Tính toán và đánh giá trạng thái động học bộ khoan cụ đường kính nhỏ trong đá móng nứt nẻ tại vùng biển Việt Nam

Việc phát hiện thân dầu trong tầng đá móng nứt nẻ đã mở ra kỷ nguyên mới trong công tác tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí ở Việt Nam, đánh dấu một bước ngoặt trong việc nhận định và đánh giá mới về tiềm năng dầu khí ở thềm lụa địa phía Nam, thay đổi cách nhìn nhận và xác định chiến lược thăm dò dầu khí ở khu vực. Kể từ khi phát hiện ra dầu trong đá móng, công tác khoan tập trung vào đối tượng tầng đá móng. Để nâng cao hiệu quả công tác khoan, cần phải nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khoan. Các nghiên cứu trước đây chỉ nghiên cứu đơn lẻ một vấn đề nên chưa đánh giá được ảnh hưởng đồng thời của tất cả các yếu tố đến hệ động lực học quá trình khoan. Do đó, nghiên cứu, đánh giá tác động của các nhân tố tới hệ thống động học bộ khoan cụ đường kính nhỏ trong đá móng nứt nẻ ở vùng biển Việt Nam để định hướng các giải pháp công nghệ trong việc lắp ráp bộ dụng cụ khoan phù hợp.

MỤC LỤC

Danh mục ký hiệu 6

Danh mục hình ảnh 7

Danh mục bảng biểu 8

Danh mục các phương trình 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I 12

KHÁI QUÁT VỀ HOẠT ĐỘNG KHOAN TẠI MỎ BẠCH HỔ 12

1.1 Giới thiệu chung về mỏ Bạch Hổ 12

1.1.1 Ðịa tầng mỏ Bạch Hổ 12

1.1.2 Lịch sử phát hiện và tổ chức khai thác dầu ở mỏ Bạch Hổ 13

Những mỏ dầu khí trong móng nứt nẻ được tiếp tục phát hiện 13

1.1.3 Các đối tượng khai thác dầu khí của mỏ Bạch Hổ 14

1.2 Công nghệ khoan tại tầng đá móng nứt nẻ mỏ Bạch Hổ 15

CHƯƠNG II 17

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ĐỘNG HỌC BỘ DỤNG CỤ KHOAN ĐƯỜNG KÍNH NHỎ TRONG MÓNG NỨT NẺ MỎ BẠCH HỔ 17

2.1 Sự tác động của hệ động lực học quá trình khoan 17

2.1.1 Những dao động ảnh hưởng lên bộ khoan cụ 17

2.1.2 Các yếu tố gây mất ổn định hệ động lực học quá trình khoan 18

2.2 Nghiên cứu trạng thái làm việc của hệ động lực học quá trình khoan 18

2.2.1 Lý thuyết Tai Biến (Catastrophe Theory): 18

2.2.2 Bảy tai biến cơ bản 19

2.2.3 Ứng dụng lý thuyết Tai Biến để đánh giá ổn định động học của hệ động lực học quá trình khoan 20

CHƯƠNG III 25

MỘT SỐ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ NÂNG CAO HIỆU QUẢ THI CÔNG KHOAN ĐƯỜNG KÍNH NHỎ TRONG THÂN DẦU ĐÁ MÓNG NỨT NẺ MỎ BẠCH HỔ 25

3.1 Hoàn thiện bộ khoan cụ đường kính nhỏ 25

3.1.2 Giải pháp triệt tiêu dao động dọc trục của bộ khoan cụ 26

3.1.3 Tính toán lựa chọn kiểu và loại choòng khoan 27

3.2 Tính toán, lựa chọn các thông số công nghệ, chế độ khoan tối ưu 29

3.2.1 Các cách tiếp cận xây dựng mô hình tính toán 30

3.2.2 Xây dựng mô hình tính toán thông số công nghệ, chế độ khoan tối ưu 31

PHỤ LỤC 37

A Đặc điểm choòng 37

KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

Danh mục ký hiệu

BH Bạch Hổ

JVPC Công ty dầu khí Việt – Nhật

c1,…,cn Tham số điều khiển

dVch Đạo hàm theo vận tốc cơ học

Ɵ Các yếu tố ảnh hưởng của đất đá, chủng loại choòng …

CDR Chi phí cho giàn khoan

R Hệ số tương quan

3-1 Cấu tạo cơ bản của một thiết bị giảm xóc 26

3-2 Choòng khoan IADC code 627 (trái) và IADC code 647

3-3 Bố trí lại răng choòng để chống lặp lại 29 3-4 Phủ phần hợp kim bên hông của choòng khoan 29 3-5 Biểu đồ mô tả giá trị vận tốc khoan cơ học thực tế và tính

2-2 Bảng số liệu khi khoan ở giếng khoan GK112 mỏ Bạch Hổ 22

Danh mục các phương trình

Số phương

2.1 Mô phỏng mô hình hóa một hệ động lực dưới dạng phương

2.3 Giá trị vận tốc khoan Vch phụ thuộc các yếu tố tải trọng

chiều trục, tốc độ vòng quay, lưu lượng bơm,… 20 2.5 Phương trình quá trình phá hủy đất đá của choòng chịu nhiều

MỞ ĐẦU

Việc phát hiện thân dầu trong tầng đá móng nứt nẻ đã mở ra kỷ nguyên mới trong công tác tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí ở Việt Nam, đánh dấu một bước ngoặt trong việc nhận định và đánh giá mới về tiềm năng dầu khí ở thềm lụa địa phía Nam, thay đổi cách nhìn nhận và xác định chiến lược thăm dò dầu khí ở khu vực Kể

từ khi phát hiện ra dầu trong đá móng, công tác khoan tập trung vào đối tượng tầng đá móng

Tính cấp thiết của đề tài

Bể Cửu Long là bể trầm tích có tiềm năng chứa dầu khí nhất trên thềm lục địa Việt Nam nói chung và thềm lục địa Nam Việt Nam nói riêng Mỏ Bạch Hổ thuộc bể trầm tích Cửu Long là mỏ có quy mô lớn nhất, cả về diện tích cũng như trữ lượng, nó đặc trưng cho dầu trong tầng móng granitoid nứt nẻ của bể Cửu Long nói riêng và thế giới nói chung Do đó trong đồ án này nhóm chủ yếu nghiên cứu tập trung vào mỏ Bạch Hổ

Do cấu trúc địa tầng của mỏ Bạch Hổ khá phức tạp, với sự hiện diện của tầng trầm tích Oligocene trên có áp suất vỉa dị thường cao nên để khoan được đối tượng móng cần phải có cấp ống chống 7” cách ly địa tầng Oligocene này, từ đó sử dụng choòng khoan với cấp đường kính 6½” Sau một thời gian dài khai thác, các giếng khoan vào đối tượng móng bị ngập nước, sản lượng khai thác quá thấp và không hiệu quả Do việc khoan giếng mới không khả thi về hiệu quả kinh tế, nên để đảm bảo sản lượng khai thác và nâng cao hệ số thu hồi dầu, cần tận dụng các thân giếng hiện có (giếng không còn hoạt động hay hoạt động kém hiệu quả) để khoan cắt thân, cho phép

mở rộng các khu vực chưa có giếng khoan hoặc vùng bị tách biệt do mực nước dâng lên không đồng nhất trong quá trình khai thác Do thi công trên cấu trúc của giếng khoan cũ, cần sử dụng choòng khoan đường kính nhỏ đến 4½” để khoan vào đối tượng móng Khi độ sâu giếng tăng, đồng nghĩa với góc nghiêng và độ dời đáy của giếng tăng và không kiểm soát được, hiệu suất làm việc của choòng khoan cũng bị ảnh hưởng và kém hiệu quả Hệ thống động học quá trình khoan khi khoan trong đá móng nứt nẻ với choòng khoan đường kính nhỏ 114,3 – 165,1 mm thường xuyên rơi vào trạng thái mất ổn định và mất tính bền động học Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của choòng khoan thấp

Để nâng cao hiệu quả công tác khoan, cần phải nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khoan Các nghiên cứu trước đây chỉ nghiên cứu đơn lẻ một vấn đề nên chưa đánh giá được ảnh hưởng đồng thời của tất cả các yếu tố đến hệ động lực học quá trình khoan Do đó, nghiên cứu, đánh giá tác động của các nhân tố tới hệ thống động học bộ khoan cụ đường kính nhỏ trong đá móng nứt nẻ ở vùng biển Việt Nam để định hướng các giải pháp công nghệ trong việc lắp ráp bộ dụng cụ khoan phù hợp

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và đánh giá trạng thái động học của hệ thống quá trình khoan, cho phép khẳng định hệ thống động học quá trình khoan với choòng khoan đường kính nhỏ thường xuyên rơi vào trạng thái mất ổn định và mất tính bền động học khi khoan trong đá móng nứt nẻ tại các mỏ dầu khí ở thềm lục địa Nam Việt Nam, đặc biệt là mỏ Bạch Hổ Đây là cơ sở để nghiên cứu, hoàn thiện bộ dụng cụ khoan đường kính nhỏ,

từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của choòng trong đá móng, giảm độ mài mòn của choòng khoan, góp phần nâng cao hiệu quả công tác khoan đường kính nhỏ trong đá móng nứt nẻ mỏ Bạch Hổ Xây dựng mô hình vận tốc cơ học khoan cho các loại

choòng khoan đường kính 4½” và 6½”

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thư mục: Thu thập, thống kê, phân tích số liệu thực tế về các thông số chế độ khoan qua từng mét khoan khi thi công các giếng tại mỏ Bạch Hổ;

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết Tai Biến – Catastrophe để nghiên cứu, khảo sát, đánh giá hệ thống công nghệ khoan trên cơ sở phân tích số liệu thực tế của các giếng đã khoan tại mỏ Bạch Hổ để xác định trạng thái động học, xác định đúng thời điểm hiệu chỉnh các tham số công nghệ hay thay đổi kỹ thuật – công nghệ cho phù hợp Thực hiện tính toán so sánh theo mô hình Lancaster để lựa chọn độ bền (độ chịu mài mòn) của vật liệu choòng khoan;

- Ứng dụng công nghệ thông tin: Sử dụng các phần mềm tin học trong khảo sát, đánh giá và phân tích số liệu

Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu, đánh giá hệ động lực học bộ dụng cụ khoan đường kính nhỏ cho phép lựa chọn các thông số chế độ khoan tối ưu, chọn thể loại và kiểu choòng khoan phù hợp với điều kiện đất đá khoan qua với độ cứng cao và độ mài mòn lớn Cho phép

hệ động lực học quá trình khoan làm việc ổn định, tiêu hao năng lượng nhỏ nhất, tuổi thọ thiết bị cao nhất, tăng tối đa tốc độ cơ học khoan và giảm giá thành thi công Xây dựng được mô hình vận tốc khoan cho choòng khoan đường kính nhỏ

Luận điểm bảo vệ

- Đá móng mỏ Bạch Hổ thuộc thềm lục địa Nam Việt Nam là đối tượng phức tạp đối với quá trình khoan bằng choòng khoan đường kính nhỏ Hệ động lực học quá trình khoan khi khoan trong đá móng nứt nẻ với choòng khoan đường kính nhỏ từ 114,3 – 165,1 mm thường xuyên rơi vào trạng thái mất ổn định và mất tính bền động

sai lệch với thiết kế và không kiểm soát được, gián tiếp ảnh hưởng xấu đến hiệu suất phá hủy đất đá của choòng khoan.Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của choòng khoan thấp, thời gian khoan dài và chi phí khoan cao

- Lựa chọn các loại choòng khoan phù hợp với các loại đất đá khoan; tính toán các thông số công nghệ, chế độ khoan hợp lý cho quá trình phá hủy đất đá của choòng khoan và các giải pháp nâng cao hiệu suất làm việc của choòng trong đá móng, giảm

độ mài mòn của choòng khoan, góp phần nâng cao hiệu quả công tác khoan đường kính nhỏ trong đá móng nứt nẻ mỏ Bạch Hổ

Cơ sở tài liệu của đồ án

Đồ án được xây dựng trên cơ sở: Các tài liệu thi công giếng khoan khai thác dầu khí tại các mỏ Bạch Hổ thuộc Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro; Các báo cáo tổng kết hoạt động thăm dò, khai thác dầu khí ở thềm lục địa Nam Việt Nam của Tập đoàn dầu khí Quốc gia Việt Nam; Các bài báo và các công trình nghiên cứu khoa học của các tác giả trong nước và nước ngoài đăng trên các tạp chí chuyên ngành

Bố cục của đồ án

Đồ án gồm lời mở đầu, 3 chương, kết luận và kiến nghị

Chương 1 – Khái quát về hoạt động khoan tại mỏ Bạch Hổ;

Chương 2 – Nghiên cứu trạng thái động học bộ dụng cụ khoan đường kính nhỏ trong đá móng nứt nẻ mỏ Bạch Hổ;

Chương 3 – Một số giải pháp công nghệ nâng cao hiệu quả thi công khoan đường kính nhỏ trong thân dầu đá móng nứt nẻ mỏ Bạch Hổ

Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên đồ án không khỏi còn nhiều khiếm khuyết, nhóm thực hiện đồ án rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô giáo cùng các bạn bè

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HOẠT ĐỘNG KHOAN TẠI MỎ BẠCH HỔ

1.1 Giới thiệu chung về mỏ Bạch Hổ

Mỏ Bạch Hổ nằm ở trung tâm bể Cửu Long, là mỏ lớn nhất Việt Nam và đứng vào hàng thứ 3 trong các mỏ đã phát hiện ở khu vực vành đai Tây Bắc cung Thái Bình Dương (bao gồm: Nhật Bản, Trung Quốc và các nước Asean), chỉ đứng sau mỏ Đại Khánh của Trung Quốc (phát hiện năm 1959) và mỏ Minas của Indonesia (phát hiện năm 1944)

1.1.1 Ðịa tầng mỏ Bạch Hổ

Lát cắt địa chất của mỏ Bạch Hổ (Hình 1-1) gồm móng kết tinh trước Kainozoi

và trầm tích lục nguyên Chiều dày tổng cộng được mở theo chiều thẳng đứng của đá móng là 1990m, của tầng đá trầm tích là 4740m

Hình 1-1 Mặt cắt địa chấn dọc khối nâng Trung tâm mỏ Rồng và Bạch Hổ [8]

Móng gồm đá macma granitoid kết tinh cùng các đai mạch diaba và andesite poocfia, hay còn gọi chung là đá móng Ðộ cứng của đá móng nằm trong khoảng 210 ×105 Pa đến 220 ×105 Pa ( theo nghiên cứu của Trường Đại học Dầu khí Quốc Gia Nga Gubkin – RSUOG và Viện Dầu khí Việt Nam) [11]

Lát cắt trầm tích gồm đá tuổi Paleogen (Oligocen), Neogen (MiocenPliocen) và

1.1.2 Lịch sử phát hiện và tổ chức khai thác dầu ở mỏ Bạch Hổ

Biểu hiện dầu trong đá móng mỏ Bạch Hổ được ghi nhận ở giếng BH-1 nhưng kết quả thử vỉa không cho dòng Giếng khoan BH-6 khoan sâu vào móng 23m đến chiều sâu 3533m vào ngày 05/5/1987 khi thử vỉa cùng với tầng Oligocen cho lưu lượng 477 t/ng Mặc dù còn có nghi vấn nhưng giếng BH-6 được xem là giếng phát hiện đầu tiên dòng dầu có lưu lượng công nghiệp trong tầng chứa là đá móng ở thềm lục địa Việt Nam Dầu trong đá móng nứt nẻ được khẳng định có lưu lượng công nghiệp khi quay lại thử vỉa trong móng ở giếng BH-1 và được đưa vào khai thác ngày 6/9/1988 Lịch sử khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ trong giai đoạn 1986 – 2008 được thể hiện trên biểu đồ (Hình 1-2) dưới đây

Hình 1-2 Động thái khai thác mỏ Bạch Hổ giai đoạn 1986-2008 [8]

Những mỏ dầu khí trong móng nứt nẻ được tiếp tục phát hiện

Tiếp nối sau Vietsovpetro, áp dụng những giải pháp công nghệ và kinh nghiệm của Vietsovpetro khai thác dầu trong đá móng, có cải tiến và hoàn thiện cho phù hợp với đặc điểm mô hình địa chất, đặc tính chất lưu vỉa của từng mỏ, các công ty dầu như Petronas (PCV), JVPC, Cửu long JOC, Hoàng Long – Hoàn Vũ JOC, VRJ đã phát hiện và tổ chức khai thác có hiệu quả các mỏ Rạng Đông, Sư Tử Đen, Sư Tử Vàng, Sư

Tử Nâu, Cá Ngừ Vàng, Ruby, Nam Rồng – Đồi Mồi, Hải Sư Đen… Hiện nay, tổng sản lượng dầu khai thác được từ các mỏ dầu trong đá móng nứt nẻ chiếm phần lớn tổng sản lượng dầu khai thác của Petrovietnam

1.1.3 Các đối tượng khai thác dầu khí của mỏ Bạch Hổ

Trong mô hình cấu trúc 3D mỏ Bạch Hổ (Hình 1-3) thể hiện, mỏ được chia thành 3 vòm đó là Vòm Bắc, Vòm Trung Tâm, Vòm Nam Bề dày toàn bộ các tầng chứa dầu 2150m được mở ra từ móng đến Miocen, trong đó đã phát hiện 126 thân dầu Các thân dầu trong trầm tích có trữ lượng nhỏ, chiều cao thay đổi trong khoảng 15 - 800m Thân dầu móng có chiều cao ước đoán tới 1800m

Ðối tượng chứa dầu chính của mỏ là móng nứt nẻ, hang hốc trước Kainozoi (Hình 1-4) Trong trầm tích Oligocen dưới, Oligocen trên và Miocen dưới các thân dầu

có độ sản phẩm khác nhau, trữ lượng nhỏ, cấu tạo phức tạp Móng nứt nẻ là thành hệ

chứa dầu khí rất đặc biệt, tầng chứa dày, bản thân đá matrix không chứa dầu, và không

có độ thấm khung đá đối với dầu, nhưng dầu lại tập trung trong các hốc, vi rãnh rửa lũa và đặc biệt là trong các khe nứt hở, tạo độ rỗng và độ thấm thứ sinh

Tên “Bạch Hổ" đã đi vào các văn liệu dầu khí thế giới và được ghi nhận như

mỏ dầu lớn nhất của Việt Nam, nhưng đồng thời cũng là một trong những mỏ đặc biệt trên thế giới có trữ lượng cực lớn (trên 500 triệu tấn trữ lượng dầu khí tại chỗ), được Vietsovpetro tổ chức khai thác với cường độ và sản lượng cao

Hình 1-3 Mô hình cấu trúc 3D móng mỏ Bạch Hổ [8]

Hình 1-4 Mẫu đá Granit nứt nẻ được nghiên cứu dưới kính hiển vi [8]

1.2 Công nghệ khoan tại tầng đá móng nứt nẻ mỏ Bạch Hổ

Việc phát hiện dầu trong móng mỏ Bạch Hổ là sự kiện quan trọng trong công tác tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí ở Việt Nam, đánh dấu một bước ngoặt trong việc nhận định và đánh giá mới về tiềm năng dầu khí ở thềm lục địa phía Nam, thay đổi cách nhìn nhận và xác định chiến lược thăm dò dầu khí ở khu vực, mở ra một hướng tìm kiếm, thăm dò mới cần được quan tâm

Kể từ khi phát hiện ra dầu trong đá móng tại thềm lục địa Việt Nam, công tác khoan tập trung vào đối tượng tầng đá móng Việc khoan trong tầng đá móng tại Vietsovpetro bằng choòng khoan với đường kính nhỏ 4½” - 6½”, thời gian khoan kéo dài do đặc tính đất đá móng cứng, nứt nẻ, gây ra nhiều vấn đề trong thi công khoan như tốc độ cơ học thấp, số mét

khoan/choòng ngắn, choòng bị bể

răng, mòn răng, rơi chóp… Vì vậy, cần

lựa chọn, cải tiến choòng khoan cho

phù hợp Trong thời gian dài, choòng

khoan móng 4½” F47YODPS (Smith)

là sự lựa chọn duy nhất Hiện nay có

thêm một số loại choòng khoan như

4½” STX30DX (Hình 1-5), 4½”

XR45YODPS, 4½” STR44CGDX

Các loại choòng khoan có đường kính

4½” cho hiệu quả khoan cao, nhưng

cũng có thể rơi chóp bất cứ lúc nào Hình 1-5: Choòng khoan 4½” STX30DX

Dưới đây là một số bảng thể hiện những thông số liên quan đến mỏ Bạch Hổ

Hình 1-5: Choòng khoan 4½” STX30DX [12]

Bảng 1-1 Số giếng khoan đá móng mỏ Bạch Hổ [12]

Số giếng

khoan

1/1984 – 1/1997

1/1997 – 1/2002

1/2002 – 4/2009

Toàn mỏ Bạch Hổ

Số mét khoan trên choòng (m)

Thời gian khoan (giờ)

Vận tốc cơ học (m/giờ)

Lưu lượng bơm (lít/giây)

Vòi phun

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ĐỘNG HỌC BỘ DỤNG CỤ KHOAN ĐƯỜNG KÍNH NHỎ TRONG MÓNG NỨT NẺ MỎ

BẠCH HỔ

2.1 Sự tác động của hệ động lực học quá trình khoan

Năng suất khoan phụ thuộc rất lớn vào sự ổn định của hệ thống trong quá trình khoan Trong quá trình khoan, các thông số khoan được điều chỉnh tức thời nhằm đảm bảo các chỉ tiêu khoan Do đó, cần tính toán và lựa chọn các thông số khoan hợp lý nhằm tối ưu năng suất khoan cũng như đảm bảo độ bền của các thiết bị

2.1.1 Những dao động ảnh hưởng lên bộ khoan cụ

Trong quá trình khoan có các dạng dao động chính mà bộ khoan cụ chịu là: dao

động xoắn, dao động dọc trục, dao động ngang

+ Dao động ngang:

Dao động ngang xuất hiện do chuyển động quay của bộ khoan cụ Chuyển động ngang sẽ làm bộ khoan cụ rung lắc, tăng đường kính của lỗ khoan và tốc độ cơ học giảm

+ Dao động xoắn:

Khi choòng khoan vào các hệ tầng có tính chất dính như sét, khi đó choòng khoan bị kẹt trong khi bộ khoan cụ ở trên choòng vẫn quay, gây nên dao động xoắn Dao động xoắn là yếu tố gây ra các hiện tượng mỏi của thép, mòn choòng và bộ khoan

cụ, do đó năng suất khoan giảm vì phải thay thiết bị

+ Dao động dọc trục:

Khi có sự thay đổi của tải trọng chiều trục, thay đổi tỉ trọng dung dịch (thay đổi lực đẩy nổi Archimedes) và sự va chạm giữa răng mũi khoan với đất đá theo chiều trục Khi dao động dọc trục xuất hiện, thời gian tiếp xúc giữa răng mũi khoan với đất

đá bị giảm, do đó tốc độ cơ học giảm, hiệu suất khoan giảm

Trong quá trình khoan, các loại dao động này có thể xuất hiện đồng thời (có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng hoặc triệt tiêu nhau) làm tăng sự mất ổn định cũng như giảm năng suất khi khoan

2.1.2 Các yếu tố gây mất ổn định hệ động lực học quá trình khoan

Các nhân tố có thể gây mất ổn định hệ động học bao gồm: phương pháp khoan, thiết bị khoan, các thông số chế độ khoan (tải trọng lên choòng G và tần số quay n), môi trường làm việc

2.2 Nghiên cứu trạng thái làm việc của hệ động lực học quá trình khoan

2.2.1 Lý thuyết Tai Biến (Catastrophe Theory):

Lý thuyết Tai Biến (LTTB) cung cấp cho chúng ta một cách nhìn và mô tả thế giới có khả năng làm xuất hiện những điểm dị đồng giữa những hiện tượng và hình thái rất xa lạ của tự nhiên

Trong [5] René Thom đưa ra những khái niệm sau:

a Mỗi đối tượng hay mỗi hình thái vật lý được mô tả bởi một tập hút trong không gian trạng thái các biến số trong

b Đối tượng như thế ổn định do đó nhận biết được chỉ trong trường hợp tập hút tương ứng là ổn định cấu trúc

c Mọi tạo sinh hoặc hủy biến của hình thái (morphogenesis) có thể mô tả bởi

sự biến mất của tập hút trong dạng thái ban đầu để được thay thế bởi tập hút mới trong dạng thái cuối cùng Quá trình này gọi là tai biến và được mô tả trong không gian các biến số ngoài

LTTB là lý thuyết toán học nghiên cứu các đột biến qua sự phản ánh của hệ thống nghiên cứu trong sự thay đổi đều đặn của các điều kiện ngoại biên

Giả sử rằng, mô hình hóa một hệ động lực học nào đó được mô phỏng dưới dạng phương trình vi phân:

= df(x,c1 ,c2 cn ) (2.1)

Hệ những phương trình loại này được gọi là hệ gradient Trong đó, f là hàm của biến đổi trạng thái của x và các tham số điều khiển c1, c2 cn Xác định được điểm đột biến hay điểm tới hạn nếu:

u = 0; u ˃ 0 (2.2) Đây chính là điều kiện đảm bảo cho hoạt động của hệ động lực học tương ứng ở trạng thái ổn định

2.2.2 Bảy tai biến cơ bản

Xung quanh chúng ta có những hiện tượng có những điểm kỳ dị mà trong vật lý học người ta gọi là những điểm tới hạn Có thể lấy một ví dụ về những điểm tới hạn quen thuộc hơn trong vật lý học: đó là những điểm tới hạn trong lý thuyết chuyển pha Tại những điểm đó trạng thái của hệ đột biến, nói cách khác, hệ nhảy từ trạng thái này sang trạng thái khác một cách gián đoạn, ví dụ từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Những hiện tượng đột biến có tên là tai biến (Catastrophe) trong LTTB của René Thom Chữ tai biến mà René Thom sử dụng chỉ có ý nghĩa toán học

Đối với một hàm có kỳ dị ta có thể tìm được một hệ tọa độ trong đó ta có thể phân hàm thành hai phần Q và G: Q là một dạng toàn phương không suy biến, còn G chứa số biến số còn lại Hàm G gọi là kỳ dị thặng dư và số biến số trong G gọi là đối hạng của kỳ dị Chỉ hàm G mới quan trọng về mặt tôpô và ứng với những hàm G khác nhau ta có những loại kỳ dị khác nhau Hàm G chưa ổn định Đem nhiễu loạn hàm G

ta có những hàm mới chứa thêm các biến số ngoài a, b, c, Các hàm này có tính ổn định cấu trúc, có nghĩa là khi chúng bị nhiễu loạn, hình học của hiện tượng vẫn không thay đổi Các hàm có tính ổn định với số biến số ngoài nhỏ nhất đóng vai trò hàm thế nói trên Như vậy mỗi mầm hàm có hai đặc trưng quan trọng là:

- Đối hạng K tức số biến số trong còn lại trong kỳ dị thặng dư

- Đối chiều C tức số biến số ngoài đưa vào với mục đích thu được một hàm ổn định dưới các nhiễu loạn

Chiếu tập những điểm tới hạn của hàm V xuống không gian các biến số ngoài a,

b, c, ta có các hình thái đặc trưng cho các tai biến

Hạn chế K # 2 và C # 4, René Thom tìm ra được 7 tai biến cơ bản Các tai biến

đó có ký hiệu (K,C)

Bảng 2-1: Bảy loại tai biến cơ bản của Thom [5]

TT Tai biến

(Catastrophe)

Chiều kiểm soát(Control Dimensions)

Chiều ứng

xử (Behavior Dimensions)

Mầm (Germ)

Biến dạng (Deformation)

có hàm số sau :

f(Vch , c1, c2, c3) = Vch5 + c1.Vch3 + c2.Vch2 + c3.Vch (2.3) Đặt:

g(Vch; c1, c2, c3) = c1.Vch3 + c2.Vch2 + c3.Vch (2.4)

=> dg(Vch , c1, c2, c3) = 3.c1.Vch2 + 2.c2.Vch + c3

hàm số g(Vch; c1, c2, c3) được gọi là hàm biến dạng chứa tất cả sự thay đổi có thể của điểm tới hạn của hàm số Vch5, mọi sự xáo trộn nhỏ của hàm f(Vch, c1, c2,c3) sẽ không thay đổi đặc tính điểm tới hạn của nó

Quá trình phá hủy đất đá của choòng chịu nhiều yếu tố tác động, trong đó các thông số khoan có thể thay đổi để làm ổn định bộ khoan cụ và được phản ánh thông qua phương trình:

= dg(x; c1, c2, c3) = a.V2 ch + b.Vch + c (2.5)

Trong đó:

- Vch (m/h) là tốc độ cơ học khi khoan,

- t (s) là thời gian để khoan 1 mét

- a, b, c: Các tham số điều khiển, đặc trưng cho sự tương tác giữa các điều kiện địa chất, môi trường dung dịch, cấu trúc bộ khoan cụ, hình dạng và chiều dài thân giếng, các thông số chế độ khoan Các tham số này được xác định bằng công tác xử

lý số liệu khoan thực tế mà đặc trưng là tốc độ cơ học theo từng mét khoan khi khoan qua tầng đá móng nứt nẻ tại mỏ Bạch Hổ

Trong trường hợp của hệ những phương trình gradient (2.5), những tính chất của trạng thái dừng, là trạng thái bất biến với thời gian, có thể dễ dàng nghiên cứu được nghiên cứu

Để xét sự ổn định của hệ động lực học khi khoan, từ phương trình (2.7), ta dựa vào thông số Δ = (b)2 – 4.a.c

- Nếu Δ > 0 ổn định động học của hệ động lực học quá trình khoan được bảo đảm;

- Khi Δ < 0, hệ động lực học quá trình khoan làm việc trong trạng thái không ổn định;

- Khi Δ = 0, đây chính là giá trị mà trạng thái của hệ động lực học quá trình khoan dễ dàng bị chuyển đổi giữa ổn định và không ổn định và khó đảm bảo rằng chúng đang làm việc trong trạng thái ổn định và bền động học

Ta tiến hành khảo sát số liệu thực tế khi khoan 1 giếng ở mỏ Bạch Hổ

Bảng 2-2 Bảng số liệu khi khoan ở giếng khoan GK112 mỏ Bạch Hổ [9]

Hình 2-1 Quan hệ giữa vận tốc cơ học của choòng 6 ½” theo chiều sâu

Hình 2-2: Quan hệ giữa vận tốc cơ học của choòng 4 ½” theo chiều sâu

Từ phương trình vận tốc choòng 114,3mm thu được qua số liệu thực tế và phương trình (2.4)

hệ động lực học nói chung quá trình khoan đã rơi vào trạng thái kém bền động học Biểu hiện rõ nét là tốc độ cơ học thấp, choòng làm việc kém hiệu quả Có thể khẳng định, chế độ công nghệ chưa phù hợp với thiết bị kỹ thuật và điều kiện địa chất khi khoan Đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến hiệu suất của quá trình khoan