Đồ án công nghệ khoan

Do đó để thi công một giếng khoan chúng ta phải chọn cấu trúc giếng saocho phải đảm bảo đợc yêu cầu là thả đợc ống chống khai thác để tiến hành khaithác bình thờng.. Cấu trúc giếng khoan

Đồ Án Công Nghệ Khoan

Chọn và tính toán cấu trúc giếng khoan

i chọn cấu trúc cho giếng khoan.

Giếng khoan là một công trình thi công vào bên trong vỏ trái đất có chiều sâurất lớn Do đó để thi công một giếng khoan chúng ta phải chọn cấu trúc giếng saocho phải đảm bảo đợc yêu cầu là thả đợc ống chống khai thác để tiến hành khaithác bình thờng Đồng thời ta phải xuất phát từ tài liệu địa chất khu vực thi cônggiếng khoan (đặc biệt là khi có các tầng phức tạp và dị thờng áp suất cao), cụ thể làtính chất cơ lý của các vỉa đất đá nh độ bở rời, độ cứng, độ trơng nở, áp suất vỉa,nhiệt độ vỉa

Cấu trúc giếng khoan trên biển phải đảm bảo các yếu tố sau:

- Ngăn cách hoàn toàn nớc biển, giữ ổn định thành và thân giếng khoan đểviệc kéo thả các bộ khoan cụ, các thiết bị khai thác, sửa chữa ngầm đợc tiến hànhbình thờng

- Chống hiện tợng mất dung dịch khoan

- Giếng khoan phải làm việc bình thờng khi khoan qua tầng có áp suất cao vàtầng sản phẩm có áp suất vỉa nhỏ hơn so với tầng có áp suất cao phía trên

- Bảo vệ thành giếng khi có sự cố phun

- Đờng kính của cột ống khai thác cũng nh các cột ống chống khác phải là cấp

đờng kính nhỏ nhất, đơn giản và gọn nhẹ nhất trong điều kiện cho phép của cấutrúc giếng

- Cấu trúc giếng phải phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, khả năng cung cấp thiết

bị, đảm bảo độ bền và an toàn trong suốt quá trình khai thác cũng nh sửa chữagiếng sau này Nói tóm lại nó phải phù hợp với điều kiện địa chất, công nghệ vàthích hợp với khả năng thi công

Căn cứ vào biểu đồ kết hợp áp suất dọc theo chiều sâu cột địa tầng của giếng

N0xx ta có thể chọn cấu trúc ống chống cho giếng khoan nh sau:

1 Cột ống chống định hớng.

Dựa vào kinh nghiệm khoan trên mỏ Bạch Hổ, ngời ta thờng sử dụng ốngcách nớc loại Φ508ì16ìD (do thi công trên biển nên phải cách nớc, điều kiện địachất phức tạp nên phải dự phòng thi công phức tạp phải thêm cột ống, chiều sâu cóthể thay đổi) Tại giếng khoan này ta cũng chọn ống chống bảo vệ nh trên Dùngbúa máy để đóng ống xuống đáy biển tới 35m, khoảng cách từ đáy biển lên mặt n-

ớc là 50m, từ mặt nớc lên bàn roto là 35m, vậy tổng chiều dài cột ống chống địnhhớng là 120m

2 Cột ống chống dẫn hớng.

Cũng dựa vào kinh nghiệm khoan trên mỏ Bạch Hổ, tại giếng khoan này tacũng sử dụng ống dẫn hớng là ống đợc chống tới độ sâu khoảng 250m Do ở độ sâunày ta đã khoan qua lớp đất đá đệ tứ bở rời mới hình thành, có độ gắn kết kém nênthành giếng khoan dễ bị sập lở khi ta thay đổi chế độ khoan để khoan sâu vào vùng

đất đá có độ cứng lớn hơn Ngoài ra, do điều kiện địa chất phức tạp ta phải chốngnhiều cột ống nên ta phải chôn ống dẫn hớng có độ sâu đủ lớn để chịu đợc tải trọngcủa các cột ống khác treo lên nó Chính vì thế, để đảm bảo an toàn cho quá trìnhkhoan ngời ta phải chống ống dẫn hớng này

3 Cột ống trung gian thứ nhất.

Khi khoan qua điệp Biển Đông, áp suất vỡ vỉa tăng dần do thay đổi địa tầng,

đất đá bền vững hơn Để tăng tốc độ cơ học khoan, ta phải thay đổi thông số chế độkhoan và một vài thông số của dung dịch khoan (tăng tỷ trọng dung dịch, tăng tảitrọng đáy, tăng áp lực bơm rửa) Với các thông số nh vậy nếu ta không chống ống

sẽ rất dễ xảy ra sập lở thành giếng khoan Dựa vào tài liệu nghiên cứu về cột địatầng tại độ sâu3200m đến tầng đất đá có mức độ liên kết yếu, có khả năng phuntrào nên ta tiến hành chống ống tại đây

Trên cơ sở lí luận và tính toán, ta chọn chiều sâu chống ống trung gian thứnhất là 3200m

4 Cột ống trung gian thứ hai.

Khi ta khoan qua tầng Oligoxen, áp suất vỉa tăng cao, nếu ta giữ nguyên tỷtrọng dung dịch cũ sẽ dẫn đến hiện tợng phun dầu khí Do đó, để khoan tiếp ta phảităng tỷ trọng dung dịch khoan Nhng nếu ta tăng tỷ trọng dung dịch khoan thì sẽdẫn đến hiện tợng sập lở, nứt vỡ, mất dung dịch ở các đoạn khoan qua phía trên với

tỷ trọng dung dịch nhỏ hơn (tầng áp suất vỉa thấp) Chính vì thế, để khoan tiếp vàotầng Oligoxen ta phải tiến hành chống ống trung gian thứ hai ở độ sâu 3650m, và

sẽ chông từ độ sâu 3100 m đến 3650 m

6 Cột ống chống khai thác.

Khoan tới độ sâu 4500 m thì ta tiến hành chống cột ống khai thác Ta chỉchống từ độ sâu 4400m lên tới miệng giếng, còn đoạn thân giếng còn lại nằm trongtầng móng thì để trần do đất đá ở đây rất bền vững ống chống khai thác này gồmhai cấp đờng kính lớn dần từ dới lên

Đoạn từ đầu treo ống chống lửng tới đáy giếng do khoan bằng choòng có ờng kính nhỏ hơn đờng kính trong của ống chống lửng nên ống chống khai thác ở

đ-đoạn này có cấp đờng kính nhỏ nhất, đ-đoạn này sẽ dài từ đế lên tới trên đầu treo ốnglửng là 100m

Đoạn tiếp theo phía trên có cấp đờng kính lớn hơn, nó sẽ bằng đờng kính ốngchống lửng Sử dụng đờng kính lớn nh vậy là nhằm mục đích tạo điều kiện thuậnlợi cho việc thiết kế khai thác, kéo thả cần HKT cùng các thiết bị lòng giếng, đo địavật lý, sửa chứa ngầm Đồng thời khi chọn cấp đờng kính nh vậy ta còn phải dựavào lu lợng khai thác dự đoán

ii tính toán cấu trúc giếng khoan

Ta đã chọn cấu trúc cho giếng khoan là dạng cấu trúc 3 cột ống, gồm: ốngchống định hớng, ống chống dẫn hớng, ống chống trung gian thứ nhất, ống chốngtrung gian thứ hai, và cột ống chống khai thác Sau đây ta tiến hành tính toán đờngkính của các cột ống chống đó và đờng kính choòng tơng ứng Việc tính toán đợctiến hành từ dới lên, bắt đầu từ đờng kính của cột ống chống khai thác cho đến cộtống chống ngoài cùng Tính toán cấu trúc phải đảm bảo cho quá trình khoan, thảống chống đến chiều sâu dự kiến đợc thông suốt, đảm bảo trám xi măng đợc thuậnlợi

1 Cột ống chống khai thác.

- Dựa vào lu lợng dự đoán và kích thớc của các thiết bị lòng giếng cũng nhcác thiết bị đo sâu ta chọn đờng kính ống chống khai thác nằm trong đoạn tầngkhai thác (đoạn có cấp đờng kính nhỏ nhất) là:

Vì ống Φ140, sử dụng đầu nối FJL nên có Dmkt1=Dkt1=140 (mm)

Vậy Dckt1 = 140 + 2.10 = 160 (mm)

- Đoạn trên của ống chống khai thác có đờng kính bằng đờng kính của cộtống chống lửng nên ta tính sau

2 Cột ống chống trung gian thứ hai.

-Để tính đờng kính ngoài của ống chống trung gian thứ hai ta cần xác định

mm Ta xác định đờng kính trong của ống chống trung gian thứ hai dtg2 nh sau:

dtg2 > Dckt1 + (10 ữ 15)

dtg2 > 165,1 + (10 ữ 15) = 175,1 ữ 180,1 (mm)

Từ đờng kính trong này ta chọn đờng kính ngoài cho ống chống là:

3 ống chống trung gian thứ nhất.

- Đờng kính trong của ống chống trung gian thứ hai dtg1:

dtg1 > Dctg2 + (10 ữ 15) = 215,9 + (10 ữ 15) = 225,9 ữ 230,9 (mm).Chọn đờng kính ngoài cho ống chống trung gian thứ hai:

Dtg1 = 244,5 (mm)

- Vậy đờng kính choòng khoan tơng ứng là:

Bảng số liệu cấu trúc giếng:

Loại cột ống Chiều sâu

thả

(m)

Đờng kính ống (mm)

đờng kính mupta (mm)

đờng kính choòng (mm)

Định hớng 0 ữ 120 508 Đầu nối hàn Dùng búa máy

Trung gian 1 0 ữ 3200 244,5 257 311,1Trung gian 2 3100 ữ 3650 193,7 193,7 215,9Khai thác 3650 ữ 4400 193,7-139,7 206,4-139,7 165,1

Ta đa số liệu vừa tính toán về các cột ống ở trên vào bảng sau:

N o N o Khoảng

ống chống

(m)

chiều dài

đoạn (m)

Khối lợng (T)

khối ợng chung (T)

l-đờng kính ống (mm)

loại

đầu nối

mác thép dàybề

2510 ÷ 3000

3 0 ÷ 2510 2510 110,9 175,7 193,7 vam n80 9,52

iii.xác định chiều cao trám xi măng.

Đối với các giếng khoan khai thác dầu, việc trám toàn bộ chiều dài cột ống

định hớng là bắt buộc, còn đối với các ống trung gian và ống khai thác thì chiềucao trám tùy thuộc vào điều kiện địa chất và kỹ thuật, trong đó điều kiện địachất là yếu tố quyết định, còn điều kiện kỹ thuật là điều kiện phụ mang tínhkinh tế

* Điều kiện địa chất:

Theo yêu cầu của phòng địa chất, ta tiến hành trám xi măng trên toàn bộchiều dài cột ống chống dẫn hớng, trám toàn bộ cột ống chống trung gian thứnhất, cột ống chống trung gian 2 ta trám lên qua 50m riêng đối với ống khaithác Φ 140 x178 thì ta trám hết

* Điều kiện kỹ thuật:

Ta xem cột ống có chiều sâu là H và đợc trám tới chiều dài là Hc Nh vậy,phần ống không trám xi măng nh một thanh giầm chịu lực có ngàm ở hai đầu

Đầu trên cặp vào đầu treo ống chống, đầu dới cắm vào vành đá xi măng Nh vậy,

nó sẽ chịu tải do các lực sau đây tác dụng:

- Trọng lợng của bản thân chúng (Q)

- Lực sinh ra do sự thay đổi áp suất ở bên trong (Fat)

- Lực sinh ra do sự thay đổi nhiệt độ ở bên trong (Fn)

Vì vậy, chiều cao trám xi măng đợc xác định với điều kiện cột ống chống

đợc giữ ở trạng thái kéo ở đoạn không trám xi măng, và luôn ở dới tải trọng kéocho phép của cột ống chống (Fcf):

I tháp khoan và các thiết bị nâng thả.

1 Tháp khoan.

Khi chọn tháp khoan thì ta phải chọn theo hai tiêu chuẩn là tải trọng thẳng

đứng và chiều cao của tháp khoan Hai tiêu chuẩn này phụ thuộc vào chiều sâucủa giếng

- Tải trọng thẳng đứng lớn nhất tác dụng lên tháp đợc tính theo công thức sau:

Qmax = Qm + Qr + Qph + Pt

Trong đó:

+ Qmax: tải trọng thẳng đứng lớn nhất tác dụng lên tháp (T)

+ Qm: tải trọng định mức trên móc nâng Đối với giếng này thì tải trọng lớn nhất tác dụng lên móc nâng là của cột ống chống Φ194ì140, dài 4660m ⇒ Qm = 175 T

+ Qph: tải trọng phụ khi cứu kẹt Giếng càng sâu, càng nghiêng thì phải

có tải trọng phụ càng lớn Chọn tải trọng phụ theo kinh nghiệm cho giếng dài4660m là: Qph = 60 (T)

- Chiều cao của tháp cũng phụ thuộc vào chiều sâu của giếng Giếng càng sâuthì tháp càng cao, với mục đích là để giảm thời gian kéo thả, tăng tốc độ thicông giếng khoan Tuy vậy để đảm bảo an toàn thì tháp chỉ cao tới một gia trịnào đó Hiện nay, loại tháp có chiều cao lớn nhất đợc sử dụng tại mỏ Bạch Hổ làtháp cao 53m

Trên cơ sở lí luận và kết hợp với thực tế ta chọn tháp khoan loạiBMAì320ì53, nó có các thông số kỹ thuật sau:

Đối với giếng khoan sâu trên 4000 m, tải trọng định mức trên 175 tấn, ngời

ta thờng sử dụng tời 5 tốc độ với tốc độ nhỏ nhất phải đảm bảo kéo đợc tải trọn

Với các thông số trên ta có thể tính đợc sức nâng lớn nhất của tời theo công thức sau:

- N: công suất của tời, N = 809,6 (kw) = 1100 (HP)

- ηr = hệ số hiệu dụng của bộ ròng rọc, ηr = 0,85

II thiết bị khoan.

1 Máy khoan.

Đối với giếng khoan sâu 4600 m thì ta chọn hai máy BY – 4000 và BY –

5000 có khả năng khoan sâu tới 4000 và 5000 m Tính tải trọng nâng đợc củahai máy để chọn máy có khả năng nâng đợc tải trọng theo yêu cầu (trên 174,7T) theo công thức sau:

Qcf = 1,1ì10-3Lcfqo

Trong đó:

- Qcf: tải trọng cho phép nâng đợc của máy theo lý thuyết (T)

- Lcf: chiều sâu khoan cho phép của máy (m)

- qo: khối lợng của cột ống chống qui ớc cho 1m khoan, q = 35(kg/m)

⇒ BHY – 4000: Qcf = 1,1ì10-3ì4000ì35 = 154 (T)

⇒ BHY – 5000: Qcf = 1,1ì10-3ì5000ì35 = 192,5 (T)

Vậy ta chọn máy BHY – 5000 Máy khoan tơng ứng với nó là Uralmas 3D – 76, có các thông số kỹ thuật sau:

- áp suất lớn nhất đạt đợc ở 6,6 l/s: 40 MPa.

- Lu lợng lớn nhất đạt đợc ở áp suất 8 Mpa: 33 l/s

Sử dụng choòng khoan 3 chóp xoay ta có các cấp đờng kính của choòng

t-ơng ứng với từng cấp đờng kính của cột ống chống nh đã chọn ở cht-ơng trớc

Dựa vào độ cứng của đá vỉa để chọn loại choòng cho thích hợp và kết hợp với

kinh nghiệm khoan trên mỏ và khả năng cung cấp của xí nghiệp, ta chọn đợc

các loại choòng khoan cho từng khoảng khoan nh sau:

tt khoảng khoan (m) Φ cột ống chống (mm) loại choòng

Tốc

độ vòng quay (v/f)

Khối lợng (kg)

chiều cao (m)

Đờng kính lỗ thoát dung dịch (mm)

ren nối hãngsản

3SK 1 – 2– 6 384 – 787 120 –60 225 0,52 25,4/41 5/87

RE G

311,15 –

ATX –

G3

1 – 3 – 5 268 – 804 200 –80 94 0,35 15,57/33,07 5/86

ATJ – 22 5 –1– 7 357 – 1072 140 –50 21,3 0,31 11,11/22,2 1/23

RE G 165,1 –

F47 ODL 6 –1– 7 424 –1090 160 –50 21,3 0,31 11,11/22,2 1/23

RE G SMITHS

2 Cột cần khoan.

Cột cần khoan là khâu nối giữa choòng khoan và thiết bị đặt trên sàn

khoan Cột cần khoan bao gồm các bộ phận sau:

- Cần chủ đạo: có thể vuông, lục giác, bát giác

- Cần khoan thờng: có nhiều cấp đờng kính và mác thép khác nhau

- Da mốc: nối các đoạn cần dựng, đờng kính của da mốc phụ thuộc vào

đ-ờng kính cần khoan

- Perêkhốt: nối các bộ phận khác nhau của cột cần khoan

- Định tâm: ổn định thành giếng, chống mòn cần, điều chỉnh độ nghiêng

trong khoan xiên định hớng, đờng kính phụ thuộc choòng khoan

- Cần nặng: gồm nhiều cấp đờng kính (giảm dần từ dới lên, tránh thay đổi

đờng kính một cách đột ngột gây tập trung ứng suất làm gãy cột cần) và nhiều

loại (cần nặng xoắn, cần nặng không nhiễm từ hay cần nặng nhôm, cần nặng

th-ờng)

- Búa thủy lực: lắp cùng cần nặng, có tác dụng gây xung lực rút cột cần lên

khi cứu kẹt, có đờng kính bằng đờng kính của cần nặng

a) Cần chủ đạo:

Sử dụng cần chủ đạo hình vuông, 2 đầu mupta và nhippen đợc chồn dầy ở

phía ngoài

b) Định tâm:

Định tâm lắp ở trên choòng, có thể lắp 1 hoặc 2 định tâm trên 1 bộ khoan

cụ Khoảng cách từ choòng đến định tâm, từ định tâm đến định tâm phụ thuộc

vào yêu cầu xiên Đờng kính của định tâm lắp trên cột cần khoan còn tùy thuộc

vào đờng kính choòng khoan ở đây ta sử dụng loại định tâm có rãnh xoắn trên

thân với các cấp đờng kính nh sau:

đờng kính choòng khoan

(mm)

cần nặng ( Φ ng ìΦ tr ì q) (mm ì mm ì kg/cm)

cần khoan ( Φìδ ) ì q (mm ì mm ì

kg/cm)

1 85 660,4 254ì 71,44 ì 365,6

228,6 ì 71,44 ì 290,2 203,2 ì 71,44 ì 136,4 165,1 ì 71,44 ì 136,4

127 ì 9,19 ì 29

2 0 - 250 444,5 241,3ì 71,44 ì 321,4

228,6 ì 71,44 ì 290,2 203,2 ì 71,44 ì 222,7 165,1 ì 71,44 ì 136,4

3 Tính toán lựa chọn cấu trúc bộ dụng cụ khoan.

Trong quá trình thi công giếng khoan, bộ khoan cụ đợc sử dụng với mục

đích phá hủy đất đá tạo đợc thân giếng khoan theo thiết kế, nó phải đảm bảo yêucầu và nhiệm vụ sau:

- Đảm bảo độ cứng vững, định hớng tốt trong quá trình khoan

- Đảm bảo lu thông tống thoát mùn khoan, giảm tối đa sự cố có thể xảy ra

- Các bộ khoan cụ đơn giản thuận tiện trong quá trình khoan.

- Nâng cao chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khoan

a) Cụ sụỷ tớnh toaựn boọ duùng cuù khoan:

Trong quá trình thi công giếng khoan, bộ cần khoan phải chịu sự tác dụngcủa tổ hợp các lực phức tạp Tùy thuộc vào từng công đoạn, công nghệ cụ thể

nh quá trình khoan, kéo thả, bơm rửa, cứu sự cố… tổ hợp các lực tác dụng lên bộcần khoan khác nhau, nhng có thể bao gồm các lực sau:

- Lực kéo giãn do tác dụng trọng lợng bản thân của cần

- Lực nén do tác dụng của tải trọng lên choòng

- Mô men xoắn do tác dụng của chuyển động quay của bộ cần khoan vàmô men phản của động cơ đáy và choòng khoan

- Mô men uốn cong

- áp suất d trong và d ngoài của dung dịch khoan

- Các tải trọng động

Do đó công tác thiết kế bộ cần khoan có một tầm quan trọng đặc biệt, nếu

sự thiết kế phù hợp thì công tác khoan sẽ đảm bảo đợc yêu cầu về thời giankhoan, giảm giá thành thuê thiết bị, giảm các sự cố với bộ cần khoan, vì vậy sẽnâng cao hiệu quả trong sản xuất

Nhiệm vụ chủ yếu của tính toán thiết kế bộ cần khoan là đa ra những sơ đồ

và phơng pháp tính toán để xác định những tải trọng chủ yếu tác dụng lên bộcần khoan trong khi khoan với động cơ đáy và khoan rôto những giếng khoanthẳng và khoan định hớng Đa ra những phơng pháp xác định ứng xuất và hệ số

an toàn

Những số liệu ban đầu cần thiết cho việc tính toán là:

- Cấu trúc giếng khoan

- Những khoảng thi công giếng khoan, đối với mỗi khoảng cần có những

số liệu cụ thể sau:

+ Mất áp suất ở động cơ đáy và choòng

+ Khoảng thả và khối lợng của những đoạn ống chống đợc thả bằngcần khoan

+ Độ cứng của đất đá

+ Điều kiện khoan và những phức tạp có thể xảy ra

Tính toán bộ cần khoan:

Tính toán đối với 2 cấp đờng kính đã chọn:

Ta tiến hành tính toán để chọn mác thép cho cần khoan Muốn vậy ta kiểmtra ứng suất tác dụng lên cột cần khoan sinh ra trong quá trình làm việc

Do cột cần sử dụng cần nặng nên ta kiểm tra tại 2 điểm là trên cùng và dớicùng

Vật liệu làm cần phải có giới hạn chảy thỏa mãn điều kiện sau:

Kiểm tra đối với cột cân khoan có chiều dài lớn nhất, tức là cột cần khoan

để khoan khoảng khoan từ 4350 đến 4660 m Do đoạn này khoan bằng choòng

* Kiểm tra ứng suất ở phần trên:

Khi cột cần khoan làm việc, phần trên sẽ chịu sự tác động của ứng suấtxoắn (τx) và ứng suất kéo (σk) do trọng lợng của bản thân và bộ dụng cụ đáy Do

đó ứng suất tơng đơng đợc tính nh sau:

2 2

td k 4 x

σ = σ + τTrong đó:

- τx: ứng suất xoắn (kG/cm2)

τx = Mx/Wx

Với Wx: mô đun chống xoắn của cần khoan, Wx = 187,075 (cm3)

Mx: mô men xoắn lớn nhất sinh ra khi cột cần làm việc

Mx =71,62Nk d

- N: công suất có ích của máy khoan, N = 795 PH

- n: tốc độ vòng quay của bàn roto, n = 60v/f

⇒τx = 161324/187,075 = 862,5 (kG/cm2).

- σk: ứng suất kéo (kG/cm2)

σk = 4424,7 (kG/cm2)

⇒σtđ = 442, 4 2 + ì 4 862,5 2 = 4749(kG / cm ) 2 Vậy [σtđ] ≥ 1,75ì4749 = 8310,75 (kG/cm2)

* Kiểm tra phần dới đoạn cần Φ127mm:

Tại đây cột cần sẽ chịu tác động của ứng suất xoắn, ứng suất kéo, và ứngsuất uốn (σu)