DUNG DỊCH KHOAN và XI MĂNG (cơ sở kỹ THUẬT dầu KHÍ SLIDE)

TÍNH CHẤT - CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOANChức năng Tính chất lý/hóa Vận chuyển mùn khoan lên bề mặt Ứng suất trượt tĩnh, Độ nhớt biểu kiến, Lưu lượngGiữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng t

DUNG DỊCH KHOAN VÀ XI MĂNG

1 DUNG DỊCH KHOAN

ĐỊNH NGHĨA

 Định 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 dịch khoan có thể là chất lỏng hoặc khí

 Dung dịch khoan là không khí

 Dung dịch khoan dạng bọt

 Dung dịch khoan là nước

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH

CHỨC NĂNG CƠ BẢN

1 Rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng

2 Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn

3 Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ

4 Giữ ổn định thành lỗ khoan

5 Truyền thông tin địa chất lên bề mặt

CÁC CHỨC NĂNG KHÁC

 Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá

 Truyền năng lượng cho turbin khoan

 Là môi trường trung gian để truyền tín hiệu điều khiển

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…

TÍNH CHẤT - CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN

Chức năng Tính chất lý/hóa

Vận chuyển mùn khoan lên bề mặt Ứng suất trượt tĩnh, Độ nhớt biểu

kiến, Lưu lượngGiữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng

tuần hoàn

Ứng suất trượt tĩnh

Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ Tỉ trọng, Lưu lượng

Giữ ổn định thành lỗ khoan Tỉ trọng, Tính trơ với sét

Truyền năng lượng cho turbin khoan Lưu lượng, Tỉ trọng, Độ nhớt

CÁC YẾU TỐ KHÁC

Dung dịch khoan cần phải được lựa chọn và thiết kế để có tính chất lý hóa phục vụ các chức năng nêu trên Ngoài ra, cần chú ý đến:

 Ảnh hưởng đến môi trường của dung dịch khoan

 Giá thành của dung dịch khoan

 Khả năng vận chuyển

 Ảnh hưởng của dung dịch khoan đến giai đoạn khai thác

CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN

Tùy đặc điểm của quá trình khoan và yêu cầu kỹ thuật, thiết

bị, dung dịch khoan có thể tuần hoàn trong giếng để rửa lỗ khoan theo các phương pháp sau:

CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN

1 Đường dung dịch vào 2 Đường dung dịch ra 3 Mùn khoan vào ống lắng

DUNG DỊCH SÉT

Dung dịch

- Là một hệ đồng thể gồm 2 hay nhiều thành phần vật chất

- Vật chất bị phân chia thành những phần tử riêng biệt được gọi là

chất hòa tan Chất chứa các phân tử bị phân chia gọi là môi trường hòa tan.

- Hệ đồng thể được gọi là dung dịch khi đường kính  của hạt hòa

tan nhỏ hơn 10-6 mm

DUNG DỊCH SÉT

Hệ phân tán

- Là hệ bao gồm 2 hay nhiều pha (tướng) mà một trong những pha

đó bị phân chia thành những phần tử rất nhỏ (chất phân tán) trong những pha khác (môi trường phân tán).

- Hệ được gọi là hệ phân tán khi đường kính  của chất phân tán

lớn hơn 10-6 mm

DUNG DỊCH SÉT

DUNG DỊCH SÉT

 Khi trộn sét vào nước ta

được hệ phân tán bao gồm:

“Dung dịch sét” là tên gọi

do thói quen.

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA DUNG DỊCH SÉT Bao gồm các thông số sau:

 Khối lượng riêng, g/cm3 (lbm/gal):  = m/V

 Trọng lượng riêng, G/cm3 (lbf/gal):  = F/V = mg/V = g

 Khi điều chế và sử dụng dung dịch, thường dùng  và được xác định bằng phù kế Điều kiện khoan bình thường,  = 1,05 - 1,25 g/cm3.

 Thường dùng  khi xác định áp suất thủy tĩnh và được đo bằng cân

TRỌNG LƯỢNG RIÊNG

Tỉ trọng kế dạng cân Phù kế

TRỌNG LƯỢNG RIÊNG

 Khi  giảm

 Thành giếng sập lở

 Thành hệ trương nở

 Chất lưu từ vỉa xâm nhập vào giếng

 Vận tốc cơ học tăng do giải phóng nhanh mùn khoan

 Khi  tăng

 Mất dung dịch khoan vào thành hệ

 Vận tốc cơ học giảm

ECD: equivalent circulating density, ppg

: khối lượng riêng của dung dịch, ppg

Pd: tổn thất áp suất do ma sát trong vành xuyến, psi

D: độ sâu tính toán, ft

ĐỘ NHỚT

 Độ nhớt: một đặc tính của lưu chất, thể hiện khả năng chống lại sự

dịch chuyển tương đối giữa các phần tử của lưu chất

 Phân loại theo đặc tính độ nhớt, chất lỏng gồm:

 Chất lỏng Newton: trong dung dịch không chứa các phần tử lớn

hơn kích thước phân tử, ví dụ: nước, dung dịch muối, dầu, glycerine,… Độ nhớt là hệ số góc của đường đặc tính ổn định

 Chất lỏng phi Newton: trong dung dịch chứa đáng kể các phân

tử kích thước lớn hơn phân tử

ĐỘ NHỚT

Chất lỏng phi Newton bao gồm:

 Chất lỏng Bingham: đặc trưng bằng ứng suất trượt tới hạn

(yield-point) - ứng suất tối thiểu để chất lỏng bắt đầu xuất hiện biến dạng

Khi ứng suất vượt quá ứng suất trượt tới hạn, chất lỏng tuân theo mô hình Newton Ví dụ: dung dịch sét có hàm lượng hạt rắn cao

 Chất lỏng theo mô hình hàm mũ: quan hệ giữa ứng suất trượt và

tốc độ trượt tuân theo quy luật hàm mũ

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.

ĐỘ NHỚT

 Độ nhớt thực: là tỉ số giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt.

Trong cần khoan: tiết diện nhỏ, tốc độ dung dịch cao:

 độ nhớt thấp

 ít hao tốn công suất bơm

Trong khoảng không vành xuyến: tiết diện lớn, tốc độ dung dịch thấp:

 độ nhớt cao

 khả năng nâng mùn khoan cao

ĐO ĐỘ NHỚT

Đo độ nhớt bằng nhớt kế Marsh

Độ nhớt theo nhớt kế Marsh là chỉ số chảy loãng của dung dịch biểu thị bằng thời gian

(đo bằng giây) chảy hết 946 cm3 dung dịch qua phểu có dung tích 1500 cm3 và đường kính trong lỗ phễu là 4,75 mm

ĐO ĐỘ NHỚT

Đo độ nhớt bằng nhớt kế rôto

Nhớt kế Fann

ỨNG SUẤT TRƯỢT TĨNH

 Là đại lượng đặc trưng cho độ bền cấu trúc (hay tính lưu biến) của

dung dịch khi để nó yên tĩnh sau một thời gian

 Độ bền cấu trúc của dung dịch được đo bằng một lực tối thiểu cần đặt vào một đơn vị diện tích vật thể nhúng trong dung dịch để làm nó

chuyển động

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

• Độ nhớt dẻo (plastic viscosity), cp µp(cp) = 600 - 300

• Ứng suất trượt tới hạn (yield-point), lb/100ft 2 y (lb/100 sqft) = 300 - µp

• Độ nhớt biểu kiến (apparent viscosity) µa (cp) = 0,5.600

ỨNG SUẤT TRƯỢT TĨNH

 Dung dịch sét bình thường:  = 15-40 mG/cm 2

 Để pha chế chất làm nặng, dung dịch phải có  = 30-50 mG/cm 2

 Để chống mất nước, dung dịch phải có:  = 100 - 120 mG/cm 2

Nếu ứng suất trượt tĩnh quá lớn:

− Ngăn cản quá trình tách mùn khoan và khí ra khỏi dung dịch

− Cần tăng áp suất để tái tuần hoàn dung dịch sau khi thay choòng

− Khi nâng cần khoan, dễ xảy ra hiện tượng sụt áp cột dung dịch tại

choòng, có thể gây hiện tượng xâm nhập nếu cột áp chênh lệch lớn

− Tương tự, khi hạ cần khoan, có thể gây vỡ vỉa và thất thoát dung dịch.

ĐỘ THẢI NƯỚC API

 Là lượng nước tính bằng cm3 thoát ra từ dung dịch khoan khi thấm lọc qua thiết bị (giấy) lọc có đường kính 75 mm sau khoảng thời gian 30 phút và dưới áp suất 100 psi

 Giá trị độ thải nước của dung dịch khoan bình thường khoảng 10-25

cm3/30ph

 Thực tế để giảm thời gian thí nghiệm, đôi khi người ta nhân đôi thể tích thấm lọc đo sau 7,5 phút để được độ thải nước API

Dung dịch khoan có độ thải nước

ĐỘ THẢI NƯỚC API

ĐỘ THẢI NƯỚC API

Cấu tạo thiết bị đo độ thải nước

 Là bề dày lớp vỏ sét bám trên thành giếng (hay trên thiết bị lọc) khi nước từ dung dịch khoan thấm vào đất đá thành hệ.

 Trị số k càng nhỏ tức là lớp vỏ sét càng mỏng và chặt sít, càng có tác dụng ngăn cản sự lưu thông của chất lưu giữa vỉa với giếng và

ngược lại, như vậy thành giếng càng ổn định hơn Ở điều kiện khoan bình thường k = 1 - 2 mm

ĐỘ DÀY VỎ SÉT (k)

HÀM LƯỢNG HẠT RẮN

 Định nghĩa: Hàm lượng hạt rắn và các phần tử chưa tan (quy ước gọi

là hàm lượng cát) là thể tích cặn thu được khi để dung dịch pha loãng

bằng nước lã theo tỉ lệ 9:1 ở trạng thái yên tĩnh sau 1 phút, tính bằng

% theo thể tích dung dịch

 Dung dịch có hàm lượng cát lớn thì mức độ làm mòn dụng cụ khoan

và các chi tiết của máy bơm lớn; dễ gây kẹt dụng cụ khoan do hình thành vỏ sét dày

 Giá trị hàm lượng cát của dung dịch sét bình thường nhỏ hơn 4% là đạt yêu cầu

 Hàm lượng cát xác định bằng bình lắng

HÀM LƯỢNG HẠT RẮN

ĐỘ ỔN ĐỊNH

 Là đại lượng đặc trưng cho khả năng giữ dung dịch ở trạng thái keo

Có thể hiểu độ ổn định là hiệu số tỷ trọng của hai phần dung dịch dưới

và trên trong cùng một cốc, sau khi để chúng yên tĩnh một ngày đêm

 Giá trị độ ổn định càng nhỏ thì chứng tỏ dung dịch được giữ vững ở

trạng thái keo (dung dịch ổn định)

ĐỘ LẮNG NGÀY ĐÊM

 Đặc trưng cho mức độ bảo toàn tỉ trọng

đồng đều của dung dịch khoan

 Độ lắng ngày đêm: lượng nước tách ra

trên bề mặt của dung dịch khi giữ yên 100

cm3 dung dịch sau 24 giờ

 Độ lắng ngày đêm lớn chứng tỏ dung dịch

sét không ổn định, mức độ phân tán của sét thấp và sét không thể làm nước rửa trong những điều kiện khoan phức tạp

 Dung dịch sét thường có độ pH = 8,5 - 9,5; dung dịch vôi: 11 - 12 Độ

pH được đo bằng giấy quỳ hoặc máy đo độ pH

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄM BẨN

Ảnh hưởng của sự nhiễm bẩn đối với tính chất dung dịch

PHÂN LOẠI DUNG DỊCH KHOAN

 Dung dịch khoan gốc nước

 Dung dịch khoan gốc dầu

 Dung dịch nhũ tương

 Khí, bọt hoặc dung dịch bọt khí

PHÂN LOẠI DUNG DỊCH KHOAN

Các sản phẩm chính để điều chế:

 Nước (ngọt, lợ, mặn) hoặc dầu

• Chất ức chế ăn mòn

• Chất diệt khuẩn

DUNG DỊCH GỐC NƯỚC

Nước kỹ thuật

 Hỗn hợp nước lã hòa tan với các loại sét trong cột địa tầng khoan qua

 Dùng để khoan trong đất đá bền vững, thành giếng ổn định, ít xảy ra các hiện tượng phức tạp như sập lở, trương nở, mất nước

Ưu điểm

 Độ nhớt và tỉ trọng thấp, ít tiêu tốn công suất máy bơm, tốc độ khoan cao

 Phổ biến, giá thành thấp

Nhược điểm

Nhược điểm: gây nhiễm bẩn tầng chứa,

làm giảm đáng kể độ thấm tự nhiên của vỉa

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

DUNG DỊCH GỐC NƯỚC

Dung dịch hoàn thiện giếng

 Thường dùng để khoan vào tầng sản phẩm,

 Phải đảm bảo tránh hiện tượng bít kín tầng chứa,

 Thành phần của dung dịch hoàn thiện giếng khoan rất đa dạng tùy thuộc vào tính chất tầng chứa và giá thành điều chế

 Dung dịch khoan gốc nước biển thường

được sử dụng do nhiều tính chất của nó tương thích với các đặc tính của tầng chứa

DUNG DỊCH GỐC NƯỚC

Một số loại dung dịch khoan gốc nước đặc biệt chống sét trương nở:

 Dung dịch bổ sung Ca2+

 Dung dịch bổ sung lignosulphat

 Dung dịch gốc nước biển

 Hệ dung dịch KCl-polymer

 Dung dịch polyol

 Dung dịch hỗn hợp hydroxit kim loại (MMH)

 Dung dịch silicate

DUNG DỊCH GỐC DẦU

Thường được dùng để khoan vào tầng chứa hoặc là dung dịch hoàn thiện giếng

 Các đặc tính thấm lọc tĩnh tốt ở nhiệt độ và áp suất cao, vỏ sét mỏng.

 Tỉ trọng của dung dịch nhỏ (gần bằng 1)

 Giảm ma sát bộ khoan cụ lên thành giếng, loại trừ dính bộ khoan cụ

do chênh áp

 Tăng tuổi thọ các choòng khoan dạng chóp xoay

 Tỉ lệ mẫu cao, ít gây nhiễm bẩn thành hệ

DUNG DỊCH GỐC DẦU

Nhược điểm

 Nhạy với nước

 Dễ lắng đọng các chất làm nặng

 Thao tác dễ bẩn người và dễ cháy

 Làm hỏng cao su không chuyên dùng với hydrocacbua

 Khó phát hiện sự hiện diện của dầu và khí trong mùn khoan

 Một số phương pháp đo trong khi khoan và đo địa vật lý giếng khoan không thể áp dụng được

 Giá thành cao

DUNG DỊCH NHŨ TƯƠNG

 Gồm một pha liên tục là dầu và một pha phân tán là nước chiếm ít nhất 50% thể tích, được sử dụng để khoan trong các trường hợp sau:

 Tầng muối hoặc anhydric có chiều dày lớn,

 Giếng khoan có nhiệt độ cao,

 Khoan định hướng

 Ưu điểm

 Rủi ro cháy thấp hơn dung dịch gốc dầu,

 Giá thành thấp hơn dung dịch gốc dầu,

 Xử lý bề mặt dễ dàng hơn

 Phân loại

 Nhũ tương dầu trong nước (nhũ tương thuận).

 Nhũ tương nước trong dầu (nhũ tương nghịch).

DUNG DỊCH NHŨ TƯƠNG

Nhũ tương dầu trong nước

 Dung dịch được điều chế từ 5 - 25% thể tích dầu và một lượng các chất ổn định được trộn với 75 - 95% dung dịch sét

DUNG DỊCH NHŨ TƯƠNG

Nhũ tương nước trong dầu

 Được điều chế từ 30 - 60% thể tích nước là pha phân tán còn dầu là pha liên tục Loại dung dịch được sử dụng để khoan qua các tầng muối háo nước, đất đá dễ trương nở, sập lở

Điều chế

 Trộn dung dịch sét với dầu, sau đó cho hắc ín làm chất ổn định.

các chất ổn định như dung dịch hắc ín hoặc vôi tôi.

CÁC LOẠI CHẤT RỬA KHÁC

Chất rửa là không khí (khoan thổi khí)

 Vận tốc nâng mùn khoan cao (khoảng 500 - 900 m/ph).

 Áp suất thủy tĩnh lên đáy giếng khoan rất thấp.

 Tốc độ khoan cao do áp suất thủy tĩnh lên đáy giếng không đáng kể.

 Không gây nhiễm bẩn thành hệ.

 Cần có thiết bị lọc bụi chuyên dụng ở miệng giếng

 Không sử dụng được trong tầng chứa nước.

CÁC LOẠI CHẤT RỬA KHÁC

Chất rửa là bọt

 Khả năng rửa giếng khoan bằng bọt lớn

hơn không khí

 Lượng khí trong dung dịch bọt giảm khoảng

10 lần so với rửa giếng khoan bằng khí

 Bọt vẫn ổn định khi nước xâm nhập ít

Nhược điểm chủ yếu của dung dịch bọt là rất

ổn định, do vậy cần dùng hóa chất và tia thủy

lực để phá hủy nó trên bề mặt một cách liên

tục

LÀM SẠCH DUNG DỊCH

 Dung dịch sau khi tuần hoàn từ đáy giếng cần phải được làm sạch

và khôi phục lại tính chất ban đầu trước khi bơm trở lại giếng

 3 phương pháp tách mùn khoan khỏi dung dịch:

1 Phương pháp thủy lực

2 Phương pháp cơ học: sàn rung

3 Phương pháp ly tâm: máy tách cát, máy tách bùn

 2 phương pháp tách khí khỏi dung dịch:

1 Phương pháp cơ học

2 Phương pháp hóa lý

LÀM SẠCH DUNG DỊCH

Sàn rung

Máy tách cát

Máy tách bùn

2 THỦY LỰC KHOAN

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THỦY LỰC KHOAN

 Dựa trên một trong hai mô hình cơ bản:

 Mô hình chất lỏng dẻo Bingham

 Mô hình hàm mũ.

 Các mô hình này biểu diễn qui luật ứng xử

cơ học (giữa ứng suất trượt và tốc độ

trượt) của dung dịch khoan và vữa xi

măng

MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA

 Apparent viscosity: độ nhớt biểu kiến

 Pseudoplastic: dung dịch có độ nhớt biểu kiến giảm khi vận tốc trượt tăng.

 Dilitant: dung dịch có độ nhớt biểu kiến tăng khi vận tốc trược tăng.

 Yield point: ứng suất trượt tới hạn

 Plastic viscosity: độ nhớt dẻo

 Gel strength: độ bền gel

MÔ HÌNH CHẤT LỎNG DẺO BINGHAM

MÔ HÌNH CHẤT LỎNG DẺO BINGHAM

Số Reynolds

 Thông số không thứ nguyên, được dùng để xác định chế độ dòng chảy.

 Đường ống:

 Vành xuyến:

 Dùng số Reynolds tới hạn để đặc trưng cho dòng chảy chuyển tiếp từ chế

độ chảy tầng sang chế độ chảy rối:

•NReC < 2000: chế độ chảy tầng

•2000  N  4000: chế độ dòng chảy chuyển tiếp

MÔ HÌNH CHẤT LỎNG DẺO BINGHAM

Tổn thất áp suất do ma sát

 Trong đường ống

•Chế độ chảy tầng:

•Chế độ chảy rối:

với f là hệ số ma sát được tính bằng công thức:

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

MÔ HÌNH CHẤT LỎNG DẺO BINGHAM

 Trong vành xuyến:

•Chế độ chảy tầng:

•Chế độ chảy rối:

MÔ HÌNH HÀM MŨ

Phương trình:

Trong đó:

K - chỉ số độ sệt (consistency index), lbf/100ft 2 ; n - chỉ số đặc trưng cho ứng

xử cơ học của dòng chảy, không thứ nguyên, n = 0  1, nếu n = 1: chất lỏng Newton

- tốc độ trượt, s -1 ;

MÔ HÌNH HÀM MŨ

 Các thông số n và K được tính theo các số liệu thực nghiệm:

với: 300,  600 - số đo trên nhớt kế Fann tương ứng với tốc độ quay 300 và

600 vòng/phút.

 Trong mô hình này cần tính số Reynolds tới hạn trước khi xác định tổn thất

áp suất do ma sát.

 Vận tốc trung bình: tính theo mô hình Bingham

 Số Reynolds tới hạn N ReC: xác định bằng đồ thị hoặc bảng

TỐI ƯU HÓA THỦY LỰC KHOAN

 Công suất thủy lực của dung dịch khoan được cung cấp bởi bơm

 Trong quá trình tuần hoàn, công suất này tiêu tốn qua:

1 Ma sát trong chuỗi cần khoan và vành xuyến: là loại công suất

tiêu tốn vô ích đối với quá trình khoan

2 Ma sát tại vòi phun thủy lực của choòng: đóng góp vào quá

trình làm sạch choòng khoan

 Tối ưu hóa thủy lực khoan bao gồm:

 Tối thiểu công suất thủy lực loại 1

 Tối đa công suất thủy lực loại 2