Bài giảng Cơ sở kỹ thuật dầu khí - Chương 3: Dung dịch khoan và xi măng

Bài giảng Cơ sở kỹ thuật dầu khí - Chương 3: Dung dịch khoan và xi măng. Chương 3 gồm có những nội dung chính sau: Dung dịch khoan, thủy lực khoan, xi măng, các phương pháp trám xi măng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 1

DUNG D CH KHOAN VÀ XI MĔNG

Bài giảng được soạn bởi

Bộ môn Khoan – Khai thác Dầu khí

Trang 2

GEOPET Dung dịch khoan và xi măng  2

Trang 3

1 DUNG D CH KHOAN

Trang 4

Trang 5

Đ NH NGHƾA

 Đ nh nghĩa

Dung dịch khoan là bất kì dung dịch nào được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt vào cần khoan, đi qua choòng khoan và quay lại bề mặt bằng khoảng không vành xuyến trong công tác khoan

 Dung d ch khoan có thể là chất l ng hoặc khí

 Dung d ch khoan là không khí

 Dung d ch khoan d ng b t

 Dung d ch khoan là n c Dung d ch khoan g c d u

Trang 6

H TH NG TU N HOÀN DUNG D CH

1 Dung dịch khoan

Trang 7

CHỨC NĔNG C B N

1 R a l khoan, nâng mùn khoan lên kh i gi ng

2 Giữ mùn khoan l l ng khi ng ng tu n hoàn

3 Làm mát, bôi tr n b khoan c

4 Giữ n đ nh thành l khoan

5 Truy n thông tin đ a ch t lên b mặt

Trang 8

CÁC CHỨC NĔNG KHÁC

 Gây tác d ng lý hóa khi phá h y đ t đá

 Truy n nĕng l ng cho turbin khoan

 Là môi tr ờng trung gian đ truy n tín hi u đi u khi n

Ngoài ra, dung dịch khoan còn hỗ trợ đảm bảo tính chính xác cho công tác đánh giá vỉa, kiểm soát sự ăn mòn thiết

bị, hỗ trợ qui trình trám ximăng và hoàn thiện giếng…

Trang 9

TÍNH CH T - CHỨC NĔNG C A DUNG D CH KHOAN

Vận chuy n mùn khoan lên b mặt Ứng su t tr t tƿnh, Đ nh t bi u

ki n, L u l ng Giữ mùn khoan l l ng khi ng ng

Trang 10

CÁC Y U T KHÁC

Dung d ch khoan c n ph i đ c lựa ch n và thi t k đ có tính ch t lý hóa ph c v các ch c nĕng nêu trên Ngoài ra,

c n chú ý đ n:

 nh h ởng đ n môi tr ờng c a dung d ch khoan

 Giá thành c a dung d ch khoan

 Kh nĕng vận chuy n

 nh h ởng c a dung d ch khoan đ n giai đo n khai thác

Trang 11

CÁC PH NG PHÁP R A L KHOAN

Tùy đặc đi m c a quá trình khoan và yêu c u kỹ thuật, thi t

b , dung d ch khoan có th tu n hoàn trong gi ng đ r a l khoan theo các ph ng pháp sau:

Trang 12

1 Đ ờng dung d ch vào 2 Đ ờng dung d ch ra 3 Mùn khoan vào ng l ng

Trang 13

DUNG D CH SÉT

Dung d ch

- Là m t h đồng thể g m 2 hay nhi u thành ph n vật ch t

- Vật ch t b phân chia thành những ph n t riêng bi t đ c g i là

chất hòa tan Ch t ch a các phân t b phân chia g i là môi trường hòa tan

- H đ ng th đ c g i là dung d ch khi đ ờng kính  c a h t hòa

tan nh h n 10-6 mm

Trang 14

DUNG D CH SÉT

Hệ phân tán

- Là h bao g m 2 hay nhi u pha (tướng) mà m t trong những pha

đó b phân chia thành những ph n t r t nh (chất phân tán) trong những pha khác (môi trường phân tán)

- H đ c g i là h phân tán khi đ ờng kính  c a ch t phân tán l n

h n 10-6 mm

Trang 15

DUNG D CH SÉT

Đá phi n sét ch a phong hóa Đá sét tầng chắn

Trang 16

Trang 17

CÁC THÔNG S C B N C A DUNG D CH SÉT Bao g m các thông s sau:

Trang 18

Trang 20

Trang 21

Kh i l ng riêng c a m t s thành ph n dung d ch thông th ờng

Trang 22

Trang 23

 Chất lỏng phi Newton: trong dung d ch ch a đáng k các phân

t kích th c l n h n phân t

Trang 24

Đ NH T

Ch t l ng phi Newton bao g m:

 Chất l ng Bingham: đặc tr ng bằng ng su t tr t t i h n

(yield-point) - ng su t t i thi u đ ch t l ng b t đ u xu t hi n bi n d ng Khi ng su t v t quá ng su t tr t t i h n, ch t l ng tuân theo mô hình Newton Ví d : dung d ch sét có hàm l ng h t r n cao

 Chất l ng theo mô hình hàm mũ: quan h giữa ng su t tr t và

t c đ tr t tuân theo quy luật hàm mǜ

Dung dịch khoan, tùy theo hàm lượng hạt rắn, thể hiện đặc tính trung gian giữa chất lỏng dẻo Bingham và chất lỏng theo mô hình hàm mũ

Trang 26

Trang 27

ĐO Đ NH T

Đ nh t theo nh t k Marsh là ch s ch y loãng c a dung d ch bi u th bằng thời gian (đo bằng giây) ch y h t 946 cm3 dung d ch qua ph u có dung tích 1500 cm3 và đ ờng kính trong l ph u là 4,75 mm

Trang 28

ĐO Đ NH T

Đo đ nh t bằng nh t k rôto

Nh t k Fann

Trang 29

ỨNG SU T TR T TƾNH

 Là đ i l ng đặc tr ng cho đ b n c u trúc (hay tính lưu biến) c a

dung d ch khi đ nó yên tƿnh sau m t thời gian

 Đ b n c u trúc c a dung d ch đ c đo bằng m t lực t i thi u c n đặt vào m t đ n v di n tích vật th nhúng trong dung d ch đ làm nó

chuy n đ ng

Tính độ nhớt và ứng suất tr ợt tĩnh khi đo bằng máy Fann:

• Đ nh t dẻo (plastic viscosity), cp µp(cp) = 600 - 300

• Ứng su t tr t t i h n (yield-point), lb/100ft 2 y (lb/100 sqft) = 300 - µp

• Đ nh t bi u ki n (apparent viscosity) µa (cp) = 0,5.600

v i  ,  : s đo t ng ng v i s vòng quay 300 và 600 vòng/phút

Trang 30

− Ngĕn c n quá trình tách mùn khoan và khí ra kh i dung d ch

− C n tĕng áp su t đ tái tu n hoàn dung d ch sau khi thay choòng

− Khi nâng c n khoan, d x y ra hi n t ng s t áp c t dung d ch t i

choòng, có th gây hi n t ng xâm nhập n u c t áp chênh l ch l n

− T ng tự, khi h c n khoan, có th gây v v a và th t thoát dung d ch

Trang 31

Đ TH I N C API

 Là l ng n c tính bằng cm3 thoát ra t dung d ch khoan khi th m l c qua thi t b (gi y) l c có đ ờng kính 75 mm sau kho ng thời gian 30 phút và d i áp su t 100 psi

 Giá tr đ th i n c c a dung d ch khoan bình th ờng kho ng 10-25

cm3/30ph

 Thực t đ gi m thời gian thí nghi m, đôi khi ng ời ta nhân đôi th tích th m l c đo sau 7,5 phút đ đ c đ th i n c API

Trang 32

Dung d ch khoan có độ thải n ớc lớn

Trang 33

Đ TH I N C API

C u t o thi t b đo đ th i n c

Trang 34

 Là b dày l p v sét bám trên thành gi ng (hay trên thi t b l c) khi

n c t dung d ch khoan th m vào đ t đá thành h

Trang 35

HÀM L NG HẠT RẮN

là hàm lượng cát) là th tích cặn thu đ c khi đ dung d ch pha loãng bằng n c lã theo t l 9:1 ở tr ng thái yên tƿnh sau 1 phút, tính bằng

Trang 36

Trang 37

Đ N Đ NH

 Là đ i l ng đặc tr ng cho kh nĕng giữ dung d ch ở tr ng thái keo

Có th hi u đ n đ nh là hi u s tỷ tr ng c a hai ph n dung d ch d i

và trên trong cùng m t c c, sau khi đ chúng yên tƿnh m t ngày đêm

 Giá tr đ n đ nh càng nh thì ch ng t dung d ch đ c giữ vững ở

tr ng thái keo (dung dịch ổn định)

Trang 38

Đ LẮNG NGÀY ĐÊM

 Đặc tr ng cho m c đ b o toàn t tr ng

đ ng đ u c a dung d ch khoan

 Độ lắng ngày đêm: l ng n c tách ra

trên b mặt c a dung d ch khi giữ yên 100

cm3 dung d ch sau 24 giờ

 Đ l ng ngày đêm l n ch ng t dung d ch

sét không n đ nh, m c đ phân tán c a sét th p và sét không th làm n c r a trong những đi u ki n khoan ph c t p

Trang 39

 Dung d ch sét th ờng có đ pH = 8,5 - 9,5; dung d ch vôi: 11 - 12 Đ

pH đ c đo bằng gi y quỳ hoặc máy đo đ pH

Trang 40

NH H ỞNG C A NHI M B N

nh h ởng c a sự nhi m b n đ i v i tính ch t dung d ch

Trang 41

PHÂN LOẠI DUNG D CH KHOAN

 Khí, b t hoặc dung d ch b t khí

Trang 42

Các sản phẩm chính để điều ch :

Trang 43

DUNG D CH G C N C

N ớc kỹ thuật

 H n h p n c lã hòa tan v i các lo i sét trong c t đ a t ng khoan qua

 Dùng đ khoan trong đ t đá b n vững, thành gi ng n đ nh, ít x y ra các hi n t ng ph c t p nh sập lở, tr ng nở, m t n c

Trang 44

Nh ợc điểm: gây nhi m b n t ng ch a,

làm gi m đáng k đ th m tự nhiên c a v a

Nhằm bảo vệ độ thấm tự nhiên của tầng chứa,

cần sử dụng dung dịch khoan với các đặc tính

hạn chế nhiễm bẩn tầng chứa

Trang 45

DUNG D CH G C N C

Dung d ch hoàn thiện gi ng

 Th ờng dùng đ khoan vào t ng s n ph m,

Trang 46

Trang 47

DUNG D CH G C D U

Th ờng đ c dùng đ khoan vào t ng ch a hoặc là dung

d ch hoàn thi n gi ng

Trang 48

u điểm

 Ki m soát d dàng các đặc tính c a dung d ch khi không có sự xu t

hi n c a n c hoặc d u thô

 Không nh y v i các ch t gây nhi m b n thông th ờng c a dung d ch

g c n c (NaCl, CaSO4, ximĕng, sét)

 Các đặc tính th m l c tƿnh t t ở nhi t đ và áp su t cao, v sét m ng

 T tr ng c a dung d ch nh (g n bằng 1)

 Gi m ma sát b khoan c lên thành gi ng, lo i tr dính b khoan c

do chênh áp

 Tĕng tu i th các choòng khoan d ng chóp xoay

 T l mẫu cao, ít gây nhi m b n thành h

Trang 49

DUNG D CH G C D U

Nh ợc điểm

 Nh y v i n c

 D l ng đ ng các ch t làm nặng

 Thao tác d b n ng ời và d cháy

 Làm h ng cao su không chuyên dùng v i hydrocacbua

 Khó phát hi n sự hi n di n c a d u và khí trong mùn khoan

 M t s ph ng pháp đo trong khi khoan và đo đ a vật lý gi ng khoan không th áp d ng đ c

 Giá thành cao

Trang 50

 G m m t pha liên t c là d u và m t pha phân tán là n c chi m ít

nh t 50% th tích, đ c s d ng đ khoan trong các tr ờng h p sau:

 T ng mu i hoặc anhydric có chi u dày l n,

 Gi ng khoan có nhi t đ cao,

Trang 52

 Tr n dung d ch sét v i d u, sau đó cho h c ín làm ch t n đ nh

 Chuy n t dung d ch nhǜ t ng d u trong n c nhờ nhǜ t ng hóa và cho

vào các ch t n đ nh nh dung d ch h c ín hoặc vôi tôi

Trang 53

CÁC LOẠI CH T R A KHÁC

Chất rửa là không khí (khoan thổi khí)

 Vận t c nâng mùn khoan cao (kho ng 500 - 900 m/ph)

 Áp su t th y tƿnh lên đáy gi ng khoan r t th p

 T c đ khoan cao do áp su t th y tƿnh lên đáy gi ng không đáng k

 Không gây nhi m b n thành h

 C n có thi t b l c b i chuyên d ng ở mi ng gi ng

 Không s d ng đ c trong t ng ch a n c

Trang 54

Trang 55

LÀM SẠCH DUNG D CH

 Dung d ch sau khi tu n hoàn t đáy gi ng c n ph i đ c làm s ch

và khôi ph c l i tính ch t ban đ u tr c khi b m trở l i gi ng

 3 ph ng pháp tách mùn khoan kh i dung d ch:

Trang 56

Trang 57

2 TH Y L C KHOAN

Trang 58

C SỞ TÍNH TOÁN TH Y LỰC KHOAN

 Dựa trên m t trong hai mô hình c b n:

 Mô hình ch t l ng dẻo Bingham

 Mô hình hàm mǜ

 Các mô hình này bi u di n qui luật ng x

c h c (giữa ứng suất tr ợt và tốc độ

tr ợt) c a dung d ch khoan và vữa xi mĕng

2 Thủy lực khoan

Trang 59

M T S Đ NH NGHƾA

 Apparent viscosity: đ nh t bi u ki n

 Pseudoplastic: dung d ch có đ nh t bi u ki n gi m khi vận t c tr t tĕng

 Dilitant: dung d ch có đ nh t bi u ki n tĕng khi vận t c tr c tĕng

 Yield point: ng su t tr t t i h n

 Plastic viscosity: đ nh t dẻo

 Gel strength: đ b n gel

Trang 60

Trang 61

MÔ HÌNH CH T L NG DẺO BINGHAM

Trang 62

Tổn thất áp suất do ma sát

 Trong đ ờng ng

• Ch đ ch y t ng:

• Ch đ ch y r i:

v i f là hệ số ma sát đ c tính bằng công th c:

dPf/dL (psi/ft), p (ppg, lbm/gal), g = y (lbf/100ft 2 ), d (in), v (ft/s)

Trang 63

MÔ HÌNH CH T L NG DẺO BINGHAM

 Trong vành xuy n:

• Ch đ ch y t ng:

• Ch đ ch y r i:

Trang 64

- t c đ tr t, s -1 ;

Trang 65

MÔ HÌNH HÀM MǛ

 Các thông số n và K đ ợc tính theo các số liệu th c nghiệm:

v i:  300 ,  600 - s đo trên nh t k Fann t ng ng v i t c đ quay 300 và

600 vòng/phút

 Trong mô hình này c n tính s Reynolds t i h n tr c khi xác đ nh t n th t

áp su t do ma sát

 Vận tốc trung bình: tính theo mô hình Bingham

 Số Reynolds tới hạn N ReC: xác đ nh bằng đ th hoặc b ng

Trang 66

Trang 68

Trang 69

T I U HÓA TH Y LỰC KHOAN

 Công su t th y lực c a dung d ch khoan đ c cung c p bởi b m

 Trong quá trình tu n hoàn, công su t này tiêu t n qua:

1 Ma sát trong chu i c n khoan và vành xuy n: là lo i công su t

tiêu t n vô ích đ i v i quá trình khoan

2 Ma sát t i vòi phun th y lực c a choòng: đóng góp vào quá trình

làm s ch choòng khoan

 T i u hóa th y lực khoan bao g m:

 T i thi u công su t th y lực lo i 1

 T i đa công su t th y lực lo i 2

Trang 70

Công su t th y lực trong chu i c n khoan và vòi phun

Trang 71

nh h ởng c a công su t th y lực t i choòng

đ i v i t c đ khoan

Trang 72

 T n th t áp su t do ma sát qua vòi phun th y lực là không đáng

Trang 73

T N TH T ÁP SU T Ở CHOÒNG

 Tổn thất áp suất:

Công th c này đúng cho c ch t l ng Newton và phi Newton vì b qua ; Cd - h s gi m áp (th ờng l y 0,95) (ppg); q (gal/ph), AT (in2)

 Công suất thủy l c HHP:

 L c va đập của vòi phun (jet impact force) tại choòng:

Trang 74

 Công suất của máy b m (PHP):

Trang 75

T N TH T ÁP SU T Ở CÁC THI T B B MẶT

Bao g m: ng đ ng, ng m m cao áp, đ u xoay th y lực,

in

Chi u dài, ft

Đ ờng kính trong,

in

Chi u dài, ft

in

Chi u dài, ft

in

Chi u dài, ft

2 3 ½ 40 2 ½ 55 2 ½ 5 3 ¼ 40 0,001073Q 1,8

3 4 45 3 55 2 ½ 5 3 ¼ 40 0,000676Q 1,8

Trang 76

ÁP SU T DO NÂNG VÀ HẠ B KHOAN CỤ

 Áp su t gây ra do nâng và h b khoan c cǜng có th tính toán theo

mô hình Bingham và hàm mǜ n u bi t vận t c nâng h

 Áp suất d (surge): áp su t tĕng do h b khoan c vào gi ng

 Áp suất thông (swab): áp su t gi m do nâng b khoan c t gi ng

 Đ i v i b c n kín, vận tốc trung bình trong vành xuy n đ c xác

đ nh theo công th c c a Moore:

vp - vận t c nâng (h )̣ c n, ft/ph; K - là hằng s (0,45)

Trang 77

ÁP SU T DO NÂNG VÀ HẠ B KHOAN CỤ

 Moore khuy n cáo s d ng vận t c cực đ i đ tính m c đ tĕng hoặc

gi m vận t c chuy n đ ng c a c t c n khoan: vmax = 1,5v

 Áp su t d và áp su t thông: xác đ nh nhờ thay vận t c ch t l ng trung bình trong các công th c tính t n th t áp su t do ma sát ở ph n tr c bằng vận t c ch t l ng cực đ i

 C n tính t tr ng tu n hoàn t ng đ ng ECD do áp su t d và áp

su t thông gây ra

Trang 78

H S VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN

Trang 79

 Hai xylanh, t ng th tích b m đ c trong 01 chu trình b m:

trong đó: Ls - chi u dài hành trình c a pittông, in; dl - đ ờng kính

b c lót (liner), in; dr - đ ờng kính c n b m, in; Ev - hi u su t th tích

Trang 80

Trang 81

 Lực va đập c a vòi phun:

v i: Cd = 0,95 (h s gi m áp)

 Đi u ki n cực đ i :

Trang 82

TÍNH TOÁN CÁC THÔNG S KHÁC

 Công suất thủy l c c c đại:

 Đi u ki n cực đ i 

Trang 83

3 XI MĔNG

Trang 84

Trang 85

 Nĕm 1910, A Perkins gi i thi u đ u trám xi mĕng hai nút ở California

 Đ n nĕm 1917 xi mĕng Portland vẫn là thành ph n c b n đ trám

gi ng d u

Trang 86

Trang 87

tĕng tính ch ng mòn,…

Trang 88

3 Xi măng

Định dạng
Số trang	138
Dung lượng	2,23 MB