Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 2 pps

Dựa vào vị trí tương đối giữa các trục của chóp xoay người ta có thể phân ra: * Choòng có tác dụng đập thuần tuý: Là choòng có đường sinh của chóp xoay trùng với trục tức thời MN hay đỉn

vậy trong quá trình quay các chóp xoay sẽ có sự dịch chuyển lên xuống và tác dụng va đập từng phần lên đáy Nhờ thế mà chóp xoay tác dụng lên đáy cả tải trọng tĩnh lẫn tải trọng động Tuỳ theo hình dạng của chóp xoay và vị trí tương

đối giữa trục của choòng và trục của chóp xoay mà tác dụng của răng choòng lên đất đá ở đáy là đập thuần tuý hoặc đập cộng với cắt

Trong quá trình quay xung quanh trục của mình và trục của choòng, các chóp xoay thực hiện một chuyển động phức tạp

Hình 6 : Phân tích sự chuyển động của chóp xoay

Khi quay choòng quanh trục OA theo chiều kim đồng hồ với tốc độ OA các chóp xoay sẽ lăn và quay quanh trục OB ngược chiều kim đồng hồ với tốc

độ OB Chuyển động tuyệt đối của chóp xoay (tổng hợp 2 chuyển động trên)

là chuyển động quanh trục tức thời MN với tốc độ MN Trục MN đi qua giao

điểm O (giữa trục choòng và trục chóp xoay) và O1 (là tiếp điểm giữa răng choòng với mặt đáy lỗ khoan) Mọi điểm nằm trên trục quay tức thời đều đứng yên Mọi điểm nằm ngoài trục quay tức thời MN đều chuyển động trên đường tròn bán kính bằng khoảng cách từ điểm đó đến MN Khi chuyển động quay quanh trục quay tức thời, các chóp xoay cắt đất đá Cường độ trượt của choòng

được đánh giá bằng hệ số trượt K (là tỷ số giữa diện tích trượt của choòng và

M

A

B

N

b

b’

a a’

O

OB

1

O1

B

a

OA

diện tích đáy sau 1 vòng quay) Dựa vào vị trí tương đối giữa các trục của chóp xoay người ta có thể phân ra:

* Choòng có tác dụng đập thuần tuý:

Là choòng có đường sinh của chóp xoay trùng với trục tức thời MN hay

đỉnh của côn trùng với tâm lỗ khoan (có hệ số trượt = 0)

Choòng khoan chạy trục:

Chóp có thể đơn côn hoặc đa côn Trường hợp đơn côn nhưng có đỉnh vượt ra ngoài hay hụt vào trong tâm lỗ khoan đều được gọi là choòng chạy trục Loại choòng này ngoài tác dụng đập còn có hiện tượng trượt vuông góc với đường sinh Khoảng chạy trục f càng lớn thì trượt càng nhiều Nếu chóp đa côn, hiện tượng trượt được xem xét cho từng côn riêng rẽ Côn nào có đỉnh nằm ở tâm sẽ không có hiện tượng trượt và ngược lại

* Choòng lệch trục:

Choòng lệch trục là choòng mà trục của chóp xoay và trục của choòng không giao nhau, nhằm tăng cường hệ số trượt K (dọc + ngang)

N

B

A

M

O

Hình 7

O

b,Choòng vượt trục a,Choòng hụt trục

O

Hình 8

Hiện tượng lệch trục được xem là lệch dương (a) nếu lệch về phía chiều quay của choòng Trường hợp ngược lại (b) là lệch âm Như vậy nếu choòng lệch trục lại thêm hiện tượng trượt dọc hướng vào trong (lệch dương) và trượt dọc hướng ra ngoài (lệch âm)

Tóm lại: Dựa vào đặc tính phá huỷ của choòng ta có thể phân ra 3 nhóm: Choòng có tác dụng đập thuần tuý, choòng đập + cắt và choòng có tác dụng đập + cắt + dọc

Khi nghiên cứu sự làm việc của choòng ta cần quan tâm tới các khả năng trượt ngẫu nhiên và trượt cưỡng bức

 Choòng tự làm sạch: Sự cần thiết tăng hệ số trượt và thể tích côn sẽ dẫn đến sự xâm nhập lẫn nhau giữa các chóp Nghĩa là hàng răng của chóp này đi vào rãnh giữa 2 hàng răng của chóp kia ngăn ngừa sự lấp nhét mùn khoan ở các choòng này Hiện tượng đó được gọi là tự làm sạch

 Hệ số phủ (): Là tỷ số giữa tổng chiều dài của các răng của 1 chóp tiếp xúc với đáy lỗ khoan ở một thời điểm nào đó và bán kính của choòng khoan

Với choòng thường dùng có  = 1,2  1,5

Đất đá càng mềm, dẻo thì dùng choòng có hệ số phủ càng lớn và ngược lại + Phương pháp phân loại choòng chóp xoay:

Để đáp ứng với sự đa dạng của điều kiện địa chất ở các nước người ta chế tạo ra rất nhiều những loại choòng có đặc tính làm việc phù hợp

Theo OCT người ta phân ra 4 loại chính là: mềm, trung bình, cứng và rắn tương ứng với các ký hiệu chữ cái là: M, C, T và K Bên cạnh đó còn chế

a, lệch trục dương

b, lệch trục âm

tạo ra các loại choòng liền kề để phù hợp với điều kiện đất đá cứng mềm và mài mòn xen kẹp

Cụ thể theo GOST - 20692-75 được thể hiện ở bảng dưới đây (bảng 1) Ngoài các ký hiệu được nêu trong bảng còn các ký hiệu khác như:

B: Các ổ đỡ rãnh lăn,

H: Một ổ đỡ trượt, các ổ đỡ còn lại là ổ đỡ có rãnh lăn,

A: ổ đỡ trượt,

U: Choòng có nước rửa thường,

: Choòng có vòi phun thuỷ lực,

: Choòng khoan thổi khí, v.V

Bảng phân loại choòng 3 chóp xoay theo GOST 20692-75

bảng 1

MC Đất đá mềm có các lớp kẹp cứng vừa Răng phay

MCZ Đất đá mềm mài mòn có các lớp kẹp

cứng vừa

Răng phay và răng chốt

CZ Đá cứng trung bình có mài mòn Răng chốt

CT Đá cứng trung bình có các lớp kẹp

cứng

Răng phay

TK Đá cứng có xen kẹp rắn Răng phay và răng

chốt TKZ Đá cứng xen kẹp rắn mài mòn, liền

khối

Răng chốt

C1 Đá cứng trung bình và giòn Răng phay

(1 chóp đường kính)

Ngoài ra theo tiêu chuẩn phương Tây, cụ thể là theo hiệp hội các nhà thầu khoan (IADC) phân loại choòng 3 Chóp xoay bằng 4 ký hiệu gồm 3 chữ

số và 1 chữ cái Qua đó ta có thể phân biệt được loại choòng phù hợp với từng loại đất đá khi khoan Ví dụ có loại choòng ATJ 22 của hãng Hughes có mã hiệu 5 - 1 - 7 (G) được hiểu là:

5: Choòng răng nhọn để khoan trong đá mềm và hơi mềm

1: Loại có độ cứng thấp

7: Mảnh bảo vệ trên đường kính và các ổ lăn trơn (nhẵn),

G: Có bảo vệ tăng cường (chống mòn đường kính ngoài)

Phân loại choòng chóp xoay theo mã hiệu IADC

Bảng 2

Loại Loại đất đá Hạng

ổ lăn tiêu chuẩn

ổ lăn tiêu chuẩn thổi khí

Mảnh bảo vệ chóp xoay

ổ lăn kín

Mảnh bảo vệ

ổ lăn kín

ổ lăn trơn

Mảnh bảo vệ

ổ lăn trơn

Dụng

cụ

răng

phay

1 Đất đá mềm có độ

khoan thấp

1

2

3

4

2

Đất đá mềm trung bình

đến cứng trung bình

sức kháng nén cao

1

2

3

4

3 Đất đá nửa mài mòn

hoặc mài mòn

1

2

3

4

Dụng

cụ

răng

chốt

4

Đất đá mềm có sức

kháng nén thấp và độ

khan cao

1

2

3

4

5

Đất đá mềm đến cứng

trung bình sức kháng

nén thấp

1

2

3

4

6 Đất đá cứng trung bình

có sức kháng nén cao

1

2

3

4

7 Đất đá cứng nửa mài

mòn đến mài mòn

1

2

3

4

8 Đất đá rất rắn và mài

mòn lớn

1

2

3

4

1.2.4 Các loại choòng đặc biệt:

+ Choòng đầu nhọn: Dùng để khoan chuyển đường kính từ lớn sang nhỏ, khoan phá nút xi măng trong ống chống, dùng để cứu sự cố (ha)

+ Choòng lệch tâm: Dùng để khoan mở lỗ nhánh trong trường hợp cần

có lỗ khoan đường kính lớn hơn đường kính đã cho (hb)

+ Choòng lưỡi xoắn: Dùng để khoan xiên giếng khoan trong trường hợp khoan bằng phương pháp khoan roto có sử dụng máng nghiêng (hc)

c, Choòng xoắn Hình 11 d, Choòng doa rộng

a, Choòng đầu nhọn Hình 10 b, Choònh lệch tâm

+ Choòng doa rộng: Là loại choòng dùng để mở rộng đường kính thân

lỗ khoan Thường có 2 loại: Loại cấu tạo cánh để doa trong đất đá mềm, loại bằng chóp xoay để doa trong đất đá cứng (h.D)

+ Choòng khoan mẫu: Là loại choòng phá huỷ đất đá ở đáy theo hình vành khăn sát thành lỗ khoan để lại mẫu lõi ở giữa: Choòng lấy mẫu có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau Loại lưỡi cắt choòng kim cương loại 4 chóp xoay có

độ cứng cũng rất khác nhau phù hợp với từng loại đất đá khoan qua Choòng khoan mẫu được lắp phía dưới của ống mẫu bằng ren (h12)

1.3 Phương pháp lựa chọn choòng khoan

Do tính chất rất khác nhau về độ cứng, độ mài mòn của đất đá cũng như

sự đa dạng, phong phú về chủng loại nên việc lựa chọn được choòng thật phù hợp cho từng đối tượng đất đá là công việc rất khó khăn và hầu như không thể

ở đây ta chia ra 2 trường hợp:

1.3.1.Đối với lỗ khoan thăm dò:

Cột địa tầng mới chỉ là dự kiến sơ bộ các tính chất cơ lý của đất đá (chưa hiểu rõ) và sự thay đổi đột ngột của chúng thường gây rất nhiều khó khăn cho việc sử dụng choòng Việc lựa chọn choòng ở đây hoàn toàn mang tính chất giả định Vì vậy phải kết hợp chặt chẽ với sự phán đoán của kỹ thuật

địa chất để làm cơ sở lựa chọn chủng loại hợp lý Trong trường hợp này các chủng loại choòng cần được chuẩn bị nhiều hơn để đề phòng mọi trường hợp phát sinh bất ngờ

Hình 12 Choòng khoan mẫu

1.3.2.Đối với các giếng khoan khai thác:

Cột địa tầng đã biết trước một cách khá chính xác về tính chất cơ lý, độ cứng và bề dày các lớp đất đá Vì thế ta có thể chủ động lựa chọn được choòng phù hợp Đối với một loại đất đá cụ thể ở chiều sâu nhất định có thể có nhiều loại choòng có khả năng phá huỷ tốt Vì vậy công việc nghiên cứu mang tính

so sánh được thực hiện ở giếng khoan đầu tiên sẽ tạo ra điều kiện thuận lợi cho phép thực hiện ở những giếng khoan khai thác tiếp theo đạt được hiệu quả cao về thời gian khoan cũng như kinh tế ở đây ta xem loại choòng khoan hợp

lý nhất là choòng cho phép đạt giá thành 1m khoan thấp nhất trong điều kiện

kỹ thuật tốt

Sau đây là những ví dụ để so sánh trong việc lựa chọn choòng phù hợp với địa tầng khoan qua:

Ta đã biết, giá thành 1m khoan được tính như sau; (Gm):

Gm = Gc + Gh h (tc + tnt) ; VND/m Trong đó:

Gm - Giá thành 1m khoan

Gc - Giá thành của choòng

Gh - Giá thành 1 giờ làm việc của thiết bị khoan

tc - Thời gian khoan thuần tuý

tnt - Thời gian nâng thả

h - Số lượng m khoan được

Ví dụ1: Một choòng A loại hơi cứng khoan được 41m trong 17h Cũng trong

địa tầng ấy, một choòng B khác hơi mềm hơn khoan được 35m trong 12h Trong khi đó được biết: giá 1h thuê thiết bị là: 8.000.000đ, giá thành choòng

A = giá thành choòng B = 17.000.000 đ Thời gian nâng thả hết 4h00

Từ kết quả trên ta tính được

Đối với choòng A:

GmA = 17.000.000 + 8.000.000 (17+4) 41 = 4.512.195 đ/m

Đối với choòng B:

GmB = 17.000.000 + 8.000.000 (12+4) 35 = 4.142.857 đ/m Như vậy việc sử dụng choòng B kinh tế hơn so với choòng A

Ví dụ 2: Về sự lựa chọn giữa choòng chóp xoay và choòng kim cương Giếng khoan 1: Cần 3 choòng chóp xoay mới khoan được 310m trong 126h, như vậy 1 choòng trung bình khoan được 103m trong 42h Giá trung bình 1 choòng là 35.200.000 đ Giá 1h thuê thiết bị là: 12.500.000đ, thời gian kéo thả trung bình là: 12h

Từ đó ta tính được:

Gm = 35.200.000 + 12.500.000 (42 + 12) 103 = 6.895.146 đ/m

Giếng khoan thứ 2:

Một choòng kim cương khoan được 330m trong thời gian 117h giá choòng là: 500.000.000 đ (bằng giá thành choòng mới trừ đi giá kim cương thu hồi được)

Các điều kiện khác giống giếng khoan thứ nhất

Vậy ta tính được Gm là

Gm = 500.000.000

đ

+ 12.500.000đ (117 + 12)

Như vậy rõ ràng trong trường hợp này nên chọn choòng kim cương để khoan

sẽ kinh tế hơn

1.4 Phương pháp loại bỏ choòng khoan hợp lý:

Việc loại bỏ choòng khoan hợp lý có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn Giá thành 1m khoan phụ thuộc phần lớn vào mức độ hợp lý của việc thay choòng đúng thời điểm

Việc giảm thời gian làm việc của choòng trên đáy cho phép tăng được tốc độ cơ học cực đại, nhưng việc thay choòng lại không thể căn cứ vào tốc độ cơ học được mà phải căn cứ vào tốc độ hiệp (vh) sao cho vh đạt cực đại

vh = h

tc + tnt (1)

Từ (1) ta có thể phân tích thành (2)

1

vh =

tc

h +

tnt

Trong đó:

vh - Tốc độ hiệp

tc - Thời gian khoan thuần tuý

tnt - Thời gian nâng thả

h - Số mét khoan được

Biểu thức (2) biểu thị sự phân bố thời gian để thực hiện được 1m trong 1 hiệp khoan

- Khi tăng thời gian làm việc của choòng trên đáy, thành phần t hc tăng lên và t hnt sẽ giảm xuống kết quả là v1

h tăng lên  vh giảm xuống

- Khi giảm thời gian làm việc của choòng trên đáy thì t hnt sẽ tăng lên rất

nhiều hơn hẳn mức độ giảm xuống của htc , kết quả là v1

h

tăng lên suy ra vh giảm đi

Như vậy không thể đạt được vh cực đại khi kéo thật dài hoặc rút thật ngắn thời gian làm việc của choòng trên đáy Do đó sẽ tồn tại một thời gian tối

ưu mà ở đó vh sẽ đạt cực đại

Trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm MinHim đã thiết lập được mối quan hệ sau

Trong đó: vch - Tốc độ cơ học

v0 - Tốc độ cơ học ban đầu

k - Hệ số đặc trưng cho tốc độ mòn của choòng

t - Thời gian choòng làm việc trên đáy e- Hằng số Lôga tự nhiên

Từ công thức (3) chúng ta có thể tính được tiến độ sau 1 hiệp

h = 0 kt

t

0

kt 0 t

0

k

v

dt e v dt

v     

Thay giá trị ở (4) vào (1) ta tính được vh là:

vh = v0 (1 - e

-kt)

Từ (5) ta có nhận xét: tốc độ hiệp phụ thuộc vào chất lượng choòng khoan, chế

độ khoan, độ cứng đất đá và chiều sâu của lỗ khoan

ở một độ sâu xác định của lỗ khoan ta biết trước v0, tnt và hệ số k và có thể biểu diễn vh = f (t) là một đường cong (hình vẽ dưới) Đường cong có một

điểm cực đại rõ rệt Thời gian để đạt được điểm cực đại đó của vh gọi là thời gian khoan kinh tế, hay còn được xem là thời gian loại bỏ choòng hợp lý

Hình 13 Quan hệ giữa v h , v ch với thời gian làm việc của choòng

Thời gian kinh tế (tkt) của choòng được xác định theo công thức

Từ công thức (6) ta thấy rằng để tính được tkt ta cần phải biết được tnt và hệ số

k Hệ số k phụ thuộc vào chất lượng choòng, chế độ khoan, độ cứng và mài mòn của đất đá và mức độ rửa lỗ khoan Thông thường hệ số k được tính theo công thức sau:

k =

lnv vch

0

Ta có thể xem một ví dụ cụ thể của việc cần thiết phải thay choòng mới sau

đây:

tkt

Vch,Vh(m/h)

t(h)

Vch

vh

Nội dung là: Hãy tính thời gian cần thiết để thay choòng mới khi chiều sâu khoan là: 1000m

tnt = 2h

Cứ sau mỗi 15’ thân lỗ khoan lại tiến sâu được như sau:

h1 = 5m; h2 =4m; h3 = 3m; h4 = 2,5m; h5 = 2m; h6 = 1,5m

h7 = 1m; h8 = 0,5m; h9 = 0,3m

Như vậy là muốn phát huy tốt hiệu quả làm việc của choòng trên đáy thì ta phải xác định được thời gian mà ở đó vh đạt cực đại rồi thay choòng mới

vh = hi tci + tnt

Từ công thức tính vh tổng quát, ta sẽ tính được vh sau thời gian mỗi 15’ như sau:

vh1 = h1

tc1 + tnt = =

5 025 + 2 = 2,22 (m/h)

vh2 = 5 + 4 05 + 2 = 3,6 m/h

vh3 = 5 + 4 + 3 075 + 2 = 4,37 m/h

vh4 = 5 + 4 + 3 + 25 1+2 = 4,83 m/h

vh5 = 5 + 4 + 3 + 25 + 2

125 + 2 = 5,08 m/h

vh6 = 5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15

15 + 2 = 5,14 m/h

vh7 = 5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15 + 1

175 + 2 = 5,07 m/h

vh8 = (5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15 + 1 + 0,5) 2 + 2 = 4,87 m/h

vh9 = 5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15 + 1 + 05 + 03

Từ kết quả tính toán ta thấy vh6 = 5,14 m/h có giá trị cực đại với chiều

sâu khoan được là 

 6

1 i i

h = 5 + 4 + 3 + 2,5 + 2 + 1,5 = 18m Thời gian khoan thuần tuý là tc = 6 x 0,25 = 1,5 h

Tổng thời gian là: tc + tnt = 1,5 + 2 = 3,5h

Giả sử như sau khi khoan ở tốc độ hiệp vh9 = 4,66 m/h mới thay choòng

sẽ hoàn toàn không phù hợp vì ta thấy ngay rằng

Chiều sâu khoan được là 

 9

1 i i

h = 19,8m Tổng thời gian khoan thuần tuý sẽ là: tc = 9 x 0,25 = 2,25 h

Tổng thời gian sẽ là: tc + tnt = 2,25 + 2 = 4,25 h

Như vậy sẽ chênh lệch thời gian là: 4,25 - 3,5 = 0,75 h

Cùng với thời gian này nếu thay choòng mới thì sẽ khoan được số mét tăng thêm là: 5 + 4 + 3 = 12m Tổng số mét khoan được bằng 2 choòng trong trường hợp đầu tiên sẽ là: 18 + 12 = 30m, còn trường hợp thứ 2 chỉ là 19,8m

và hiệu quả sẽ tăng được số mét khoan là 30m - 19,8m = 10,2m vẫn cùng một thời gian thi công