Với mục đích tăng cường quá trình làm sạch giếng khoan, bài viết bao gồm 3 mục lớn dấu hiệu nhận biết giếng khoan không sạch; những phức tạp liên quan đến làm sạch giếng khoan; những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới quá trình làm sạch giếng khoan.
Trang 1ĐỂ TÀI:
LÀM SẠCH GIẾNG KHOAN
TÁC GIẢ:
PHẠM VĂN HIẾU
Trang 2I - DẤU HIỆU NHẬN BIẾT GIẾNG KHOAN KHÔNG SẠCH
• Khi bơm rửa
• Khi khoan
• Khi tiếp cần
• Khi kéo thả
• Thông số dung dịch
Khi bơm rửa
• Áp suất bơm tăng
• Dấu hiệu như sập lở thành giếng
• Áp suất bơm rửa tại đáy tăng mà các thiết bị đáy giếng đo được (VD- LWD)
• Có thể gây ra mất dung dịch với tỷ trọng tương đương khi bơm rửa lớn (lượng mùn khoan trong vành xuyến lớn)
• Cần áp suất bơm lơn để khôi phục tuần hoàn
Khi khoan
• Giảm tốc độ khoan cơ học
• Mô men khoan tăng
• Áp suất bơm tăng khi lưu lượng bơm không đổi
• Gặp khó khăn khi chỉnh xiên, đặc biệt điều chỉnh toolface
• Có thể gây ra mất dung dịch
• Cần áp suất cao để khôi phục tuần hoàn
• Lượng mùn khoan trên sàn rung ít hơn bình thường ( với cùng tốc độ khoan và lưu lượng bơm)
Khi tiếp cần
• Trào ngược dung dịch từ cần khoan khi tiếp cần
• Lắng mùn khoan xuống đáy giếng, khó khăn khi thả cần chạm đáy
• Khó khăn khi khôi phục tuần hoàn
Trang 3Khi kéo thả
• Có biểu hiện vướng khi kéo thả Phải kết hợp với bơm mới qua được điểm vướng
• Khó khăn khi thả thiết bị địa vật lý, ống chống
• Lắng mùn khoan tại đáy giếng
• Khó khăn trong việc khôi phục tuần hoàn
Dung dịch khoan
• Các thông số lưu biến của dung dịch tăng - (PV, YP, Gels)
• Giảm lượng mùn khoan trên sàn rung với cùng tốc độ khoan và lưu lượng bơm
• Tăng hàm lượng mùn khoan mịn, tròn cạnh trong dung dịch ( do mùn khoan bị nghiền bởi cột cần khoan lâu)
II – NHỮNG PHỨC TẠP LIÊN QUAN ĐẾN LÀM SẠCH GIẾNG KHOAN
Vướng khi kéo thả
Phá vỡ vỉa, mất dung dịch ( phá vỡ vỉa do áp suất tổn hao vành xuyến lớn dẫn đến tỷ trọng tương đương khi bơm rửa lớn)
Giảm tốc độ khoan
Thả ống chống vướng
Thả thiết bị đo địa vật lý không xuống tới đáy
Tạo bậc sườn trong thân giếng
Làm ảnh hưởng tới việc chỉnh xiên khi khoan xiên
Làm giảm chất lượng trám xi măng
Kẹt chênh áp - do tỷ trọng dung dịch trong vành xuyến cao, hàm lượng rắn cao
Nhìn chung làm sạch giếng khoan kém là một trong những nguyên nhân chính dẫn tới kẹt cần, kéo dài thời gian thi công giếng khoan
Theo số liệu thống kê: hiện tượng kẹt cần liên quan đến việc làm sạch giếng khoan kém, đối với các giếng thẳng đứng là khoảng 60%, đối với các giếng nghiêng thì con
số này lên tới 80%
Trang 4III – NHỮNG YẾU TỐ CƠ BẢN ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH LÀM
SẠCH GIẾNG KHOAN
1- Dung dịch khoan
Nhìn chung dung dịch khoan là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới khả năng làm sạch giếng khoan
1.1 Tỷ trọng:
• Theo lý thuyết về hệ số nổi, định luật Acsimet tỷ trọng dung dịch càng lớn thì càng tốn ít lực để nâng mùn khoan lên
• Công thức về tốc độ trượt và chỉ số nâng mùn khoan: tỷ trọng càng lớn hệ số trượt càng nhỏ và chỉ số nâng mùn khoan càng lớn >> làm sạch thân giếng khoan càng tốt
• Tuy nhiên tỷ trọng lớn khiến việc tách mùn khoan ra khỏi đáy giếng gặp khó khăn >> giảm tốc độ khoan cơ học Tỷ trọng cao cũng có thể dẫn tới mất dung dịch Vì vậy cần lựa chọn tỷ trọng khoan cho hợp lý, việc tăng tỷ trọng để làm sạch giếng không phải là yếu tố được ưu tiên
1.2 Độ nhớt:
Trong đó:
• Vs - tốc độ trượt xuống của mùn khoan(m/sec)
• DensC - tỷ trọng mùn khoan (g/cm3)
• MW – tỷ trọng dung dịch (g/cm3)
• DiaC - đường kính trung bình của mùn khoan (m)
• µ - đô nhớt của dung dịch (centi-poise)
Từ công thức trên ta thấy với độ nhớt càng lớn thì tốc độ trượt xuống của mùn khoan càng nhỏ Vì vậy khả năng đưa mùn khoan lên bề mặt và làm sạch giếng khoan sẽ tốt hơn Việc độ nhớt không đủ để nâng mùn khoan và giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng cũng là nguyên nhân dẫn đến kẹt cần
Tuy vậy, độ nhớt tăng làm tăng tổn hao công suất máy bơm, hệ số hút đẩy máy bơm giảm và khó loại trừ mùn khoan ra khỏi dung dịch Theo một số tài liệu, để đảm bảo làm sạch giếng tốt Vs bẳng khoảng 2 lần đường kính thân giếng ( tính bằng inch)
0.667 0.333 0.333
71,05.( )
.
Vs
−
=
Trang 51.3 PV / YP (Độ nhớt dẻo / Ứng lực cắt động)
Độ nhớt dẻo là số đo của lực liên kết trong long chất lỏng, biểu hiện mức độ liên kết giữ các phần tử với nhau, phụ thuộc hàm lượng, loại và kích cỡ pha rắn hiện diện trong dung dịch khoan, tính bằng cp PV = V600- V300 cp
YP là giá trị ứng suất cần thiết để chất lỏng bắt đầu chuyển động, còn gọi là điểm chảy của chất lỏng V300 – PV lb/100ft2
Theo một số nghiên cứu khi dung dịch có hệ số n nhỏ và K lớn, khả năng làm sạch mùn khoan sẽ tốt hơn Từ công thức trên ta có thể nhận thấy n nhỏ đi & K tăng lên đồng nghĩa với việc YP tăng
Nhìn chung khi PV và YP càng cao thì khả năng làm sạch mùn khoan càng tốt Tuy nhiên việc PV/YP cao sẽ kéo theo áp suất bơm cao, tỷ trọng tương đương khi bơm rửa cao >> nguy cơ vỡ vỉa, mất dung dịch
Trong đó:
• Va – tốc độ dòng chảy trong vành xuyến (m/sec)
• MW – tỷ trọng dung dịch (g/cm3)
• K – Chỉ số dẻo (Power Law Constant đo bằng ) ( poise)
• PV – độ nhớt dẻo (centipoises)
• YP - Ứng lực cắt động (lb/100sqft)
• n – Chỉ số mũ (flow behavior index)
• Nếu chỉ số CCI ( cutting carrying index) nhỏ hơn hoặc bằng 0.5 có nghĩa là giếng khoan được làm sạch kém
• Nếu chỉ số CCI lớn hơn hoặc bằng 1, có nghĩa là giếng khoan làm sạch
1.4 Gel - Ứng suất trượt tĩnh
• Gel giúp đưa mùn khoan lên bề mặt và giữ mùn khoan ở trạng thái tĩnh Giảm tình trạng kẹt cột cần do lắng mùn khoan
• Tuy nhiên Gel quá lớn cũng dẫn tới những hệ quả - tăng áp suất bơm, dễ phá
vỡ thành hệ, hiệu ứng pit tông khi kéo thả, khó tách mùn khoan & khí ra khỏi dung dịch
• Công thức thực nghiệm:
Trong đó:
3
4,099.10 ( ).( )
1
(511) (n )
(2 ) 3,322.log
( )
n
+
=
+
2,3 (2,7 )
2,3 (2,7 )
Trang 6• GS] = lbf/100ft2
• [DS] = mm
• [SG] = g/cm3
2- Tốc độ bơm – tốc độ dòng chảy khoảng không vành xuyến
Tốc độ bơm (tốc độ dòng chảy khoảng không vành xuyến) là một yếu tố rất quan trong trong khi tính toán làm sạch giếng khoan Để làm rõ hơn điều này chúng ta xem các công thức liên quan Có rất nhiều cách tính toán hệ số trượt của mùn khoan nhưng ở đây tôi sử dụng công thức sau
Tốc độ dòng chảy trong vành xuyến
3
2 2
1,2727.10 ( )
Q Va
−
=
−
0.667 0.333 0.333
71,05.( )
.
Vs
−
=
Trong đó:
• Va - Tốc độ dòng chảy trong vành xuyến (m/s)
• Q - Lưu lượng dòng chảy (l/sec)
• Dh - Đường kính thân giếng (m)
• Dp - đường kính ngoài cần khoan (m)
• DenC,MW – g/cm3
• DiaC – đường kính trung bình của mùn khoan (m)
Bỏ qua một số tác động nhỏ, chúng ta có thể thấy mùn khoan được nâng lên bề mặt bởi dung dịch khoan nếu giá trị AV – Vs lớn hơn 0
Tốc độ bơm càng lớn, tốc độ dòng chảy trong vành xuyến càng lớn >> khả năng làm sạch giếng khoan càng tốt Khuyến cáo tốc độ bơm (gpm) bằng 30-50 lần đường kính chòng ( inch) sẽ đảm bảo khả năng làm sạch tốt
3- Độ lệch giếng khoan
Đối với giếng khoan thẳng đứng hoặc độ lệch nhỏ hơn 30 độ: mùn khoan không có
cơ hội lắng xuống mặt dưới của thành giếng khoan; khi có dòng chảy, mùn khoan được khuấy và đi theo dòng dung dịch lên bề mặt với điều kiện lưu lượng bơm đủ lớn để đưa mùn khoan lên
Đối với những giếng khoan có độ lệch lớn hơn 30 độ, mùn khoan thường bị lắng xuống mặt dưới của thành giếng và nằm dưới cần khoan Ở khu vực này lưu lượng dòng chảy sẽ thấp hơn các khu vực khác dẫn đến việc làm sạch giếng khoan khó khăn hơn
Trang 84- Quay dạo cột cần khi bơm rửa
Nếu chỉ bơm rửa sẽ khó có thể đưa hết mùn khoan lên bề mặt, quay dạo cột cần khoan nên được thực hiện khi bơm rửa giếng khoan Việc đó sẽ giúp phá vỡ những tập mùn khoan nằm phía dưới cột cần và đưa chúng lên khu vực có tốc độ bơm rửa lớn >> giúp đưa mùn khoan lên bề mặt tốt hơn, đặc biệt đối với các giếng có độ nghiêng lớn Vì vậyvViệc quay cần khoan đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc làm sạch giếng khoan Tốc độ quay cần khoan càng lớn càng mang lại hiệu quả làm sạch giếng, tuy nhiên phụ thuộc vào khả năng chịu đựng của các thiết bị khoan trên
bề mặt cũng như dưới đáy giếng để đưa ra tốc độ quay cho phù hợp Tốc độ quay khi bơm rửa không nhỏ hơn tốc độ quay khi khoan Tối ưu khoảng 100-120 vòng / phút
Trang 95 - Bơm quét (Sweep hole
• Dung dịch độ nhớt cao ( gi
thẳng đứng và có đ
• Dung dịch độ nhớt th
dưới tác dụng của dòng ch
khi ngưng tuần hoàn
• Dung dịch độ nhớt th
các tập mùn khoan m
mặt
• Dung dịch độ nhớt th
• Dung dịch có cả tỷ
cao tăng hệ số nổi c
Rất khó để khẳng định lo
chất dung dịch, tốc độ
phù hợp Bắt tập "Sweep " trên sàn rung chúng ta s
khi sử dụng dung dịch quét
6 – Chế độ dòng chảy trong vành xuy
Các chế độ dòng chảy : ch
chảy rối ( tubulent flow)
Sweep hole)
t cao ( giữ nguyên tỷ trọng): sẽ có hiệu qu
ng và có độ nghiêng thấp
t thấp ( giữ nguyên tỷ trọng): giúp phá v
a dòng chảy rối Tuy nhiên không có khả
n hoàn
t thấp/độ nhớt cao xen lẫn: độ nhớt thấp có tác d
p mùn khoan mặt dưới thành giếng, độ nhớt cao đưa mùn khoan lên b
t thấp & tỷ trọng cao : tác dụng giống như trọng và độ nhớt cao ( cao hơn khoảng 0,3
i của mùn khoan
nh loại nào sẽ tốt hơn, phụ thuộc và từng đ bơm và sau nhiều lần thử thực tế chúng ta s
p "Sweep " trên sàn rung chúng ta sẽ biết đư
ch quét
y trong vành xuyến
y : chảy thẳng (laminar flow) , chuyển tiế
u quả cao với các giếng
giúp phá vỡ các tập mùn khoan
ả năng giữ mùn khoan
p có tác dụng phá vỡ đưa mùn khoan lên bề
ng như loại trên
ng 0,3-0,4 sg): tỷ trọng
ng điều kiện giếng, tính chúng ta sẽ lựa chọn cho
t được mức độ hiệu quả
ếp ( Transition flow) ,
Trang 10Chế độ dòng chảy của khối chất lỏng phụ thuộc vào hằng số Reynolds như sơ đồ dưới đây
Reynolds number trong vành xuyến
Re 59,9.10
2 1 ( ) 3
n
a
n n
µ
−
=
+
Trong khi :
• Rea – Số Reynold trong vành xuyến
• Va – Tốc độ dòng chảy trong vành xuyến (m/sec)
• Dh – đường kính thân giếng (m)
• Dp – đường kính ngoài cần khoan (m)
• MW – Tỷ trọng dung dịch (g/m3)
• µ - Độ nhớt động trong vành xuyến (centi-poise)
• n - power law hay chỉ số mũ
Effective Viscosity
Trong khi:
µea = effective viscosity in the annulus, centi-poise
Ka = consistency factor in the annulus, poise
Dh = hole diameter, inch
Do = Outside diameter of pipe, inch
na = power law constant of drilling mud in the annulus
Va = annular velocity in the annulus, ft/sec
Power law constants (n and K)
Trang 11Trong khi:
n = flow behavior index, dimensionless
K = consistency factor, poise
θ300 = reading at 300 rpm
θ3 = reading at 3 rpm
7 - Chế độ thủy lực làm sạch đáy giếng khoan
Tồn tại một số quan điểm để đánh giá chế độ thủy lực tối ưu làm sạch đáy giếng như sau:
- Tốc độ dòng chảy tại vòi thủy lực lớn nhất
- Lực đập cực đại của dòng chảy qua vòi thuỷ lực (maximum jet impact force - Сила удара струи )
- Công suất cực đại của chòng (maximum hydraulic powerhose - гидравлическая мощность )
Chưa thể xác định được quan điểm nào là chính xác nhất Tùy từng trường hợp để đưa ra sự lựa chọn tối ưu nhất Đối với các giếng khoan nông, đất đá bở rời chúng ta
ưu tiên chọn "maximum jet impact force", bởi khi đó chúng la có lưu lượng dòng chảy tại lớn hơn khoảng 19-20% so với maximum hydraulic powerhose Đối với các giếng khoan sâu, thân giếng nhỏ , ưu tiên chọn maximum hydraulic powerhose, bởi khi đó cho ta tốc độ dòng chảy cao hơn 14.3% và áp suất đáy giếng cao hơn 34.7%
so với maximum jet impact force Nhìn chung khi thiết kế vòi thủy lực và chế độ khoan, để quá trình làm sạch đáy giếng khoan tốt thì áp suất tổn hao qua chòng bằng 48-65 % áp suất máy bơm
Tốc độ dòng chảy qua vòi thủy lực lớn nhất
3
10 Q (1)
Vn
An
−
= 14,24 (2)
W
Pb Vn
M
= −
(1) Tính bằng lưu lượng bơm
(2) Tính bằng áp suất tổn hao qua chòng
Trang 12Trong đó:
• Vn – Tốc độ dòng chảy qua vòi thủy lực ( m/sec)
• Q – Lưu lượng bơm (l/sec)
• An – Tổng diện tích vòi thủy lực ( m2)
• Pb – áp suất tổn hao qua chòng ( atm)
• MW – tỷ trọng dung dịch (g/cm3)
Để đảm bảo quá trình làm sạch đáy giếng tốt nên giữ tốc độ dòng chảy qua vòi thuỷ lực đạt 100 - 150 m/s
CÔNG SUẤT LÀM VIỆC - BIT HYDRAULIC HORSEPOWER
0,136.( ).( ) (1)
HHPb= Pb Q − 5 ( ).( )2
8,77.10 (2)
( )
HSI
Db
−
= − (3)
1
m
m
∆ = ∆ −
+
(1) Công suất của chòng qua áp suất tổn hao qua chòng
(2) Công suất trên 1 đơn vị diện tích
(3) Mối quan hệ để công suất làm việc của chòng cực đại
Trong đó:
• ∆Pb – áp suất tổn hao qua chòng (atm)
• ∆Pp – Áp suất tổn hao của máy bơm
• m = 1.75 ( dòng chảy rối), = 1 ( dòng chảy thẳng)
• HHPb – công suất ( mã lực)
• Db – đường kính chòng (m)
• Q- lưu lượng (l/sec)
Công suất của chòng đạt giá trị lớn nhất khi áp suất tổn hao qua chòng bằng 50-65% áp suất máy bơm
LỰC ĐẬP CỦA DÒNG CHẢY - MAXIMUM JET IMPACT FORCE
0, 2245 W (1)
IFB= Q M Vn− IFB= 3,033 .Q Pb M W (2) − (3)
2
m
m
∆ = ∆ −
+
(1) Lực đập của dòng chảy qua vòi tính bằng Vn
(2) Lực đập của dòng chảy qua vòi tính bằng Pb
Trang 13(3) Mối quan hệ để lực đập của vòi thủy lực đạt cực đại
Trong đó:
• Lực đập tính bằng lbf (0.45kgf)
• ∆Pb – áp suất tổn hao qua chòng (atm)
• ∆Pp – Áp suất tổn hao của máy bơm
• m = 1.75 ( dòng chảy rối), = 1 ( dòng chảy thẳng)
• Q- lưu lượng (l/sec)
• MW- tỷ trọng (g/cm3)
Lực đập của dòng chảy qua vòi thủy lực lên đáy đạt giá trị cực đại khi áp suất tổn hao qua chòng chiếm khoảng 35 – 48 % áp suất máy bơm
Dựa trên cơ sở trên một số công ty khoan trên thế giới đưa ra khuyến cáo : chế độ thủy lực tối ưu làm sạch vùng đáy giếng là khi áp suất tổn hao qua chòng chiếm 48 - 65% áp suất máy bơm
Đường kính giếng
Tốc độ khoan cơ học lớn nhất cho phép ( M / giờ)
Độ lệch thân giếng
Lưu lượng bơm thấp nhất ( lít / giây)
Độ lệch thân giếng
Số vòng tuần hoàn cần thực hiện
Độ lệch thân giếng
Trang 14Thể tích tập dung dịch quét cần thiết
Chú ý: Đối với các giếng khoan có góc lệch khoảng 30 độ khuyên dùng dung dịch quét có độ nhớt cao Các giếng có độ lệch lớn hơn 30 độ nên dùng dung dịch quét có tỷ trọng cao và độ nhớt thấp