Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang x m ỏ y

Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang x m ỏ y

TÍNH TOÁN HỢP LÝ LƯU LƯỢNG DUNG DỊCH

GIẾNG NGANG X MỎ Y

Ngày nay, giếng khoan ngang là một phần không thể thiếu trong nền công nghiệp dầu khí Tính hiệu quả kinh tế đạt được từ những giếng ngang cũng đã khẳng định vị thế vượt trội so với giếng khoan đứng hoặc xiên, nhất là trong các vỉa mỏng hoặc có khe nứt thẳng đứng như: gia tăng diện tích dẫn lưu của vỉa, tăng hiệu quả thu hồi dầu tăng cường, tăng độ thấm của vỉa… Tuy nhiên, giếng khoan ngang đòi hỏi kỹ thuật khoan cao hơn, khó giám sát quỹ đạo khoan và phải tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan hợp lý nhằm giải phóng mùn khoan hiệu quả mà vẫn đảm bảo phá hủy đất đá tốt

Việc xác định lưu lượng tuần hoàn dung dịch để vận chuyển mùn khoan cho giếng ngang vốn khó khăn và phức tạp hơn giếng đứng Lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan là đại lượng rất quan trọng và cần phải được tính toán chính xác trong các đoạn giếng ngang Giá trị lưu lượng này cần được tính toán sao cho đảm bảo cân bằng áp suất đáy giếng và áp suất vỉa, cũng như khả năng phá hủy đất đá của choòng và vận chuyển mùn khoan hiệu quả Nếu giá trị này không được tính toán chính xác, bên cạnh làm cho quá trình tối ưu hóa thủy lực khoan không hiệu quả còn có thể gây ra sự lắng đọng mùn khoan, từ đó gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng Trong quá trình khoan ngang, lắng đọng mùn khoan là vấn đề cực kì quan trọng cần phải giải quyết Khi mùn khoan tập trung nhiều trong giếng khoan ngang sẽ dẫn đến các vấn đề như: mômen xoắn tăng, kẹt cần, khó khăn trong quá trình kéo thả ống chống, bơm trám xi măng… gây ra nhiều chi phí lớn cho giếng khoan

Vì vậy, luận văn này sẽ tập trung tính toán lưu lượng tuần hoàn để bên cạnh việc vận chuyển mùn khoan hiệu quả còn đảm bảo khả năng phá hủy đất đá của choòng Điều này giúp nâng cao hiệu quả và hạn chế rủi ro khi khoan các đoạn giếng ngang

Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang X mỏ Y

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết tính toán tối ưu hóa thủy lực khoan và tính toán thủy lực khoan cho động cơ đáy

Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan và tìm hiểu

cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch tối thiểu trong đoạn giếng khoan ngang Từ đó tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch tối thiểu để vận chuyển mùn khoan cho đoạn khoan ngang của giếng X mỏ Y

Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng ngang X mỏ Y

IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

Phạm vi nghiên cứu của luận văn này là đoạn giếng khoan ngang của giếng X mỏ Y

Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính toán tối ưu hóa thủy lực khoan

và lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan tối thiểu để vận chuyển mùn khoan cho giếng ngang, đánh giá khả năng ứng dụng và đề xuất phương pháp thích hợp cho đoạn khoan ngang của giếng X mỏ Y

Với đề tài “Tính toán hợp lý lưu lượng dung dịch giếng ngang X mỏ Y” hướng nghiên cứu sẽ tập trung vào các luận điểm chính sau:

Chương 1: Tổng quan về điều kiện địa chất và công tác khoan ngang tại mỏ Y Chương 2: Khái quát về cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực khoan cho động cơ đáy

và tối ưu hóa thủy lực khoan cho choòng

Chương 3: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan,

hệ thống hóa và so sánh các phương pháp tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan tối thiểu trong đoạn giếng khoan ngang

Chương 4: Tính toán hợp lý lưu lượng tuần hoàn dung dịch khoan cho giếng

ngang X mỏ Y

Chương 1: Đặc điểm địa chất mỏ Y

1.1 Khái quát địa chất mỏ Y

1.1.1 Giới thiệu về mỏ Y

1.1.2 Mô tả địa tầng mỏ Y

1.2 Công tác khoan ngang tại mỏ Y

Chương 2: Lý thuyết về tính toán và tối ưu hóa thủy lực khoan.

2.1 Mô hình lưu biến

2.1.1 Mô hình Newton

2.1.2 Mô hình Bingham

2.1.3 Mô hình hàm mũ

2.1.4 Mô hình Herschel-Bulkley

2.2 Phương trình xác định tổn thất áp suất

2.2.1 Mô hình Newton

2.2.2 Mô hình Bingham

2.2.3 Mô hình hàm mũ

2.2.4 Mô hình Herschel – Bulkley

2.3 Vận tốc trượt của hạt cắt

2.3.1 Chất lỏng Newton

2.3.2 Chất lỏng phi Newton

2.3.3 Những mô hình thực nghiệm về vận tốc trượt của hạt mùn khoan 2.4 Thủy lực khoan trong động cơ đáy

2.4.1 Ứng dụng của động cơ đáy

2.4.2 Cấu tạo của động cơ đáy

2.4.3 Tính toán thủy lực khoan trong động cơ đáy

2.5 Các chế độ tối ưu hóa thủy lực khoan

2.5.1 Cực đại vận tốc vòi phun

2.5.2 Cực đại công suất thủy lực

2.5.3 Cực đại lực va đập thủy lực

2.5.4 Phương pháp xác định lưu lượng tối ưu

2.5.4.1 Phương pháp đồ thị

2.5.4.2 Phương pháp giải tích

2.6 Tỷ trọng tuần hoàn tương đương

Chương 3: Vận chuyển mùn khoan cho đoạn giếng khoan ngang.

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan trong đoạn giếng khoan ngang

3.1.1 Vận tốc quay của cần khoan

3.1.2 Tính lưu biến của dung dịch khoan

3.1.3 Góc nghiêng của giếng

3.1.4 Kích thước mùn khoan

3.1.5 Vận tốc vành xuyến

3.1.6 Lưu lượng tuần hoàn dung dịch

3.1.7 Tốc độ khoan cơ học

3.1.8 Tỷ trọng dung dịch

3.1.9 Độ lệch tâm của trục cần khoan

3.1.10 Đường kính lỗ khoan và đường kính cần khoan

3.2 Tính toán lưu lượng tuần hoàn dung dịch để vận chuyển mùn khoan cho đoạn giếng ngang

3.2.1 Phương pháp cơ học

3.2.1.1 Phương pháp cân bằng lực

3.2.1.2 Phương pháp bảo toàn khối lượng

3.2.2 Phương pháp tương quan thực nghiệm

3.2.3 So sánh các phương pháp

Chương 4: Tính toán hợp lý lưu lượng dung dịch cho giếng ngang X mỏ Y.

4.1 Dữ liệu đầu vào

4.2 Tính toán tổn thất áp suất

4.2.1 Tổn thất áp suất trong cần

4.2.2 Tổn thất áp suất trong khoảng không vành xuyến

4.3 Tính toán thủy lực khoan cho động cơ đáy

4.4 Tính toán lưu lượng dung dịch tối thiểu vận chuyển mùn khoan cho đoạn giếng ngang X mỏ Y

4.5 Lựa chọn lưu lượng dung dịch hợp lý cho giếng ngang X mỏ Y

Chương 1: LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU HÓA THỦY LỰC KHOAN 1.1 Mô hình lưu biến

1.1.1 Mô hình Newton

Mô hình Newton là mô hình diễn tả mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt Những chất lưu thường ứng xử như mô hình Newton như nước, khí, dầu có tỷ trọng cao

Mô hình Newton xác định như sau:

Trong đó:

là ứng suất trượt (lbf/100ft2)

là độ nhớt (cp)

là tốc độ trượt (s-1)

1.1.2 Mô hình Bingham

Mô hình Bingham được diễn tả theo mối quan hệ sau:

khi

khi

khi

Trong đó:

là ứng suất trượt tới hạn (lbf/100ft2)

là độ nhớt của chất lỏng (cp)

Theo mối quan hệ trên, chất lưu ứng xử theo mô hình Bingham chỉ bắt đầu chuyển động khi ứng suất trượt đạt giá trị tới hạn nhất định

Các giá trị và được xác định từ kết quả đo dung dịch bằng nhớt kế ở tốc độ quay 300 và

600 vòng/phút

Trong đó:

và là số đo trên nhớt kế Fann tương ứng với tốc độ quay N2 và N1 vòng/phút

và là số đo trên nhớt kế Fann tương ứng với tốc độ quay 300 và 600 vòng/phút

1.1.3 Mô hình hàm mũ

Mô hình hàm mũ mô tả ứng xử của chất lưu theo qui luật hàm mũ:

hoặc

Trong đó:

K là chỉ số độ sệt (lbf/100ft2)

n là chỉ số đặc trưng cho ứng suất cơ học của dòng chảy, không thứ nguyên (n=0÷1) Nếu n=1 thì mô hình hàm mũ sẽ mô tả ứng xử của chất lưu Newton

Các thông số n và K được tính theo các số liệu thực nghiệm:

1.1.4 Mô hình Herschel – Bulkley.

Đây là mô hình hoàn chỉnh nhất và thường được sử dụng trong các phần mềm tính toán như Drillbench Mô hình Herschel – Bulkley được biểu diễn bởi phương trình:

Trong đó:

là ứng suất trượt Herchel – Bulkley (lbf/100ft2)

là chỉ số Herchel – Bulkley (lbfsm/100ft2)

m là chỉ số đặc trưng cho ứng xử dòng chảy

1.2 Phương trình xác định tổn thất áp suất

1.2.1 Mô hình Newton

1.2.1.1 Vận tốc trung bình

Trong đường ống:

Trong vành xuyến:

Trong đó:

là vận tốc trung bình dòng chảy (ft/s)

q là lưu lượng dòng chảy (gal/min)

d là đường kính trong của bộ khoan cụ (in)

d1 là đường kính ngoài của bộ khoang cụ (in)

d2 là đường kính trong của ống chống hoặc đường kính của giếng (in)

1.2.1.2 Dòng chảy tới hạn

Trong đường ống:

Trong vành xuyến:

Trong đó:

là số Reynolds tới hạn

là số Reynolds

là khối lượng riêng của dung dịch (lbm/gal)

là độ nhớt của dung dịch (cp)

Nếu:

là dòng chảy tầng

là dòng chảy rối

1.2.1.3 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy tầng

Trong đường ống:

Trong vành xuyến:

Trong đó:

là tổn thất áp suất trên một đơn vị chiều dài (psi/ft)

1.2.1.4 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy rối

Trong ống:

Hay:

Trong vành xuyến:

Hay:

Trong đó:

f là hệ số ma sát

1.2.2 Mô hình Bingham

1.2.2.1 Vận tốc trung bình dòng chảy

Trong đường ống:

Trong vành xuyến:

1.2.2.2 Dòng chảy tới hạn

Trong ống:

Số Hedstrom được tính theo công thức:

Sau khi tính số Hedstrom, số Reynolds tới hạn được tra từ đồ thị

Số Reynolds được tính theo công thức:

Trong vành xuyến:

Sau khi tính số Hedstrom, số Reynolds tới hạn được tra từ đồ thị

Số Reynolds được tính theo công thức:

Nếu:

là dòng chảy tầng

là dòng chảy rối

1.2.2.3 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy tầng

Trong đường ống:

Trong vành xuyến:

1.2.2.4 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy rối

Trong cần:

Hay:

Trong vành xuyến:

Hay:

1.2.3 Mô hình hàm mũ

1.2.3.1 Vận tốc trung bình của dòng chảy

Trong cần:

Trong vành xuyến:

1.2.3.2 Dòng chảy tới hạn

Trong cần:

Số Reynolds tới hạn NRec tra từ đồ thị theo chỉ số dòng chảy n

Số Reynolds tính theo công thức:

Trong vành xuyến:

Số Reynolds tới hạn NRec tra từ đồ thị theo chỉ số dòng chảy n

Số Reynolds tính theo công thức:

Nếu:

là dòng chảy tầng

là dòng chảy rối

1.2.3.3 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy tầng Trong cần:

Trong vành xuyến:

1.2.3.4 Tổn thất áp suất do ma sát của dòng chảy rối

Trong cần:

Trong vành xuyến:

1.2.4 Mô hình Herschel – Bulkley

1.2.4.1 Dòng chảy tầng

Trong cần:

Với chất lưu Herschel – Bulkley, Govier và Aziz cho rằng N được tính theo phương trình sau:

Trong đó:

Vận tốc trượt có hiệu được tính:

Độ nhớt có hiệu:

Tổn thất áp suất:

Trong vành xuyến:

Tổn thất áp suất:

Trong đó:

: Đường kính có hiệu (in)

: Đường kính thủy lực (in)

1.2.4.2 Dòng chảy chuyển tiếp

Trong cần:

Tổn thất áp suất:

Trong vành xuyến:

Trong đó:

Tổn thất áp suất:

1.2.4.3 Dòng chảy rối

Trong cần:

Hệ số ma sát được tính theo phương trình sau:

Tổn thất áp suất:

Trong vành xuyến:

Tổn thất áp suất:

1.3 Các chế độ tối ưu hóa thủy lực khoan

1.3.1 Cực đại vận tốc vòi phun

Vận tốc vòi phun có thể được tối đa hóa nhưng phải thỏa mãn 2 điều kiện sau:

- Vận tốc dung dịch ở vành xuyến cần phải đủ lớn để nâng mùn khoan ra khỏi giếng

- Áp suất bơm ở bề mặt không đượt vượt quá áp suất cho phép tối đa của bơm và thiết bị bề mặt

Từ phương trình:

Với và là những giá trị cố định, có thể suy ra:

Vì vậy, để tối đa hóa vận tốc vòi phun cần phải tối đa hóa tổn thất áp suất ở choòng khoan Điều này có thể đạt được khi áp suất bơm được tối đa hóa và tổn thất áp suất do

ma sát trong bộ khoan cụ, khoảng không vành xuyến được tối thiểu hóa

1.3.2 Cực đại công suất thủy lực

Trong đó:

thường được gọi là áp suất kí sinh (parasitic pressure), loại áp suất không mong muốn nhưng luôn luôn tồn tại

Công suất thủy lực của choòng:

Với: (0<m<2)

Ta có được:

Lấy đạo hàm phương trình

Như vậy, công suất thủy lực đạt cực đại khi:

Đối với dòng chảy rối, giá trị m thường lấy bằng 1,75 Nhưng tốt nhất nên xác định m từ hai dữ liệu áp suất thực tế bơm tại hai chế độ lưu lượng khác nhau:

1.3.3 Cực đại lực va đập thủy lực

Tương tự như cực đại công suất thủy lực, từ phương trình:

Với:

Lấy đạo hàm phương trình

Như vậy, lực va đập thủy lực đạt cực đại khi:

1.3.4 Phương pháp xác định lưu lượng tối ưu

1.3.4.1 Phương pháp đồ thị

Từ số liệu tổn thất áp suất trong toàn bộ hệ thống và ở hai chế độ lưu lượng khác nhau

và , biểu diễn đường thẳng đi qua hai điểm (,) và (,) trên đồ thị log – log Đường thẳng này có hệ số góc là m:

Vẽ đường thủy lực tối ưu gồm ba đoạn cũng trên đồ thị log – log này:

- Đoạn 1: q=qmax được xác định dựa trên đặc tính của bơm

- Đoạn 2: dựa trên chế độ tối ưu hóa thủy lực khoan, hoặc cực đại công suất của choòng hoặc dùng cực đại lực va đập

- Đoạn 3: q=qmin được xác định đựa vào lưu lượng tối thiểu có thể nâng được mùn khoan

Sau khi có đường thủy lực tối ưu, giao điểm của nó với đường tổn thất áp suất là điểm hoạt động có lưu lượng tối ưu và tổn thất áp suất qua hệ thống tối ưu

1.3.4.2 Phương pháp giải tích

- Xác định qmin, qmax

- Tính

Hay

- Tính hệ số C từ tổn thất áp suất dọc theo hệ thống:

- Tìm q1 từ và C theo phương trình:

- Nếu:

qmin < q1 < qmax thì lưu lượng tối ưu là qtư = q1

qmax < q1 thì lưu lượng tối ưu là qtư = qmax

qmin > q1 thì lưu lượng tối ưu là qtư = qmin

Từ giá trị lưu lượng tối ưu, có thể tính được diện tích vòi phun tối ưu, công suất thủy lực tối ưu hoặc lực va đập tối ưu của choòng, vận tốc nâng tối ưu trong vành xuyến

1.4 Vận tốc trượt của hạt cắt

Vận chuyển mùn khoan ra khỏi giếng là một trong những chức năng quan trọng của dung dịch khoan Vận tốc trượt giúp xác định tốc độ mà mùn khoan lắng xuống đáy giếng, từ

đó có thể xác định được hiệu quả làm sạch mùn khoan của dung dịch Tuy nhiên, việc xác định chính xác giá trị vận tốc trượt gặp nhiều khó khăn do dạng hình học của hạt mùn khoan và các điều kiện biên rất phức tạp

1.4.1 Chất lưu Newton

Trong lượng W của hạt mùn khoan có tỷ trọng và thể tích là:

g

Trong đó, g là gia tốc trọng lực.

Lực đẩy nổi có thể được biểu diễn bằng trọng lượng của thể tích dung dịch bị thay thế bởi mùn khoan:

g

Lực kéo do độ nhớt tác động lên mùn khoan:

g

Nếu hạt có dạng hình cầu:

g

Theo Stokes, lực kéo do độ nhớt F quan hệ với vận tốc trượt :

Như vậy, vận tốc trượt có thể tìm được qua công thức:

g

Công thức này được gọi là định luật Stokes

Định luật Stokes được chuyển sang hệ đơn vị field:

Công thức tính số Reynolds theo hệ đơn vị field:

Định luật Stokes chỉ cho kết quả chấp nhận được nếu số Reynolds nhỏ hơn 0,1 Nếu lớn hơn giá trị này, cần phải sử dụng hệ số ma sát tìm từ thực nghiệm:

Trong đó:

F là lực kéo do độ nhớt của dung dịch.

A là tiết diện của hạt mùn khoan

là động năng trên một đơn vị thể tích

Nếu tiết diện A là hình tròn thì:

Chuyển sang hệ đơn vị field:

Từ phương trình này có thể suy ra vận tốc trượt của hạt:

Phương trình này có thể sử dụng ngay cả khi số Reynolds nhỏ hơn 0,1 Trong trường hợp

này, hệ số ma sát f được tính theo công thức:

Trường hợp hạt không phải là hình cầu xuất hiện thêm đại lượng được gọi là độ cầu ψ của hạt Độ cầu của hạt là tỷ số giữa diện tích bề mặt của hạt hình cầu có cùng thể tích với hạt chia cho diện tích bề mặt của hạt Bảng sau liệt kê độ cầu của một số hình dạng hạt khác nhau

Hình dạng Độ cầu

Bát diện đều 0,85 Lập phương 0,81 Lăng trụ

l – l - 2l

l – 2l – 2l

l – 2l – 3l

0,77 0,76 0,73 Trụ

h=r/15 h=r/10 h=r/3 h=r h=2r h=3r h=10r h=20r

0,25 0,32 0,59 0,83 0,87 0,96 0,69 0,58 Sau khi có được độ cầu ψ, có thể sử dụng đồ thị để tìm ra hệ số ma sát f và số Reynolds của hạt không phải hình cầu này

1.4.2 Chất lưu phi Newton

Theo mô hình chất lưu phi Newton, hạt sẽ không lắng xuống nếu trọng lực và lực đẩy nổi tác dụng lên nó không thắng được sức bền gel của chất lưu

Đối với hạt hình cầu, lực cần để phá vỡ cấu trúc gel là:

Trọng lực và lực đẩy nổi tác dụng lên hạt:

Hạt sẽ bắt đầu lắng động nếu F > F 1

Suy ra:

Công thức này giúp xác định đường kính lớn nhất của hạt mùn khoan mà dung dịch có thể giữ được, không gây ra trượt

1.4.3 Những mô hình thực nghiệm về vận tốc trượt của hạt mùn khoan

1.4.3.1 Phương pháp hiệu chỉnh của Moore

Moore đề xuất phương pháp xác định vận tốc trượt thông qua việc xác định độ nhớt biểu kiến Newton và số Reynolds như sau:

Trong đó:

: độ nhớt biểu kiến (cp)

K : chỉ số độ sệt

n : chỉ số đặc trưng ứng xử của dòng chảy

, : đường kính trong và ngoài của vành xuyến

: vận tốc trung bình của chất lưu trong vành xuyến (ft/ph)

Số Reynolds của hạt mùn khoan được xác định bằng công thức:

Nếu N Re > 300 thì f = 1,5 lúc đó:

Nếu thì:

Nếu 3 < NRe < 300 thì:

Ban đầu

1.4.3.2 Phương pháp hiệu chỉnh của Chien

Tương tự Moore, Chien sử dụng độ nhớt biểu kiến để xác định số Reynolds của hạt Đối với dung dịch Polymer, độ nhớt biểu kiến được tính như sau:

Số Reynolds của hạt được tính theo công thức

Nếu NRe > 100, Chien cho rằng:

f=1,72

Nếu NRe ≤ 100: