BÁO CÁO DUNG DỊCH KHOAN NHỮNG LƯU Ý VỀ LỖ KHOAN VÀ ỐNG CHỐNG

Tuy nhiên, tỉ trọng dung dịch khoan này không được vượt quá áp suất vỡ vỉa của thành hệ yếu nhất lộ ra trong giếng, ống chống trung gian phải kéo dài ít nhất đến độ sâu tại điểm b, nơi m

NHỮNG LƯU Ý VỀ LỖ KHOAN

VÀ ỐNG CHỐNG

1. THIẾT KẾ ỐNG CHỐNG

1.1. Tiêu chuẩn thiết kế ống chống

1.1.1.Lựa chọn độ sâu đặt ống chống

Lựa chọn số lượng và độ sâu đặt ống chống tổng quát dựa trên những lưu ý

về gradient áp suất vỉa và gradient áp suất vỡ vỉa của thành hệ bị xuyên qua Dữ liệu gradient áp suất vỉa và gradient áp suất vỡ vĩa được biểu diễn thông qua tỉ trọng mùn khoan tương đương (Equivalent Mud Density – EMD), và được vẽ lên

đồ thị cùng với độ sâu

Hình 1: Mối quan hệ giữa độ sâu đặt ống chống, áp suất vỉa

và áp suất vỡ vỉa Hai đường ranh giới an toàn của áp suất vỉa và áp suất vỡ vỉa (do hiện tượng tháo và hạ cần khoan) cũng được vẽ lên đồ thị Thông thường ranh an toàn

là 0.5 lbm/gal hoặc áp suất đáy giếng lớn hơn áp suất thành hệ từ 200 đến 500 psi

Để đến được độ sâu thiết kế, tỉ trọng dung dịch khoan thể hiện ở điểm a được chọn để ngăn cản dòng chất lưu vỉa đi vào giếng (ngăn cản hiện tượng kick) Tuy nhiên, tỉ trọng dung dịch khoan này không được vượt quá áp suất vỡ vỉa của thành hệ yếu nhất lộ ra trong giếng, ống chống trung gian phải kéo dài ít nhất đến

độ sâu tại điểm b, nơi mà áp suất vỡ vỉa bằng tỉ trọng mùn khoan cần thiết để khoan đến điểm a Tương tự, để khoan đến điểm b và đặt ống chống trung gian, tỉ trọng dung dịch khoan thể hiện ở điểm c sẽ yêu cầu ống chống bề mặt được đặt ít nhất tới độ sâu tại điểm d

Những yếu tố khác – như là bảo vệ tầng ngậm nước tự nhiên, sự hiện diện của vùng mất dung dịch, vùng áp suất thấp suy yếu có khuynh hướng gây kẹt cần, những vỉa muối có khuynh hướng chảy dẻo và lấp vào giếng, những qui định của chính quyền – cũng ảnh hưởng đến yêu cầu độ sâu đặt ống chống

Độ sâu đặt ống chống dẫn hướng dựa trên những yêu cầu ngăn cản sự rửa xói của lỗ khoan nông khi khoan tới độ sâu của ống chống bề mặt và nâng đỡ khối lượng ống chống bề mặt

1.1.2.Lựa chọn kích thước ống chống

Kích thước của cột ống chống phụ thuộc vào đường kính trong cần thiết của ống khai thác và số lượng cột ống chống trung gian được yêu cầu để đến được

độ sâu thiết kế

Hình 2: Kích thước choòng khoan thông thường được sử dụng

trong thiết lập ống chống API

Để ống chống khai thác có thể được đặt vào giếng, kích thước choòng khoan được dùng để khoan cấp cuối cùng của giếng phải lớn lơn đường kính ngoài của đầu nối ống chống một chút để có đủ khoảng trống cho lớp vỏ mùn trên thành

lỗ khoan và cho thiết bị chống ống như là bộ định tâm và thiết bị nạo

Choòng khoan dùng để khoan cấp tiếp theo của giếng phải vừa với lòng trong của ống chống bên trên Từ đó xác định được kính thước tối thiểu của của cột ống chống sâu thứ nhì Tương tự ta sẽ chọn được kích thước của đoạn ống chống phía trên

1.1.3.Lựa chọn khối lượng, cấp thép, đầu nối

Tổng quát, mỗi cột ống chống đều được thiết kế để chịu được các điều kiện chịu tải khắt khe nhất trong suốt quá trình chống ống và trong suốt quãng đời hoạt động của giếng Các điều kiện chịu tải trong một giếng thay đổi theo chiều sâu, nên không bắt buộc các ống chống phải giống nhau, có thể dài ngắn khác nhau, miễn là phù hợp với yêu cầu chịu tải, từ đó có thể giảm bớt chi phí

Thông thường, thiết kế ống chống thường dựa trên một điều kiện chịu tải giả định nào đó do không thể dự báo trước được các điều kiện chịu tải mà cột ống chống phải chịu trong suốt đời sống của giếng Điều kiện chịu tải giả định này phải có khả năng chịu được những sự cố có thể xảy ra cho dù là nhỏ nhất, khiến cho ống chống hư hỏng

Điều kiện chịu tải áp suất trong lớn nhất được sử dụng cho thiết kế sức chịu

nổ dựa trên điều kiện kiểm soát giếng được giả định xảy ra khi tuần hoàn khối kick lớn ra ngoài Điều kiện chịu tải áp suất ngoài lớn nhất được sử dụng cho thiết

kế sức chịu uốn được dựa trên giả thiết giếng bị mất dung dịch nghiêm trọng Điều kiện chịu kéo lớn nhất dựa trên giả thiết ống chống bị kẹt trong quá trình hạ ống chống vào lỗ khoan trước khi trám xi măng

Nói chung, ống chống có chi phí thấp nhất và thỏa mãn được các tiêu chí chịu tải được đặt ra sẽ được lựa chọn đưa vào quá trình chống ống Tiêu chuẩn thiết kế ống chống của viện dầu khí Hoa Kỳ API (American Petroleum Institude) thường được được sử dụng API cho rằng chi phí trên mỗi foot ống chống tỉ lệ với khả năng chịu tải, và chi phí của mỗi điểm kết nối tỉ lệ với khả năng gắn kết

1.2. Tình trạng giếng khoan khi thiết lập ống chống

Để cho công việc trám xi măng thành công, trước tiên lỗ khoan phải được chuẩn bị Mùn khoan phải được tuần hoàn để xử lí và làm sạch lỗ Những tính chất của mùn khoan có ảnh hưởng xấu đến việc trám xi măng là: độ bền gel cao, độ nhớt cao, khối lượng riêng cao và hàm lượng hóa chất dư thừa Độ nhớt dẻo và độ bền chảy của mùn khoan nên chọn nhỏ nhất có thể Khi giếng khí được trám xi măng, việc tuần hoàn nên được kéo dài đủ lâu để mang đi bất cứ khí gì sinh ra từ mùn khoan

Tốt nhất nên dừng và tuần hoàn mỗi 1000 – 3000 ft để loại bỏ những “bánh lọc” (filter cake) tập hợp xung quanh đầu nối, bộ định tâm và máy nạo Một vài máy nạo có xu hướng tích tụ một số lượng lớn “bánh lọc” khi ống chống được hạ xuống lỗ khoan và có thể ngăn cản quá trình tuần hoàn khi ống chống đến đáy lỗ khoan

Trạng thái của giếng khoan – sự có mặt hoặc vắng mặt của những vật chắn,

độ thẳng của giếng, khoảng hở giữa cần khoan và thành giếng – sẽ xác định tốc độ

hạ ống chống Trong điều kiện lí tưởng, ống chống có thể được hạ với tốc độ 1000 ft/hr trên bờ biển Gulf tới 2000 ft/hr trong những vùng đá cứng

Hiện tượng tăng vọt áp xuất (pressure surge) xuất hiện do mùn khoan hồi

về trong khoảng không vành xuyến tăng trong quá trình hạ ống chống Phương pháp toán học cho việc tính toán áp suất tăng vọt trong khi hạ ống chống được phát triển trong đầu những năm 1950 Phương pháp này sau đó đã được chứng thực bằng các bộ ghi áp suất trong chuỗi ống chống Bởi vì nó rất phức tạp, phương pháp toán học tốt nhất nên được thực hiện bằng máy tính Áp suất hạ ống chống – được biểu diễn theo EMD – bằng tỉ trọng mùn khoan tĩnh thông thường cộng với áp suất tăng vọt và phải nằm trong cửa sổ áp suất

Vỏ mùn trên vách được loại bỏ, khối lượng riêng của mùn khoan tăng, phụ thuộc vào thể tích bị loại bỏ trong quá trình nạo Sau khi đầu chứa nút hay đầu trám xi măng được liên kết, có sự thông giếng phía trên ống chống trước khi tuần hoàn bắt đầu Trong suốt quá trình trộn, áp suất bơm – lưu lượng tuần hoàn xi măng – luôn thấp hơn bởi vì xe tải xi măng chỉ có một bơm trên một giếng Sau khi được trộn, quá trình bơm và trao đổi được dừng lại để giải phóng nút trám xi măng và chuyển sang sử dụng máy bơm của giàn Cột xi măng nặng hơn gây ra sự chuyển động đi lên của dung dịch trong vành xuyến, duy trì áp suất thay thế chống lại thành hệ Khi quá trình bơm và trao đổi bắt đầu trở lại, nút trám xi măng đầu bắt kịp với xi măng và lưu lượng thay thế trở lại bình thường Áp suất thay thế tiếp tục tăng khi xi măng di chuyển vào trong vành xuyến cho đến khi nút chạm vào ống nổi

Hình 3: Lưu lượng bơm trên bề mặt và lưu lượng dòng hồi vành xuyến

2. NHỮNG LƯU Ý ĐẶC BIỆT KHI THIẾT KẾ ỐNG CHỐNG

2.1. Cách thức hạ ống chống

Ống chống nên được đặt vào giếng để điều kiện làm việc trong tương lai đối với ống chống sẽ không gây ra hiện tượng quá tải và dẫn đến hư hỏng ống chống

Trong hầu hết các trường hợp, cột ống chống nên được đặt vào đầu giếng với tải trọng treo như khi đã được trám xi măng (nghĩa là với tải trọng của ống chống đã được nâng lên)

Ống chống không được hỗ trợ giữa những đầu mút cố định, sau khi được treo và trám xi măng, có thể phát sinh những vấn đề tiềm tàng

1. Áp suất, tỉ trọng dung dịch, và nhiệt độ làm thay đổi tải trọng dọc trục

mà, nếu đủ lớn, có thể gây ra mất ổn định và gây lệch về một phía của

ống chống Những thay đổi tải trọng này nên được chú ý để ngăn cản hiện tượng quá tải của ống chống và những hư hỏng nối tiếp sau đó

2. Cột ống chống với đầu mút cố định có những thay đổi trong tải dọc trục

là kết quả của sự thay đổi môi trường Tải trọng dọc trục tăng khi áp suất trong ống tăng hay nhiệt độ trung bình giảm Sự tăng tỉ trọng dung dịch trong ống kéo theo hiệu ứng tăng áp suất trung bình trong ống và,

do đó, tăng tải trọng dọc trục trên ống chống Tải trọng dọc trục giảm khi áp suất ngoài ống tăng, do tăng trọng lượng dung dịch bên ngoài, hoặc nhiệt độ trung bình tăng Những lực này có thể thường xuyên được tính khá chính xác dựa trên cơ sở những dự đoán được thực hiện trước khi chống ống Nhiệt độ tăng, do các dung dịch trong giếng gây ra, sẽ làm giảm ứng suất kéo đối với ống chống trong suốt quá trình chống ống Nếu nhiệt độ của ống chống giảm tới một mức nào đó, rất phổ biến khi chống ống, ống chống sẽ co lại và tải trọng kéo sẽ tăng Ứng suất giảm do những chuyển động của trái đất rất hiếm gặp và khó để đánh giá

Những lí do thông dụng nhất của việc hư hỏng ống chống là do độ lệch của giếng quá lớn, gây ra ứng suất cong lớn; sự ăn mòn, bên trong lẫn bên ngoài; sự mài mòn bên trong ống chống; và những thay đổi trạng thái của giếng, làm tăng những ứng suất trong ống chống (hình 4)

Hình 4: Ống chống bị nén do nhiệt độ tăng trong suốt quá trình khai thác

Hình 5: Sự hư hỏng ống chống trong thành hệ muối Ống chống không thường xuyên bị hư hỏng cho đến khi áp suất và trạng thái của giếng bị thay đổi sau khi đã chống ống được một khoảng thời gian Một ví

dụ cho trường hợp này có thể được tìm thấy trong thành hệ muối của vùng Bắc Dakota, Montana, Ai Cập và trong vùng biển Bắc Những thành hệ muối ở đây nở

ra trong suốt quá trình khoan và không thể hạn chế vùng nở ra này bằng xi măng

Và kết quả là những đoạn thành hệ muối này chảy ra tạo ứng suất uốn cực lớn gây

hư hỏng ống chống (hình 5) Phương pháp giải quyết vấn đề này là sử dụng những ống nặng hơn trong suốt thành hệ muối và để định tâm cũng như di chuyển ống chống Trong những ống chống được thiết kế cho những điều kiện này, ta nên ghi vào trong bảng báo cáo không chỉ lực uốn, lực kéo, lực nổ mà còn ứng suất uốn cong, tải trao đổi và hiệu ứng bơm ép xi măng

2.2. Điều kiện chịu tải khi trám xi măng

Trạng thái chịu tải lớn nhất xảy ra trên ống chống khi một lượng lớn xi măng được bơm vào cột ống chống mà trọng lượng mùn khoan trong ống chống tương đối thấp Khi vữa xi măng được bơm vào ống chống, trọng lượng tăng lên lớn nhất khi tất cả xi măng đi vào ống chống Trọng lượng tăng lên bị thất thoát một phần do ma sát trong khoảng không vàng xuyến Trọng lượng này có thể gần bằng tải trọng an toàn lớn nhất trong cột ống chống và có thể làm dừng quá trình

trao đổi Vì vậy, phải chọn ống có độ bền kéo cao hơn để nâng cấp khả năng chịu tải lớn nhất của cột ống chống

Tải trọng an toàn lớn nhất nên được tính cho mỗi thiết kế ống chống để người điều hành mỏ có thể điều chỉnh điều kiện tại giàn để ngăn cản sự vượt quá

độ bền kéo của ống trong suốt quá trình trám xi măng Hệ số an toàn nhỏ nhất phải được giả định để tính toán lực kéo an toàn lớn nhất Tải trọng lớn nhất được cho phép là trọng lượng của cột ống chống trong dung dịch cộng với lực kéo mà không làm giảm hệ số thiết kế kéo cho bất kì đoạn nào dưới 1.3 Tải trọng cong cho giếng khoan định hướng và giếng có góc khuỷu cũng phải được xem xét

Công thức dưới đây có thể được sử dụng để tính tải trọng xi măng gần đúng

bỏ qua hiệu ứng do bơm Tải trọng treo lớn nhất xảy ra khi tất cả xi măng vào ống chống:

Với

: tải trong treo, lbm : khối lượng ống chống, lbm/ft : độ sâu đặt ống chống, ft : tiết diện trong của ống chống, in2

: chiều dài mùn khoan, ft : khối lượng riêng mùn khoan, lbm/gal : chiều dài xi măng, ft

: khối lượng riêng xi măng, lbm/gal : tiết diện ngoài của ống chống, in2

VD: Chiều sâu giếng: 12000 ft

Ống chống: 7 in., 26 lbm/ft S-95, ID 6.276 in (30.9 in2) Giếng khoan: thẳng đứng, in., mang mùn khoan 11.5 lbm.gal

Xi măng: đỉnh tại 5500 ft được trộn với tỉ trọng 15.8 lbm/gal

Dữ liệu khác: lỗ khoan in

Thể tích: 5500 ft xi măng

Bên ngoài: 1309 ft3 (5500 0.2380) Bên trong: 6093 ft3 (5500 4.655)

Tại bề mặt, tải trọng là 299560 lbm

Trong ví dụ trên, trọng lượng của ống chống trong không khí là 312000 lbm, và trong mùn khoan – do đẩy nổi – trọng lượng của ống chống là 257000

lbm Khi xi măng được bơm vào trong ống, tải trọng là 299560 lbm Trong khi trám xi măng, khuynh hướng tự nhiên sẽ coi ống chống đang bị kéo trong khi được bơm đầy xi măng Khi xi măng được chuyển vào khoảng không vành xuyến, trọng lượng giảm Trong trường hợp này, có một khuynh hướng khác là xem ống chống như đang cắm Nếu sự thay đổi tải trọng được biết, ta có thể dự đoán những vấn đề xảy ra và sự thay đổi của đồng hồ tải trọng tốt hơn

2.3. Mất ống chống tại đáy lỗ khoan

Ống chống trám xi măng không đúng quy cách dễ bị yếu hay chấn động do

sự tiếp cần hay nâng thả chuỗi cần khoan.Chi phí khắc phục cao hay thậm chí là mất lỗ khoan là kết quả do sử dụng xi măng giá rẻ,điểm kết nối tại đáy của ống chống bị vặn lỏng ra hay gãy.Sự hư hỏng của khớp nối đáy ống chống bề mặt hay trung gian thường trong vài khu vực.Nhiều hư hỏng không phát hiện được đến khi giếng có biểu đồ log.Khi đó nó được nhận biết khi 1 hay 1 vài khớp nối tách ra từ ống chống và mất dưới lỗ khoan.Phần bị tách ra này gây nên mất tuần hoàn hay dịch chuyển sang ngang,hạn chế sự di chuyển của dụng cụ khoan.Cứu sự cố là tập hợp phần ống chống tách ra và bít phần thành hệ bị mở rộng.Hình dưới miêu tả những trường hợp mất ống chống khác nhau

Mất ống chống trong lỗ khoan 2.4. Áp suất trong và ngoài thay đổi

2.4.1.Áp suất bên trong ống chống thay đổi

Ống chống được chọn lựa theo áp suất bên trong có thể chịu được mà không gây nổ.Tuy nhiên việc áp suất bên trong thay đổi cũng gây nên sự thay đổi nghiêm trọng ứng suất dọc trục.Việc thay đổi ứng suất dọc trục xảy ra trong suốt hay sau khi ống chống được hạ và trám xi măng.Trong suốt quá trình trám xi măng,ống chống đạt áp suất bên trong cao do áp lực thủy tĩnh của cột vữa xi măng và áp lực bơm bơm vào để đẩy cột xi măng.Nó không chỉ tạo ra ứng suất chuyển tiếp trên thành ống chống ,có khuynh hướng làm nổ ống chống,mà còn tạo ra ứng suất dọc trục,có khuynh hướng làm nứt ống chống.Áp suất trong có khuynh hướng làm giãn,tăng đường kính của ống chống đồng thời làm cho ống chống bị kéo dài ra

Áp suất trong có khuynh hướng tăng đường kính và giảm chiều dài ống

chống Trong khi khuynh hướng nổ thường được nhận biết và duy trì trong giới hạn nổ bởi người kỹ sư,ứng suất dọc trục đôi khi không được quan tâm kỹ càng.Điều này có thể gây nên hệ quả tai hại,đặc biệt nếu xi măng bắt đầu đông cứng về phía cuối phần thay thế và nếu áp suất bơm tăng để hoàn tất quá trình trám xi măng

Áp suất bề mặt bên trong ống chống gây ra bởi tải trọng dọc trục được xác định bởi công thức:

Với:

:Lực dọc trục ống chống

:áp suất bên trong ống chống

:Đường kính trong ống chống

Cần phải lưu ý trong suốt quá trình thực thi phải chắc rằng định mức nổ và sức căng của ống chống không vượt quá mức cho phép.Sự tăng áp suất bên trong gây nên sự tăng về ứng suất tiếp,ống chống có khuynh hướng bị co nén lại.Tương tự,sự giảm áp suất bên trong làm cho ống chống có khuynh hướng kéo giãn ra.Tuy nhiên một khi ống chống được trám xi măng hay nối với bộ phận đầu giếng,nó không được tự do kéo giãn ra hay co nén lại tương ứng với sự thay đổi áp suất bên trong ống chống

Ứng suất dọc trục theo định luật Hook được cho bởi công thức:

: hệ số Poison

:Diện tích bên trong ống chống

:Diện tích ống chống không tính phần bên trong

:Sự thay đổi áp suất bên trong ống chống

Thay thế µ = 0.3 và chuyển công thức trên sang tính lực dọc trục:

=>Dấu hiệu rõ ràng thể hiện sự tăng lực căng khi có sự tăng áp suất bên trong

VD: Ống chống có ID = 12.459 in, độ bền đứt 853,000 lbf lơ lửng từ bề mặt trong khi trám xi măng.Trọng lượng hiệu dụng ống chống là 300,000lbf, hệ số an toàn là 1.3.Hỏi áp suất bơm được sử dụng để bơm xi măng 1 cách an toàn?

Lực dọc trục:853,000/1.3- 300,000 = 356,154 lbf

Fa = pi.π.d2/4  356,154 = pi π (12.459)2/4

 pi =2,921 psig 2.4.2.Áp suất bên ngoài ống chống thay đổi

Điều kiện thiết kế chịu tải cho áp suất bên ngoài dựa trên tỷ trọng dung dịch còn lại bên ngoài ống chống trong suốt quá trình trám xi măng.Ống chống có thể chịu được áp suất bên ngoài mà không sụp lở thì được chọn.Vài trường hợp gặp phải áp suất bên ngoài cao hơn nó gây ra bởi dung dịch.Thường xảy ra ống chống

đi xuyên qua thành hệ ( có thể là muối ),và khi ống chống xuyên qua vùng đóng