Công nghệ khoan dầu khí

Nếu trọng lượng riêng của dung dịch khoan đủ lớn thì cột chất lỏng trong giếng khoan sẽ tạo ra áp lực đủ để cân bằng với những ứng suất của đất đá quanh thành giếng khoan.. Đặc biệt là k

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ổn định thành giếng đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thiết kế và khoan các giếng khoan dầu khí, đặc biệt là các mỏ xa bờ với điều kiện địa chất phức tạp Mất ổn định thành giếng khoan có thể xảy ra khi khoan qua các vùng có áp suất cao, nhiều đứt gãy Thành giếng không ổn định có thể dẫn đến rất nhiều sự cố và vấn đề phức tạp trong quá trình khoan như sập lở thành giếng khoan , mất dung dịch khoan hoặc kẹt cần khoan Nếu xảy hiện tượng này thì thời gian, chi phí để khoan một giếng khoan tăng lên rất cao

và có thể giếng khoan sẽ không đi theo đúng quỹ đạo đã được thiết kế Yếu tố có thể giúp

kỹ sư khoan kiểm soát được sự ổn định của thành giếng đó là trọng lượng riêng của dung dịch khoan Nếu trọng lượng riêng của dung dịch khoan đủ lớn thì cột chất lỏng trong giếng khoan sẽ tạo ra áp lực đủ để cân bằng với những ứng suất của đất đá quanh thành giếng khoan

Mặc dù có tính chất quan trọng như vậ y nhưng ở Việt Nam, việc nghiên cứu về vấn đề này còn rất hạn chế Hầu hết các công ty dầu khí ở Việt Nam đều gửi các thông số địa cơ học đến các công ty nước ngoài xử lý để xác định giá trị trọng lượng riêng của dung dịch phù hợp với giếng khoan Chính vì vậy, nghiên cứu, phân tích sự ổn định của thành giếng

là rất cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu c ủa luận án

Bước đầu nghiên cứu, phân tích ổn định thành giếng khoan và áp dụng để xác định trọng lượng riêng của dung dịch khoan vụ cho quá trình thiết kế giếng khoan và công tác khoan các giếng khoan ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu ứng suất quanh thành giếng khoan trong mỏ A

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô hình mô phỏng ứng suất quanh thành giếng khoan

và tiêu chuẩn đánh giá ổn định của thành giếng khoan

4 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu mô hình mô phỏng ứng suất quanh thành giếng khoan và tiêu chuẩn đánh giá sự ổn định của thành giếng khoan

- Ứng dụng để các xác định trọng lượng riêng của dung dịch khoan phù hợp với mỏ A

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp: Thu thập, thống kê số liệu thực tế về các thông số địa cơ học của mỏ A

- Phương pháp phân tích: Nghiên cứu các mô hình và tiêu chuẩn đánh giá sự ổn định của thành giếng khoan

- Ứng dụng công nghệ thông tin: Sử dụng phần mềm MATLAB để phân tích dữ liệu và xác định trọng lượng riêng của dung dịch khoan

CHƯƠNG I MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MẤT ỔN ĐỊNH THÀNH GIẾNG

1.1 Định nghĩa

Mất ổn định thành giếng khoan là một trong những hiện tượng thường xuyê n xảy ra trong quá trình khoan Hiện tượng này chính là sự chênh lệch đáng kể giữa đường kính của thân giếng khoan với đường kính của choòng khoan tạo ra nó và thành giếng không giữ được kết cấu ban đầu Đặc biệt là khi khoan các giếng khoan định hướng với góc nghiêng lớn hoặc là khi khoan qua các tầng đất đá có nhiều đ ứt gãy, tập trung ứng suất thì mất ổn định thành giếng khoan có thể xảy ra với mức độ nghiêm trọng , ảnh hưởng lớn đến công tác khoan

1.2 Nguyên nhân của hiện tượng mất ổn định thành giếng khoan

Có hai nguyên nhân chính gây ra mất ổn định thành giếng đó là mất ổn định do tương tác hóa – lý và mất ổn định do sự thay đổi về mặt cơ học của đất đá

1.2.1 Mất ổn định thành giếng do tương tác hóa – lý

Hiện tượng mất ổn định thành giếng do tương tác hóa - lý phổ biến nhất là sự hấp thụ nước ở các tầng đất đá có chứa sét và phản ứng hóa học giữa thành phần hóa học trong dung dịch khoan với thành phần thạch học của đất đá trong thành hệ Khi hấp thụ nước, sét sẽ trương nở và gây bó hẹp thành giếng khoan , làm kẹt cần khoan và gây khó khăn cho công tác chống ống Khi lượng sét trương nở nhiều thì phần sét đó có thể bị bở ra và rơi vào trong giếng khoan do độ bền cơ học của thành hệ giảm, tạo ra những khoang lớn quanh thành giếng, khiến cho đường kính giếng tăn g lên làm tăng chi phí cho công tác trám xi măng Nếu trong dung dịch khoan có thành phần hóa học có thể phản ứng với thành phần thạch học của đá thì thành giếng khoan cũng sẽ bị mở rộng ra Ta có thể kiểm soát sự mất ổn định này bằng cách thay đổi thành phần của dung dịch khoan như sử dụng thành phần ức chế trương nở khi khoan qua tầng sét và không sử dụng thành phần gây phản ứng hóa học với thành phần thạch học của đất đá

1.2.2 Mất ổn định thành giếng do sự thay đổi về mặt cơ học của đất đá

Mỗi thành hệ đất đá đều có một trạng thái ứng suất nhất định, nó phụ thuộc và độ sâu của thành hệ đó Ban đầu, chúng ở trạng thái cân bằng nhưng trong quá trình khoan, một lượng đất đá bị lấy đi, sự cân bằng ấy bị phá vỡ Đất đá quanh thành giếng phải chịu một tải trọng nhất định và gây ra hiện tượng tập trung ứng suất quanh thành giếng khoan Đặc biệt là khi khoan qua tầng đất đá có áp suất cao hoặc những tầng đất đá nứt nẻ, có nhiều đứt gãy thì ứng suất quanh thành giếng khoan càng lớn Nếu độ bền cơ học của đất đá không đủ lớn, thành giếng sẽ bị phá hủy

Hình 1: Các dạng phổ biến của mất ổn định thành giếng

Nếu áp lực do cột dung dịch trong giếng khoan tác động lên thành giếng quá lớn, thành giếng có thể bị nứt ra, tạo thành những khe rỗng xuyên vào th ành hệ còn khi áp lực do cột dung dịch sinh ra không đủ để cân bằng với tác động ứng suất quanh thành giếng thì đất đá sẽ bị vỡ ra thành những mảnh nhỏ, rơi vào giếng gây ra những hiện tượng phức tạp cho quá trình khoan (Hình 1)

1.3 Hậu quả của mất ổn định thành giếng

Có ba hiện tượng thường xảy ra khi thành giếng mất ổn định, đó là: vỡ vỉa, bó hẹp thành giếng hoặc sập lở thành giếng Khi vỉa bị vỡ, các khe nứt hình thành xuyên vào thành hệ gây ra hiện tượng mất dung dịch Khi khoan qua những tầng chứa sét thì sét hấp thụ nước

có trong dung dịch khoan và trương nở, làm bó hẹp thành giếng Khi đó, ma sát giữa cột cần khoan và thành giếng tăng lên, làm giảm vận tốc khoan và có thể gây kẹt cần khoan Còn khi xảy ra hiện tượng sập lở thành giếng khoan thì đư ờng kính giếng sẽ tăng lên, gây khó khăn cho công tác kiểm soát quỹ đạo của giếng (khi đó định tâm sẽ mất tác dụng), tăng chi phí chống ống và trám xi măng Những mảnh đất đá vỡ ra, rơi vào giếng gây ra rất nhiều vấn đề phức tạp Những mảng vỡ đó thường có kích thước lớn, dung dịch khoan không thể nâng chúng lên và đưa ra khỏi giếng mà chúng sẽ lắng xuống, lấp nhét và bịt kín khoảng không giữa cần khoan và thành giếng làm mất tuần hoàn dung dịch, kẹt bộ dụng cụ đáy

Khi có sự cố xảy ra thì thời gian và chi phí để khoan giếng đó tăng lên Nếu sự cố xảy ra với mức độ nghiêm trọng thì có thể phải bỏ đi một phần, thậm chí toàn bộ giếng khoan

1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của thành giếng

Mất ổn định thành giếng được gây ra bởi một tổ hợp các yếu tố k hác nhau Có những yếu

tố mà ta có thể kiểm soát được và cũng có những yếu tố thuộc về tự nhiên Sau đây là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự ổn định của thành giếng

1.4.1 Ứng suất tại chỗ

Nói chung, trong mỗi hệ tầng đều tồn tại một ứng suất riêng Nó có thể là hệ thống ứng suất thông thường hoặc có thể là dị thường do hoạt động kiến tạo Ở khu vực tồn tại hệ thống ứng suất thông thường thì ứng suất tại chỗ lớn nhất là ứng suất theo phương thẳng đứng ( ) và có giá trị bằng ứng suất sinh ra do trọng lượng các tầng đất đá phủ ở trên Ngoài ra còn hai ứng suất theo phương nằm ngang ( , )

Ở những khu vực xảy ra hoạt động kiến tạo, ta rất khó có thể xác định được ứng suất tại chỗ Đất đá ở những khu vực này có thể bị nén ép hoặc kéo căng tùy thuộc v ào hoạt động của vỏ Trái Đất, làm cho độ lớn của ba thành phần chính trong hệ thống ứng suất tại chỗ rất khác nhau Khi khoan qua hệ tầng này, thành giếng có thể mất ổn định nếu trọng lượng riêng của dung dịch khoan không đủ để tạo được áp lực cân bằng với những ứng suất đó

1.4.2 Áp suất trong giếng khoan

Trong quá trình khoan, thành giếng khoan được gia cố tạm thời bằng dung dịch khoan

Áp lực mà cột dung dịch khoan tác dụng lên thành giếng có tác dụng giữa cho thành giếng ổn định, ngăn chặn hiện tượng chất lưu từ thành hệ xâm nhập vào giếng và hiện tượng phun trào Tuy nhiên, khi trọng lượng riêng của dung dịch nằm ngoài “cửa sổ dung dịch” (trọng lượng riêng của dung dịch nằm ngoài khoảng cần thiết) thì thành giếng có thể mất ổn định (Hình 2)

Hình 2: Ảnh hưởng của trọng lượng riêng của dung dịch lên sự ổn định của thành giếng Nếu trọng lượng riêng của dung dịch quá nhỏ, áp lực mà cột dung dịch sinh ra không đủ lớn để cân bằng với ứng suất sinh ra quanh thành giếng khoan phải chịu thì thành giếng

sẽ bị sập lở, đất đá sẽ rơi vào trong giếng khoan Còn nếu trọng lượng riêng của dung dịch khoan quá lớn, áp lực mà cột dung dịch tạo ra lớn hơn độ bền của đất đá quanh

thành giếng thì sẽ xuất hiện các vết nứt xuyên vào trong thành hệ Do đó, trong quá trình thiết kế giếng khoan, cần phải xác định giá trị trọng l ượng riêng của giếng khoan phù hợp với giếng đó

1.4.3 Quỹ đạo của giếng khoan

Cũng như trọng lượng riêng của dung dịch, quỹ đạo của giếng khoan cũng ảnh hưởng rất đến sự ổn định của thành giếng Quỹ đạo của giếng khoan được đặc trung bởi góc nghiêng và góc phương vị Với những giếng khoan định hướng, góc nghiêng lớn thì rất

dễ xảy ra hiện tượng mất ổn định thành giếng Hình 6 miêu tả sự ảnh hưởng của độ sâu

và góc nghiêng của giếng khoan đến sự ổn định thành giếng

Hình 6: Sự ảnh hưởng của độ sâu (a) và góc nghiêng (b) đến độ ổn định của thành giếng

1.4.4 Hệ tầng nứt nẻ, nhiều đứt gãy

Đất đá xung quanh một đứt gãy thường nứt nẻ và có thể bị

vỡ ra thành những mảnh lớn nhỏ khác nhau Nếu chúng rơi

vào trong giếng khoan, chúng sẽ gây ra hiện tượng kẹt cần

khoan Hình 2 chỉ ra những vấn đề phức tạp khi khoan qua

hệ tầng nứt nẻ hoặc gần đứt gãy Khi khoan qua hệ tầng

này, độ rung động của cột cần khoan phải ở mức nhỏ nhất

để giúp ổn định thành giếng Hình 2: Khoan qua tầng hệ nứt nẻ

1.4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Mặc dù nhiệt độ của hệ tầng ở các độ sâu khác nhau là khác nhau nhưng nhìn chung, thành hệ luôn có nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ của dung dịch khoan Theo một số

nghiên cứu, nhiệt độ của dung dịch nhỏ hơn sẽ làm giảm áp suất vỉa và ứng suất qu anh thành giếng khoan Do đó, nhiệt độ của dung dịch khoan là một trong những yếu tố góp

phần ổn định thành giếng khoan (MCLean, 1987; Fjaer, 1992)

1.4.6 Dòng chất lưu chảy đi vào hoặc đi ra từ hệ tầng

Dung dịch khoan có chứa những hạt rắn (hạt sét) nên trong quá trình khoan, nước thấm qua thành giếng và đi vào bên trong thành hệ, những hạt chất rắn đó lấp đầy những khe

rỗng và tạo lên một màng sét quanh thành giếng khoan giúp thành giếng được gia cố tạm

thời Độ dày lớp vỏ sé t phụ thuộc vào độ thải nước và độ thấm của thành hệ Nếu thành

hệ có độ thấm thấp thì lớp vỏ sét đó rất mỏng và gần như không đáng kể

Với dòng chảy từ thành hệ vào giếng (hiện tượng chất lưu xâm nhập vào giếng) thì nó sẽ

sinh ra một ứng suất làm cho đất đá có xu hướng vỡ ra và rơi vào trong giếng, gây mất ổn

định thành giếng khoan Hiện tượng này thường xảy khi khoan qua tầng dị thường áp

suất cao hoặc do trọng lượng riêng của dung dịch quá nhỏ

Mất ổn định thành giếng có thể bị gây ra bởi rất nhiều yếu tố nhưng chúng có thể được

chia làm 2 nhóm chính: các yếu tố có thể kiểm soát được và các yếu tố tự nhiên (không

thể kiểm soát được)

Những yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của thành giếng khoan

Những yếu tố tự nhiên Những yếu tố có thể kiểm soát được

Thành hệ nứt lẻ, nhiều đứt gãy (trọng lượng riêng của dung dịch)Áp suất đáy giếng

Thành hệ tồn tại ứng suất lớn do kiến tạo Quỹ đạo giếng khoan

Ứng suất tại chỗ lớn Tương tác lý hóa giữa đất đá và dung dịch khoan Thành hệ bở rời Sự rung động của cột cần khoan

Nhiệt độ

1.4.1 Những yếu tố tự nhiên (không thể kiểm soát được)

a) Hệ tầng nứt nẻ, nhiều đứt gãy

Đất đá xung quanh một đứt gãy thường nứt nẻ và có thể bị

vỡ ra thành những mảnh lớn nhỏ khác nhau Nếu chúng rơi

vào trong giếng khoan, chúng sẽ gây ra hiện tượng kẹt cần

khoan Hình 2 chỉ ra những vấn đề phức tạp khi khoan qua

hệ tầng nứt nẻ hoặc gần đứt gãy Khi khoan qua hệ tầng

này, độ rung động của cột cần khoan phải ở mức nhỏ nhất

để giúp ổn định thành giếng Hình 2: Khoan qua tầng hệ nứt nẻ

b)Hệ tầng tồn tại ứng suất lớn do kiến tạo

Thành giếng có thể mất ổn định khi khoan qua hệ tầng tập trung ứng suất mà trọng lượng riêng của dung dịch khoan không đủ lớn để tạo được áp lực cân bằng với những ứng suất

đó Ứng suất đó được sinh ở ở những vùng mà đất đá bị nén ép hoặc bị kéo căng do sự

chuyển động của vỏ Trái Đất

Khi khoan qua tầng đất đá tập trung ứng suất, đất đá xung

quanh thành giếng khoan có thể trở lên nứt nẻ và vỡ ra, rơi

vào giếng khoan, làm mở rộng thành giếng khoan Hình 3

chỉ ra những vấn đề phức tạp khi khoan qua hệ tầng tồn tại

ứng suất lớn do kiến tạo Trong trường hợp này, áp lực sinh

ra do cột dung dịch đóng vai trò rất quan trọng để ổn định

tại ứng suất lớn do kiến tạo c) Ứng suất tại chỗ lớn

Dị thường áp suất cao (cơ thể gặp ở những vùng lân cận vòm muốn, đứt gãy) có thể gây

ra hiện tượng mất ổn định thành giếng Hiện tượng tập trung ứng suất cũng có thể xảy ra d) Thành hệ bở rời

Với những hệ tầng bở rời, sự liên kết giữa các hạt (cát, cuội,

sỏi) không có hoặc rất nhỏ Do đó, khi khoan qua hệ tầng

này,, đất đá xung quanh thành giếng có xu hướng rơi vào

trong giếng khoan Hiện tượng này thường xảy ra ở những

vùng đất đá xen kẹp hoặc ở những thành hệ nằm ở độ sâu

nhỏ

Hình 4: Khoan qua thành

hệ bở rời e)

1.4.2 Những yếu tố có thể kiểm soát được

a) Áp suất đáy giếng (trọng lượng riêng của dung dịch)

Trọng lượng của dung dịch khoan là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc

ổn định thành giếng khoan Trong quá trình khoan, một lượng đất đá bị lấy đi Khi đó, đất đá bên cạ nh sinh ra một lực, đẩy đất đá quanh thành giếng khoan rơi vào trong giếng Khi trọng lượng riêng của dung dịch khoan đủ lớn thì cột dung dịch trong giếng khoan sẽ tạo ra áp lực đủ để giữ cho đất đá quanh thành giếng ở trạng thái cân bằng Tuy nhiê, nếu trọng lượng riêng của dung dịch quá lớn, áp lực mà cột dung dịch sẽ tạo ra những vết nứt trên thành giếng và gây ra hiện tượng vỡ vỉa

b) Quỹ đạo của giếng khoan

Cũng như trọng lượng riêng của dung dịch, quỹ đạo của giếng khoan cũng ảnh hưởng rất đến sự ổn định của thành giếng Quỹ đạo của giếng khoan được đặc trung bởi góc nghiêng và góc phương vị Với những giếng khoan định hướng , góc nghiêng lớn thì rất

dễ xảy ra hiện tượng mất ổn định thành giếng Hình 6 miêu tả sự ảnh hưởng của độ sâu

và góc nghiêng của giếng khoan đến sự ổn định thành giếng

Hình 6: Sự ảnh hưởng của độ sâu (a) và góc nghiêng (b) đến độ ổn định của thành giếng c) Tương tác hóa – lý giữa đất đá và dung dịch khoan

Có rất nhiều hiện tượng tương tác lý – hóa giữa dung dịch khoan và đất đá khiến cho ứng suất và độ bền cơ họ c của đất đá quanh thành giếng thay đổi Những hiện tượng này có thể là hydrat hóa, trương nở, đất đá trở lên mềm hơn và độ bền giảm gây mất ổn định thành giếng khoan Ngoài ra còn có thể xảy ra phản ứng hóa học giữa cá c thành phần hóa học trong dung dịch khoan với thành phần thạch học của đất đá Ta có kiểm soát yếu tố này bằng cách thay đổi thành phần của dung dịch khoan cho phù hợp với hệ tầng khoan qua, ví dụ như: sử dụng chất ức chế trương nở khi khoan qua tầng sét, sử dụng dung dịch

đã bão hòa muối khi khoan qua hệ tầng có chứa loại muối đó,…

d) Sự rung lắc cần khoan của cột cần khoan

Trong một vài trường hợp, cần khoan bị rung lắc có thể gây ra hiện tượng mở rộng thành giếng Khi cần khoan rung lắc, nó sẽ va đập với thành giếng khoan và làm tăng ma sát giữa cột cần khoan và thành giếng Đất đá quanh thành giếng bị tác động rất dễ tách ra và rơi vào giếng khoan Hiện tượng này xảy ra nhiều ở những giếng nghiêng Sự rung lắc của cột cần khoan có thể được kiểm soát thô ng qua góc nghiêng của giếng và các dụng cụ định tâm