Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị chỉnh xiên trong công tác khoan xiên tại mỏ bạch hổ

Trong thời gian qua, Xí nghiệp Khoan và Sửa Giếng thuộc XNLD Vietsovpetro đã sử dụng công nghệ khoan xiên bằng động cơ đáy vào các giếng khoan tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí cho c

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ

SỬ DỤNG THIẾT BỊ CHỈNH XIÊN TRONG CÔNG TÁC

KHOAN XIÊN TẠI MỎ BẠCH HỔ

PHẠM HUY DŨNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ

SỬ DỤNG THIẾT BỊ CHỈNH XIÊN TRONG CÔNG TÁC KHOAN XIÊN TẠI MỎ BẠCH HỔ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Khoan , Khai thác và Công nghệ Dầu khí

Mã số: 60.53.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

PGS.TS HOÀNG DUNG

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật này là của riêng tôi, do tôi trực tiếp làm dưới sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn

Các số liệu kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Tác giả luận văn

Phạm Huy Dũng

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU……… 1

1 Tính cấp thiết của luận văn……… .2

2 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn……… 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……… 2

4 Nội dung của đề tài……… 2

5 Phương pháp nghiên cứu……… 2

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn………… 3

7 Cấu trúc của luận văn……… 3

CHƯƠNG 1- KHÁI QUÁT VỀ KHOAN XIÊN ……… 4

1.1 NHU CẦU KHOAN XIÊN 4

1.2 CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO( PROFILE) GIẾNG KHOAN XIÊN 5

1.2.1 Dạng quỹ đạo hình chữ S- 5 đoạn 6

1.2.2 Dạng quỹ đạo hình chữ S- 4 đoạn….……… 9

1.2.3 Dạng quỹ đạo hình chữ S- 3 đoạn 10

1.2.4.Dạng quỹ đạo tiếp tuyến 11

1.2.5.Dạng quỹ đạo hình chũ J 11

1.3 CÁC YÊU CẦU TRONG KHOAN XIÊN 12

1.4 PHƯƠNG PHÁP KHOAN XIÊN ÁP DỤNG TRONG KHOAN XIÊN 13

1.4.1 Phương pháp khoan khi khoan thẳng đứng 13

1.4.2 Phương pháp khoan xiên khi cắt xiên 13

CHƯƠNG 2- TRANG THIẾT BỊ TRONG KHOAN XIÊN TẠI XNLD

VIETSOPETRO 22

2.1 THIẾT BỊ KHOAN 22

2.1.1 Các loại thiết bị khoan đang sử dụng ở mỏ Bạch Hổ 22

2.1.2 Động cơ trục vít và đặc tính kĩ thuật của nó 23

2.1.2.1 Cấu tạo động cơ trục vít 23

2.1.2.2 Nguyên lý làm việc, sự truyền động thủy lực trong động cơ trục vít 35 2.1.2.3 Thông số kĩ thuật và đường đặc tính của động cơ khoan trục vít 37

2.2 TRANG THIẾT BỊ KHOAN XIÊN KẾT HỢP VỚI MÁNG XIÊN 49

2.3 TRANG THIẾT BỊ KHOAN XIÊN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐÁY 49

2.4 TRANG THIẾT BỊ KHOAN XIÊN SỬ DỤNG RSS 49

2.5 THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ GIẾNG KHOAN TRONG QUÁ TRÌNH KHOAN- MWD 50

2.5.1ModuleD&I(Directional Module) 52

2.5.2 Module pin 57

2.5.3 Pulser Module 58

2.5.4 Cơ cấu kết nối( Interconnect) 61

2.5.5 Pressure Transducer (PT) 61

2.5.6 Safe Area Power Supply( SAP) 61

2.5.7 Remote Terminal( RT) 63

2.5.8 Máy tính( Computer) 63

2.6 DỤNG CỤ KHOAN 65

2.6.1 Choòng khoan 65

2.6.2 Máng xiên 66

VSP TẠI MỎ BẠCH HỔ ……….68

3.1 TÌNH HÌNH KHOAN XIÊN TẠI MỎ BẠCH HỔ……… 68

3.2 CÁC PHỨC TẠP VÀ SỰ CỐ XẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH KHOAN…… ……… 69

3.2.1 Các hiện tượng sạt lở và giải pháp khắc phục 69

3.2.1.1 Nguyên nhân 69

3.2.1.2 Dấu hiệu nhận biết 70

3.2.1.3 Các biện pháp ngăn ngừa 70

3.2.2 Hiện tượng kẹt mút bộ cần khoan và giải pháp phòng ngừa 71

3.2.2.1 Các nguyên nhân gây kẹt bộ cần khoan 71

3.2.2.2 Các biện pháp ngăn ngừa 71

3.2.3 Hiện tượng lệch quỹ đạo và giải pháp khắc phục 72

3.2.3.1 Nguyên nhân 72

3.2.3.2 Giải pháp khắc phục 72

3.3 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH KHOAN XIÊN 72

3.3.1 Đặc điểm địa chất 72

3.3.2 Yếu tố kĩ thuật 74

3.3.3 Yếu tố công nghệ 74

3.3.3.1 Chế độ khoan 74

3.3.3.2 Chất lượng dung dịch 74

CHƯƠNG 4- GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ KHOAN XIÊN……….76

4.2.1 Thay đổi lưu lượng bằng phương pháp ghép bơm 79

4.2.2 Thay đổi lưu lượng bằng cách điều chỉnh van tiết lưu 79

4.3 GIẢI PHÁP KĨ THUẬT SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TRỤC VÍT 81

4.3.1 Yêu cầu thiết bị ( chọn động cơ theo đường kính giếng khoan) 81

4.3.2 Yêu cầu về nhân công 82

4.3.3 Yêu cầu về quy trình, thao tác sử dụng thiết bị 82

4.3.3.1 Đưa động cơ lên sàn khoan 82

4.3.3.2 Thử động cơ trên bề mặt 83

4.3.3.3 Đặt và chỉnh góc lệch động cơ 83

4.3.3.4 Thả động cơ vào giếng khoan 85

4.3.4 Yêu cầu kiểm tra thiết bị 88

4.4 GIẢI PHÁP KĨ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ RSS 88

4.4.1 Sử dung thiết bị RSS- POWERDRIVE của Schlumberger 89

4.4.2 Sử dụng thiết bị RSS- AUTOTRAK của Baker Hughes 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

BHI: Baker Hughes

RSS: Rotary Steerable System

LWD: Logging While Drilling

MWD: Measurement While Drilling

Bảng 2.1 Đặc tính làm việc động cơ khoan trục vít 6 ¼ ” 4/5 lobe 7.5 stage 43 Báng 3.1: Sơ lược cột địa tầng vùng mỏ Bạch Hổ 73 Bảng 4.1 Bảng đặc tính kỹ thuật của các loại động cơ khoan trục vít hiện có ở XNLD Vietsopetro 77 Bảng 4.2 Bảng lựa chọn đường kính choòng theo đường kính từng loại

Bảng 4.3 Mômen vặn khớp nối cong 84 Bảng 4.4 Điều kiện cho phép quay rotor khi khoan bằng động cơ trục vít 87 Bảng 4.5 Đặc tính kỹ thuật của hệ roto điều khiển kiểu mới Power DriveV 90

HÌNH VẼ TRANG

Hình 1.1 Khoan xiên nhiều giếng từ một vị trí 5

Hình 1.2 Quỹ đạo hình chữ S- 5 đoạn 6

Hình 1.3 Quỹ đạo hình chữ S- 4 đoạn 9

Hình 1.4 Quỹ đạo hình chữ S- 3 đoạn 10

Hình 1.5 Dạng quỹ đạo tiếp tuyến 11

Hình 1.6 Quỹ đạo hình chữ J 11

Hình 1.7 Choòng kết hợp với máng xiên 14

Hình 1.8 Tầng cánh của tuabin khoan 16

Hình 1.9 Một đoạn phần công tác của động cơ khoan trục vít 17

Hình 1.10 Hệ thống “ push the bit” 20

Hình 1.11 Hệ thống “ point the bit” 21

Hình 2.1 Cấu tạo động cơ trục vít 23

Hình 2.2 Sơ đồ tổng thể động cơ khoan trục vít 24

Hình 2.3 Van thông 24

Hình 2.4 Phần công tác tạo công suất 26

Hình 2.5 Mặt cắt ngang rot ova stator động cơ trục vít 27

Hình 2.6 Khớp nối cong 29

Hình 2.7 Trục các đăng dẫn dộng 32

Hình 2.8 Hệ thống ổ bi 34

Hình 2.9 Mặt cắt sơ đồ bộ phận làm việc 36

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ khoan trục vít 43

Hình 2.11 Biểu đồ tương quan giữa momen và tốc độ quay so với số mũi rãnh xoắn của rotor và stator 46

Hình 2.12 Đường đặc tính tổng hợp của động cơ trục vít 48

Hình 2.16 Xác định góc phương vị 56

Hình 2.17 Helix và Moleshoe 59

Hình 2.18 Quá trình tạo xung 60

Hình 2.19 Interconnect và 2 kiểu định tâm 61

Hình 2.20 Pressure Transucer 62

Hình 2.21 Thiết bị SAP 63

Hình 2.22 Thiết bị RT 63

Hình 4.1 Thao tác đặt góc lệch động cơ 85

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận văn

Dầu khí là một ngành công nghiệp lớn trên thế giới Công nghiệp dầu khí Việt Nam tuy phát triển chưa lâu nhưng đã đạt được nhiều thành tựu đáng

kể, đóng góp tỉ trọng GDP cao so với các ngành khác và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn đưa đất nước ta tiến lên con đường công nghiệp hoá hiện đại hoá Với việc thành lập Xí nghiệp liên doanh Vietsopetro( VSP) năm

1981, chính thức đi vào khai thác năm 1986 ở hai mỏ Bạch Hổ và Mỏ Rồng nền công nghiệp dầu khí Việt Nam đã có bước khởi đầu khá quan trọng Và cho tới nay sự hiện diện của các công ty dầu khí nước ngoài như BP, BPH, Mobil, Schlumbeger, Halliburton….đưa nền công nghiệp dầu khí Việt Nam lên tầm cao mới

Trong thời gian qua, Xí nghiệp Khoan và Sửa Giếng thuộc XNLD Vietsovpetro đã sử dụng công nghệ khoan xiên bằng động cơ đáy vào các giếng khoan tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí cho các giàn khoan di động và cố định bước đầu đạt được nhiều kết quả khả quan, tiết kiệm được đáng kể chi phí nhờ khả năng chỉnh xiên nhanh và hiệu qủa

Công nghệ khoan là một bộ phận quan trọng của ngành công nghiệp Dầu khí Việc lựa chọn phương pháp khoan xiên sao cho phù hợp với từng giếng khoan cụ thể là vấn đề đáng quan tâm Cho đến nay Xí nghiệp liên doanh Vietsopetro ( VSP) đã đưa vào sử dụng loại động cơ khoan trục vít, khoan tuabin và thiết bị khoan xiên thế hệ mới thuê của các công ty nước ngoài Đặc biệt những thiết bị thuê của nước ngoài hiện nay chỉ cho thuê chứ không bán công nghệ Vì thế cần nhanh chóng nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị khoan xiên tại mỏ Bạch Hổ

Hiện nay trên thế giới đang sử dụng thiết bị chỉnh xiên mới “ Rotary steerable systems (RSS) ” Thiết bị này có khả năng chỉnh xiên nhanh và hiệu

quả hơn rất nhiều khoan xiên bằng động cơ đáy Rút ngắn thời gian thi công giếng khoan Vì vậy RSS là loại thiết bị rất cần sử dụng trong thi công giếng khoan của VSP nhưng phải thuê

Hiện tại, các kĩ sư phần lớn chưa nắm được cộng nghệ và thiết kế thiết

bị khoan xiên thuê của nước ngoài Do đó, đề tài luận văn “ nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị khoan xiên tại mỏ Bạch Hổ” là hết sức cần thiết, đòi hỏi cấp bách mang tính cấp thiết và thời sự

2 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn

a Mục đích nghiên cứu: Đưa ra giải pháp công nghệ, kĩ thuật nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị khoan xiên tại mỏ Bạch Hổ

b Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tổng quan lại tình hình khoan xiên của VSP

- Nghiên cứu lí thuyết kết hợp với thực tế để đề xuất giải pháp công nghệ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu: công nghệ, thiết bị chỉnh xiên trong thi công giếng khoan định hướng

b Phạm vi nghiên cứu: các giếng khoan xiên tại mỏ Bạch Hổ

4 Nội dung của đề tài

- Tìm hiểu về thiết bị khoan xiên đang sử dụng tại VSP

- Tìm hiểu các phương pháp khoan xiên

- Đưa ra giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị khoan xiên

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được những mục đích nghiên cứu, luận văn đã sử dụng

tổ hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu: Thu thập các tài liệu liên quan đến công nghệ khoan xiên mỏ Bạch Hổ, sau đó phân tích, tổng hợp, đánh giá công nghệ

Áp dụng kiến thức kỹ thuật, công nghệ khoan, để tính toán các thông số

kỹ thuật và chế độ công nghệ cho tổ hợp các thiết bị của giải pháp trên giàn

khoan tại mỏ Bạch Hổ

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn

a Ý nghĩa khoa học: kết quả nghiên cứu của đề tài áp dụng cho phục vụ việc nâng cao hiệu quả sử dung thiết bị khoan xiên cho các mỏ tại Việt Nam

b Ý nghĩa thực tiễn

Đưa ra được giải pháp mang tính tối ưu, phù hợp với điều kiện thi công thực

tế đối với điều kiện tại mỏ Bạch Hổ

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận được trình bày trang 94, tài liệu tham khảo, hình vẽ và bảng biểu

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ KHOAN XIÊN

1.1 NHU CẦU KHOAN XIÊN

Phần lớn các giếng khoan dầu khí thường được thiết kế thân giếng thẳng đứng trong điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng công trình khoan Nhưng trong thực tế khoan gần như tất cả chúng không thể là thẳng đứng tuyệt đối vì các yếu tố địa chất và kĩ thuật nên quỹ đạo giếng khoan( profile) thường được thiết kế cong xiên Chẳng hạn như trên một giàn cố định ngoài khơi thường được thiết kế có 16- 20 miệng giếng khoan tập trung ở diện tích hẹp, song đáy các giếng tỏa rộng ra đến các mục tiêu cần thiết Do vậy quĩ đạo các giếng không thể thẳng đứng hoàn toàn Việc tập trung một số miệng giếng trên một giàn khoan là do yêu cầu về hiệu quả kinh tế- kĩ thuật Vì để xây dựng được một công trình giàn khoan như vậy không hề đơn giản, phải đầu tư vốn lớn để trang bị vật tư, thiết bị, nhân lực và thời gian Ngay đến thời gian sử dụng, việc vận chuyển cung ứng cũng được tập trung thuận lợi Kể cả công trình khoan trên đất liền, có thể

đỡ tốn kém vật tư xây dựng giàn khoan nhưng vấn đề giải phóng mặt bằng, xây dựng cầu đường, đường cho xe hạng nặng hoạt động lại là vấn

đề không đơn giản Bởi vậy, bài toán tối ưu đặt ra là tận dụng giàn khoan

để thi công được nhiều giếng khoan, cho nên khoan xiên là nhu cầu thực

Với vị trí địa hình khó tiếp cận: Mục tiêu giếng khoan có thể nằm trên đường thẳng đứng của vị trí rất khó tiếp cận Điều kiện không gian bề mặt không cho phép vì khi khoan thăm dò cần khoan vuông góc với vỉa Để biết

bề dày vỉa, đặc tính địa chất và sản phẩm theo bề dày vỉa, tăng độ thấm Trong cá trường hợp này, việc đặt các thiết bị khoan trên đường thẳng đứng của mục tiêu là không thể được về mặt kĩ thuật hoặc có lợi về mặt kinh tế Giếng khoan xiên có thể giải quyết tốt vấn đề này

Rất phù hợp khoan biển trên các giàn khoan ngoài khơi, nơi mà chi phí xây dựng giàn và cơ sở hạ tầng để thu gom sản phẩm rất lớn

Hình 1.1 Khoan xiên nhiều giếng từ một vị trí Khoan cắt xiên được thực hiện do nguyên nhân kĩ thuật như hủy phần cuối giếng khoan do không cứu được bộ khoan cụ rơi, gẫy…Hay do nguyên nhân địa chất hoặc thăm dò bổ sung

1.2 CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO( PROFILE) GIẾNG KHOAN XIÊN

Do yêu cầu của công tác khai thác dầu khí, các giếng khoan dầu khí thường có chiều sâu và khoảng dịch đáy lớn, đồng thời được khoan qua

các tầng đá phức tạp, vì vậy việc lựa chọn hợp lý profile giếng khoan là hết sức quan trọng và cần thiết về cả mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh

tế

Từ profile giếng khoan ta mới có thể thiết kế cấu trúc giếng khoan, lựa chọn bộ dụng cụ khoan phù hợp cho từng khoảng khoan, từ đó đặt ra

kế hoạch khoan cho giếng thi công

Quỹ đạo giếng khoan gồm có:

a Quỹ đạo trong không gian: thể hiện bằng các đường cong không gian Thực thi các loại quỹ đạo này hết sức khó khăn, kèm theo là chi phí thời gian rất lớn cho việc lái chỉnh thân giếng

b Quỹ đạo phẳng: thể hiện các đường cong trong mặt phẳng

1.2.1 Dạng quỹ đạo hình chữ S- 5 đoạn:

Hình 1.2 Quỹ đạo hình chữ S- 5 đoạn Thiết kế profile được tính toán đầy đủ các chỉ tiêu cần thiết Ví dụ một giếng khoan tại mỏ Bạch Hổ với các thông số sau:

- Chiều sâu thẳng đứng H = 3.640 m

- Độ lệch đáy S = 670 m

- Góc phương vị β = 2580

Ta có profile giếng khoan có dạng :

- Bán kính cong của đoạn tăng góc :

(

) 2

( )

(

0

2 0 2

0

2 0

0

S R S R H

S R S H S R H R

−

− +

−

−

−

−

Thay các thông số của giếng này ta tìm được:

L= L1 + L2 + L3 + L4 + L5 = 430 + 304,9 + 1.748 + 915,2 + 350 = 3.748,1m

Theo kết quả tính toán thì độ sâu bằng độ sâu thiết kế

Khoảng dịch đáy lệch 2,1m so với thiết kế

Theo qui định của Xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro thì giếng này có chiều sâu trên 3.000m nên khi thi công giếng thì đáy giếng được phép sai lệch trong vòng tròn bán kính < 100m ( H < 3000m thì R< 75m )

1.2.2 Dạng quỹ đạo hình chữ S- 4 đoạn:

Hình 1.3 Quỹ đạo chữ S- 4 đoạn Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:

- Khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A

1.2.3 Dạng quỹ đạo hình chữ S- 3 đoạn:

Hình 1.4 Quỹ đạo hình chữ S- 3 đoạn Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:

+ Khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A

1.2.4 Dạng quỹ đạo tiếp tuyến( 3 đoạn):

Hình 1.5 Dạng quỹ đạo tiếp tuyến Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:

+ Khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A

+ Bán kính cong của đoạn cắt xiên

1.2.5 Dạng quỹ đạo hình chữ J:

Hình 1.6 Quỹ đạo hình chữ J

Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:

+ Khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A

1.3 CÁC YÊU CẦU TRONG KHOAN XIÊN

- Lựa chọn quỹ đạo thân giếng trên quan điểm đường đi tối ưu và tổn hao năng lượng ít nhất

- Công suất của thiết bị khoan đảm bảo cho thi công

- Cấu trúc giếng tối ưu và phù hợp với công nghệ hiện có

- Hệ dung dịch đảm bảo khả năng làm sạch giếng và ổn định thành giếng khoan

- Thiết bị và dụng cụ đo, lái chỉnh thân giếng đầy đủ

- Giảm tối đa chi phí về thời gian cũng như thiết bị , vật tư trong quá trình thi công giếng khoan

- Đạt độ sâu, khoảng dịch đáy theo yêu cầu đặt ra trong phạm vi sai

số cho phép

- Đảm bảo khả năng đi qua tự do của các bộ dụng cụ khoan khác nhau, ống chống, các thiết bị khai thác, sửa chữa ngầm trong quá trình khai thác - Giảm tối đa các phức tạp, sự cố xảy ra trong quá trình khoan tránh gây ảnh hưởng tới các giếng lân cận

- Lợi dụng được tối đa thiết bị, kỹ thuật, công nghệ hiện có Đặc biệt biết lợi dụng điều kiện địa chất ( Tính chất cơ lý của đất đá, góc nghiêng vỉa …) cho quá trình thi công đơn giản và kinh tế

1.4 PHƯƠNG PHÁP KHOAN ÁP DỤNG KHOAN TRONG KHOAN XIÊN

Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam và Mỏ Bạch Hổ, quá trình thi công các giếng khoan thường được thực hiện bằng phương pháp khoan Roto và khoan bằng động cơ đáy Ngoài ra còn có các phương pháp khác như: Khoan bằng động cơ truyền động từ đỉnh (Top drive ) Mỗi phương pháp khoan có những yêu nhược điểm nhất định

1.4.1 Phương pháp khoan khi khoan thẳng đứng

- Khi khoan thẳng đứng thường đoạn này tiến hành khoan mở lỗ, đất đá mềm và bở rời, đường kính lỗ khoan lớn đòi hỏi mô men quay lớn do đó thường chọn phương pháp khoan Roto để thi công

- Trong phương pháp khoan Roto công suất phá hủy đất đá được truyền gián tiếp từ bàn Roto qua cột cần khoan đến chòong khoan Vì vậy, quá trình khoan có thể điều chỉnh độc lập và hợp lý các thông số chế độ khoan đảm bảo

sự làm việc tối ưu của chòong khoan trong các loại đất đá khác nhau Trong phương pháp khoan Roto công suất của máy bơm không cần lớn như phương pháp tuabin… thiết bị trên bề mặt đơn giản, dễ sửa chữa, đạt hiệu quả cao ở

độ sâu từ nhỏ đến trung bình Tuy nhiên, Phương pháp này có nhược điểm là trong quá trình khoan cột cần khoan quay, do đó chúng sẽ bị mài mòn do cọ xát với thành lỗ khoan gây mất mát công suất và có thể làm tăng sự cố đối với cần do các ứng suất sinh ra trong quá trình làm việc Do cột cần khoan quay nên hạn chế phạm vi sử dụng của phương pháp này trong khoan xiên

1.4.2 Phương pháp khoan khi cắt xiên

1.4.2.1 Khoan Roto với máng xiên:

Để làm lệch hướng giếng khoan, khi này dạng máng có đầu nhọn cắm vào đất đá để tránh xoay khi bộ khoan cụ làm việc Hiện nay ít được sử dụng

nhiều trong khoan xiên Với phương pháp này áp dụng cho các giếng có sự cố ( mở cửa sổ)

Hình 1.7 Choòng kết hơp với máng xiên

1.4.2.2 Khoan bằng động cơ đáy:

Trong phương pháp khoan bằng động cơ đáy động cơ truyền chuyển động cho choòng có thể là tuabin khoan, khoan trục vít Động cơ này lắp ngay trên choòng khoan Trong quá trình khoan bằng động cơ đáy cột cần khoan không quay tạo điều kiện làm việc nhẹ nhàng cho chúng

a Tuabin khoan (Turbine motor)

Khi khoan cắt xiên bằng tuabin người ta đặt tuabin khoan lệch theo hướng cong của profile giếng khoan đã thiết kế để tạo đoạn than giếng cong

So với khoan rotor tuabin khoan có một số ưu điểm sau :

- Trong khoan tuabin cột cần khoan không quay Do đó trong quá trình làm việc cột cần khoan chịu tải nhẹ hơn Hiện tượng mỏi sinh ra do tải trọng đặc biệt là ứng suất uốn sẽ có giá trị nhỏ hay bị triệt tiêu dẫn đến sự cố về đứt cần khoan ít hơn

- Cột cần khoan không quay sẽ giảm được sự mài mòn cho các bộ phận của cột cần khoan và các chi tiết quay trên bề mặt

- Sử dụng tuabin để khoan định hướng dễ hơn và năng suất hơn

Tuy nhiên vẫn có một số nhược điểm sau :

- Đặc tính làm việc của tuabin làm việc với số vòng quay lớn nên cần phải sử dụng những loại choòng có khả năng chịu được những vòng quay như thế Đối với choòng chóp xoay chúng làm việc với tải trọng lớn và số vòng giảm Do đó loại choòng này không thỏa mãn khi khoan tuabin Thời gian làm việc bị rút ngắn do sự mài mòn nhanh nhất là ổ tựa

- Ở một số đất dẻo đòi hỏi phải mômen phá lớn, rất nhiều loại tuabin thông thường không đạt được những yêu cầu này

- Vùng làm việc ổn định của số vòng quay ở tuabin hẹp Nếu vượt quá giới hạn này có thể dẫn đến tuabin ngừng quay

- Trong khoan tuabin công suất thủy lực của máy bơm lớn hơn rất nhiều

so với khoan rotor Trong khoan rotor công suất thủy lực của bơm chủ yếu là tiêu thụ trong hệ thống tuần hoàn dung dịch Nhưng trong khoan tuabin ngoài thành phần công suất bơm rửa còn cung cấp cho tuabin và cho choòng phá đáy Do đó đòi hỏi những thiết bị bơm có công suất lớn và còn sử dụng những thành phần hệ thống tuần hoàn đảm bảo an toàn trong điều kiện làm việc áp suất lớn của tuabin Thông thường khả năng làm việc của bơm giới hạn chiều sâu làm việc của tuabin

- Những chỉ tiêu cho việc bảo dưỡng, bảo quản sửa chữa tuabin đưa đến giá thành tăng khi khoan tuabin

Hình 1.8 : Tầng cánh của tuabin khoan Tuabin khoan gồm nhiều tầng giống nhau mỗi tầng có hai phần rotor và stator Trên đó gồm các cánh cong thủy lực có chiều uốn cong ngược nhau sao cho khi làm việc cánh cong của stator hướng dòng chất lỏng đổ vào cánh cong của rotor làm cho rotor quay Rotor quay truyền chuyển động cho cho choòng phá hủy đáy giếng khoan

Tua bin khoan làm việc theo nguyên lý: Dòng chất lỏng từ máy bơm chuyển động dọc theo cột cần khoan đi vào tuabin đập lên các cánh của stator Trên cánh tuabin năng lượng dòng nước rửa được chuyển hóa thành cơ năng quay trục tuabin dẫn động cho choòng khoan để phá hủy đất đá Như vậy việc trao đổi năng lượng giữa tuabin và chất lỏng được thực hiện bằng năng lượng thủy động của dòng chảy chất lỏng qua tuabin Nếu không kể tới tổn thất thì chênh lệch năng lượng thủy động của dòng chảy đầu vào và đầu ra của bánh công tác chính bằng cơ năng mà bánh công tác nhận được từ dòng chất lỏng Tuabin khoan gồm các loại :

- Tuabin khoan một tầng là tuabin có một tập hợp tầng cánh, số tầng cánh cong của một tập hợp tầng cánh từ 89 đến 121 tầng Đây là loại tuabin

có tốc độ trung bình nằm trong khoảng 545 đến 660 vòng/phút

- Tuabin khoan nhiều tầng là tuabin có tập hợp tầng cánh, số tầng cánh cong của các tập hợp tầng cánh từ 239 đến 318 tầng Đây là loại tuabin có tốc

độ thấp nằm trong khoảng 355 đến 505 vòng/phút

- Tuabin khoan ngắn là loại tuabin có số tầng cánh cong ít nằm trong khoảng 30 đến 60 tầng Đây là loại tuabin tốc độ cao nằm trong khoảng 780 đến 1110 vòng/phút

- Tuabin khối lượng nhỏ là tuabin có chiều dài không lớn nhưng số tầng cánh cong tương đương như tuabin nhiều tầng từ 180 đến 330 tầng, tốc độ vòng quay từ 464 đến 645 vòng/phút

- Tuabin cong là loại được sử dụng để khoan xiên định hướng giếng khoan Tuabin này có số tầng cánh cong từ 95 đến 109 tầng tốc độ vòng quay

từ 660 đến 670 vòng/phút

b Động cơ trục vít ( Positive Displacement Motor )

Động cơ khoan trục vít là loại động cơ đáy được sử dụng trong công tác khoan dầu khí đặc biệt là trong công tác khoan xiên định hướng Động cơ khoan trục vít được phân làm ba loại theo tốc độ: tốc độ thấp, tốc độ cao, tốc

độ trung bình Tùy theo yêu cầu khoan mà có thể chọn theo từng loại cho phù hợp Hiện nay động cơ khoan trục vít được được sản xuất đa dạng về chủng loại cho phép lựa chọn tốc độ và mômen quay trong khoảng rộng

Hình 1.9 : Một đoạn phần công tác của động cơ khoan trục vít

Phân loại các loại động cơ trục vít theo tốc độ

- Loại động cơ trục vít tốc độ thấp: Đây là loại động cơ khoan có mômen quay lớn, tốc độ quay thấp sử dụng để khoan cắt xiên giếng khoan, giếng khoan theo dõi và kể cả khoan ngang Đến nay động cơ khoan trục vít cũng đáp ứng được yêu cầu khoan cần có mômen lớn như: tăng đường kính giếng khoan, mở rộng thân giếng khoan bên dưới ống chống, cắt ống chống, lấy mẫu lõi, mở rộng giếng khoan sau khi cắt xiên Loại tốc độ thấp bao gồm các loại cấu tạo có cấu hình của rotor và stator như : 8/9, 9/10

- Loại động cơ khoan trục vít tốc độ trung bình: Đây là loại động cơ có tốc độ quay và mômen trung bình dùng để nâng cao tốc độ cơ học khoan khi duy trì thời gian làm việc dài của choòng Loại động cơ này được ứng dụng trong những giếng khoan thẳng đứng, giếng khoan có độ lệch đáy lớn, khoan lấy mẫu và điều chỉnh thân giếng khoan Loại tốc độ trung bình bao gồm các loại cấu tạo có cấu hình của rotor và stator như : 4/5, 5/6, 7/8

- Loại động cơ trục vít tốc độ cao : là loại có mômen thấp, tốc độ quay cao được ứng dụng để khoan nắn và cắt xiên giếng khoan Trong những điều kiện trên có thể lựa chọn chính xác phương của thân giếng khoan, góc lệch quy định khi tải trọng tác dụng lên choòng thấp Ngoài ra động cơ khoan trục vít tốc độ cao có thể dùng để khoan nắn giếng khoan thẳng đứng, khoan lấy mẫu và sửa giếng

Động cơ khoan trục vít làm việc trên nguyên lý truyền động thủy tĩnh bằng hình thức thay thế thể tích chất lỏng Điều này khác hẳn so với tuabin khoan vì tuabin khoan làm việc theo nguyên lý truyền động thủy động

Từ đó động cơ khoan trục vít có một số đặc thù sau :

- Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, chế tạo đơn giản so với tuabin khoan

- Chắc chắn, làm việc độ tin cậy cao

- Hiệu suất thủy lực cao, lớn hơn 70%

- Khi làm việc sinh ra lực dọc trục không lớn

- Yêu cầu áp suất và lưu lượng đầu vào vừa phải, tương đương với áp suất và lưu lượng khoan rotor

- Thông số đầu vào là áp suất và lưu lượng có thể thay đổi trong khoảng rộng

- Mômen quay không phụ thuộc vào lưu lượng

- Có thể kiểm tra tải trọng động cơ theo sự giảm áp chế độ bơm

- Có độ bền tương đối cao khi chất lỏng chứa các tạp chất và không có tính bôi trơn

Với những đặc điểm trên cùng với kết quả thực tế sử dụng, hiện nay ở VSP động cơ này đã thay thế toàn bộ tuabin khoan và trong tương lai cùng với rotor khoan là hai loại động cơ chủ đạo trong công nghiệp dầu khí

1.4.2.3 Khoan bằng RSS ( Rotary Steerable System ):

Phương pháp khoan RSS là một hình thức mới của cộng nghệ khoan được sử dụng trong khoan xiên định hướng Nó sử dụng thiết bị đáy giếng chuyên dụng để thay thế các các động cơ đáy khác Phương pháp này thường được lập trình bởi các kỹ sư điều khiển thiết bị đo MWD hoặc kĩ sư khoan xiên truyền lệnh bằng các thiết bị trên trạm điều khiển ( thường sử dụng cả hai biến động áp suất trong dung dịch hoặc các biến thể trong cột cần khoan quay) Qua thiết bị này sẽ biết và dần dần lái vào hướng bạn muốn Nói cách khác, một thiết bị được thiết kế để khoan xiên liên lục cùng với cột cần khoan quay từ bề mặt, loại bỏ dần phương pháp trượt chỉnh hướng của động cơ đáy Những lợi thế của công nghệ này rất nhiều cho cả hai nhóm chính của người sử dụng: địa chất và thợ khoan Cột cần khoan quay liên tục khi chỉnh xiên cho phép vận chuyển mùn khoan lên bề mặt được cải thiện nhờ hoạt động thủy lực tốt hơn Truyền tải trọng tốt hơn lên mặt đất để khoan và giảm việc khoan quanh co do sử dụng thiết bị định hướng trước đây Vì thế giếng

khoan xiên sẽ không bị xâm nhập nhanh và thành giếng sẽ ổn định hơn là sử dụng thiết bị khoan bằng động cơ đáy Cho các nhà địa chất với mẫu kết quả tốt hơn, thuộc tính của các phép đo về thành hệ có thể thu được Bộ khoan cụ quay liên tục khi chỉnh xiên làm tăng tốc độ phá đất đá Bộ khoan cụ quay liên tục giúp giảm lực cản và nguy cơ bó hẹp thành giếng

RSS cho phép những người vận hành có kế hoạch thực hiện thoe sự phức tạp của thân giếng khoan trong hình học, bao gồm cả giếng khoan ngang và giếng khoan mở rộng thêm, mà không thể khoan một cách hiệu quả với các phương pháp khoan thông thường RSS thực hiện việc này bằng cách cho phép toàn quyền kiểm soát khoan xiên trong không gian ba chiều

RSS có hai loại là “ push the bit” và “ point the bit” Cả hai hệ thống sử dụng cơ chế làm việc phức tạp để thực hiện kiểm soát hướng độc lập trong 3D

- Hệ thống “ Push the bit” đẩy mũi khoan lái choòng bằng cách áp dụng đẩy tải trọng buộc choòng khoan sang 1 bên theo hướng chỉnh xiên mong muốn

Hình 1.10 Hệ thống “Push the bit”

- Hệ thống “Point the bit” hướng mũi khoan lái choòng bằng cách nghiêng chút theo hướng của đường cong mong muốn

Hình 1.11 Hệ thống “Point the bit”

Với những ưu điểm trên phương pháp khoan xiên bằng RSS sẽ giảm thời gian thi công và thân giếng tốt Đây là giải pháp hiệu quả về kinh tế cũng như công nghệ

CHƯƠNG 2 TRANG THIẾT BỊ TRONG KHOAN XIÊN TẠI XÍ NGHIỆP

LIÊN DOANH VIETSOPETRO

2.1 THIẾT BỊ KHOAN

2.1.1 Các loại thiết bị khoan đang sử dụng ở mỏ Bạch Hổ

Để làm lệch giếng khoan cần sử dụng các thiết bị phù hợp Vì vậy căn

cứ vào các phương pháp khoan, thiết kế của giếng để đưa ra những trang thiết

bị tối ưu nhất

Riêng về thiết bị khoan trong quá trình thi công nói chung tại VSP sử dụng các loại Rotor cố định( bàn Rotor), Rotor di động( Top Drive), Tuabin khoan và động cơ trục vít Tuy nhiên khi quá trình thường sử dụng động cơ đáy Những năm trước 1997 dủng tuabin khoan đến nay động cơ trục vít thay thế hoàn toàn Tuabin khoan

Tại xí nghiệp liên doanh Vietsopetro đầu những năm 1990 đã đưa vào khoan thử nghiệm loại động cơ khoan trục vít Đến năm 1997 chính thức sử dụng động cơ khoan trục vít để khoan một số giếng khoan Trong những năm đầu sử dụng động cơ khoan trục vít trong công tác khoan xiên định hướng giếng khoan Với tính năng và hiệu quả đạt được đến những năm đầu thế kỷ

20 XNLD Vietsopetro đã sử dụng loại động cơ này để khoan cả những giếng khoan thẳng đứng trong các địa tầng khác nhau Hiện nay tại XNLD Vietsopetro đã sử dụng động cơ khoan trục vít để thay thế hoàn toàn động cơ tuabin khoan và một phần khoan rotor Chủ yếu là động cơ trục vít của các hãng SLB,BHI, Blackmax, National oilwell và đang dùng phổ biến động cơ của hãng National oilwell Đến nay động cơ trục vít là thiết bị khoan chủ lực trong khoan xiên ở mỏ Bạch Hổ

2.1.2 Động cơ trục vít và đặc tính kĩ thuật của nó

Cấu tạo của động cơ khoan trục vít gồm các bộ phận sau:

Hình 2.2 Sơ đồ tổng thể động cơ khoan trục vít

a.Van thông ( Dump valve ):

Hình vẽ 2.3 Van thông

Là bộ phân trên cùng của động cơ được nối trực tiếp với cần khoan nằm phía trên bộ phận công tác Cấu tạo van thông bao gồm: Ngoài cùng là thân chính của van phía trên cùng lắp với khoan cụ bởi ren cái, đầu dưới là ren đực nối với thân của động cơ Trên thân van có 8 lỗ thoát dung dịch trên thân van được lắp các chi tiết theo trình tự từ dưới lên trên như sau: ống hãm bên dưới

- lò xo nén giữa piston và ống hãm - piston

Tác dụng chính của van thông (Dump valve) là thông dung dịch khoan giữa khoảng không vành xuyến và bên trong cột cần khoan trong quá trình kéo thả Bình thường trong lúc kéo thả bộ khoan cụ mở thông giữa giữa bên trong và bên ngoài cần, cho phép dung dịch khoan có thể ra hoặc vào trong cần một cách tự do đảm bảo cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài cần Khi bắt đầu quá trình làm việc bơm dung dịch tới một giá trị làm việc của van (giá trị này phụ thuộc vào mỗi loại động cơ do nhà sản suất thiết lập) khi đó

áp lực của dòng dung dịch cụm pistong bên trong van thông sẽ bị ép xuống và bịt kín 8 lỗ thông giữa bên trong và bên ngoài cần khoan dẫn dòng dung dịch qua động cơ khi đó động cơ bắt đầu làm việc Khi ngừng bơm piston sẽ tự động được đẩy lên dưới lực đàn hồi của lò xo khi đó trong và ngoài cần được thông với nhau qua lỗ thoát Chính sự thông giữa trong và ngoài cần giúp cho quá trình kéo cần không bị piston hóa

b Phần công tác tạo công suất (Power section):

Hình 2.4 Phần công tác tạo công suất

Bộ phận công tác thực hiện việc chuyển hóa thủy năng của dòng dung dịch khoan thành cơ năng làm quay choòng khoan Để tạo nên chuyển động cần có phải có một thể tích chất lưu đi qua bộ phận công tác, tốc độ quay trong động cơ trục vít tỉ lệ thuận với lưu lượng dòng dung dịch bơm xuống Giảm áp qua bộ phận này càng lớn thì mômen tạo ra của động cơ càng lớn Phần công tác cấu tạo bởi 2 phần chính : stator và rotor

Hình 2.5 Mặt cắt ngang roto và stator động cơ trục vít

- Stator là phần vỏ ngoài của động cơ, mặt trong được phủ lớp cao su đặc biệt chịu được sự mài mòn cơ học, chịu được nhiệt độ cao, chịu va đập và môi trường dầu mỡ Bề mặt cao su được đúc chia làm nhiều múi tùy theo cấu tạo của động cơ và có dạng xoắn Stator có hình dạng xoắn vít như roto nhưng chiều ngược lại

- Rotor là trục xoắn được chế tạo bằng hợp kim chịu mài mòn bề mặt ngoài được mạ crom-niken dầy 2-3mm để giảm ma sát trong khi quay và chịu

sự mài mòn cơ học và ăn mòn hóa học Dọc theo đường tâm của roto có lỗ thông suốt chạy dọc theo chiều dài của roto Đường rỗng thông suốt có tác dụng giảm trọng lượng của rotor Thường trong khi khoan đường này được bịt kín không cho dung dịch khoan chảy qua tránh công suất động cơ giảm sút Trong trường hợp với mục đích tăng cường lưu lượng của dòng dung dịch khoan để làm sạch đáy giếng mà không tăng công suất của động cơ Đường này dẫn dung dịch khoan trong trường hợp có sử dụng bộ tiết lưu còn đầu dưới nắp với trục các đăng

Rotor và stator đều có các rãnh xoắn giống nhau về chiều xoắn hình dạng xoắn nhưng có bước xoắn khác nhau theo một tỷ lệ nhất định Rotor có ít hơn stator một đầu rãnh xoắn, chính nhờ đó tạo khoảng không dẫn hở cho dòng dung dịch đi qua bộ phận công tác làm cho động cơ hoạt động Tùy theo mục đích sử dụng mà rotor có cấu tạo từ 1 đến 9 đầu rãnh xoắn tương ứng với stator gồm 2 đến 10 đầu rãnh xoắn

Tỉ lệ số rãnh của stator và số rãnh roto phụ thuộc vào đặc tính từng loại động cơ Ứng với loại động cơ thì có tỉ số này khác nhau

c Khớp nối cong (Adjustable housing):

Hình 2.6 Khớp nối cong

Nó cho phép liên kết hai phần với nhau đồng thời cũng tạo ra độ nghiêng trục tâm ảo của 2 phần này Cũng đồng nghĩa là tạo ra được góc nghiêng cho động cơ khi khoan xiên

Cấu tạo chi tiết của cụm khớp nối cong bao gồm :

- Đầu nối chuyển tiếp stator (stator adapter) là đầu nối chuyển tiếp của stator với vỏ ống lệch (offset housing) thông qua trục (spined mandrel) và vòng điều chỉnh (adjusting ring) cùng với 2 chi tiết này định vị góc nghiêng cho động cơ

- Vỏ ống lệch là thân vỏ nối giữa vỏ của trục chính với cụm vỏ điều chỉnh cong (adjusting bent housing) đầu trên nối với trục then và đầu nối chuyển tiếp stator (stator adapter) định vị góc nghiêng của động cơ Ngoài ra còn có các răng chấu ăn khớp với vòng điều chỉnh trong khi đặt góc nghiêng