DUNG DỊCH và THỦY lực KHOAN (cơ sở kỹ THUẬT dầu KHÍ SLIDE)

MÔN HỌCKHOAN VÀ HOÀN THIỆN GIẾNG DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN... Nâng mùn khoan...  Độ nhớt biểu kiến: θN - số đo trên nhớt kế Fann, biểu diễn giá trị ngẫu lực do dung dịch kho

MÔN HỌC

KHOAN VÀ HOÀN THIỆN GIẾNG

DUNG DỊCH VÀ THỦY

LỰC KHOAN

Chức năng

1 Nâng mùn khoan

Chức năng

3 Giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn

Chức năng

5 Truyền thông tin (dữ liệu) địa chất lên bề mặt

 Các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu quả rữa sạch:

 Vận tốc dung dịch trong khoảng không vành

xuyến.

 Tỉ trọng của dung dịch khoan

 Độ nhớt

 Khối lượng riêng, g/cm3 (lbm/gal): ρ = m/V

 Trọng lượng riêng, G/cm3 (lbf/gal): γ = F/V = mg/V =

ρ g

 Khi điều chế và sử dung dung dịch, thường dùng ρ

và được xác định bằng phù kế Điều kiện khoan bình thường, ρ = 1,05 - 1,25 g/cm3

 Thường dùng γ khi xác định áp suất thủy tĩnh và được đo bằng cân.

Tỉ trọng

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Tỉ trọng

 Khi γ giảm

 Sập lở thành giếng

 Trương nở thành hệ

 Xâm nhập chất lưu từ vỉa

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

 Khi γ tăng

 Mất dung dịch khoan

 Vận tốc cơ học giảm

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 khoảng 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 VÀ THỦY LỰC KHOAN

 Dung dịch khoan có độ thải nước lớn

 Trương nở và sập lở thành giếng

 Mất nước rửa

 Tăng độ dày lớp vỏ bùn nên dễ kẹt

bộ khoan cu

 Tăng tốc độ cơ học khoan do

nhanh chóng cân bằng áp suất giữ

hạt mùn khoan ở đáy giếng.

Độ thải nước API

 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 dung 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)

 Độ nhớt biểu kiến:

θN - số đo trên nhớt kế Fann, biểu

diễn giá trị ngẫu lực do dung dịch

khoan truyền cho xi lanh bên trong

Độ nhớt

 Độ nhớt qui ước (nhớt kế Marsh)

 Là thời gian (đo bằng giây)

chảy hết 946cm3 dung dịch

qua phễu có dung tích 1500

cm3 và đường kính trong của

cuống phễu bằng 4,75mm

 Độ nhớt qui ước của nước

sạch ở 20 0C là 20 s.

 Với điều kiện khoan

nhớt qui ước thay

đổi trong khoảng 20

- 25s.

 Khi độ nhớt lớn sẽ có các tác dung:

 Khả năng giữ và nâng mùn khoan tốt

 Hạn chế mất dung dịch khoan

 Hạn chế trương nở và sập thành giếng

 Vận tốc cơ học khoan nhỏ vì khả năng tách mùn khoan khỏi đáy giếng kém

 Tổn hao công suất bơm, giảm hiệu suất hút và đẩy của bơm

Ứng suất trượt tĩnh τ (mG/cm2 hoặc N/m2)

 Là lực tối thiểu cần thiết tác dung lên 1 cm 2 vật thể nhúng trong dung dịch để làm nó chuyển động và được

đo bằng tỉ số giữa lực tác dung F và diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng A:

 Đặc trưng cho độ bền cấu trúc của dung dịchA

F

= τ

 Đo bằng nhớt kế Fann ở tốc độ

300, 600 vòng/phút ⇒ Tính các giá trị độ nhớt dẻo µp và ứng suất trượt giới hạn τy của dung dịch theo các phương trình thực nghiệm sau đây:

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Ứng suất trượt tĩnh

 Khả năng của dung dịch kết tu ở trạng thái tĩnh và loãng ra khi chịu tác động cơ học được gọi là tính xúc biến của dung dịch.

 Để xác định tính xúc biến của dung dịch, đo các giá trị θ1 và

θ10 sau khi để dung dịch ở trạng thái yên tĩnh 1 phút và 10 phút Tính xúc biến càng cao khi hiệu số θ10 - θ1 càng lớn.

 Trong điều kiện khoan bình thường, θ1 = 25 ÷ 30mG/cm 2 và θ10

= 75 ÷150 mG/cm 2

 Giá trị ứng suất trượt tĩnh θ lớn có tác dung:

 Chống mất dung dịch

 Giảm hiện tượng kẹt bộ khoan cu do mùn khoan lắng đọng khi ngừng tuần hoàn dung dịch

 Khó tách mùn khoan khỏi đáy giếng nên vận tốc cơ học khoan giảm

 Tổn thất thủy lực trong hệ thống tuần hoàn lớn.

Hàm lượng hạt rắn

 Hàm lượng các phần tử cứng của đất đá không tan trong dung dịch (qui ước gọi là hàm lượng cát, tính bằng %) và được đo bằng bình lắng.

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Độ lắng ngày đêm và độ ổn định

 Đặc trưng cho mức độ bảo toàn tỉ trọng đồng đều của dung dịch khoan

 Độ lắng ngày đêm: lượng nước tách

ra khỏi dung dịch khi giữ yên 100 cm 3 dung dịch trong bình đo sau 24 giờ.

 Độ ổn định: được đo bằng hiệu số tỉ trọng dung dịch ở nửa dưới và trên của 500 cm 3 dung dịch đựng trong cốc đo để yên sau 24 giờ Dung dịch được coi là ổn định nếu hiệu số này không quá 0,02 đối với dung dịch thường và không quá 0,06 đối với dung dịch nặng.

Độ pH

 Đại lượng biểu thị nồng độ ion hiđro [H + ] trong dung dịch (đơn vị là mol/l) và được tính bằng biểu thức pH = log[H + ] Thang đo độ pH từ 0 - 14 Dung dịch có độ pH nhỏ hơn 7 là dung dịch axít, bằng 7 là trung tính và lớn hơn 7 có tính kiềm.

 Dung dịch sét thường có độ pH = 8,5 - 9,5, còn dung dịch

vôi: 11 - 12 Độ pH được đo bằng giấy quỳ hoặc máy đo độ

pH.

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

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.

 Các sản phẩm chính để điều chế:

 Nước (ngọt, lợ, mặn) hoặc dầu

 Sét bentonit, polyme

 Các chất phu gia:

− Chất giảm độ thải nước

− Chất làm nặng (barit BaSO4 , γ = 4,3; oxyt sắt ba Fe2O3, 4,9 < γ < 5,3)

− Chất chống mất dung dịch (dạng hạt, dạng sợi, dạng lá mỏng …)

− Chất diệt khuẩn

Dung dịch gốc nước

 Ưu điểm

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

− Giá thành thấp và phổ biến

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Dung dịch gốc nước

 Dung dịch sét

 Pha phân tán là các hạt sét (sét mônmôrilônit) và môi trường phân tán là nước.

 Hệ keo: kích thước hạt phân tán nhỏ hơn 0,1µm

 Hệ huyền phù: kích thước lớn hơn 0,1µm

 Do thành phần sét không đồng nhất nên trong dung dịch luôn tồn tại cả hai hệ phân tán keo và huyền phù

 Giá thành tương đối thấp lại đáp ứng tương đối tốt các điều kiện khoan nên được sử dụng rộng rãi trong thực tế

 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.

nước biển thường được

sử dụng do nhiều tính

chất của nó tương thích

với các đặc tính của tầng

chứa

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Dung dịch gốc dầu

 Thường được dùng để khoan vào tầng chứa, dung dịch hoàn thiện giếng

Dung dịch gốc dầu

 Tỉ trọng của dung dịch nhỏ (gần bằng 1).

 Giảm ma sát bộ khoan cu lên thành giếng, do vậy giảm mômen xoắn và giảm mòn bộ khoan cu.

 Tăng tuổi thọ các choòng khoan dạng chóp xoay.

 Loại trừ sự dính của bộ khoan cu do chênh áp.

 Tỉ lệ mẫu cao, ít gây nhiễm bẩn thành hệ.

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

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 hyđrocacbua

 Khó phát hiện sự hiện diện của dầu trong mùn khoan

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

 Giá thành cao.

Dung dịch nhũ tương

 Gồm một pha liên tuc là dầu và một pha phân tán nước chiếm ít nhất 50% thể tích, được sử dung 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

 Giá thành thấp hơn

 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 VÀ THỦY LỰC KHOAN

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

 Ưu điểm:

− Độ thải nước nhỏ (3 - 5 cm3/30 ph)

− Giảm hiện tượng kẹt bộ khoan cụ, tăng tuổi thọ của choòng và giảm tổn thất thủy lực của máy bơm

− Tăng tốc độ cơ học khoan

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 tuc Loại dung dịch được sử dung để khoan qua các tầng muối háo nước, đất đá dễ trương nở, sập lở.

 Điều chê

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

− Chuyển từ dung dịch nhũ tương dầu trong nước nhờ nhũ tương hóa và cho vào các chất ổn định như dung dịch hắc ín hoặc vôi tôi.

 Ưu điểm:

− Bền vững đối với các tác dụng phá hủy của muối, thạch anh, anhydrit…

− Độ thải nước nhỏ (B < 5 cm 3 /30ph)

− Có thể đạt tỉ trọng lớn (đến 2)

− Bền vững ở nhiệt độ cao (> 100 C)

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

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 (vì áp suất thủy tĩnh lên đáy giếng không đáng kể)

 Không gây nhiễm bẩn thành hệ

 Cần có thiết bị lọc bui chuyên dung ở miệng giếng

 Không sử dung được trong tầng chứa nước.

Các loại chất rửa khác

 Chất rửa là bọt

 Khả năng rửa giếng khoan bằng bọt lớn hơn

 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

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Video: DUNG DỊCH KHOAN

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THỦY LỰC KHOAN

 Dựa trên một trong hai mô hình cơ bản:

 mô hình dẻo Bingham

 mô hình 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.

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Mô hình chất lỏng dẻo Bingham

 Phương trình

τy - ứng suất trượt giới hạn, lbf/100ft2

µp - độ nhớt của chất lỏng, cp

τ - ứng suất trượt,

= -dvr/dr tốc độ trượt, s-1.

τ

γ

γ τ +

γ τ

−

τ = µ p γ  - τ y

τ = µ p γ  + τ y

Mô hình Bingham

 Vận tốc trung bình

 Đường ống:

 Vành xuyến:

2d4482

Qv

,

=

)(

,448d22 d122

Qv

−

=

trong đó:

- vận tốc trung bình, ft/s

Q - lưu lượng dòng chảy, gal/ph

d - đường kính trong của ống, in

d1 - đường kính ngoài của bộ khoan cụ, in

d2 - đường kính trong của ống chống hoặc của giếng, in

v

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Mô hình Bingham

2 y HE

d

37100 N

µ

ρτ

=

2 p

2 1 2

y HE

d d

24700 N

2 e

y HE

d

37100N

Mô hình Bingham

−NReC < 2000: chế độ chảy tầng

−2000 ≤ NReC ≤ 4000: chế độ dòng chảy chuyển tiếp

−N > 4000: chế độ chảy rối

p

d v 928 N

1

2 d 928 v d d

v 757 N

µ

ρ

= µ

−

= ( )

Re

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Mô hình 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:

dP f /dL (psi/ft), µp (ppg, lbm/gal), τg = τy (lbf/100ft 2 ), d (in), v (ft/s).

d d

v dL

v

f dL

0 ) log(

Mô hình Bingham

 Trong vành xuyến:

−Chế độ chảy tầng:

−Chế độ chảy rối:

) (

)

y 2

1 2

p f

d d

200 d

d 1000

v dL

dP

−

τ +

−

µ

=

) (

2f

d d

1 21

v

f dL

dP

− ρ

=

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Mô hình hàm mu

 Phương trình:

K- chỉ số độ sệt (consistency index), lbf/100ft 2 ; -tốc độ trượt,

s -1 ; 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.

γ 

Mô hình hàm mũ

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

với: - 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

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Mô hình hàm mũ

2

n

13

d0416

0K

v89100N

n 2

n

1 2

d d

0208

0 K

v 109000 N

Re

Mô hình hàm mũ

 Tổn thất áp suất do ma sát

n f

0416 0

n

1 3 d

144000

v

K dL

v

f dL

n 1 75

3950

f

Nn

4f

1

,

) ( Re ,

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Mô hình hàm mũ

 Vành xuyến:

 Chế độ chảy tầng:

 Chế độ chảy rối:

f được tính theo phương trình của mô hình Bingham

n

n 1 1 2

n f

0208 0

n

1 2 d

d 144000

v

K dL

(

) (

, 2 1

2 f

d d

1 21

v

f dL

dP

− ρ

=

Tổn thất áp suất ở choòng

 Giả thiết:

 Áp suất thay đổi do thay đổi chiều cao của dòng chảy là không đáng kể.

 Vận tốc của dòng chảy ở trước vòi phun thủy lực là rất nhỏ

so với vận tốc tại vòi phun thủy lực.

 Tổn thất áp suất do ma sát qua vòi phun thủy lực là không đáng kể.

 Vận tốc dòng chảy tại vòi phun thủy lực

V n - vận tốc dòng chảy tại vòi phun thủy lực, ft/s (ft/ph)

Q - lưu lượng dòng chảy,gal/ph;

A - tổng tiết diện của vòi phun, in 2

T

Q V

,

=

DUNG DỊCH VÀ THỦY LỰC KHOAN

Tổn thất áp suất ở choòng

 Tổn thất áp suất:

Công thức này đúng cho cả chất lỏng Newton và phi Newton vì bỏ qua µ; C d - hệ số giảm áp (thường lấy 0,95) (ppg); q (gal/ph), A T (in 2 )

 Công suất thủy lực HHP:

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

F I (lbf); ∆P b (psi), C d = 0,95; ρ (ppg)

 Tổn thất áp suất tổng cộng P T trong hệ thống:

P T = ∑P p + ∑P a + ∑P b

∑P p - tổng các tổn thất áp suất trong đường ống

∑P a - tổng các tổn thất áp suất trong vành xuyến

⇒ Công suất của máy bơm (PHP):

) (

10 311 ,

8

12032 2 2

2 5

2 2

2

psi A

C

q A

C

Q P

T d T

d b

b d

i 001823C Q P