trên mặt bích đơn (1) bằng ren hoặc bằng hàn

Trên mặt bích đơn (1) sẽ làm

bệ để lắp đối áp để khoan tiếp khoảng sau đó Sau khi đã khoan xong cột ống trung gian tiến hành theo thiết bị

đối áp

Tiến hành chống ống và trám xi măng cột ống trung gian (6) Sau khi trám xi măng cột ống (6) thì trên mặt bích đơn (1) ta lắp mặt bích kép (3) để treo cột ống trung gian (6) Bên trong của mặt bích kép có dạng êm để lắp chấu chèn (4) xiết chặt và giữ ống trung gian và bịt kín nhờ vòng đệm cao su (5) Lỗ thoát (7) thông ra áp kế cho phép kiểm tra áp suất giữa 2 cột ống (2) và (6) Cứ như vậy cho đến cột ống chống củaối cùng.(xem hình vẽ 12)

Người ta đã chế tạo ra những đầu ống chống chịu được những áp suất tương ứng

4.1.4 Tính toán ứng lực tới hạn của ống chống

4.1.4.1 Tính toán độ bền kéo của ống chống

Nói chung đối với ống chống thì độ bền kéo ở mối nối bao giờ cũng thấp hơn ở thân ống, đặc biệt ở đầu nối ren Do vậy trên thực tế người ta chỉ tính ứng lực kéo tới hạn làm đứt hoặc làm tuột mối nối ren

Các ống theo quy chuẩn của Nga (GOCT) thì ứng lực làm đứt hoặc tuột mối nối ren được tính theo công thức sau:

Pđ =  Dtb b C

1 + D2ltb cotg  + 

Trong đó:

Dtb - Đường kính trung bình của ống đo ở vòng ren thứ 5

b- Bề dày của ống đo ở chân của vòng ren đầu tiên nằm trong đoạn ăn khớp (b =  - h - 0,05cm)

 - bề dày của thành ống chỗ không tiện ren

h - Chiều cao của ren

l - Chiều dài làm việc của ren

 - Góc tạo thành giữa cạnh của ren và trục của ống  = 62,50

 - Góc ma sát giữa kim loại và kim loại ,  = 180

C - Giới hạn chảy của thép làm ống

+ Hệ số an toàn khi kéo (n1) là tỷ số giữa ứng lực làm đứt mối nối và trọng lượng toàn bộ cột ống chống

n1 = P Qđ (trong đó Pđ tra bảng)

- Các ống chống theo qui chuẩn API có n1 = 1,75

- Các ống chống theo qui chuẩn của Nga GOCT như sau:

D < 219mm n1 = 1,15 cho tới độ sâu L  3500m

n1 = 1,30 cho tới độ sâu L >3500m

D  219mm n1 = 1,25 cho tới độ sâu L 2000m

n1 = 1,41,5 cho tới độ sâu L >2000m

4.1.4.2 Tính toán ứng lực tới hạn bóp méo ống chống

Đối với các loại ống được chế tạo theo GOCT ứng lực bên ngoài tới hạn bóp méo ống chống được tính theo công thức sau đây: (Pbm)

Pbm = 1,1kminC + Ek02(1 + 4f3e3kmin )-

[C +Ek02 1 + 3e

43kmin]

2

- 4Ek02 C (Sarkisov) Trong đó : C - Giới hạn chảy của thép ống, KG/cm2

 - Bề dày của thành ống chống, cm

D - đường kính định mức của ống chống, cm

K0= D0 ; kmin =  Dmin ;  = 0

min ; min = 0,875

0 = 0,0903

E - modul đàn hồi của thép = 2,06 106 KG/cm2

e - Độ ôvan của ống; Với ống 114 146 mm lấy e = 0,025 với ống lớn hơn lấy e = 0,02

+ Hệ số an toàn đối với áp suất bên ngoài làm bóp méo ống chống được

ký hiệu là n2 và xác định bằng công thức sau:

n2= P Pbm

dn

 1,3 1,5 Trong đó: Pbm - áp suất tới hạn bóp méo ống.(tra bảng)

Pdn - áp suất dư bên ngoài ống

4.1.4.3 Tính toán ứng lực tới hạn bên trong làm nổ ống

áp suất tới hạn bên trong làm nổ ống được xác định bằng công thức của Barlov sau đây: (PT)

PT = 2e D min , KG/cm2 (Barlov) ống sản xuất theo qui chuẩn GOCT

+ Hệ số an toàn đối với áp suất bên trong làm nổ ống được gọi là n3 và

được tính như sau:

n3 = PPT

đt  1,3 1,5 trong đó Pt (tra bảng)

Pdt - áp suất dư trong

Đương nhiên điều kiện làm việc phức tạp thì lấy hệ số dự trữ bền cao hơn ở điều kiện ít phức tạp

4.1.5 Tính toán bền cột ống chống

Tính bền cột ống chống có nghĩa là tính chiều dài từng đoạn ống, bề dày thành ống, mác thép, đảm bảo độ bền của ống chống trong suốt qua trình làm việc của giếng khoan Đồng thời đảm bảo giá thành hạ nhất với sự tiêu hao vật liệu thép ống tối thiểu

4.1.5.1 Phương pháp tính toán bền cột ống chống trung gian

Phương pháp tính toán cột ống trung gian phụ thuộc vào: mục đích,

điều kiện và chiều sâu thả ống

Thông thường cột ống trung gian được tính toán dựa vào tải trọng kéo cho phép Tính áp suất bên ngoài gây bóp méo ống trung gian chỉ được áp dụng trong trường hợp giếng khoan gặp những vùng mất nước Hay sau khi chống ống tiếp tục khoan bằng dung dịch có tỷ trọng nhỏ hơn dung dịch khoan trước đó (ngoài ống chống )

Trong tính toán ta xem rằng lực kéo căng đạt giá trị cực đại trong quá trình trám xi măng cột ống chống Lực kéo căng sinh ra do trọng lượng bản thân của cột ống ở trạng thái treo và lực phụ sinh ra trong thời điểm kết thúc bơm trám (nút xi măng trên tỳ lên nút dưới tại vòng dừng)

Tại một điểm nào đó ở chiều sâu Z của ống, lực kéo căng có giá trị QZ:

QZ = Q + Qph Trong đó: Q - Lực kéo căng do trọng lượng bản thân cột ống

Qph- Tải trọng phụ sinh ra trong giai đoạn cuối của quá

trình bơm trám

Qph = (Pth + Pd) d

2 tv

4 Trong đó: Pth - Tổn thất áp suất do tuần hoàn dung dịch

Pd - áp suất dư sinh ra khi nút trám trên tỳ lên nút trám dưới tại vòng dừng

dtV - Đường kính trong của ống chống tại chỗ đặt vòng dừng

Pth = 0,02H + 16, at; H - chiều sâu của ống chống,m

Pd = 1520, at

Để cho cột ống chống đảm bảo bền thì QZ  Qcf = nPđ

1

Qcf - Là tải trọng kéo cho phép của ống chống

Pđ - Tải trọng tới hạn làm đứt ống chống

ứng suất kéo có giá trị nhỏ nhất ở phần dưới cùng của cột ống và tăng dần theo chiều dài và đạt tới giá trị cực đại ở phần trên cùng Do vậy nếu như cột ống chống được tạo thành bằng một loại mác thép thì độ dày của thành ống chống bao giờ cũng phải tăng dần từ dưới lên trên Nếu như mác thép khác nhau thì chất lượng thép phải tăng dần từ dưới lên trên

Sơ đồ phân bố ứng suất kéo của cột ống được minh hoạ bằng hình vẽ dưới (hình 13)

Do vậy việc tính toán cột ống chống được

bắt đầu từ dưới lên trên Đối với cột ống này

(trung gian) sau khi chống xong vẫn tiếp tục công

tác khoan tiếp theo cho nên cột cần khoan sẽ quay

trong cột ống này Để tránh hiện tượng tháo ren và

mài mòn, ta lắp ở phần dưới cùng của cột ống một

L

 k

O

đoạn khoảng 50100m có bề dày thành ống lớn nhất (la) Trọng lượng đoạn ống có chiều dài la sẽ là Qa :

Qa = la qa

qa- Là trọng lượng 1 mét của đoạn ống

Đoạn ống chống được lắp tiếp theo (l1) sẽ có bề dày thành nhỏ nhất

Chiều dài l1 sẽ giới hạn bởi độ bền của nó Ta có thể viết

l1 q1+ la qa + Qph  Qi

cf = nPđ

1 , Suy ra : l1= Q

I

cf - Qa - Qph

q1 ,m Trong đó: q1 - Là trọng lượng 1 mét của đoạn ống l1

Cứ như vậy ta tính được chiều dài đoạn ống tiếp theo ở phía trên là

l2như sau:

l2= Q

II

cf - Qph + QI + Qa

ln = Q

n

cf - Qcfn-1

qn ,m Khi nào tính được tổng chiều dài các đoạn ống từ la + l1 + l2 + bằng chiều dài của cột ống chống theo thiết kế thì kết thúc tại đó ta cũng có thể biểu diễn trắc diện mặt cắt của cột ống chống bằng hình vẽ sau (hình 14)

ln

L

l2

l1

la

Hình Trắc diện cột ống

theo tải trọng kéo

Sau khi tính và chọn được ống chống theo tải trọng kéo cho phép chúng ta tiến hành kiểm tra độ bền của ống đối với áp suất dư ngoài và dư trong

- Nếu sau khi thả ống trung gian, tiếp tục khoan với dung dịch nặng hơn dung dịch đã khoan thì áp suất bên trong thực tế sẽ tính như sau:

Pdt = na10 - nh Hx, KG/cm2

na, nh - dung dịch nặng (bên trong), dung dịch nhẹ (bên ngoài)

Hx - Khoảng cách từ miệng ống đến đoạn kiểm tra (tức là đoạn có bề dày thành bé nhất)

- Kiểm tra hệ số dữ liệu bền với áp suất dư trong: n3= PPT

dt

PT - áp suất tới hạn bên trong của ống (tra bảng)

Pdt - áp suất dư trong

- Chúng ta cũng cần phải tính áp suất cực đại xuất hiện tại thời điểm cuối của quá trình bơm trám

Px = 0,1 (Hx - h)( dx - d) + (0,02H + 16) Trong đó : Hx,h - Chiều cao trám và chiều cao cộc xi măng

dx,d- trọng lượng riêng dung dịch xi măng trám và dung dịch khoan lúc này hệ số dự trữ bền n3 = PPT

x

- Chiều cao cho phép hạ mực chất lỏng ở bên trong ống được xác định (H0)

H0= 10Pbm

d.n2

- Nếu trong thời gian mở vỉa chúng ta khoan với dung dịch có trọng lượng riêng nhỏ hơn dung dịch ngoài ống chống thì phải kiểm tra độ bền vơi

áp suất bên ngoài ở đoạn ống có bề dày thành bé nhất

áp suất bên ngoài Pn được tính như sau:

Pn = Hx(10na-nh)

Hệ số dự trữ bền bóp méo ống n2= PPbm

n

4.1.5.2 Phương pháp tính toán cột ống chống khai thác

Trong thời gian thả ống cũng như trong suốt quá trình làm việc, ống chống khai thác chịu những ứng lực chủ yếu sau đây:

- Lực kéo do trọng lượng bản thân cột ống và tải trọng phụ

- áp lực ngoài ống do cột thuỷ tĩnh ngoài cột ống

- áp lực bên trong

áp lực bên ngoài đạt cực đại trong trường hợp bên trong ống chống hoàn toàn không có dung dịch

Có nhiều phương pháp tính toán cột ống chống khai thác, sau đây chúng ta đề cập tới một vài phương pháp

1 Tính toán cột ống chống khai thác theo ứng suất bóp méo và kiểm tra theo ứng lực kéo tới hạn của ống:

Chúng ta tính toán cột ống chống khai thác dựa theo áp lực bên ngoài bóp méo ống chống, lực kéo căng và áp suất bên trong

Để tính toán chúng ta cần biết: Đường kính ống: D; chiều dài : l trọng lượng riêng dung dịch: d; trọng lượng riêng của dầu mỏ: dm; Chiều cao hạ thấp của mực chất lỏng bên trong ống: H0; Chúng ta lưu ý rằng, trong khi tính toán thì xem như chiều cao của cột dung dịch bên ngoài ống chống luôn luôn đầy, còn bên trong ống chỉ có từng phần hoặc hoàn toàn không có Chiều cao H0 do phía địa chất xác định Chúng ta cũng có thể lấy Ho = 2/3 H nhưng không nhỏ hơn 2000m Đối với những giếng khai thác khí hay giếng dầu có áp suất của vỉa thấp, chúng ta lấy Ho= H

- Để tính toán theo phương pháp này chúng ta tiến hành tính từ trên xuống dưới Ban đầu tính theo áp suất bóp méo sau đó tiến hành kiểm tra lại theo lực kéo căng tới hạn Chúng ta biết rằng áp suất ngoài có giá trị lớn nhât

ở phần dưới cùng và giảm dần tới miệng Do vậy phần trên ta tính với đoạn ống có bề dày thành nhỏ nhất và tăng dần cho tới đáy Chúng ta ký hiệu : i,ii, iii n là các đoạn ống có bề dày tăng dần từ trên bề mặt xuống đáy giếng khoan rồi xác định ứng lực tới hạn bóp méo ống theo công thức của Sarkisov Giả sử các ứng lực đó ký hiệu là : PIbm, PIIbm,PIIIbm Pnbm tương ứng với bề bày thành ống là :i, ii, iii n Thì trong bất kỳ trường hợp nào ống chống cũng phải thoả mạn điều kiện : Hth(z)H cf(z); Hth(z) ,Hcf(z) : Chiều sầu thực tế và chiều sâu cho phép thả cột ống khai thác Chiều sâu cho phép thả cột ống

được tính bằng công thức tổng quát sau: