Ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất cho giếng khoan nhiệt độ cao áp suất cao ht x, mỏ hải thạch, bồn trũng nam côn sơn

HCM, ngày ……tháng……năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ II- NHIỆM VỤ & NỘI DUNG 1- NHIỆM VỤ: Trên cơ sở nghiên cứu về công nghệ và các ứng dụng của khoan kiểm soát áp suất, cùng với đặc đi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

TRỊNH VĂN VƯƠNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN KIỂM SOÁT ÁP SUẤT CHO GIẾNG KHOAN NHIỆT ĐỘ CAO - ÁP SUẤT CAO HT-X, MỎ HẢI THẠCH, BỒN TRŨNG NAM CÔN SƠN

Chuyên ngành : Kỹ thuật Dầu khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016

Công trình được hoàn thành tại:Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Đỗ Quang Khánh………

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TSKH Trần Xuân Đào………

Cán bộ chấm nhận xét 1: T.S Hoàng Quốc Khánh………

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Hữu Chinh………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-Tp HCM, ngày ……tháng……năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

II- NHIỆM VỤ & NỘI DUNG

1- NHIỆM VỤ:

Trên cơ sở nghiên cứu về công nghệ và các ứng dụng của khoan kiểm soát

áp suất, cùng với đặc điểm địa chất và điều kiện thi công của giếng khoantrước đó ở mỏ Hải Thạch Từ đó, đưa ra đánh giá và áp dụng công nghệ khoanhợp lý cho giếng khoan HT-X nhằm giảm thiểu những phức tạp, sự cố và rủi rotrong quá trình thi công khoan các giếng khoan phát triển mỏ tại đây

2 - NỘI DUNG ĐỀ TÀI

- Tìm hiểu và đánh giá đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu và địa tầnggiếng khoan HT-X, mỏ Hải Thạch, bồn trũng Nam Côn Sơn Đánh giá hiệntrạng công tác khoan kiểm soát áp suất cho các giếng HT-HP ở mỏ Hải Thạch

- Nghiên cứu, tìm hiểu cơ sở lý thuyết và các ứng dụng của công nghệkhoan kiểm soát áp suất

- Trên cơ sở đặc điểm riêng biệt của giếng khoan HT-X là áp suấtcao-nhiệt độ cao cùng với cửa sổ áp suất hẹp, đánh giá khả năng ứng dụngcông nghệ khoan kiểm soát áp suất hợp lý cho giếng HT-X nhằm giảm thiểu sự

cố và rủi ro như mất dung dịch, phun trào trong quá trình thi công giếng khoanHT-X

- Đề xuất giải pháp khoan kiểm soát áp suất phù hợp cho giếng khoanHT-X

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 1/2016

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2016

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ QUANG KHÁNH

TSKH TRẦN XUÂN ĐÀO

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2016

TSKH TRẦN XUÂN ĐÀO

TS MAI CAO LÂN

TS ĐỖ QUANG KHÁNH

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cám ơn chân thành và trân trọng nhất đến thầyhướng dẫn, TS Đỗ Quang Khánh và TSKH Trần Xuân Đào đã cho em mộtđịnh hướng đúng đắn ngay từ đầu và tận tình hướng dẫn để em có thể hoànthành luận văn theo đúng thời hạn qui định của nhà trường

Em xin cám ơn các thầy khoa Địa chất và Dầu khí cũng như bộ mônKhoan - Khai thác và đã hết sức tạo điều kiện để em hoàn thành tốt khóa học

và luận văn Em xin gửi lời cám ơn trân trọng đến tất cả các thầy cô giáo đãtham gia giảng dạy chương trình đào tạo ngành Khoan khai thác và công nghệdầu khí

Xin cám ơn tất cả các bạn bè cùng học lớp cao học ngành Kỹ thuật dầu khíkhóa 2013 đã cùng chia sẻ những khó khăn trong quá trình học tập tại trườngBách Khoa Em xin cảm ơn các anh và các bạn kỹ sư khoan công ty điều hànhdầu khí Biển Đông POC, công ty PVD Well Services đã tận tình giúp đỡ vềkiến thức cũng như tài liệu trong quá trình làm luận văn

Sau cùng, xin cảm ơn tất cả người thân yêu trong gia đình đã động viêntrong suốt quá trình làm luận văn

Học viên thực hiện:

Trịnh Văn Vương

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong lĩnh vực khoan và khai thác dầu khí, chi phí cho hoạt động khoanchiếm khá lớn, đặc biệt là khoan thăm dò, thẩm lượng hoặc khoan trong nhữngvùng có điều kiện địa chất phức tạp như nhiệt độ và áp suất đáy giếng cao,điều kiện khoan càng trở nên phức tạp khi cửa sổ áp suất khoan hẹp và diễnbiến không đều (lúc tăng lúc giảm), đã khiến cho hoạt động khoan gặp rấtnhiều sự cố khi khoan qua các địa tầng phức tạp này Các sự cố như mất dungdịch, phun trào thường xuyên xảy ra, đặc biệt đối với các giếng khoan nhiệt độcao - áp suất cao, điển hình như giếng HT-X, ở mỏ Hải Thạch, Bồn trũng NamCôn Sơn

Tác giả đã tìm hiểu thực trạng khoan và cá sự cố cùng cách khắc phục củacác giếng đã được khoan tại mỏ Hải Thạch, cùng với việc phân tích các điềukiện địa chất riêng biệt được dự báo của giếng HT-X là áp suất cao, nhiệt độcao và có cửa sổ áp suất hẹp lại diễn biến phức tạp; bên cạnh đó tác giả tìmhiểu về các ứng dụng của công nghệ khoan kiểm soát áp suất và chức năng củathiết bị phục vụ cho công nghệ

Để ngăn chặn và đẩy lùi các hiện tượng và sự cố như mất dung dịch, phuntrào, hiện tượng co giãn vỉa khi ngừng và khởi động bơm dung dịch gây nênhiện tượng dôi lên của dung dịch làm và làm kém sự ổn định thành hệ, thì điềucốt lõi là phải điều chỉnh áp suất đáy nằm trong giới hạn cửa sổ áp suất và điềukhiển áp suất tuần hoàn tương đương ECD và áp suất tĩnh tương đương ESDvới giá trị ổn định và tối ưu Vì vậy công nghệ khoan kiểm soát áp suất vớiứng dụng kiểm soát áp suất với áp suất đáy không đổi (MPD CBHP) đã được

đề nghị để thi công khoảng khoan 12.25” đầy thách thức này

Dựa trên cơ sở các dữ liệu cấu trúc giếng khoan, phân tích PPFG, thông sốcủa bộ khoan cụ, đặc tính dung dịch khoan và các thông số chế độ khoan với

sự hỗ trợ phần mềm Drillbench, các giá trị ECD và ESD được mô phỏng vớicác giá trị khác nhau của áp suất van điều tiết (SBP)

Tác giả cũng đã tìm hiểu chức năng và công dụng của từng thiết bị phục

vụ cho MPD, theo đó thiết lập sơ đồ các thiết bị để quan sát và kiểm soát ápsuất dòng chảy từ máy bơm của giàn vào trong cần khoan xuống đáy giếng và

từ đáy giếng khoan qua vành xuyến và lên bề mặt đi qua thiết bị đối áp xoaythế hệ RCD7875 và thiết bị điều khiển vi dòng MFC (Microflux ControlSystem) Tất cả các giá trị thủy lực như áp suất, lưu lượng, tỷ trọng dung dịch,thể tích,… được cập nhật từ khi dung dịch đi vào giếng khoan đến khi đi lên

bề mặt bởi thiết bị MFC Với sự hỗ trợ của phần mềm Microflux ControlSystem, hệ thống MFC có sự can thiệp kịp thời trong việc phát hiện xâm nhậpkhí, mất dung dịch, phân biệt hiện tượng Ballooning và hiện tượng phun, điềuchỉnh áp suất van điều tiết bằng cách điều chỉnh van điều tiết hay cung cấp ápsuất bề mặt bằng máy bơm của giàn Theo đó, thiết bị duy trì dòng chảy liêntục CFS sẽ làm ổn định áp suất đáy trong quá trình tiếp cần, nhờ đó giảm tối

đa hiện tượng xâm nhập chất lưu vỉa vào giếng gây phun trào, ngăn ngừa hiệntượng mất dung dịch, đặc biệt khi giếng khoan có độ sâu, độ nghiêng lớn vàcửa sổ áp suất hẹp đến rất hẹp

Với việc vận hành hệ thống thiết bị MPD với sự hỗ trợ đắc lực của MFC,RCD, CFS và dựa trên các giá trị của các thông số chế độ khoan được rút rakhi mô phỏng để tính ECD, ESD bởi phần mềm Drillbench, khoảng khoan12.25” sẽ được khoan với các thông số thủy lực khoan tối ưu dưới sự quan sát,điều khiển chặt chẽ và hiệu chỉnh kịp thời giá trị ECD, ESD trong quá trìnhkhoan bởi phần mềm Microflux Control của công nghệ MPD CBHP Và vì thếcác sự cố được phát hiện và ức chế kịp thời Vì vậy, khoảng khoan 12.25” củagiếng HT-X sẽ được khoan an toàn và hiệu qủa với việc sử dụng công nghệMPD CBHP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện Các đoạn tríchdẫn và số liệu sử dụng trong luận văn này đều được dẫn nguồn và có độ chínhxác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2016

Học viên thực hiện

Trịnh Văn Vương

MỤC LỤC

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Cơ sở tài liệu 3

6 Tình hình nghiên cứu liên quan tới đề tài 3

7 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học 5

8 Cấu trúc luận văn 5

Chương 1 7

TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHẤT VÀ CÔNG TÁC KHOAN TẠI MỎ HẢI THẠCH 7

1.1 Tổng quan về địa chất 7

1.1.1 Tổng quan địa chất vùng nghiên cứu 7

1.1.2 Tổng quan địa chất cấu tạo Hải Thạch 9

1.2 Tổng quan công tác khoan trong ở mỏ Hải Thạch 12

1.3 Các công trình nghiên cứu về đề tài 14

Chương 2 17

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ KHOAN KIỂM SOÁT ÁP SUẤT.17 2.1 Giới thiệu về khoan kiểm soát áp suất 17

2.1.1 Khoan điều khiển áp suất 17

2.1.2 Khoan kiểm soát áp suất 18

2.1.3 Đặc điểm khoan kiểm soát áp suất 21

2.1.4 Ưu điểm và hạn chế của khoan kiểm soát áp suất 21

2.2 Công nghệ khoan kiểm soát áp suất 22

2.2.1 Cơ sở tính toán của công nghệ khoan kiểm soát áp suất 22

2.2.2 Phần mềm mô phỏng thủy lực khoan Drillbench 27

2.2.3 Thiết bị sử dụng trong công nghệ khoan kiểm soát áp suất 29

2.3 Các dạng ứng dụng của khoan kiểm soát áp suất 41

2.3.1 Khoan mũ dung dịch tạo áp 41

2.3.2 Ứng dụng khoan tỷ trọng dung dịch kép (Dual Gradient drilling) 43

2.3.3 Ứng dụng khoan kiểm soát dòng hồi (Return Flow Control-RFC) 45

2.3.4 Ứng dụng khoan với áp suất đáy giếng không đổi (Constant Bottom-Hole Pressure CBHP) 46

Chương 3 49

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN KIỂM SOÁT ÁP SUẤT CHO GIẾNG KHOAN NHIỆT ĐỘ CAO-ÁP SUẤT CAO HT-X, MỎ HẢI THẠCH 50

3.1 Khảo sát hiệu quả ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất tại mỏ Hải Thạch 50

3.2 Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất cho giếng khoan HT-X mỏ Hải Thạch 63

3.2.1 Giới thiệu giếng khoan HT-X 63

3.2.2 Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất cho đoạn khoan 12.25” giếng khoan HT-X mỏ Hải Thạch 68

3.3 Giải pháp khoan kiểm soát áp suất cho khoảng khoan 12.25” giếng khoan HT-X mỏ Hải Thạch 69

3.3.1 Giới thiệu 69

3.3.2 Mục tiêu 70

3.3.3 Tính toán các thông số thủy lực trong công nghệ khoan kiểm soát áp suất cho khoảng khoan 12.25” 71

3.3.3.1 Mô phỏng thông số thủy lực khoan cho khoảng khoan 12.25” 74

3.3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tỷ trọng dung dịch 82

3.3.4 Thiết bị và nhân sự để thực hiện giải pháp kiểm soát khoan áp suất cho giếng HT-X 83

3.3.4.1 Thiết bị 83

3.3.4.2 Nhân sự và công tác an toàn cho công tác khoan kiểm soát áp suất 99

3.3.4.3 Đề xuất kế hoạch khoan đoạn khoan 12.25” giếng HT-X 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 107

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

3.1 Thời gian phi sản xuất (NPT) cho khoảng khoan 12.5” giếng HT-1P 52

3.2 Thống kê áp suất vỉa theo chiều sâu giếng HT-5P 55

3.3 Thông số chế độ khoan giếng HT-5P 60

3.4 Mô phỏng ESD với áp suất qui đổi sang áp suất thủy tĩnh ở ppg 60

3.5 Mô phỏng ECD với áp suất qui đổi sang áp suất thủy tĩnh ở ppg 60

3.6 Thời gian NPT của giếng HT-1P và HT-5P 62

3.7 Thời gian phi sản xuất của riêng giếng HT-5P 63

3.8 Tóm toắt thông tin địa chất giếng HT-X 65

3.9 Dữ liệu áp suất vỉa và áp suất vỡ vỉa giếng HT-X 76

3.10 Đặc tính dung dịch khoan thiết kế cho khoảng khoan 12.25” 77

3.11 Thông số bộ khoan cụ 78

3.12 Thông số chế độ khoan 79

3.13 Drillbench mô phỏng ECD khi khoan khoảng khoan 12.25" 79

3.14 ESD khi bơm tắt tại các điểm phân tích ứng với SBP khác nhau 81

3.15 Kết quả mô phỏng ECD và ESD khoảng khoan 12.25” 81

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Sơ đồ vị trí bể Nam Côn Sơn 7

1.2 Cột địa tầng bể Nam Côn Sơn 9

1.3 Cột địa tầng cấu tạo Hải Thạch 12

2.1 Khoan điều khiển áp suất 17

2.2 Áp suất đáy giếng trong phương pháp khoan truyền thống 18

2.3 Sự thay đổi áp suất đáy giếng trong quá trình khoan 19

2.4 Phức tạp trong giếng có cửa sổ áp suất hẹp 19

2.5 Cửu sổ áp suất 23

2.6 Sơ đồ thiết bị MPD bề mặt 30

2.7 Vị trí lắp đặt RCD 31

2.8 Hướng hồi về của dung dịch khoan trong công nghệ MPD 31

2.9 Phần thân RCD 32

2.10 Phần trục quay RCD 32

2.11 Cần khoan hở từ RDC đến sàn khoan 33

2.12 RCD loại 7875 33

2.13 Hệ thống điều khiển thủy lực 34

2.14 Thao tác lắp ráp trục quay sử dụng BRT 35

2.15 Hệ thống điều tiết điều khiển vi dòng MFC 36

2.16 Hệ thống van điều áp 36

2.17 Cấu tạo cơ bản của thiết bị đo dòng 37

2.18 Thiết bị đo dòng Coriolis 37

2.19 Thiết bị xử lý thông minh 38

2.20 Thiết bị thủy lực 38

2.21 Màn hình điều khiển 39

2.22 Các công đoạn làm việc của van điều khiển dưới giếng 39

2.23 Van chuyển dòng 40

2.24 Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu 40

2.25 Sơ đồ tổng quan hệ thống MDP 41

2.26 Khoan mũ dung dịch tạo áp 43

2.27 Áp suất đáy giếng trong phương pháp PMCD 43

2.28 Gradient áp suất sử dụng phương pháp DGD 44

2.29 Hệ thống bơm đẩy trong khoan tỷ trọng dung dịch kép DGD 45

2.30 Bơm chèn chất khí để giảm tỉ trọng dung dịch 45

2.31 Áp suất đáy giếng trong phương pháp CBHP 47

2.32 Sự thay đổi áp suất trong khoan CBHP 48

3.1 Áp suất dự kiến giếng HT-1P cho khoảng khoan 12.25” 51

3.2 Biểu đồ thực tế áp suất vỉa tại khoảng khoan 12 1/4” giếng HT-1P 52

3.3 Cấu trúc giếng khoan HT-1P 54

3.4 Biểu đồ gradient áp suất giếng HT-5P 55

3.5 Biểu đồ nhiệt độ giếng HT-5P 57

3.6 Cấu trúc giếng khoan HT-5P 59

3.7 ESD trong khoảng khoan 12.25” - Không tuần hoàn , tỷ trọng 17.3ppg tương ứng các SBP 200-500psi 61

3.8 ECD tương ứng với các giá trị tỷ trọng và lưu lượng khác nhau 61

3.9 Mặt cắt địa chấn giếng HT-X 65

3.10 Biểu đồ áp suất dự kiến giếng HT-X 66

3.11 Sơ đồ nhiệt độ giếng HT-X 67

3.12 Chọn điểm điều khiển 72

3.13 Các giá trị mô phỏng thủy lực 73

3.14 Khoảng khoan 12.25” 74

3.15 Cấu trúc giếng khoan HT-X 75

3.16 Biểu đồ gradient áp suất vỉa và áp suất vỡ vỉa 76

3.17 ECD khi khoan với dung dịch tỷ trọng 17.3ppg, tốc độ quay 160 rpm, lưu lượng bơm 850-950 gpm 80

3.18 ESD với tỷ trọng 17.3ppg tương ứng SBP từ 150-250psi khi tắt bơm 80 3.19 Sơ đồ nhiệt độ tuần hoàn theo độ sâu với tỷ trọng dung dịch khoan đầu vào ở 65oC là 17.3 ppg đến 17.5ppg với lưu lượng bơm ở các giá trị:

3.20 Áp suất làm việc của thiết bị làm kín bằng cao su tự nhiên 85

3.21 Lắp đặt đối áp xoay RCDCác giá trị mô phỏng thủy lực 85

3.22 Hệ thống MFC 86

3.23 Hướng đi của dung dịch vào và ra từ MFC 86

3.24 Thiết bị đo dòng Coriolis (a) và thiết bị xử lý thông minh(b) 87

3.25 Thu thập thông tin từ khi dòng vào đến dòng ra về hệ thống MFC 88

3.26 Sơ đồ bố trí đường đi của dung dịch khi dùng CFS 92

3.27 Dòng chảy đi từ cụm điều tiết lên Top Driver vào trong cần 93

3.28 Dòng chảy đi từ cụm điều tiết qua van hông vào trong cần 93

3.29 Sơ đồ bố trí thiết bị khoan kiểm soát áp suất MPD 94

3.30 Sơ đồ lắp đặt hệ thống thu thập và xử lý thông tin trong công nghệ MPD CBHP 95

3.31 Hiện tượng ballooning 96

3.32 Phát hiện khí lên bề mặt 97

3.33 So sánh chức năng phát hiện sớm hiện tượng kích giữa MPD và thiết bị cảm biến đo dung dịch 97

3.34 Cung cấp SBP vào vành xuyến để giữ ESD trên áp suất vỉa 98

3.35 Cung cấp SBP vào vành xuyến để giữ ESD trên áp suất vỉa khi ngừng để sửa bơm 98

3.36 Cung cấp SBP khi tiến hành wiper trip 99

3.37 Bảng đánh giá rủi ro 100

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AFP (annular friction pressure): áp suất ma sát vành xuyến

BA (bearing assembly): bộ ổ chắn và làm kín

BHA (bottomhole assembly): bộ dụng cụ đáy

BHP (bottomhole pressure): áp suất đáy giếng

BBL (barrel): thùng, 159 lít

BN (bell nipple): ống bao nối

BOP (blow out preventer): thiết bị chống phun trào

SBP (surface back pressure): áp suất dòng hồi bề mặt

CBHP (constant bottomhole pressure): áp suất đáy giếng không đổi

CC (cutting concentration): nồng độ mùn khoan

CD (cutting density): tỷ trọng mùn khoan

CP (choke pressure): áp suất van điều áp bề mặt

CFS (continuous flow system): thiết bị duy trỳ tuần hoàn

CL (choke line): áp suất tổn thất qua các đoạn ống

CPD (controlled pressure drilling): khoan điều khiển áp suất

DDV (downhole deployment valve): van triển khai dưới giếng

DG (dual gradient): tỷ trọng dung dịch kép

ECD (equivalent circulating density): tỷ trọng tuần hoàn tương đươngEMW (equivalent mud weight): tỷ trọng mùn khoan tương đương

FIT (Formation Integrity Test): Kiểm tra áp suất vở vỉa

MFC (Microflux Control System): hệ thống điều tiết điều khiển vi dòngGPM (gallon per minute): số gallon mỗi phút

HSE (Heath, Safety and Environment): Sức khỏe, an toàn và môi trườngHPHT (High Pressure High Temperature) Áp suất cao và nhiệt độ cao

ID (inner diameter): đường kính trong

LCM (lost circulating materials): chất bít nhét

MD (measured depth): chiều dài giếng khoan

MPD (managed pressure drilling): khoan kiểm soát áp suất

NPT (non-productive time): thời gian phi sản xuất

OD (outer diameter): đường kính ngoài

PMCD (pressurized mud cap drilling): khoan mũ dung dịch tạo áp

PP (pore pressure): áp suất vỉa

PPG (pound per gallon): đơn vị tỷ trọng hệ Anh-Mỹ

PWD (pressure while drilling): thiết bị đo áp suất khi khoanRCD (rotating controlled device): thiết bị kiểm soát xoay

ROP (rate of penetration): tốc độ khoan cơ học

STK (stroke): chu kì bơm

SPP (standpipe pressure): áp suất bơm ống đứng

TD (total depth): độ sâu tổng

TVD (true vertical depth): độ sâu thẳng đứng thật

UBD (underbalanced drilling): khoan dưới cân bằng

YP (yield point): giới hạn chảy

WOB (weight on bit): tải trọng lên choòng

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Trong phần mở đầu, luận văn nêu lên tính cấp thiết của đề tài, mục đích,nội dung và phương pháp nghiên cứu Phần này cũng trình bày cơ sở tài liệucủa luận văn cũng như những nghiên cứu của các tác giả trong nước và ngoàinước liên quan tới đề tài, sau đó là phần ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luậnvăn

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong hoạt động tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí thì chi phí dànhcho hoạt động khoan luôn chiếm một tỉ phần lớn, trong giai đoạn tìm kiếmthăm dò vào khoảng 65-75%, còn trong gia đoạn phát triển mỏ thì 30-35%.Việc lựa chọn các giải pháp công nghệ trong thi công khoan không phù hợp sẽlàm giảm tính hiệu quả của giếng cũng như thu thập được các thông tin khôngchính xác của mỏ, đây sẽ là nguyên nhân gây nên các thiệt hại khó lường Cácphức tạp thường gặp trong khi thi công khoan, đăc biệt là khoan qua các tầng

có dị thường áp suất cao như các mỏ ở bồn trũng Nam Côn Sơn, mà cụ thể là

mỏ Hải Thạch có áp suất cao, nhiệt độ cao với giới hạn khoan hẹp Khi thicông khoan ở vùng mỏ Hải Thạch với điều kiện áp suất vỉa cao, nếu khoanbằng phương pháp thông thường, để khống chế áp suất vỉa thì cần tăng tỉ trọngdung dịch, điều này dẫn đến việc nhiễm bẩn thành hệ do dung dịch khoan xâmnhập vào vỉa, nhưng nếu không tăng tỉ trọng thì lại bị phun trào do áp suất vỉacao Hơn nữa, giá trị áp suất vỉa và áp suất vỡ vỉa ở Miocence cao và gần nhau,nên việc điều chỉnh sao cho áp suất đáy giếng khi khoan nằm trong khoảngnày là điều bắt buộc và khó khăn nếu dùng phương pháp khoan truyền thống,

và cũng bởi nhiệt độ vỉa cao nên các thiết bị dễ bị hư hỏng Để khắc phục vấn

đề này, thì việc đưa ra một giải pháp công nghệ phù hợp để thi công khoan saocho vừa cho phép khoan với điều kiện áp suất cao lại không bị mất dung dịch

và giếng không bị phun trào và giảm được tối đa sự hư hỏng thiết bị do nhiệt

là cấp thiết Vì vậy, đề tài “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN KIỂM SOÁT ÁP SUẤT CHO GIẾNG KHOAN NHIỆT ĐỘ CAO-ÁP SUẤT

CAO HT-X, MỎ HẢI THẠCH, BỒN TRŨNG NAM CÔN SƠN” sẽ có ý

nghĩa thực tiễn và cấp thiết với thực tế thi công khoan hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu:

- Ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất và đưa ra giải pháp khoanphù hợp cho đoạn khoan 12.25” giếng khoan phát triển HT-X, mỏ Hải Thạch,bồn trũng Nam Côn Sơn

3 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết công nghệ khoan kiểm soát áp suất, các ứngdụng của công nghệ khoan kiểm soát áp suất, đặc biệt là ứng dụng khoan kiểmsoát áp suất với áp suất đáy ổn định ứng dụng cho giếng khoan HT-X

- Hướng nghiên cứu của đề tài:

+ Phân tích đặc điểm địa chất, áp suất, nhiệt độ, dung dịch khoan, cấu trúcgiếng,…để tính toán thông số thủy lực khoan, từ đó đưa ra thông số chế độkhoan kiểm soát áp suất phù hợp cho giếng HT-X

+ Tìm hiểu ứng dụng khoan kiểm soát áp suất với áp suất đáy ổn địnhcùng với chức năng hệ thống thiết bị, từ đó đưa ra giải pháp khoan thích hợpcho giếng HT-X

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Luận văn này được thực hiện thông qua nghiên cứu lý thuyết và thựcnghiệm Từ cơ sở nghiên cứu lý thuyết về khoan kiểm soát áp suất, tổng hợptình hình khoan thực tế và điều kiện địa chất vùng nghiên cứu, đánh giá khảnăng ứng dụng công nghệ, từ đó đề xuất giải pháp hợp lý cho vùng nghiêncứu

- Luận văn cũng nghiên cứu về các phương pháp khoan kiểm soát áp suấtkhác nhau ứng dụng cho các điều kiện địa chất khác nhau, cùng với việcnghiên cứu tính năng và vận hành của hệ thống các thiết bị trong khoan kiểmsoát áp suất Từ đó, luận văn đề xuất ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát ápsuất cho giếng khoan HT-X mỏ Hải Thạch

5 Cơ sở tài liệu của luận văn:

Luận văn có sử dụng tài liệu từ một số luận văn tốt nghiệp đại học, luậnvăn thạc sỹ, tài liệu khoan kiểm soát áp suất của công ty Weatherford, chươngtrình khoan của một các nhà thầu dầu khí Biển Đông POC, một số bài báo SPE,hình ảnh của hệ thống thiết bị dùng cho khoan kiểm soát áp suất của các công

ty dịch vụ dầu khí Weahterford, số liệu thực tế một số giếng khoan ở mỏ HảiThạch để phục vụ nghiên cứu

6 Tình hình nghiên cứu liên quan tới đề tài:

- Trong nước:

1 Nguyễn Văn Khang (2010) Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khoan

kiểm soát áp suất cho giếng khoan TGD-2X cấu tạo Tê Giác Đen Luận văn

Thạc sĩ Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Mục đích nghiên cứu là khả năng áp dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suấtcho giếng khoan TGD-2X và đề xuất giải pháp khoan kiểm soát áp suất chogiếng khoan TGD-2X cấu tạo Tê Giác Đen Dựa trên nghiên cứu về địa chấtvùng và địa chất cụ thể của giếng khoan và phân tích các sự cố liên quan đếncông tác khoan các giếng trước cùng cấu tạo hoặc có điều kiện địa chất tươngđồng cụ thể là giếng TGD-1X và TGD-1X-ST1 để đánh giá khả năng ứngdụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất cho giếng khoan TGD-2X và khảo sáthiệu quả ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất tại mỏ Cá Ngừ Vàng từ

đó đề xuất giải pháp khoan kiểm soát áp suất với ứng dụng CBHP cho giếngkhoan TGD-2X Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu dạng ứng dụng khoan hai tỷtrọng cho công tác khoan ở vùng nước sâu

2 Felbert Palao (2008) Application of a MPD System to Overcome the

Consequences of Lost Circulation Report of Hoan Vu JOC Weatherford Viet

Nam đã đúc kết các kết quả áp dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất thànhcông cho khoản khoan qua tầng móng nứt nẻ và hang hốc có áp suất dị thườngthấp nhằm khống chế và loại bỏ sự cố phức tạp mất dung dịch vào tầng sảnphẩm cho một giếng

3 Trần Nam Tuấn (2011) Ứng dụng khoan kiểm soát áp suất giải quyết

sự cố mất dung dịch khoan qua tầng móng mỏ Bạch Hổ bể Cửu Long Đánh

giá khả năng áp dụng, lựa chọn ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suấtcho tầng móng mỏ Bạch Hổ và giải pháp khoan với mũ dung dịch tạo áp chotầng móng mỏ Bạch Hổ để giải quyết sự cố mất dung dịch bao gồm vận hànhthiết bị, quy t櫘nh khoan, kiểm soát giếng

- Nước ngoài:

1 Don M Hannegan 2007 Managed Pressure Drilling: A new way of

looking at drilling hydraulics…Overcoming conventional drilling challenges.

Weatherford International Ltd

Đề tải làm nổi bật ưu điểm của việc khoan điểu khiển áp suất giếng với hệthống áp suất kín của phương pháp khoan kiểm soát áp suất so với việc kiểmsoát áp suất với hệ thống áp suất mở của phương pháp khoan truyền thống

2 Felbert Palao, Steve Nas, Chad Wues, Shaun Toralde Advantages of

Managed Pressure Drilling and Recent Deployment of Technology in Vietnam.

Weatherford

Các tác giả đã nêu lên được sự cần thiết và thành công của việc sử dụngphương pháp khoan kiểm soát áp suất cho khu vực Châu á Thái Bình Dươngnói chung và ở Việt Nam nói riêng Trong đó, các tác giả nêu lên vấn đề khoan

“closed wellbore” hiệu quả với việc sử dụng các thiết bị MPD Đồng thời cáctác giả cũng đưa ra các bài học kinh nghiệm cho việc sử dụng phương phápkhoan kiểm soát áp suất

Các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào các trường hợp sự cố xảy ra do dịthường áp suất âm như mất dung dịch, mất hẳn tuần hoàn, kẹt mút, sập lởthành hệ,…cần có thêm những nghiên cứu cho các khu vực có điều kiện địachất phức tạp như dị thường áp suất dương: áp suất cao, cửa sổ áp suất hẹp,cùng diễn biến phức tạp của giá trị áp suất theo chiều sâu, cụ thể là ở các mỏ ởbồn trũng Nam Côn Sơn như Hải Thạch, Mộc Tinh

Tóm lại, với ưu điểm của khoan kiểm soát áp suất cho các địa tầng có điều

kiện địa chất phức tạp như dị thường áp suất cao, mất dung dịch, kick, côngtác khoan được tiến hành an toàn và hiệu quả, giảm được nhiều rủi ro nên từ

đó giảm chi phí cho một giếng khoan Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng côngnghệ khoan kiểm soát áp suất cho các vùng mỏ có điều kiện địa chất dị thường

áp suất dương cao ở mỏ Hải Thạch là rất cần thiết

7 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học:

Ý nghĩa khoa học:

Làm rõ cơ sở lý thuyết của công nghệ và chức năng hệ thống các thiết bịkhoan kiểm soát áp suất ứng dụng cho công tác thi công khoan ở những cấutạo có điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt cho những cấu tạo có áp suất cao,cửa sổ áp suất hẹp, khó thi công hoặc không thể thi công bằng phương phápkhoan truyền thống như cấu tạo Hải Thạch thuộc lô 05-2, bể Nam Côn Sơn

Ý nghĩa thực tiễn:

Với việc nghiên cứu ứng dụng khoan kiểm soát áp suất cho giếng HT-X, từ

đó đối chiếu và áp dụng thi công khoan cho các giếng khoan tiếp theo tại mỏHải Thạch hoặc các mỏ khác có điều kiện địa chất tương đương

Nghiên cứu này cũng là bài học kinh nghiệm cho công tác chống phuntrào

8 Cấu trúc luận văn

- Chương 1: Tổng quan.

Chương này trình bày về tổng quan địa chất Bồn trũng Nam Côn Sơn và

mỏ Hải Thạch, tổng quan công tác khoan ở mỏ Hải Thạch và các công trìnhnghiên cứu liên quan tới đề tài luận văn

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về công nghệ khoan kiểm soát áp suất.

Chương này trình về công nghệ khoan kiểm soát áp suất, cơ sở toán học và

hệ thống thiết bị trong khoan kiểm soát áp suất Phần cuối chương trình bàycác ứng dụng của khoan kiểm soát áp suất, nhấn mạnh ứng dụng khoan kiểmsoát áp suất với áp suất đáy ổn định

- Chương 3: Ứng dụng khoan kiểm soát áp suất cho giếng HT-X, mỏ Hải

Chương này nghiên cứu các nội dung chính:

+ Tổng quan địa chất giếng HT-X, mỏ Hải Thạch

+ Phân tích, đánh giá khả năng ứng dụng khoan kiểm soát áp suất chogiếng HT-X, mỏ Hải Thạch Phần này khảo sát về khả năng hiệu quả của việcứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất cho mỏ Hải Thạch, nêu rõ hệthống các thiết bị khoan và các thông số chế độ khoan phù hợp cho ứng dụngkhoan kiểm soát áp suất với áp suất đáy ổn định

+ Đề xuất giải pháp khoan cho giếng khoan HT-X cấu tạo Hải Thạch làkhoan kiểm soát áp suất với áp suất đáy ổn định

- Kết luận và kiến nghị:

Phần này trình bày kết quả nghiên cứu của luận văn, sau đó kiến nghị việctiếp tục sử dụng phương pháp khoan kiểm soát áp suất cho vùng nghiên cứu vàcác vùng ngoài vùng nghiên cứu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHẤT VÀ CÔNG TÁC KHOAN TẠI MỎ HẢI

THẠCH 1.1 Tổng quan về địa chất

1.1.1 Tổng quan địa chất vùng nghiên cứu

- Vị Trí:

Mỏ Hải Thạch thuộc Block 05-2 của bồn trũng Nam Côn Sơn ngoài khơiViệt Nam, có vị trí địa lý cách Vũng Tàu khoảng 330 km với chiều sâu mựcnước biển trung bình từ khoảng 134 đến 140 m Bể Nam Côn Sơn là một bồntrũng có diện tích khoảng 100.000 km2, nằm ở thềm lục địa Việt Nam có tiềmnăng dầu khí

Móng của bồn trũng bao gồm các đá magma, trầm tích và đá núi lửa cótuổi thuộc đại Trung sinh Đá móng chủ yếu là đá granite và granitoid có tuổi

từ 98 đến 178 Ma, tức thuộc Jura trung - Creta trung Phủ trên móng là cáctrầm tích Miocene giữa, trên cùng là trầm tích Miocene muộn - Đệ tứ Nguồncung cấp trầm tích chính cho bể Nam Côn Sơn được cho là từ hệ thống sôngCửu Long

- Địa tầng:

Trong Paleogen, có các trầm tích được xếp vào hệ tầng Cau(E3c) Hệ tầngnày bao gồm cát kết Thạch anh hạt thô đến mịn, độ chọn lọc kém, xi măng sét,cacbonat với bề dày trung bình khoảng 358 m

Trong Neogene, bao gồm các trầm tích từ dưới lên thuộc hệ tầng Dừa(N11d), hệ tầng Thông - Mãng Cầu (N12tmc), và hệ tầng Nam Côn Sơn

(N13ncs).

Trong Pliocene - Đệ tứ, gồm địa tầng Biển Đông(N2-Qbđ), hệ tầng này

phân bố ra ngoài khu vực bể Nam Côn Sơn ra khắp thềm lục địa Việt Nam

- Cấu trúc địa chất:

Hai yếu tố chính phân bố cấu trúc bồn trũng này là sự va chạm của mảng

Ấn Độ - Á-Âu và tách giãn Biển Đông Thêm vào đó, một yếu tố nữa là sự hútchìm ở rãnh Sunda - Java và sự xoay chuyển phần lớn các khối vỏ lục địa vàđại dương Sự va chạm làm cho cao nguyên Thanh Tạng được nâng lên trong

kỷ Neogene đã ảnh hưởng phần lớn đến cấu trúc của bồn trũng Đầu tiên là sựtách giãn bắt đầu từ Eocen - Oligocen sớm, sau đó là hoạt động nâng lên vàxoay của các phần vỏ vào Oligocen muộn Quá trình bào mòn các phần đượcnâng lên đánh dấu sự chuyển đổi từ cơ chế tách giãn sang sụt lún khu vựcthuộc bể Cửu Long Tách giãn trong giai đoạn hai bắt đầu trong bể Nam CônSơn kéo dài cho đến Miocene muộn Các phần của bể Nam Côn Sơn trải quagiai đoạn đảo ngược từ Miocene giữa đến Miocene muộn

Các bẫy dầu khí trong bể Nam Côn Sơn gồm: bẫy nẻ - phong hóa, bẫythạch học trong đá cacbonat và bẫy địa tầng với kích thước từ 6x2 km2 đến

20x8 km2.

Hình 1.2 Cột địa tầng bể Nam Côn Sơn (Nguồn: Biển Đông POC).

1.1.2 Tổng quan địa chất cấu tạo Hải Thạch

Cấu tạo mỏ khí Hải Thạch bao gồm đứt gãy hình móng ngựa theo hướngBắc, Đông Bắc và Nam, Đông Nam (MMH & LMH) và các đứt gãy tỳ vaihình khối theo hướng đông (MMF) nằm ở phía dưới phần không liên tục chính(MMU) Phần lớn các đứt gãy bị gián đoạn tại MMU nhưng có một vài đứtgãy mở rộng và đè lên tập UMA Giếng khoan HT-1P khoan trên cấu tạo hình

móng ngựa của mỏ Hải Thạch Một số vỉa khí mà giếng khoan HT-1P đãkhoan qua có đặc tính như sau:

Cấu tạo UMA10 của Miocene Thượng

Cấu tạo UMA10 được minh giải là các doi cát cuộn ở cấu trúc hình móngngựa thuộc Miocene muộn của mỏ Hải Thạch Thông tin từ bản đồ địa chất chỉ

rõ cấu tạo UMA10 được tập trung ở sườn phía Tây Bắc Thông tin của cấu tạonày được kiểm chứng thông qua giếng khoan thăm dò HT-1X với 7 mét chiềudày cho kết quả độ rỗng chiếm 20% và 9% nước bão hòa Kết quả này cũngđược thể hiện thông qua giếng khoan thăm dò HT-2X và HT-3X

Cấu tạo MMH10 của Miocene Trung

Cấu tạo MMH10 được minh giải là tập hợp doi cát được bồi lấp ở cấu trúchình móng ngựa nằm ở Miocene Trung và có chiều dày 200m được kiểmchứng thông qua giếng khoan thăm dò HT-1X với thành phần là sét và cát kết,sét kết Đới chứa hydrocarbon bão hòa trong nước ở chiều sâu từ 3086m tới3163m với độ linh động kém

Cấu tạo LMH10 Miocene Hạ

Cấu tạo LMH10 bao gồm đá carbonate có độ rỗng cao Đặc điểm cát kếtcủa các vỉa thuộc Miocene hạ LMH10, LMH20, LMH30 và LMH41-45 làtầng gồm một loạt các trầm tích thành tạo trong môi trường châu thổ/bờ biển

và đã được kiểm chứng thông qua giếng khoan thăm dò HT-1X

Cấu tạo LMH20 Miocene Hạ

Miocene Hạ 20 có chất lượng vỉa khác nhau, nhưng chiều dày hiệu dụngtốt hơn so vơi các vỉa khác

Cấu tạo LMH30 Miocene Hạ

LMH30 phân lớp trầm tích theo kiểu thô dần lên, chất lượng vỉa chứađược xem là tốt nhất trong Miocene Hạ Biểu hiện dầu khí thấy rất tốt trong

chiều dày vỉa theo tài liệu mẫu lõi và theo tài liệu đo đặc tính vỉa chứa (MDT)thấy độ phóng xạ đất đá (GR) cao hơn hẳn so với các mẫu khác.

Cấu tạo LMH41-45

Vỉa Miocene hạ 41-45 theo tài liệu đo đặc tính vỉa chứa (MDT) thấy (05)năm tập mỏng chứa nước có đặc tính vỉa khác nhau Độ linh động thấp dưới10md/cp Theo tài liệu áp suất MDT, những vỉa tiềm năng phân bố ở phần nhôlên (so với các vỉa đã đề cập) sẽ được khoan thẩm lượng bằng giếng khoanHT-1P

Đặc điểm địa chất riêng biệt của mỏ Hải Thạch:

Ở độ sâu từ khoảng 2890mTVD là tập UMA10 của Miocene thượng trởxuống đến cấu tạo LMH41-45 có đặc điểm địa chất khá phức tạp Các dữ liệu

về nhiệt độ và áp suất được tổng hợp từ các giếng đã khoan trước đó cho thấy

ở các tầng này có áp suất cao, nhiệt độ cao Nhiệt độ ở đây từ 162 đến 178oC,

áp suất ở địa tầng này rất cao từ 15.4-17.45ppg với cửa sổ áp suất hẹp(0.6-0.9ppg) và diễn biến phức tạp, đường áp suất vỉa đi không ổn định, lúccao lúc thấp, nhất là trong cấu trúc Horst ở tập UMA10 , MMH10 của lớpMiocene

Chính vì những phức tạp địa chất như trên, trong quá trình khoan cácgiếng thăm dò, thẩm lượng: HT-1X,2X,3X,3ZX và giếng phát triển mỏ HT-1P,khi khoan vào cấu tạo có áp suất và nhiệt độ cao này đã gặp rất nhiều khókhăn:

- Phun trào do áp suất vỉa cao

- Mất dung dịch do phải tăng tỷ trọng để khống chế phun trào, khi khởiđộng bơm để khoan trở lại, do áp suất tuần hoàn tương đương lớn hơn áp suất

vỡ vỉa

- Thiết bị khoan hỏng do khoan ở môi trường có nhiệt độ cao

Cột địa tầng mỏ Hải Thạch được thể hiện ở hình bên dưới:

Hình 1.3 Cột địa tầng cấu tạo Hải Thạch (Nguồn: Biển Đông POC).

1.2 Tổng quan công tác khoan ở mỏ Hải Thạch.

Mỏ Hải Thạch được phát hiện từ năm 1995 bởi giếng khoan thăm dò05-2-HT-1X với dự báo tiềm năng thương mại khí và khí condensat ở các tậpUMA10 (Miocene thượng), MMH10(Miocene trung), MH10, LMH20LMH30

(Miocene hạ) Kết hợp với kết quả khoan thăm dò và khoan thẩm lượng thôngqua giếng khoan 05-2-HT-2X của tập đoàn dầu khí BP tiến hành năm 1996,khi khoan vào cấu tạo phía Đông của mỏ Hải Thạch có phát hiện thêm tích tụdầu khí ở đới UMA15(Miocene thượng) và các tập cát kết MMF10, MMF15,MMF30 của Miocene trung Kết quả khoan thẩm lượng năm 2002 do BP tiếnhành thông qua 2 giếng 05-2-HT-3X/3ZX đã khẳng định có phát hiện khí vàkhí condensat ở vị trí thấp hơn so với kết quả được cung cấp bởi giếng khoan05-2-HT-2X, các phát hiện này nằm ở đới UMA15, MMF10 và MMF15 vớitrữ lượng dự báo 1259bcf khí và 142mmbbl condensat Cùng với mỏ MộcTinh, mỏ Hải Thạch đã và đang được phát triển và đã cho sản phẩm.

Công ty dầu khí Biển Đông POC trong mấy năm gần đây đã tiến hànhkhoan phát triển giếng khoan HT-1P ở hai mỏ Mộc Tinh và Hải Thạch bồntrũng Nam Côn Sơn Điểm đặc trưng của các giếng khoan ở đây là có áp suấtcao và nhiệt độ cao với chênh lệch giữa độ vỡ vỉa và áp suất vỉa quá hẹp (0.6ppg), đặc biệt ở mỏ Hải Thạch gây nhiều khó khăn cho công tác khoan như:

- Khí xâm nhập gây giếng bị phun trào

- Mất dung dịch do áp suất tuần hoàn tương đương lớn khi phải khoan vớidung dịch tỷ trọng cao

Tình hình không thể khoan được do bị rơi vào vòng lặp: tăng tỷ trọng thì

bị mất dung dịch khoan, giảm tỷ trọng thì bị khí xâm nhập Vấn đề này lặp đilặp lại nhiều lần do đường áp suất vỉa và áp suất vỡ vỉa có giá trị gần nhau(cửa sổ áp suất hẹp) và tăng giảm liên tục, nên phải mất nhiều thời gian đểtăng và giảm tỷ trọng để kiểm soát giếng

Nhằm loại bỏ và hạn chế tối đa những phức tạp và hậu quả không mongmuốn trên, các nhà Thầu khoan đã đưa ra hàng loạt các giải pháp công nghệ -

kỹ thuật như tối ưu cấu trúc giếng, công nghệ hoàn thiện giếng…Nhưng thực

tế thi công vẫn không thể loại bỏ được chúng một cách triệt để Ban đầu, nhàthầu Biển Đông đã đưa ra giải pháp khoan cho đoạn khoan có áp suất cao vànhiệt độ cao này là: khoan mở rộng thành giếng khoan đoạn này và lắp đặt ống

giãn nở cho đoạn này, sau đó tiếp tục khoan Nhưng giải pháp này gây nhiềutốn kém vì chi phí cho thiết bị và tốn nhiều thời gian kéo thả để thay thế bộkhoan cụ… và vì trong công tác nong ống giản nở, ta phải nong từ dưới lêntrên nên tiềm tàng nhiều khả năng tắc kẹt dụng cụ nong dẫn tới việc hủy giếngnên thiệt hại là rất lớn.

Vì vậy việc nghiên cứu và đưa ra một giải pháp công nghệ phù hợp hơnnhằm hạn chế tối đa những tồn đọng trên là một nhu cầu cấp thiết phục vụcông tác thi công khoan tại mỏ Hải Thạch bồn trũng Nam Côn Sơn

Các khó khăn trên đưa ra nhu cầu sử dụng công nghệ khoan kiểm soát ápsuất để khoan qua các tầng có áp suất cao để đạt chiều sâu mục tiêu Và đócũng là mục tiêu nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất chogiếng khoan HT-X ở mỏ Hải Thạch, bồn trũng Nam Côn Sơn

1.3 Các công trình nghiên cứu về đề tài

Trong những năm vừa qua, công tác khoan thăm dò – khai thác dầu khí tạiViệt Nam phát triển rầm rộ với số lượng giếng khoan hàng năm tăng lên khôngngừng Các giếng khoan cũng vươn tới những vùng khó khăn phức tạp hơn.Công nghệ khoan kiểm soát áp suất đã và đang được sử dụng khá phổbiến trên thế giới và trong khu vực Đây là một công nghệ mà bản chất của nóđược dựa vào cơ chế vận hàng bằng việc điều tiết và kiểm soát áp suất động ởngoài vành xuyến và đáy giếng thông qua các thiết bị chuyên dụng cho phépkiểm soát và điều tiết các giá trị áp suất của hệ thống theo ý muốn chủ quancủa người vận hành một cách linh hoạt ngay tại bề mặt Cụ thể ở Việt Nam,giải pháp công nghệ này đã được đưa vào áp dụng khoan cho một giếng như:

- Ở bể Cửu Long:

+ 7 giếng khoan từ năm 2006 đến năm 2012

- Ở bể Nam Côn Sơn:

+ Mỏ Hải Thạch và Mộc Tinh khoan 16 giếng từ 2012 đến nay

- Bể Phú Khánh:

+ 1 giếng khoan năm 2010, 1 giếng khoan năm 2012

- Bể Sông Hồng:

+ 4 giếng từ năm 2010 đến 2011

- Công ty Hoàng Long - Hoàn Vũ JOC đã áp dụng công nghệ khoan kiểmsoát áp suất thành công cho mỏ Cá Ngừ Vàng ở khoảng khoan trong tầngmóng nứt nẻ và hang hốc có áp suất dị thường thấp nhằm khống chế và loại bỏ

sự cố phức tạp mất dung dịch vào tầng sản phẩm Sau kết quả này, các tác giảFelbert Palao và Hoàng Văn Thức đã có đúc kết thông qua báo cáo khoa họctại hội nghị Công Nghệ Khoan và Hoàn Thiện Giếng năm 2009 về kinhnghiệm sử dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất để chống mất dung dịchtại mỏ Cá Ngừ Vàng

Tuy nhiên, hiệu quả khi áp dụng công nghệ này không chỉ đơn thuần chovấn đề phức tạp mất dung dịch mà cần phải có những nghiên cứu mở rộng vàphát triển công nghệ này với những mục đích khác như vấn đề ổn định thànhgiếng khi khoan qua các tập đất đá có điều kiện địa chất phức tạp, cũng nhưkhả năng hạn chế nhiễm bẩn vỉa, chống phun trào, kiểm soát áp suất đáy, pháthiện sớm hiện tượng kích khí khi khoan qua các khoảng khoan có áp suấtcao,…

- Trong khi thi công khoan ở mỏ Hải Thạch, phức tạp địa chất chính là ởcác tầng vỉa có áp suất cao, nhiệt độ cao, cửa sổ áp suất khoan hẹp gây ranhiều khó khăn và phức tạp trong hoạt động khoan Các phức tạp trong khoanthường gặp đó là mất dung dịch do khoan với tỷ trọng cao, nhưng khi hạ tỷtrọng dung dịch xuống thì lại xảy ra hiện tượng kích khí Đây là khó khăn lớncho các nhà thầu Biển Đông POC vì đây là trường hợp khoan có thể xem làkhó nhất trong khu vực Thái Bình Dương vào thời điểm hiện tại

Năm 2014, để giải quyết vấn đề trên, các tác giả thuộc các công ty cungcấp dịch vụ MPD cũng như các nhà thầu dầu khí như: Ben Gedge, Tan ChaiYong, Jordan Rao, Harpreet Kaur Dalgit Singh, Joseph Oracion, Bao Ta Quoc,Weatherford Asia Pacific, Ho Chi Minh City, Vietnam, Nguyen Viet Bot, PVDWell Services Company, Ho Chi Minh City, Vietnam, Nam Hong Tran, Tri Le

Tran Minh, Richard Buitenhuis, Lich Tran Dai, Bien Dong POC, Ho Chi MinhCity, Vietnam, Alan E Wittry, Peter Malpas, Aldric Beaugeois, Nhieu NguyenHuu, Nguyen Van Que, Cuu Long JOC, đã nghiên cứu và biên soạn bài báo

SPE số 17429 có tựa đề : “The Deployment of Managed Pressure Drilling

Technology, to Assist in the Development of Offshore HPHT Gas Condensate Fields in Vietnam - Planning, Engineering, and Implementation”.

Các tác giả đã đưa ra các phức tạp và thách thức gặp phải khi khoan vàođịa tầng có áp suất cao và nhiệt độ cao cùng với cửa sổ áp suất rất hẹp ở cácgiếng khoan do công ty Biển Đông POC và Cửu Long JOC điều hành Các tácgiả đã phân tích và đưa ra giải pháp công nghệ khoan kiểm soát áp suất vớiứng dụng kiểm soát áp suất với áp suất đáy không đổi MPD CBHP cho cáckhoảng khoan có áp suất và nhiệt độ cao Ở giải pháp công nghệ này, áp suấttuần hoàn tương đương (ECD) và áp suất tĩnh tương đương (ESD) được quansát và điều khiển, giữ trong giới hạn của cửa sổ áp suất nhờ cung cấp áp suấtvào vành xuyến từ bề mặt

Các đề tài trên đã phần lớn giải quyết được những vấn đề phức tạp để thicông khoan các giếng khoan ở mỏ Hải Thạch

- Một trong các nguyên nhân gây mất ổn định áp suất đáy là do việc tắtbơm ngừng tuần hoàn để tiếp cần (tạo ra ESD), sau khi tiếp cần xong lại khởiđộng bơm (thiết lập ECD) để tiếp tục tuần hoàn Các nghiên cứu trên chỉ tậptrung vào vấn đề kiểm soát áp suất đáy giếng bằng cách đưa một giá trị vanđiều tiết vào vành xuyến làm ổn định áp suất đáy Nghiên cứu trên không đề

cập đến việc duy trì áp suất đáy giếng bằng việc duy trì tuần hoàn khi tiếp

cần.

Chính vì vậy, nội dung của luận văn này sẽ tập trung nghiên cứuứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất với ứng dụng ổn định áp suất đáy MPD CBHP kết hợp với thiết bị duy trì tuần hoàn khi tiếp cần cho giếng

HT-X và đề xuất giải pháp khoan kiểm soát áp suất để tăng tối đa khả năngthành công cho giếng khoan phát triển này

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ KHOAN KIỂM SOÁT ÁP SUẤT 2.1 Giới thiệu về khoan kiểm soát áp suất

2.1.1 Khoan điều khiển soát áp suất

Công nghệ khoan điều khiển áp suất bao gồm: công nghệ khoan kiểm soát

áp suất, công nghệ khoan dưới cân bằng, công nghệ khoan thổi khí

Hình 2.1 Khoan điều khiển áp suất (Nguồn: www.weatherford.com ).

- Công nghệ khoan dưới cân bằng được dùng với mục đích tránh nhiễm bẩnvỉa sản phẩm

- Công nghệ khoan thổi khí được ứng dụng với mục đích tăng tốc độ cơ họckhoan và giảm giá thành giếng khoan

- Công nghệ khoan kiểm soát áp suất với khả năng kiểm soát được chính xác

áp suất vành xuyến được ứng dụng để tăng khả năng thi công khoan cácgiếng khoan trong điều kiện địa chất phức tạp, giảm thiểu tối đa thời gianphi sản xuất

Ở phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ tập trung vào nghiên cứu về công nghệkhoan kiểm soát áp suất

2.1.2 Khoan kiểm soát áp suất:

- Công nghệ khoan truyền thống

Công nghệ khoan truyền thống sử dụng một hệ thống tuần hoàn mở, mùnkhoan được đưa từ đáy giếng lên bề mặt rồi đi đến các thiết bị tách khí và táchchất rắn để xử lý Áp suất vành xuyến được điều chỉnh bởi tỷ trọng của dungdịch khoan và tốc độ tuần hoàn dung dịch

Ở trạng thái tĩnh khi ngừng tuần hoàn bơm, áp suất đáy giếng(PBH) bằng

áp suất thủy tĩnh( PHyd)của cột dung dịch trong giếng khoan:

PBH = PHyd

Còn ở trạng thái động, khi tuần hoàn dung dịch, áp suất đáy giếng bằngtổng của áp suất thủy tĩnh(PHyd) và tổn hao áp suất vành xuyến (PAF) do tuầnhoàn gây ra:

PBH= PHyd +PAF

Hình 2.2 mô tả trạng thái áp suất đáy giếng trong phương pháp khoantruyền thống Áp suất đáy giếng tăng lên trong quá trình tuần hoàn có thể lớnhơn áp suất vỡ vỉa (FP) gây ra hiện tượng mất dung dịch

Hình 2.2 Áp suất đáy giếng trong phương pháp khoan truyền thống.

(Nguồn: www.weatherford.com )

Trong công nghệ khoan truyền thống, dung dịch khoan được thiết kế vớimục đích duy trì áp suất đáy giếng lớn hơn áp suất vỉa và nhỏ hơn áp suất vỡvỉa để đề phòng hiện tượng chất lưu từ vỉa xâm nhập vào giếng khi ngừng tuần

hoàn trong quá trình tiếp cần và tránh hiện tượng mất dung dịch Hình 2.3 mô

tả sự thay đổi áp suất đáy giếng trong quá trình khoan ở hai trạng thái tuầnhoàn và ngừng tuần hoàn

Hình 2.3 Sự thay đổi áp suất đáy giếng trong quá trình khoan.

(Nguồn: www.weatherford.com ).

Tuy nhiên, đối với những giếng có giới hạn khoan nhỏ, sự chênh lệch ápsuất đáy giếng giữa trạng thái tuần hoàn và ngừng tuần hoàn có thể vượt quágiới hạn khoan, dẫn tới hiện tượng mất dung dịch khi khoan và dòng xâm nhậpvào giếng khi ngừng tuần hoàn

Hình 2.4 Phức tạp trong giếng có cửa sổ áp suất hẹp.(Nguồn:

www.weatherford.com )

- Công nghệ khoan kiểm soát áp suất

Hiệp hội các nhà thầu khoan quốc tế (IADC) định nghĩa khoan kiểm soát

áp suất như sau: “Khoan kiểm soát áp suất là một quá trình khoan hiện đại,

được sử dụng để kiểm soát một cách chính xác áp suất vành xuyến trong suốt

chiều dài thân giếng Mục đích nhằm xác định các giới hạn áp suất môi trường dưới giếng khoan để điều chỉnh áp suất thủy lực vành xuyến cho phù hợp.” ( Julmar Shaun S.Toralde 2011: Introduction to Managed Pressure Drilling

Weatherfor)

Để làm rõ hơn định nghĩa về công nghệ khoan kiểm soát áp suất, có thể bổsung một vài điểm như sau:

1 Quy trình khoan kiểm soát áp suất sử dụng một tập hợp các công cụ và

kỹ thuật nhằm giảm thiểu rủi ro và chi phí liên quan đến công tác thi công cácgiếng khoan có giới hạn về môi trường áp suất dưới giếng hẹp bằng cách chủđộng kiểm soát áp suất thủy lực khoan trong khoảng không vành xuyến

2 Khoan kiểm soát áp suất có thể bao gồm điều khiển áp suất ngược, tỷtrọng dung dịch, tính lưu biến của dung dịch, chiều cao của cột dung dịchtrong vành xuyến, ma sát gây ra khi tuần hoàn dung dịch và các thông số hìnhhọc lỗ khoan hay là một tổ hợp nào đó các tham số trên

3 Khoan kiểm soát áp suất cho phép các hành động điều chỉnh được thựchiện nhanh hơn để ngăn ngừa hay xử lý các sự cố có thể xảy ra do thay đổi ápsuất Khả năng kiểm soát tự động áp suất vành xuyến cho phép khoan nhữnggiếng có điều kiện khắc nghiệt mà công nghệ khoan truyền thống khó hoặckhông thực hiện được

4 Khoan kiểm soát áp suất tránh không cho òng chất lỏng từ thành hệxâm nhập vào giếng và trào liên tục lên bề mặt Bất kỳ xâm nhập không mongmuốn nào của chất lưu vỉa vào giếng trong quá trình khoan cũng sẽ được pháthiện và chặn lại theo một quy trình thích hợp Một cách ngắn gọn, khoan kiểmsoát áp suất điều khiển áp suất đáy theo công thức sau:

P đáy = P thủy tĩnh + P ma sát vành xuyến + P van tiết lưu

Trong khi áp suất đáy trong khoan truyền thống là:

P đáy = P thủy tĩnh + P ma sát vành xuyến

Như vậy để thay đổi áp suất đáy trong khoan truyền thống cần phải thayđổi tỷ trọng dung dịch khoan (thay đổi Pthủy tĩnh) hoặc thay đổi lưu lượng bơm

(thay đổi Pma sát vành xuyếnhay thay đổi ECD - tỷ trọng tuần hoàn tương đương).Trong khi đó áp suất đáy trong khoan kiểm soát áp suất có thể được điều chỉnh

dễ dàng thông qua điều chỉnh giá trị Pvan tiết lưu trên cụm van tiết lưu (MPDchoke manifold) Trong khoan kiểm soát áp suất, áp suất thân giếng khoanluôn được duy trì bằng hoặc trên cân bằng so với áp suất thành hệ một giá trịrất nhỏ, bất kỳ sự xâm nhập nào của chất lưu từ thành hệ vào thân giếng khoanđều được kiểm soát cẩn thận và được đưa ra khỏi giếng bằng các thiết bị bềmặt Mục đích của sự kiểm soát là đưa lượng chất lưu xâm nhập ra khỏi giếngkhoan và giếng khoan được cân bằng trước khi công tác khoan tiếp tục

2.1.3 Đặc điểm của khoan kiểm soát áp suất

Khác với hệ thống mở trong khoan truyền thống, khoan kiểm soát áp suất

là hệ thống kín có thể tạo ra và điều chỉnh áp suất trong khoảng không vànhxuyến từ trên bề mặt Khoan kiểm soát áp suất bao gồm các dạng ứng dụngnhư khoan kiểm soát áp suất với áp suất đáy ổn định CBHP(constant bottomhole pressure), khoan mũ dung dịch tạo áp PMCD (pressurized mud capdrilling), khoan hai tỉ trọng DGD (dual gradient drilling), khoan kiểm soátdòng hồi dung dịch RFCD (return- flow-contol drilling)

Hệ thống thiết bị trong khoan kiểm soát áp suất nói chung bao gồm: thiết

bị kiểm soát xoay RCD (rotating control device), van an toàn sâu lắp dướigiếng DDV, cụm van tiết lưu, thiết bị theo dõi các thông số, ống nối ngắn, ổ bicho thiết bị kiểm soát xoay

2.1.4 Ưu điểm và hạn chế của khoan kiểm soát áp suất

- Ưu điểm

Mục đích của việc ứng dụng công nghệ khoan kiểm soát áp suất là để giảmthiểu các rủi ro và giải quyết các vấn đề khó khăn liên quan đến công tác thicông giếng khoan dầu khí So với khoan truyền thống, khoan kiểm soát áp suất

có các ưu điểm:

- Sử dụng dung dịch khoan có tỉ trọng thấp hơn

- Hạn chế khả năng mất dung dịch, giảm nhiễm bẩn thành hệ

- Giảm thời gian làm sạch giếng.

- Tăng khả năng kiểm soát chống phun

- Giảm thời gian phi sản xuất

- Hạn chế

Khoan kiểm soát áp suất có những hạn chế như: chí phí cao, phải sửa đổihay lắp đặt thêm hoặc tháo bớt các thiết bị giàn khoan cho phù hợp để sử dụng

hệ thống thiết bị khoan kiểm soát áp suất

2.2 Công nghệ khoan kiểm soát áp suất

2.2.1 Cơ sở tính toán các thông số trong khoan kiểm soát áp suất:

 Áp suất thành hệ

Áp suất thành hệ được cho là bình thường khi nó được gây ra bởi áp suấtthủy tĩnh của nước dưới mặt đất được chứa trong thành hệ khi có sự liên thôngvỉa và liên thông với bề mặt Chia áp suất này cho chiều cao ta được gradient

áp suất thủy tĩnh của chất lưu vỉa, thường nằm khoảng 0,452psi/ft và 0,465psi/ft

 Áp suất vỡ vỉa

Để khoan một cách an toàn chúng ta cần biết về áp suất vỡ vỉa của thành

hệ sắp khoan qua Lượng tối đa chất lưu vỉa không kiểm soát có thể tràn vàogiếng phụ thuộc vào áp suất vỡ vỉa

Khi áp suất trong giếng bằng hay lớn hơn áp suất áp suất vỡ vỉa, thành hệbắt đầu rạn nứt, kéo theo việc mất dung dịch dẫn đến việc phải kiểm soát giếngbằng cách cân bằng áp suất thủy tĩnh và áp suất thành hệ Áp suất vỡ vỉa liênquan đến trọng lượng của đất đá và chất lưu vỉa nằm phía trên vùng quan tâm.Hai yếu tố này tạo nên áp suất nén ép của lớp đất đá phủ trên (overburdenpressure) Nếu cho rằng tỷ trọng trung bình của lớp trầm tích dày là 19.2ppgthì gradient nén ép sẽ là 0,052x19.2 = 1.0 psi/ft

Trên đất liền trầm tích được nén ép tốt hơn nên gradient đè nén gần bằng1.0psi/ft Dưới biển, ở các lớp nông, do có các tầng đất đá bở rời dày và dochiều sâu của nước biển nên gradient nén ép nhỏ hơn 1.0psi/ft nhiều Điều này

làm cho các vị trí đặt chân ống chống bề mặt của các giếng khoan ngoài khơirất yếu, dễ vỡ Đây là nguyên do vì sao khi gặp kích khí nông ta không bao giờđược đóng giếng.

 Áp suất tối đa cho phép trên bề mặt của khoảng không vành xuyến

Áp suất tối đa cho phép trên bề mặt của khoảng không vành xuyến(Maximum allowable annular surface pressure -MAASP) là giá trị áp suất tối

đa áp lên trên bề mặt của khoảng không vành xuyến trước khi thành hệ tạiđiểm đặt chân ống chống bắt đầu nứt vỡ

MAASP = (gradient vỡ vỉa – gradient dung dịch) x chiều cao giếng

 Cửa sổ áp suất:

Cửa sổ áp suất được tạo thành bởi hai giới hạn của áp suất vỉa và áp suất

vỡ vỉa Độ khó của quá trình thi công giếng khoan phụ thuộc vào độ rộng hayhẹp, phức tạp hay thuận lợi của cửa sổ áp suất Áp suất đáy giếng cần đượcđiều chỉnh sao cho nó đi trong khoảng an toàn, nghĩa là trên áp suất vỉa vàdưới áp suất vỡ vỉa Trong khoan truyền thống, việc điều chỉnh áp suất đáyhoàn toàn dựa vào tỷ trọng dung dịch Trong khi đó, nếu áp dụng công nghệkhoan kiểm soát áp suất phù hợp có thể điều chỉnh giá trị áp suất đáy giếnggần áp suất thành hệ hoặc áp suất vỡ vỉa hơn Thông số duy nhất có thể dùng

để điều chỉnh cửa sổ áp suất là hình dạng thân giếng Nói cách khác, lựa chọn

độ sâu đặt chân đế ống chống là phương tiện thiết yếu để kiểm soát cửa sổ ápsuất

Hình 2.5 Cửa sổ áp suất (Nguồn: www.weatherford.com )