ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KHOAN DẦU KHÍ LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC VÒI PHUN CHO MŨI KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỒ HỌA

1. Cơ sở lí thuyết 3 1.1. Vận tốc vòi phun tối đa 3 1.2. Công suất thủy lực của mũi khoan tối đa 4 1.3. Lực va đập của tia tối đa 6 1.4. Phương pháp phân tích đồ họa 7 2. Trình tự giải bài toán bằng phương pháp phân tích đồ họa 8 3. Bài toán minh họa 9 3.1. Giải bài toán bằng EXCEL 9 3.2. Giải bài toán bằng MATLAB 14 4. Kết luận 16   1. Cơ sở lí thuyết Vấn đề xác định kích thước vòi phun phù hợp cho mũi khoan là một trong những ứng dụng thường xuyên hơn cả của các phương trình tổn thất áp lực do ma sát được thực hiện bởi các kĩ sư khoan. Sự gia tăng đáng kể tốc độ khoan cơ học có thể đạt được thông qua sự lựa chọn vòi phun thích hợp cho mũi khoan. Ở những thành hệ tương đối dày, tốc độ khoan cơ học tăng là do hoạt động động làm sạch ở đáy giếng được cải thiện. Sự tối ưu hóa các thông số thủy lực của vòi phun chưa đạt được. Trước khi điều này có thể thực hiện được, các quan hệ toán học phải được thiết lập để xác định hiệu quả thủy lực trên: Tốc độ khoan cơ học Chi phí vận hành Sự mài mòn mũi khoan Các vấn đề tiềm năng của lỗ khoan như rửa lỗ khoan Công suất vận chuyển dung dịch khoan Hiện tại, vẫn còn có nhiều bất đồng ý kiến về thông số thủy lực nào nên được sử dụng để nâng cao hiệu quả hoạt động làm sạch bằng thủy lực. Trong đó, các thông số thiết kế thủy lực được sử dụng phổ biến nhất là: Vận tốc vòi phun của lỗ khoan Công suất thủy lực của mũi khoan Lực va đập của tia (phun mạnh ra từ vòi phun) Chúng ta sẽ khảo sát các thông số này khi lần lượt cho một trong ba thông số thành tối đa. 1.1. Vận tốc vòi phun tối đa Máy bơm thường được vận hành ở tốc độ dòng chảy tương ứng với tốc độ của bùn khoan di chuyển trong vành giếng khoan ước tính tối thiểu để nâng mùn khoan. Nếu các vòi phun có kích thước sao cho áp suất bề mặt ở tốc độ dòng chảy này bằng với áp suất bề mặt cho phép tối đa thì vận tốc dung dịch trong các vòi phun sẽ có thể đạt được tối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KHOAN DẦU KHÍ

LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC VÒI PHUN CHO MŨI

KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH ĐỒ HỌA

SVTH : Nguyễn Xuân Trực MSSV : 1513804

GVHD : ThS Trần Nguyễn Thiện Tâm

TP.HCM, 2018

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án môn học, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Trần Nguyễn Thiện Tâm, giảng viên

Bộ môn Khoan Khai Thác – Khoa Địa chất và Dầu khí – Trường ĐH Bách Khoa TP

Hồ Chí Minh

Em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo trong trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nói chung, các thầy cô trong khoa Địa chất và Dầu khí nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng để hoàn thành đề tài đồ án này

TP.Hồ Chí Minh, ngày 19, tháng 04, năm 2017

Sinh viên

Nguyễn Xuân Trực

MỤC LỤC

1 Cơ sở lí thuyết 3

1.1 Vận tốc vòi phun tối đa 3

1.2 Công suất thủy lực của mũi khoan tối đa 4

1.3 Lực va đập của tia tối đa 6

1.4 Phương pháp phân tích đồ họa 7

2 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp phân tích đồ họa 8

3 Bài toán minh họa 9

3.1 Giải bài toán bằng EXCEL 9

3.2 Giải bài toán bằng MATLAB 14

4 Kết luận 16

1 Cơ sở lí thuyết

Vấn đề xác định kích thước vòi phun phù hợp cho mũi khoan là một trong những ứng dụng thường xuyên hơn cả của các phương trình tổn thất áp lực do ma sát được thực hiện bởi các kĩ sư khoan Sự gia tăng đáng kể tốc độ khoan cơ học có thể đạt được thông qua sự lựa chọn vòi phun thích hợp cho mũi khoan Ở những thành hệ tương đối dày, tốc độ khoan cơ học tăng là do hoạt động động làm sạch ở đáy giếng được cải thiện

Sự tối ưu hóa các thông số thủy lực của vòi phun chưa đạt được Trước khi điều này có thể thực hiện được, các quan hệ toán học phải được thiết lập để xác định hiệu quả thủy lực trên:

- Tốc độ khoan cơ học

- Chi phí vận hành

- Sự mài mòn mũi khoan

- Các vấn đề tiềm năng của lỗ khoan như rửa lỗ khoan

- Công suất vận chuyển dung dịch khoan

Hiện tại, vẫn còn có nhiều bất đồng ý kiến về thông số thủy lực nào nên được sử dụng để nâng cao hiệu quả hoạt động làm sạch bằng thủy lực Trong đó, các thông số thiết kế thủy lực được sử dụng phổ biến nhất là:

- Vận tốc vòi phun của lỗ khoan

- Công suất thủy lực của mũi khoan

- Lực va đập của tia (phun mạnh ra từ vòi phun)

Chúng ta sẽ khảo sát các thông số này khi lần lượt cho một trong ba thông số thành tối đa

1.1 Vận tốc vòi phun tối đa

Máy bơm thường được vận hành ở tốc độ dòng chảy tương ứng với tốc độ của bùn khoan di chuyển trong vành giếng khoan ước tính tối thiểu để nâng mùn khoan Nếu các vòi phun có kích thước sao cho áp suất bề mặt ở tốc độ dòng chảy này bằng với áp suất bề mặt cho phép tối đa thì vận tốc dung dịch trong các vòi phun sẽ có thể đạt được tối đa Điều này có thể được chứng minh bằng cách sử dụng phương trình vận tốc của vòi phun, ta thấy vận tốc của vòi phun tỉ lệ thuận với căn bậc hai của áp suất giảm trên mũi khoan:

bit

p v

8 074 10 



 

D

 vn  D pb

Do đó, vận tốc vòi phun đạt tối đa khi áp lực của mũi khoan tối

đa Áp lực của mũi khoan tối đa khi áp lực bơm lớn nhất và áp lực tổn thất do ma sát trong cột cần khoan, vành giếng khoan nhỏ nhất Áp lực tổn thất do ma sát nhỏ nhất khi tốc độ dòng chảy tối thiểu

1.2 Công suất thủy lực của mũi khoan tối đa

Năm 1958, Speer đã công bố công trình nghiêng cứu của mình chỉ ra rằng hiệu quả của các mũi khoan có vòi phun có thể được cải thiện bằng cách tăng công suất thủy lực của bơm Speer cho rằng tốc độ khoan cơ học sẽ tăng với công suất thủy lực cho đến khi mùn khoan được loại bỏ nhanh như cách chúng được tạo ra Sau khi đạt được mức độ “làm sạch hoàn hảo” thì không nên tăng tốc độ khoan bằng năng lượng thủy lực Ngay sau khi Speer xuất bản bài báo của mình, một số tác giả đã chỉ ra rằng áp lực tổn thất do ma sát trong cột cần khoan và vành giếng khoan, năng lượng thủy lực được phát triển dưới đáy của giếng khoan đã khác với năng lượng thủy lực phát triển bởi bơm Họ kết luận rằng công suất mũi khoan là thông số quan trọng thay vì công suất bơm Hơn nữa, nó đã được kết luận rằng công suất của mũi khoan không nhất thiết phải tối đa hóa bằng

cách vận hành máy bơm với công suất tối đa Các điều kiện để công suất mũi khoan tối đa được đưa ra bởi Kendall and Goins (1960)

Áp lực bơm được sử dụng cho:

- Tổn thất áp suất do ma sát trong các thiết bị bề mặt  ps

- Tổn thất áp suất do ma sát trong ống khoan  pdp và cần nặng dc

p



- Tổn thất áp suất gây ra bởi việc đẩy nhanh dung dịch khoan qua vòi phun

- Tổn thất áp suất do ma sát trong vòng xoắn cần nặng  pdca và vòng xoắn ống khoan  pdpa

Phương trình toán học:

Ppump  D ps  D pdp  D pdc  D pdca  D pdpa   pbit (1)

Tổng áp suất tổn thất do ma sát và đến từ mũi khoan được gọi là tổn thất áp lực dọc đường  pd:

 pd  D ps  D pdp  D pdc  D pdca  D pdpa (2)

Từ (1) và (2)  Ppump  pd   pbit (3)

Vi phân của tổn thất áp lực dọc đường có thể được tính cho trường hợp thông thường của dòng chảy rối có phương trình:

1 75

0 75 0 25 0 75 1 75 0 25 d

.

pd q1 75.

Vì thế,  pd có thể được biểu diễn bằng: D pd  cqm

Trong đó, m là hằng số lý thuyết có giá trị gần bằng 1.75 và c là hằng số phụ thuộc vào tính chất bùn và hình dạng của wellbore Thay biểu thức này vào (3), ta được:

m

p p cq

  

Từ đó, công suất thủy lực được tính:

m 1 pump

bit Hb

p q cq

p q P





Sử dụng phương trình trên để xác định tốc độ dòng chảy mà tại

đó công suất thủy lực của mũi khoan là tối đa:

m p

dP

0

Suy ra: pp (m 1 cq ) m (m 1 p ) d hay

p d

p p

m 1





Ta có vi phân cấp 2 :

Hp 2

d P m m 1 cq

0



Do đó, công suất thủy lực nhỏ nhất khi tổn thất áp lực dọc đường

bằng

1

1 m  lần áp lực bơm

Tốc độ dòng chảy tối đa được xác định:

Hp 1714P E q

p

max

max



Trong đó, E là hiệu suất bơm, pmax là áp lực bơm tối đa cho phép. Tốc độ dòng chảy này được sử dụng cho đến khi khoan đạt đến độ sâu mà tại đó  pd /  pp

là giá trị tối ưu Tốc độ dòng chảy sau đó giảm dần theo chiều sâu để duy trì tỉ lệ  pd /  pp ở giá trị tối ưu Tuy

nhiên, tốc độ dòng chảy không bao giờ được giảm xuống dưới tốc độ dòng chảy tối thiểu để nâng các mùn khoan

1.3 Lực va đập của tia tối đa

Một số kỹ sư khoan thích chọn kích thước vòi phun để lực va chạm của tia tối đa chứ không phải công suất thủy lực của mũi khoan McLean kết luận từ thực nghiệm rằng vận tốc dòng chảy dưới đáy hố khoan tối đa cho lực tác động tối đa Eckel thí nghiệm với các mũi khoan nhỏ trong phòng thí nghiệm cho thấy tốc độ khoan cơ học

có thể liên quan tới hệ số Reynolds Khi kích thước vòi phun được chọn sao cho lực va đập của tia là tối đa, hệ số Reynolds được xác định bởi Eckel cũng là cực đại Các điều kiện để lực va đập của tia tối

đa được đưa ra đầu tiên bởi Kendall và Goins

Lực va đập của tia được cho bởi phương trình:

F 0.01823c q Dp 0.01823c q ( pD  Dp )

Do  pd  cqm nên

F =0.01823c p q c q  )

Sử dụng phương trình để xác định tốc độ dòng chảy mà tại đó lực va đập của tia tối đa:

m 1

p

dF 0.009115c [2 p q (m 2) cq ]

0





  

Suy ra:

m 1 p

2 p q (m 2 cq)  0

    

  q 2 p [  p  ( m 2 p  )  d]  0

hay

p d

2 p p

m 2





Do

2

j 2

d F

0

dq  nên lực va đập của tia sẽ tối đa khi

p d

2 p p

m 2





1.4 Phương pháp phân tích đồ họa

Việc lựa chọn kích thước vòi phun có thể được đơn giản hóa một phần thông qua việc sử dụng phương pháp phân tích đồ họa, cụ thể hơn là sử dụng biểu đồ log – log

Từ  pd tỉ lệ thuận với q1 75. , vẽ log( p )  d và log(q) về mặt lý thuyết

có độ dốc là 1.75 Hình 1 dưới đây tóm tắt các điều kiện để lựa chọn kích thước vòi phun cho mũi khoan sử dụng các thông số thủy lực khác nhau:

Hình 1 – Sử dụng đồ thị log – log để lựa chọn hoạt động bơm phù hợp

và kích thước vòi phun Các điều kiện cho hoạt động bơm phù hợp và lựa chọn vòi phun cho mũi khoan xảy ra tại giao điểm của đường  pd và đường dẫn thủy lực tối ưu qopt Đường dẫn của hệ thống thủy lực tối ưu có 3 đoạn đường thẳng là: Interval 1, Interval 2 và Interval 3

Interval 1 được định nghĩa bởi q q  max, tương ứng với phần cạn của giếng khoan, nơi bơm được vận hành ở áp lực tối đa cho phép

Interval 2, được định nghĩa bởi hằng số  pd, tương ứng với phần trung gian của giếng, nơi tốc độ dòng chảy giảm dần để duy trì

d max

p / p

 ở giá trị thích hợp cho công suất thủy lực và lực va đập của tia đạt tối đa

Interval 3, được định nghĩa bởi q q  min, tương ứng với phần sâu của giếng, nơi tốc độ dòng chảy đã được giảm xuống đến giá trị tối thiểu nhưng vẫn nâng được mùn khoan lên bề mặt

Điểm giao nhau giúp xác định qopt

và (  pd opt)

, từ đó tìm ra được điểm (  pb opt)

bởi công thức ( p )  b opt  pmax   ( p )d opt

Diện tích vòi phun

tối ưu (A )t opt được xác định bằng cách:  

5 2

d b opt

8.311 10 q (A )



 



 

Sau đó, 3 vòi phun được chọn sao cho tổng diện tích vòi phun xấp

xỉ bằng (A )t opt

2 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp phân tích đồ họa

 Bước 1: Chỉ ra đường dẫn thủy lực tối ưu

 Bước 2: Vẽ  pd và q

 Bước 3: Từ đồ thị, xác định q và  pd tối ưu

 Bước 4: Tính  pbit  ppump   pd

 Bước 5: Tính tổng diện tích vòi phun (TFA):

5 2

d b opt

8.311 10 q (A )



 



 

 Bước 6: Tính đường kính vòi phun tối ưu:  dN opt 4Aopt

3





3 Bài toán minh họa

Xác định kích thước vòi phun để lực va đập của tia đạt tối đa cho lần khoan tiếp theo Biết mũi khoan đang sử dụng có ba vòi phun đường kính 12/32 in Khi có 9.6 lbm/gal mùn khoan thì bơm đang hoạt động với tốc độ 485 gal/min, áp lực bơm 2800 psig và khi bơm chạy chậm với tốc độ 247 gal/min thì áp lực bơm là 900 psig Công suất bơm thủy lực là 1250 hp và hiệu suất bơm là 0.91 Tốc độ dòng chảy nhỏ nhất để nâng mùn khoan là 225 gal/min Áp lực bề mặt tối

đa cho phép là 3000 psig Giả sử mật độ mùn khoan sẽ không thay đổi trong lần khoan tiếp theo

 Tóm tắt:

D 12 32  / in

9 6

  lbm/gal

1

q  485 gal/min

1

p  2800 psig

2

q  247 gal/min

2

p  900 psig

HP

P  1250 hp

E 0 91 

qmin  225gal/min

3.1 Giải bài toán bằng EXCEL

 Bước 1: Nhập các giá trị INPUT và thực hiện “Define Name”

 Bước 2: Đường dẫn thủy lực tối ưu gồm 3 đoạn là: qmax;  Pd

; qmin Tiến hành vẽ lần lượt các đoạn thẳng trên biểu đồ log - log EXCEL hỗ trợ vẽ đoạn thẳng khi biết tọa độ 2 điểm bất kì

Thực hiện các tính toán sau trên Excel:

+ Tính độ tổn thất áp lực qua mũi khoan ở tốc độ dòng chảy

485 và 247 gal/min như sau:

1

8.311 10 q 8.311 10 9.6 485

0.95

4 32

     

 

2

2

8.311 10 q 8.311 10 9.6 247

0.95

4 32

     

 

+ Tính tổn thất áp lực dọc đường ở tốc độ dòng chảy 485 và

247 gal/min như sau:

d2 pump2 b2

psi Kết quả tính toán  Pb và  Pd trên EXCEL như ảnh dưới đây:

Thể hiện 2 điểm (q , P )1  d1 và (q , P )2  d2 lên đồ thị log – log như ảnh dưới đây:

+ Tính hệ số góc m của đường thẳng đi qua 2 điểm trên theo công thức:

log( P ) log( P ) log(906) log(409)

log(q ) log(q ) log(485) log(247)

+ Tính tốc độ dòng chảy lớn nhất qmax:

HP max

max

1714P E 1714 1250 0.91

 

gal/min + Tính tổn thất áp lực dòng đường  Pd

:

Bảng kết quả tính toán trên EXCEL:

Sau khi tính toán các thông số cần thiết, tiến hành vẽ các thông

số đó lên biểu đồ log – log:

+ Vẽ P ,qmax max,q , Pmin  d:

Xác định các điểm đầu và điểm cuối của đoạn thẳng cần vẽ, kết quả trong EXCEL được thể hiện như bảng sau:

Các đoạn thẳng được thể hiện lên đồ thị:

Tiếp theo, vẽ đường thẳng đi qua 2 điểm (q , P )1  d1 và (q , P )2  d2

.

Phương trình đường thẳng đó trên biểu đồ log – log với hệ số góc m

có dạng:

log y m   log x log(q )   log( P ) 

Thay số, ta được: log y 1.2    log x log(485)    log(906) (1)

Đường OPTIMUM là đường thẳng song song trục Ox và đi qua giao điểm của 2 đoạn thẳng: (1) và qmax. Giao điểm là nghiệm của

hệ phương trình sau:

log y 1.2 log x log(485) log(906)

y 1280

x 650









Vậy đường OPTIMUM sẽ đi qua điểm y=1280 Tiến hành vẽ lên biểu đồ:

Nghiệm y 1280 cũng chính là tổn thất áp lực dọc đường tối ưu

  Pd opt  1280

psi

Suy ra   Pbopt  Pmax    Pdopt  3000 1280 1720  

psi Kết quả tính trên EXCEL:

+ Tính tổng diện tích mặt cắt các vòi phun:

max

d b opt

8.311 10 q 8.311 10 9.6 650

in

+ Đường kính mỗi vòi phun tối ưu:

 dN opt 4 A  t opt 4 0.466 0.445



Kết quả trên EXCEL:

3.2 Giải bài toán bằng MATLAB

Sử dụng MATLAB GUI phiên bản 2016 để thiết kế giao diện và giải bài toán

 Bước 1: Sử dụng các công cụ cơ bản trên thanh công cụ GUI để thiết kế giao diện, các công cụ bao gồm: Pust Button, Edit Text, Static Test, Axes

Kết quả quá trình thiết kế giao diện như ảnh dưới đây:

 Bước 2: Thực hiện gắn TAG cho từng ô INPUT và viết code chuyển đổi dữ liệu nhập vào thành kiểu số (String to Number):

 Bước 3: Viết các code tính toán tương tự như trên EXCEL:

 Bước 4: Khai báo tọa độ các điểm bằng cách sử dụng ma trận a = [x1 x2] ;

b = [y1 y2] Sau đó sử dụng lệnh vẽ đồ thị trên biểu đồ log-log:

 Bước 5 Viết code in kết quả ra màn hình:

Kết quả tính toán và vẽ đồ thị:

4 Kết luận

Để giải quyết bài toán “Lực chọn kích thước vòi phun tối ưu cho mũi khoan”, chúng ta có thể sử dụng phương pháp đồ họa để xử lí bài toán một cách đơn giản Hai phần mềm thông dụng nhất là EXCEL và MATLAB Tuy nhiên, qua thực tế làm đề tài, em thấy phần mềm MATLAB có những ưu điểm vượt trội hơn cả so với EXCEL, nhất là về phần đồ thị

5 Tài liệu tham khảo

[1] Bourgoyne, A T., et al - Applied Drilling Engineering (SPE Textbook Series-1984).pdf

[2] ThS Đỗ Quang Khánh & ThS Bùi Tử An - Bài giảng điện tử “Tin học ứng dụng trong kỹ thuật địa chất & dầu khí”