Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 6 ppt

 2 q - 12 Cột cần khoan có thể xem như một thanh dầm có đường kính không thay đổi theo suốt chiều dài của chúng.. n kđ Thông thường phần dưới của cột cần khoan chịu những ứng suất t

l =  

2.g.F + 4 g2 G2+4 2 g q 2 EI

2 q 2 - (11) Nếu chúng ta thay các giá trị: 2  10 ; G = q z ; g = 1000cm/S2

và E = 2.106KG/cm2 ta sẽ có biểu thức tính chiều dài nửa nước sóng như sau:

l = 10

 05z + 025z

2 + 02 I 

2

q - (12) Cột cần khoan có thể xem như một thanh dầm có đường kính không thay đổi theo suốt chiều dài của chúng Đầu nối có ảnh hưởng tới dạng uốn của dầm trong thời gian quay Do khối lượng cua nó lớn, các đầu nối đặc biệt

sẽ chiếm các điểm có độ võng cực đại Do vậy chiều dài của nửa bước sóng l tính bằng biểu thức (12) lớn hơn hoặc bằng chiều dài của một đoạn cần khoan thì lấy chiều dài của một đoạn cần Nếu l < lc thì lấy giá trị l theo tính toán

3.4 Kiểm toán cột cần khoan

Khi khoan và khi kéo thả cột cần khoan chịu tải trọng tĩnh lẫn tải trọng

động Để kiểm toán bền cột cần phải tính toán ứng suất tổng hợp tại các tiết diện nguy hiểm của cột cần ứng suất tổng hợp này không được phép vượt quá ứng suất cho phép của cột cần Khi kiểm toán cần khoan kiểu mới người ta kiểm toán bộ bền tĩnh, nghiên cứu hiện tượng mỏi Các phương pháp kiểm toán độ bền trong khoan rôto và khoan tuabin cũng khác nhau

3.4.1 Kiểm toán bền cột cần khoan trong

khoan roto:

Trong khoan roto chúng ta sẽ tiến hành

kiểm toán cột cần tại 2 tiết diện nguy hiểm trong

trường họp có cần nặng Khi không có cần nặng

tại 3 tiết diện ( hình vẽ a,b):

Các bước kiểm toán được tiến hành như sau:

1 1 1 1

2 2 2 2 Cần nặng

3 3 a) b)

a, Xác định chiều dài cần nặng:

lcn = c Gc

qcn (1 - d

 ) , m

Trong đó: (c = 1,25 ) - Là hệ số kể đến sự tăng chiều dài cần nặng trên tải trọng đáy

Gc - Tải trọng đáy ( KG)

qcn - Trọng lượng 1m cần nặng (kg/m)

b Kiểm tra độ bền tĩnh phần trên cột cần khoan (tại tiết diện 1 - 1)

Hệ số an toàn ở tiết diện trên cùng được xác định bằng công thức:

k = c



 1,4

c - giới hạn chảy của thép cần khoan KG/cm2

 - ứng suất tổng cộng tại tiết diện trên cùng

 = k2 + 4 2

K =

[ (L - lcn) q + lcn qcn + G] ( 1 - d

)

2

 = M Wx

x

Mx - mômen xoắn

Wx - Modul chống xoắn

Mômen xoắn lớn nhất Mx = 71620 Nn k đ

ở đây: kđ- hệ số động

N- Công suất quay cột cần phục vụ choòng phá đá

N = Nkt + Nc

Nkt= C d D2.L n 1.7,kw ( Công suất quay cột cần khôn tải)

Nc= 46,4 10 -4.k Gc.Dcn, kw( Công suất tiêu thụ cho choòng phá đá)

ở đây: C hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng( xem bảng 1 dưới đây)

Bảng hệ số phụ thuộc vào độ công của giếng khoan

Bảng 5

3 3 5 69 1016 1825 2635

18,8.10-5 (22,6 28,8).10-5 (30,8 34,3).10-5 (35,2 40,3).10-5 (41,5 46,6).10-5 (47,5 52,2).10-5

D - Đường kính ngoài cần khoan, m

L - Chiều dài cần khoan, m

K - Hệ số phụ thuộc vào độ mòn của choòng

Nếu choòng mới K = 0,1 Nếu choòng đã mòn K = 0,2  0,3

Gc - Tải trọng đáy (T)

Dc - Đường kính choòng

Wx - Modul chống xoắn, Wx =  (D

4 - d4) 16.D Chúng ta có thể tính  theo công thức sau:

 = 71620 Nkt + Nc

Wx n kđ Thông thường phần dưới của cột cần khoan chịu những ứng suất tĩnh nhỏ dần, do đó chúng ta có thể lắp ở phần dưới một khoảng chiều dài nào đó loại cần có chất lượng thấp hơn Hệ số dự trữ bền phần dưới được tính bằng công thức sau đây:











 [(l1 - lcn) q1 + lcn qcn] ( 1 - d

 ) F

2 + 42

 1,4

Trong đó:

q1, l1 - là trọng lượng một mét cần và chiều dài của đoạn cần phía dưới

Độ dài l1 chúng ta phải ước chừng, nếu như đoạn l1 được chọn mà tính toán có k<1,4 thì cần phải rút ngắn bớt chiều dài lại, nếu k>>1,4 thì lại tăng chiều dài lên Nếu cột cần được lắp ráp bằng 2 đoạn cần có đường kính khác nhau thì phần dưới chúng ta cũng kiểm tra độ bền như công thức trên

Để tính toán hệ số bền (an toàn) cho tiết diện trên cùng, chúng ta dùng công thức sau đây:











 [(l1 - lcn) q1 + lcn qcn+l2q2] ( 1 - d

 ) F

2 + 42

 4

c Kiểm tra độ bền phần dưới của cột cần khoan:

Hệ số dự trữ phần dưới của cột cần khoan được tính theo công thức sau:

k = c   1,4

 - ứng suất tổng cộng xuất hiện ở phần dưới cùng của cột cần khoan

 = (n + u)2 .42

Trong trường hợp lắp cần nặng (tiết diện 2 - 2), n = 0

ứng suất tổng sẽ là:  = n2 + 42

ứng suất uốn được tính theo công thức: u = 2000 f I

l2 Wu ,

Trong đó: f = 11 D 2c - Dg

I =  ( D4

2 - d4)

64

Wu =  ( D

4 - d4) 32D

l - Chiều dài nửa bước sóng được tính theo công thức của Sarkisov:

l = 10  05z + 025z +

02 I 2

q* , m

z - khoảng cách từ tiết diện trung hoà đến tiết diện kiểm tra, m

q* - trọng lượng 1 cm cần khoan

Nếu phần dưới cột cần có lắp cần nặng thì z = 0, nên l sẽ được tính như sau:

l = 10



4

02 I 2

q , m

 - vận tốc góc rad/300   = n 30 Giá trị ứng suất tiếp  ở tiết diện dưới (3-3) không có cần nặng được tính như sau:

 = 71620 n W Nc

x

kđ Trường hợp có cần nặng được tính là:

 = 71620 Nc + Ncn

n Wx kđ

Ncn - công suất quay cần nặng không tải

3.4.2 Kiểm toán cột cần trong khoan tuabin:

Tính toán cột cần trong khoan tuabin xuất phát từ việc xác định chiều dài cho phép của cột cần khoan có tính đến trọng lượng của tuabin, cần nặng

và áp lực của nước rửa

lcn = C Gc

qcn (1 - d

 ) , m

Xuất phát từ công thức:

Qcf = [ (l - lcn) q + lcn qcn + QT] (1 - d

 ) + P0 F0 , ta có:

- Chiều dài cho phép của đoạn cần khoan dưới cùng (l1 ) như sau:

l1 =

Qcf1 - (lcn.qcn + QT) ( 1 - d

 ) - P0.F0

q1 ( 1 - d

 )

+ lcn , m

Qcf1 - Tải trọng kéo cho phép của đoạn cần khoan tương ứng, được tính bằng công thức:

Qcf1 = c n F1

Trong đó: P0 - Tổn thất áp suất bên trong cột cần, tuabin và choòng

F0 - Diện tích tiết diện lỗ thoát nước của cần ( F0 = d

2

4 )

F1 - Diện tích tiết diện ngang cần khoan (chỗ cắt ren)

n - Hệ số an toàn của cần khoan

ở điều kiện khoan bình thường lấy n  1,3

ở điều kiện khoan phức tạp lấy n  1,4

QT - Trọng lượng của tuabin

- Nếu cột cần khoan gồm nhiều đoạn có bề dày hoặc mác thép khác nhau, thì chiều dài đoạn liền kề phía trên (l2) được tính bằng công thức sau:

l2 = Qcf

2 - Qcf1 - P0 Fk'

q2 ( 1 - d

 ) , m

l3 = Qcf

3 - Qcf2- Qcf_ p0.Fk"

q3 ( 1 - d

 )

, m

Như vậy: F’

k ,Fk” – hiệu giữa hai tiết diện trên và dưới của các đoạn cần Chiều dài tổng cộng: L = l1 + l2 + l3 , m

3.5 Sử dụng cần khoan

3.5.1 Đề phòng sự mài mòn cần khoan

Trong quá trình làm việc, cột cần khoan bị mài mòn do chúng tiếp xúc với thành lỗ khoan hay cột ống chống Các vùng sinh ra ma sát nhiều nhất là:

- Cần nặng, do độ hở giữa cần nặng và thành lỗ khoan nhỏ

- Cần khoan nằm trong phần của lỗ khoan cong

- Các đoạn cần khoan có độ võng cực đại

- Vùng đầu nối da mốc, nhất là da mốc cái

Để tránh sự mài mòn nhanh chóng ở đầu nối da mốc, người ta có thể hàn bên ngoài đầu nối da mốc bằng lớp hợp kim cứng dưới dạng vành nhẫn với nhiều kiểu khác nhau (xem hình dưới)

= Phủ hợp kim cứng bên ngoài đầu nối theo các dạng khac nhau =

Chú thích: a - Phủ 1 lớp 1 - đầu nối

b - Phủ 2 lớp 2 - Lớp vật liệu cứng (hợp kim cứng)

c - Các vòng nhẫn 3 - Lớp thép cứng

4 - Vòng nhẫn hợp kim cứng

+ Trong khoan roto để giảm sự mài mòn cho cần khoan, cần thiết phải lắp các vòng bảo vệ được chế tạo bằng cao su chống mòn Các vòng này được lắp vào cần khoan bên cạnh da mốc bằng một thiết bị chuyên dụng Vì có

đường kính lớn hơn đường kính da mốc, vòng bảo vệ cao su này có tác dụng như gối đệm ngăn không cho da mốc cọ xát vào thành lỗ khoan hoặc ống chống

3.5.2 Đề phòng đứt cần khoan

Đứt cần là một sự cố khá phổ biến gây nhiều khó khăn trong quá trình thi công Loại cần khoan được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là loại được chồn dày bên trong và lắp với da mốc có lỗ mở bình thường hay mở rộng (3H; 3)

Hiện tượng đứt cần khoan xảy ra nhiều nhất khoảng (6070%) tại vòng ren đầu tiên không ăn khớp ở đầu cần Bởi vì tại đây có sự tập trung ứng suất,

đặc biệt là ứng suất động dẫn đến gẫy cần Hiện tượng đứt cần thường xảy ra ở nửa đoạn dưới của cột cần Nguyên nhân chủ yếu là do thành phần ứng suất thay đổi do lực ly tâm gây ra

Vì vậy để tránh cho hiện tượng gẫy cần ta phải có các biện pháp đề phòng sau đây:

- Tăng độ bền mỏi của thép cần khoan

- Gia công nhiệt luyện 2 đầu ren để tăng cơ tính đầu nối

- Sử dụng các loại cần hàn vừa bền lại vừa kín

- Dùng cần có đầu nối không tháo lắp theo phương pháp hàn hoặc ép + Phương pháp hàn:

1- Mối hàn 2- Cần khoan 3- Da mốc

Sau khi lắp đầu nối vào cần khoan, người ta hàn liền mép đầu nối với cần nhiều lớp liên tục để tăng độ bền cho đầu nối (Đây là kỹ thuật khó vì thép cần khác tính chất của thép hàn)

+ Phương pháp ép

Tạo nên mặt tiếp xúc căng, có độ dôi ở giữa đầu nối và phần hình trụ ở thân cần Có thể ép trực tiếp hoặc thông qua một vòng phụ

- Phương pháp ép trực tiếp

Trong phương pháp ép trực tiếp, người ta chế tạo đầu nối có đường kính trong ở phần không cắt ren nhỏ hơn đường kính ngoài của cần Khi lắp là lắp nóng, khi nguội mặt tiếp xúc sẽ có độ căng nhất định (hình vẽ dưới)

- Phương pháp ép thông qua một vòng phụ:

Trước khi lắp đầu nối người ta lắp vào thân cần một vòng ép từ vật liệu

đầu nối ở vị trí sao cho khi lắp vào khoảng cách giữa vòng phụ là 1  2mm Người ta sẽ cuốn sợi axebet vào khoảng này để ngăn cách mối hàn với thân cần khoan Sau đó hàn nối giữa vòng ép (3) và đầu nối (2) qua mối hàn (5) (hình vẽ b)

- Các phương pháp ép đầu nối vào cần khoan

a - Phương pháp ép trực tiếp

b - Phương pháp ép thông qua một vòng phụ

1 - Cần khoan

2 - Đầu nối da mốc

3 - Vòng ép phụ

5 - Lớp hàn

4 - Lớp axbet

Phần không tiện ren ở đầu nối

1

2

4

5

3.5.3 Chuẩn bị cần khoan:

Trước khi vận chuyển đến khoan trường cần khoan phải được kiểm tra sơ bộ ở kho cần ống, đặc biệt lưu ý ở đầu ren nối đầu tiên bằng mắt thường sau đó bằng Calip Ren không nứt đảm bảo liền và kín

Da mốc được lắp vào đầu cần tại xưởng Trước khi lắp phải chải thật sạch đầu ren, bôi trơn và xếp thành từng bộ Lắp da mốc ở trạng thái nguội hoặc nóng  có 3 phương pháp lắp:

- Lắp bằng tời khoan

- Lắp bằng máy chuyên dụng

- Lắp bằng tay (da mốc được đốt nóng)

Hai phương pháp đầu lắp ở trạng thái nguội, lắp bằng tời có nhiều nhược điểm là quá trình vặn không được liên tục, mô men vặn tuỳ tiện Nếu da mốc không được vặn chặt thì trong quá trình khoan da mốc lại bị vặn thêm vào Hiện tượng vặn thêm dưới tác dụng của tải trọng chiều trục và mômen uốn làm cho ren dễ bị hỏng Vì vậy việc lắp da mốc vào cần ở lỗ khoan cần hết sức hạn chế

Lắp da mốc ở trạng thái nóng là phương pháp tốt nhất Quá trình lắp như sau:

Các da mốc và cần ở trạng thái nguội không bôi trơn và vặn chết bằng tay Sau đó đánh dấu mặt đầu của da mốc lên cần khoan Dựa vào vạch dấu này mà vặn da mốc ở trạng thái nóng Tháo da mốc cho vào lò nung nóng ở nhiệt độ khoảng 4000C Trước khi vặn da mốc phải bôi trơn ren cần khoan Vặn da mốc cho đến khi mặt đầu của nó trùng với vạch đã đánh dấu trên cần Lưu ý không được vặn quá để tránh rạn nứt Việc lắp da mốc ở trạng thái nóng bảo đảm mối nối chắc chắn và kín

3.5.4 Sử dụng cần khoan

Cần khoan mới lắp được xếp thành từng bộ Cho đến khi hết giá trị sử dụng chúng vãn nằm trong bộ ấy Trong mỗi bộ đều giống nhau về đường kính , chiều dài, bề dày và mác thép để nhằm tăng hiệu quả sử dụng và để loại

bỏ đồng đều Chiều dài của một bộ thường là : 250m

Tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng cần khoan là:

+ Độ mòn của cần khoan (tức là mức độ giảm đường kính và trọng lượng) + Thời gian làm việc của cần (số giờ khoan)

Tuỳ theo độ mòn của cần người ta chia ra làm 3 loại:

- Cần loại I - để khoan những giếng khoan sâu hay phức tạp

- Cần loại II- để khoan những giếng có độ sâu trung bình

- Cần loại III - để khoan những giếng có độ sâu nhỏ

Khi lắp cần dựng chú ý cho chiều dài phải bằng nhau, không để đầu ren

va đập vào bàn roto hay các vật kim loại khác trên sàn làm việc

Khi khoan tua bin phải vặn chặt các đầu ren để tránh tự tháo do mô men phản của tuabin

Để phòng sự cong của cần chủ đạo khi di chuyển từ ngoài tháp vào phải giữ phần giữa thân bằng cáp

Khi thả cần không phanh hãm đột ngột hoặc để elêvatơ đập vào bàn roto nhằm tránh gây ra sự cố đáng tiếc

3.5.5 Sửa chữa cột cần khoan

Sau khi thi công xong một giếng khoan, các bộ cần khoan và cần chủ

đạo được đưa về xưởng để kiểm tra Sau đó phải thử rò để phát hiện các hỏng hóc khác Trong xưởng sửa chữa tiến hành các công việc sau:

+ Nắn thẳng các cần khoan và cần chủ đạo

+ Uốn cong các cần định hướng đặc biệt

+ Phôc håi c¸c bÒ mÆt mµi mßn cña c¸c chi tiÕt

+ Hµn vµo da mèc c¸c vßng nhÉn b»ng hîp kim cøng + Hµn da mèc vµo cÇn

+ Söa ch÷a l¹i ren bÞ h­ háng

+ Phôc håi gê m¾c ªlªvat¬ cña c¸c da mèc

Chương IV Chống ống và trám xi măng

Khi khoan các giếng khoan dầu khí cần thiết phải tiến hành công tác chống ống và trám xi măng Với mục đích:

- Giữ cho thành lỗ khoan không bị sập lở

- Cách ly giữa các vỉa dầu và khí với nhau cũng như cách ly các tầng chứa nước v.v

Điều đó đảm bảo cho dầu khí chảy từ vỉa vào giếng nâng lên miệng không bị hao hụt Người ta cách ly các vỉa bằng một loại ống đặc biệt gọi là ống chống (là loại ống thép có chất lượng cao) Nếu chỉ sử dụng ống chống thì chưa cách ly được vỉa nên người ta phải lấp đầy khoảng không gian ngoài ống chống bằng dung dịch xi măng nhờ có những thiết bị bơm trám đặc biệt Quá trình đó được gọi là quá trình bơm trám xi măng giếng khoan

4.1 Chống ống giếng khoan

Chống ống là công tác gia cố giếng khoan bằng cách đưa vào giếng những cột ống chống được tạo thành bằng những ống kim loại nối với nhau bằng ren hoặc hàn

ở mỗi giếng khoan có thể chống từ 1 đến 2 cột ống, cũng có thể phải chống nhiều hơn, đến 4 hoặc 5 cột ống, tuỳ thuộc vào mục đích, chiều sâu và

điều kiện địa tầng của mỗi giếng

4.1.1 Cấu trúc giếng khoan

Giếng khoan dầu khí được coi như một công trình xây dựng cơ bản, thi công theo một đề án được duyệt Yếu tố xuất phát cơ bản để lập thiết kế kỹ thuật là chọn lựa và xây dựng cấu trúc của giếng khoan

Cấu trúc giếng khoan được tạo thành bởi một số cột ống chống có

đường kính và chiều dài khác nhau thả lồng vào nhau trong lỗ khoan, kết hợp với những cỡ choòng khoan tương ứng dùng để khoan

Vậy cấu trúc của giếng khoan bao gồm:

- Cấu trúc của các cột ống chống (số lượng loại, chiều sâu thả, đường kính)

- Choòng khoan sử dụng (loại choòng, đường kính)

- Khoảng trám xi măng (chiều cao trám kể từ đế ống chống HC

4.1.1.1 Sơ đồ chống ống tổng quát

Trong quá trình khoan hiện đại, chống ống mang một đặc tính không liên tục Khi khoan đến hết chiều sâu nào đó phải ngừng khoan, tiến hành thả ống chống và trám xi măng Sau đó tiếp tục khoan với choòng có đường kính

bé hơn đường kính trong của ống chống thả trước đó và quá trình lại được lặp lại

Sơ đồ chống ống một lỗ khoan bao gồm:

= Sơ đồ ống chống đơn giản=

1 ống định hướng ; 2 ống dẫn hướng ;

3 ống trung gian (hay gọi là ống kỹ thuật) ; 4 ống chống khai thác

1 ống định hướng:

Có tác dụng định hướng ban đầu cho lỗ khoan, ngăn cản sự sập lở của

đất đá và sự ô nhiễm của dung dịch khoan đối với tầng nước trên mặt Tạo kênh dẫn cho dung dịch chảy vào máng Bảo vệ không cho dung dịch xới sập nền khoan và móng thiết bị Đường kính thông thường từ 500 600 mm, nhô cao hơn mặt đất khoảng 1,52m Phương pháp thi công: Được đưa vào giếng khoan qua một cái hố hình chữ nhật sau đó đổ bê tông khoảng không ngoài ống và thành hố đã đào Được thực hiện đối với những ống có chiều sâu nhỏ (46m) Đối với những ống có chiều sâu thả lớn hơn đến 30m thì có thể dùng

2

4

2

4

3