Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ khoan định hướng cho mỏ Bạch Hổ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ- ĐỊA CHẤT
NGUYỄN VĂN GIÁP
NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN
CẤU TRÚC BỘ DỤNG CỤ KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
CHO MỎ BẠCH HỔ
Chuyên ngành: Khoan và hoàn thiện giếng dầu khí
Mã số : 62.53.50.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2009
Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Khoan- Khai thác, Khoa Dầu
khí, Trường Đại học Mỏ- Địa chất.
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Trần Đình Kiên, Trường Đại học Mỏ- Địa chất.
2. TSKH. Trần Xuân Đào, XNLD Vietsovpetro.
Phản biện 1: PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh.
Phản biện 2: PGS.TS. Lê Phước Hảo.
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Sỹ Ngọc.
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước
họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc - Từ Liêm - Hà Nội,
vào hồi …. giờ …., ngày …. tháng …. năm 2009.
Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia, Hà Nội hoặc Thư viện
Trường Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1.Nguyễn Văn Giáp, Nguyễn Thế Vinh (2001), “Phương pháp tính
toán và lựa chọn bộ dụng cụ đáy sử dụng trong khoan định
hướng”, Tuyển tập các công trình khoa học Đại học Mỏ- Địa
chất, (34), tr.158- 160.
2.Nguyễn Văn Giáp (2004), “Ảnh hưởng của vị trí định tâm tới lực
sườn tại choòng khoan”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ- Địa
chất, (6),tr.1-2.

3.Nguyễn Văn Giáp (2006), Nghiên cứu cơ chế làm việc của bộ dụng
cụ khoan trong giếng khoan xiên và ứng dụng trong việc thiết kế
cấu trúc bộ dụng cụ khoan để khoan các giếng khoan xiên, Báo
cáo đề tài NCKH&CN cấp Bộ, mã số B2004-36-69.
4.Nguyễn Văn Thịnh, Nguyễn Văn Giáp (2006), “Nghiên cứu xây
dựng mối quan hệ giữa cường độ cong α của giếng khoan với tỷ
số giữa lực sườn và tải trọng đáy (F
s
/F
a
)”, Tuyển tập các công
trình khoa học, chuyên đề kỷ niệm 40 năm thành lập Bộ môn
Khoan- Khai thác, tr.4- 8.
5.Nguyễn Văn Giáp (2006), “Nghiên cứu các phương pháp điều
chỉnh góc nghiêng của thân giếng khoan trong khoan dầu khí”,
Tuyển tập các công trình khoa học, chuyên đề kỷ niệm 40 năm
thành lập Bộ môn Khoan- Khai thác, tr.11-14.
6.Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Văn Giáp (2006), “Nghiên cứu ảnh
hưởng của đường kính định tâm tới hướng đi của choòng
khoan”, Tuyển tập các công trình khoa học, chuyên đề kỷ niệm
40 năm thành lập Bộ môn Khoan- Khai thác, tr.15-18.
7.Nguyễn Văn Giáp, Trần Đình Kiên, Trần Xuân Đào (2006),
“Nghiên cứu và đánh giá trạng thái động học của choòng khoan
trong khoan xiên định hướng”, Tuyển tập báo cáo hội nghị
Khoa học- Công nghệ 30 năm Dầu khí Việt Nam: Cơ hội mới,
thách thức mới”, 1, tr.762-772.
8.Nguyễn Văn Giáp (2008), “Quy luật thay đổi góc phương vị khi sử
dụng phương pháp khoan roto ở mỏ Bạch Hổ”, Tạp chí KHKT
Mỏ- Địa chất, (24), tr.4-8.
9.Nguyễn Văn Giáp(2009), Nghiên cứu sự lệch góc phương vị trong

khoan xiên định hướng bằng phương pháp khoan roto tại vùng
mỏ Bạch hổ, Báo cáo đề tài NCKH&CN cấp Bộ, mã số B2007-
02-37
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong hơn 2 thập kỷ qua, ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam
đã không ngừng phát triển và từng bước khẳng định vị thế của mình
trên trường quốc tế. Hiện nay hàng loạt các mỏ như Bạch Hổ, Rồng,
Đại Hùng, Sư Tử Đen, Sư Tử Trắng, Sư Tử Vàng, Cá Ngừ Vàng,
Rồng Đôi, Hải Sư, Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Nguyệt Thạch,
Thiên Nga, Cá Chò, Phi Mã… đã lần lượt đi vào khai thác dầu khí
hoặc đã được phát hiện có tiềm năng dầu khí. Các mỏ dầu khí này
phân bố theo dọc thềm lục địa Việt Nam, do đó công tác phát triển
mỏ phải triển khai trong môi trường biển và hầu hết các giếng đều là
giếng khoan xiên với mục đích đạt được độ rời đáy cần thiết.
Thực tế khi xây dựng các giếng khoan xiên định hướng ở mỏ
Bạch Hổ cho thấy: các công đoạn cắt góc, lái chỉnh hướng đi của
choòng không những mất rất nhiều thời gian mà còn phải thường
xuyên đối mặt với những phức tạp, sự cố. Trong rất nhiều trường hợp
khi gặp sự cố phức tạp đã phải bỏ lại toàn bộ thiết bị đo và động cơ
đáy ở đáy giếng. Không những thế mà quỹ đạo thân giếng và vị trí
đáy giếng bị sai lệch nhiều so với thiết kế, ảnh hưởng đến mạng lưới
các giếng khai thác. Sự sai lệch về quỹ đạo thân giếng không những
làm cản trở quá trình thi công mà còn làm giảm chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật của giếng. Với sự phức tạp của địa tầng bồn trũng Cửu Long,
khi khoan qua “tập sét Bạch Hổ” trương nở (Oligocen) hoặc các đới
mất dung dịch trầm trọng thì việc sử dụng động cơ đáy cho việc cắt
góc, lái chỉnh hướng đi của choòng là hết sức phức tạp mà hiệu quả
không cao. Khi khoan bằng động cơ đáy, do bộ cần khoan không

quay nên dễ bị sự cố kẹt cần khoan hoặc khi khoan trong đới mất
tuần hoàn dung dịch thì việc truyền tín hiệu của thiết bị đo MWD bị
vô hiệu hóa, động cơ đáy không thể hoạt động nhất là khi trong dung
dịch khoan có sử dụng các chất bít nhét chống mất dung dịch. Đây
2
chính là những nguyên nhân hạn chế hiệu quả khi sử dụng phương
pháp khoan bằng động cơ đáy trong quá trình cắt góc, lái chỉnh
hướng đi của choòng.
Vì vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ khoan
định hướng trong phương pháp khoan roto để lái chỉnh quỹ đạo thân
giếng trong khoan xiên định hướng có tính cấp thiết và có tính thực
tiễn, nhằm đưa ra nhiều lựa chọn cho công tác khoan xiên định
hướng không những đối với mỏ Bạch Hổ mà còn đối với các mỏ
khác có đặc điểm địa chất tương tự.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu, tính toán và hoàn
thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy sử dụng trong khoan định hướng bằng
phương pháp khoan roto cho mỏ Bạch Hổ nhằm đơn giản hóa công
nghệ và thiết bị của quy trình lái chỉnh quỹ đạo thân giếng, đưa ra
được nhiều lựa chọn cho công tác khoan xiên định hướng mà vẫn
đảm bảo được quỹ đạo thân giếng theo thiết kế với hiệu quả kinh tế
kỹ thuật tốt nhất.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: quy trình công nghệ lái chỉnh quỹ đạo thân
giếng, cụ thể là cấu trúc bộ dụng cụ đáy sử dụng trong khoan xiên
định hướng bằng phương pháp khoan roto.
Phạm vi nghiên cứu: hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy trong
khoan xiên định hướng bằng phương pháp khoan roto bao gồm: kích
thước choòng, định tâm, cần nặng cũng như cấu trúc, thứ tự lắp đặt
phù hợp với đặc thù của địa tầng và quỹ đạo hiện thời của thân giếng

cũng như mục đích lái chỉnh thân giếng.
Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng đáy cho 2 địa tầng: trầm
tích Miocen và Oligocen; cho 2 loại bộ dụng cụ đáy: 1 định tâm và 2
định tâm; cho 2 đường kính choòng: 311,2mm và 215,9mm; với các
góc nghiêng của thân giếng: α= 10
0
, α= 20
0
, α= 30
0
và α= 40
0
.
3
4. Nội dung nghiên cứu
Phân tích, đánh giá định tính và định lượng về hướng đi của
choòng khoan thông qua số liệu thực tế của gần 200 giếng khoan ở
mỏ Bạch Hổ, nhằm xác định quy luật thay đổi hướng đi của choòng.
Trên cơ sở đó, tác giả nghiên cứu cơ chế hình thành cũng như bản
chất thành phần lực làm thay đổi hướng đi của choòng.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá mức độ ảnh hưởng
của từng yếu tố tới hướng đi của choòng nhằm định hướng cho
nghiên cứu và xác định các yếu tố cần hoàn thiện.
Sử dụng phần mềm thương mại Landmark làm công cụ để tính
toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy thông qua hệ số điều chỉnh
đặc trưng của mỏ Bạch Hổ. Hệ số điều chỉnh đặc trưng được xây
dựng từ thực nghiệm nhằm nâng cao mức độ chính xác và tin cậy của
phần mềm thương mại Landmark khi ứng dụng vào mỏ Bạch Hổ.
Lập cơ sở dữ liệu ở dạng bảng tra cứu về cấu trúc bộ dụng cụ đáy
cho các trường hợp cụ thể khác nhau, cho các mục đích lái chỉnh

khác nhau nhằm tạo điều kiện thuận lợi nhất cho công tác thiết kế và
lắp ráp ngoài khoan trường.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Thu thập, thống kê và phân tích tài liệu thức tế;
- Nguyên lý cần bằng lực trong môi trường tĩnh và động;
- Ứng dụng phần mềm thương mại Landmark với phương pháp
đối chứng thực nghiệm.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
- Tìm ra quy luật hướng đi của choòng;
- Tìm ra cơ sở lý thuyết về cơ chế hình thành lực làm thay đổi
hướng đi của choòng;
4
- Xây dựng hệ số điều chỉnh đặc trưng khi ứng dụng phần mềm
thương mại Landmark vào điều kiện cụ thể của mỏ Bạch hổ;
- Trên nguyên tắc tính toán cho mỏ Bạch Hổ, có thể tính toán cho
các mỏ khác và khi sử dụng những phần mềm thương mại khác.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Đã giải quyết được những vấn đề đặt ra từ thực tiễn sản xuất;
- Kết quả nghiên cứu phù hợp với thực tế sản xuất và dễ sử dụng;
- Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu giảng dạy và tài liệu
tham khảo cho sinh viên đại học và học viên cao học thuộc các
ngành Mỏ và Dầu khí.
7. Luận điểm bảo vệ
- Quy luật thay đổi góc phương vị khi góc nghiêng thân giếng
thay đổi;
- Cơ chế hình thành lực làm thay đổi góc phương vị của thân
giếng;
- Hệ số điều chỉnh đặc trưng khu vực khi ứng dụng phần mềm

thương mại Landmark để tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ
đáy.
8. Bố cục của luận án
Luận án gồm lời mở đầu, 4 chương, kết luận và 15 phụ lục kèm
theo.
Chương 1- Tổng quan về bộ dụng cụ đáy trong khoan định hướng
bằng phương pháp khoan roto
Chương 2- Quy luật hướng đi của choòng và cơ chế hình thành
lực làm thay đổi hướng đi của choòng
Chương 3- Các yếu tố ảnh hưởng tới hướng đi của choòng
Chương 4- Tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy
5
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ DỤNG CỤ ĐÁY TRONG KHOAN
ĐỊNH HƯỚNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN ROTO
1.1. Cấu trúc bộ dụng cụ đáy
Bộ dụng cụ đáy là một khái niệm tương đối, có thể hiểu đó là
phần dưới của bộ dụng cụ khoan, phần có ảnh hưởng mang tính
quyết định tới hướng đi của choòng. Chiều dài của bộ dụng cụ đáy
được xác định trên cơ sở mặc định là khoảng cách từ choòng tới
điểm tiếp xúc đầu tiên giữa cần nặng với thành giếng khoan. Như
vậy thành phần chính của bộ dụng cụ đáy bao gồm: choòng khoan,
định tâm và cần nặng; ngoài ra còn một số bộ phận được lắp trên bộ
dụng cụ đáy với các mục đích kỹ thuật khác nhau.
1.2. Những công trình nghiên cứu trên thế giới
1.2.1. Những nghiên cứu về điều khiển góc nghiêng 
Các tác giả đều thống nhất về nguyên nhân làm thay đổi góc
nghiêng  của thân giếng là do sự hình thành lực sườn F
s
. Sơ đồ lực

tác dụng lên choòng trên mặt phẳng được biểu diễn trên hình 1.2 bao
gồm:
- Tải trọng đáy F
a
do trọng lượng bản thân của một phần bộ dụng
cụ khoan tạo nên;
Hình 1.2. Sơ đồ lực tác dụng lên choòng khoan
1- Cần nặng; 2- Định tâm ; 3- Choòng khoan
L
0
F
t
F
a

F
u
F
s
F
g
Z
X
3
2
1
6
- Thành phần lực F
g
là hình chiếu theo phương OX của phần

trọng lượng cần nặng có chiều dài L, có chiều hướng xuống dưới và
luôn có xu hướng làm giảm góc nghiêng thân giếng;
- Lực uốn F
u
được hình thành do mô men uốn tại định tâm gần
choòng, có phương trùng với phương của F
g
còn chiều phụ thuộc
vào chiều uốn của đoạn cần nặng đầu tiên có chiều dài L.
- Tổng hợp và ta được lực sườn ; = + ;
- Tổng hợp + ta được lực tổng ; = + .
1.2.2. Những nghiên cứu về điều khiển góc phương vị 
Các tác giả cho rằng sự thay đổi  chủ yếu là do thành phần nằm
ngang theo phương OY của lực uốn tại choòng, thành phần này có
giá trị khá nhỏ. Chưa có công trình nào công bố về cơ chế hình thành
lực làm thay đổi góc phương vị  và công thức tính toán.
1.3. Những công trình nghiên cứu ở Việt Nam
Những công trình đã công bố ở Việt Nam còn ít và chưa đầy đủ.
Các nghiên cứu chủ yếu về lĩnh vực sử dụng động cơ đáy. Trong
những công trình đã công bố, các tác giả có đưa ra một số phương
pháp lựa chọn bộ dụng cụ đáy nhưng chủ yếu là điều chỉnh góc
nghiêng. Chưa có công bố nào nghiên cứu một cách đầy đủ về điều
chỉnh góc phương vị cũng như cơ sở khoa học của nó.
Ở Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí Vietsovpetro từ ngày thành lập
đến nay đã khoan gần 300 giếng khoan xiên định hướng với những
thành công đáng trân trọng; đã đạt được góc nghiêng của thân giếng
là 93
0
và khoảng rời đáy lớn hơn 2000m. Trang thiết bị cũng đã từng
bước được hiện đại hóa như đã đưa vào sử dụng động cơ đáy, hệ

thống đo trong quá trình khoan MWD, các phần mềm thương mại
chuyên dụng như Drilling Offices, Landmark…; nhưng cho đến nay
vẫn chưa có được một công trình nào nghiên cứu một cách tổng thể
và chuyên sâu về lĩnh vực khoan xiên định hướng. Việc tính toán
thiết kế và lắp ráp bộ dụng cụ đáy cũng như thao tác thi công ngoài
7
hiện trường được thực hiện trên cơ sở kinh nghiệm đúc kết từ thực
tiễn của các kỹ sư và chuyên gia.
1.4. Những tồn tại và những vấn đề cần tập trung nghiên cứu
Mặc dù đã đạt được rất nhiều những kết quả đáng trân trọng,
nhưng từ thực tế cho thấy vẫn còn một số tồn tại và những vấn đề
cần tập trung nghiên cứu và giải quyết như sau:
Tính theo phần mềm Landmark thì sự lệch của thân giếng theo
góc phương vị là nhỏ, nhưng trên thực tế thì khá lớn, đôi khi lớn hơn
cả sự lệch theo góc nghiêng; hiện nay vẫn chưa có cơ sở lý thuyết
đầy đủ về sự lệch góc phương vị.
Việc tính toán thiết kế bộ dụng cụ đáy chủ yếu là dựa vào kinh
nghiệm thực tế của các chuyên gia cho từng vùng mỏ nhất định; mặc
dù đã có sử dụng phần mềm thương mại Landmark nhưng cũng mới
chỉ dừng lại ở mức độ tham khảo và định hướng cho những quyết
định mà thôi.
Trên cơ sở đánh giá tổng quan về các công trình nghiên cứu trong
lĩnh vực khoan xiên định hướng trên thế giới và trong nước, cụ thể là
công tác khoan xiên định hướng ở Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí
Vietsovpetrro; với đề tài luận án: “ Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc
bộ dụng cụ khoan định hướng cho mỏ Bạch Hổ”, tác giả định hướng
các nghiên cứu của mình theo các hướng chính sau:
- Tìm ra quy luật hướng đi của choòng;
- Nghiên cứu cơ chế và những nguyên nhân làm thay đổi hướng
đi của choòng;

- Xác định những thông số cấu trúc của bộ dụng cụ đáy cần hoàn
thiện;
- Nghiên cứu tính toán hệ số điều chỉnh đặc trưng khi ứng dụng
phần mềm thương mại Landmark cho điều kiện mỏ Bạch Hổ;
- Tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy.
8
Chương 2.
QUY LUẬT HƯỚNG ĐI CỦA CHOÒNG VÀ CƠ CHẾ
HÌNH THÀNH LỰC LÀM THAY ĐỔI HƯỚNG ĐI CỦA CHOÒNG
2.1. Quỹ đạo thực tế của các giếng khoan ở mỏ Bạch Hổ
Các giếng khoan xiên định hướng được thực hiện theo 4 dạng quỹ
đạo truyền thống sau: dạng quỹ đạo 5 đoạn, 4 đoạn, 3 đoạn và 5 đoạn
loại mới, việc lựa chọn dạng quỹ đạo nào là phụ thuộc vào kỹ thuật
công nghệ hiện có, điều kiện địa chất và mục đích sử dụng giếng.
Thực tế cho thấy việc đảm bảo quỹ đạo thực tế của thân giếng đi
đúng quỹ đạo thiết kế không phải lúc nào cũng như ý muốn, khả
năng đảm bảo ổn định góc nghiêng của thân giếng đã khó nhưng việc
đảm bảo ổn định góc phương vị của thân giếng lại còn khó hơn.
2.2. Quy luật hướng đi của choòng
Việc nghiên cứu quy luật hướng đi của choòng nhằm mục đích
định hướng cho nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy phục
vụ cho công tác thiết kế và lái chỉnh xiên trong quá trình thi công.
2.2.1. Quy luật cường độ thay đổi góc nghiêng ∆α
Khi góc nghiêng thân giếng α thay đổi thay đổi thì ∆α cũng thay
đổi và tuân theo quy luật được biểu diễn trên đồ thị hình 2.7 và hình
2.8.
Hình 2.7. Ảnh hưởng của góc nghiêng thân giếng α tới ∆α
(Bộ dụng cụ giảm góc nghiêng)
9
Từ đồ thị hình 2.7 và hình 2.8 ta thấy rằng khi α tăng thì ∆α tăng,

tức là tăng khả năng cắt xiên, khi α giảm thì giá trị tuyệt đối của ∆α
giảm. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với công tác thiết kế và
công tác thi công, vì với cùng một bộ dụng cụ đáy tăng hoặc giảm
góc nghiêng sử dụng trong một hiệp khoan, nhưng ∆α hằng số.
2.2.2. Quy luật cường độ thay đổi góc phương vị
Từ số liệu thống kê của 192 khoảng khoan của mỏ Bạch Hổ, có
thể thiết lập được mối quan hệ giữa cường độ thay đổi góc phương vị
thực tế ∆φ
tt
với cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế ∆α
tt
được biểu
diễn trên đồ thị hình 2.9.
Mối quan hệ giữa cường độ thay đổi góc phương vị ∆φ với
cường độ thay đổi góc nghiêng ∆α phụ thuộc vào các yếu tố như:
điều kiện địa chất, cấu trúc của bộ khoan cụ, các thông số công nghệ
…, nhưng từ đồ thị hình 2.9 có thể nhận thấy quy luật chung đó là:
- Ở những khoảng khoan giảm góc nghiêng tức là cường độ thay
đổi góc nghiêng mang giá trị âm <0 thì cường độ thay đổi góc
phương vị mang giá trị dương >0;
- Ở những khoảng khoan tăng góc nghiêng tức là cường độ thay
đổi góc nghiêng mang giá trị dương >0 thì cường độ thay đổi góc
phương vị mang giá trị âm <0;
Hình 2.8. Ảnh hưởng của góc nghiêng thân giếng α tới ∆α
(Bộ dụng cụ tăng góc nghiêng)
10
- Quan hệ giữa cường độ thay đổi góc phương vị  với cường
độ thay đổi góc nghiêng  tuân theo quy luật sau:
Vòm Bắc: ∆φtt
Bắc

= -1,13. tt
Bắc
- 0,36
Vòm Trung tâm: ∆φtt
T.tâm
= -1,05. tt
T.tâm
- 0,23
Vòm Nam: ∆φtt
Nam
= -1,07. tt
Nam
- 0,28
Phạm vi khảo sát là < 8
0
/100m.
Mức độ của mối tương quan này hết sức nhạy cảm, chính vì vậy
mà ở một số khoảng khoan quy luật này thể hiện không rõ nét, nhất
là ở những khoảng khoan mà góc nghiêng của thân giếng <10
0
và
khi giá trị tuyệt đối của cường độ thay đổi góc nghiêng <
2
0
/100m. Khi góc nghiêng của thân giếng >10
0
và >2
0
/100m
thì quy luật trên thể hiện khá rõ nét.

2.3. Cơ chế hình thành lực làm thay đổi hướng đi của choòng
2.3.1. Nghiên cứu cơ chế hình thành và tính toán lực làm thay đổi
góc nghiêng thân giếng
Lực sườn F
s
quyết định tới sự thay đổi góc nghiêng α. Nếu có
trước một bộ dụng cụ đáy, ta sẽ tính được F
s
; ngược lại nếu định
trước giá trị của F
s
, ta tính được cấu trúc bộ dụng cụ đáy.
Hình 2.9. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ∆φtt với ∆αtt
11
Sơ đồ phân tích lực của bộ dụng cụ đáy 1 định tâm và 2 định tâm
được biểu diễn trên hình 2.10 và 2.11.
Ta gọi:
l
1
: Khe hở theo bán kính giữa định tâm với choòng, (m);
L
1
: Khoảng cách từ choòng tới định tâm, (m);
L
2
: Khoảng cách từ định tâm 1 tới định tâm 2, (m);
L
t
: Khoảng cách từ định tâm 2 tới điểm tiếp xúc gần nhất giữa
cần nặng với thành giếng, (m);

F
c1
: Tải trọng dọc trục trung bình tại điểm C
1
, (N) ;
Hình 2.10. Sơ đồ phân tích lực
của bộ dụng cụ đáy 1 định tâm
1- Choòng khoan ;
2- Đoạn cần nặng 1
3- Định tâm;
4- Đoạn cần nặng 2
Q
1
cos

X
Z
0
m
B
R
B
F
b
L
t
4
3
2
L

1

C
1
Q
1
.sin

Q
1
R
A
1
A
F
a
Hình 2.11. Sơ đồ bộ dụng cụ đáy có
2 định tâm
1- Choòng
2- Đoạn cần nặng 1
3- Định tâm 1
4- Đoạn cần nặng 2
5- Định tâm 2
6- Đoạn cần nặng 3
0
6
5
4
3
2

1
F
a
F
S
m
2
m
1
L
t
L
2
L
1
12
q
1
: Trọng lượng 1 m cần nặng của đoạn cần nặng thứ nhất (lấy
bằng chiều dài L
1
), (N/m);
K: Hệ số kể đến sức đẩy Acsimet của dung dịch khoan;
: Góc nghiêng của thân giếng, (độ);
m: Mô men uốn tại định tâm, (N.m);
D
c
và D
dt1
: Đường kính choòng và đường kính định tâm 1.

Lực sườn đối với bộ dụng cụ đáy 1 định tâm được tính như sau:
F
S
= .F
c1
- 0,5. q
1
. L
1
. K. sin -
Lực sườn đối với bộ dụng cụ đáy 2 định tâm được tính như sau:
F
s
= - 0,5. q
1
. L
1
. K. sin -
2.3.2 Cơ chế hình thành lực làm thay đổi góc phương vị
Xét hệ tọa độ OXYZ, các lực theo phương OX làm thay đổi góc
nghiêng còn theo phương OY sẽ làm thay đổi góc phương vị. Theo
phương OY có 2 thành phần lực là nguyên nhân làm thay đổi góc
phương vị.
2.3.2.1. Thành phần lực uốn F
uy
theo phương OY: Cơ chế hình thành
lực F
uy
trên choòng được biểu diễn trên hình 2.13.
2.3.2.2. Thành phần lực tiếp tuyến tại choòng F

ω
và mối tương quan
với sự thay đổi góc nghiêng của thân giếng
Hình 2.13. Cơ chế hình thành
lực F
uy
trên choòng
1- Cần nặng;
2- Định tâm;
3- Choòng khoan.
F
uy
F
ux
0
F
a
F
u
Y
Z
X
3
2
1
13
Xét 2 trường hợp: khoảng khoan tăng góc nghiêng >0 và
khoảng khoan giảm góc nghiêng <0. Hình 2.15 minh họa sự phân
bố lực trong trường hợp tăng góc nghiêng (>0).
Trong đó:

F
s
- Lực sườn;
F
A
, F
B
- Phản lực của đất đá lên choòng tại điểm tiếp xúc phía
trên và phía dưới giữa choòng và thành giếng khoan;
F

- Tổng hợp lực F
A
và F
B
;
 - Vận tốc quay của cần khoan;
F

- Tổng hợp lực giữa F

và F
s
;
- Góc hợp bởi F

và F
s
. Giá trị của  sẽ quyết định tới cường độ
thay đổi góc phương vị của thân giếng. Đáy giếng được chia thành 4

cung như hình 2.15 (I, II, III và IV).
Dưới tác dụng của ω, đất đá tác dụng lên choòng 1 lực tại điểm A
là F
ωA,
tại điểm B là F
ωB
. Vì F
s
>0 nên choòng luôn có xu hướng tỳ
lên thành giếng khoan tại A, do đó F
ωA
>F
ωB
. Ta có: F
ω
= F
ωA
- F
ωB
. Sự
Hình 2.15. Cơ chế hình thành lực F

làm thay đổi góc phương vị
trong trường hợp tăng góc nghiêng
A

F
s
F
ωA


I
II
F

F
ωB
F

Mặt cắt ngang bề
mặt choòng khoan
Mặt cắt ngang
đáy giếng khoan
IV
III
B
0
14
hình thành F
ω
làm cho choòng có xu thế dịch chuyển về cung thứ IV
của tiết diện đáy giếng, tức là góc phương vị giảm <0.
Cũng phân tích tương tự, trong trường hợp <0 (hình 2.16) thì
hướng chuyển động của choòng có xu thế dịch chuyển về cung thứ II
của tiết diện đáy giếng tức là góc phương vị tăng (>0).
Ta có một số nhận xét sau:
1. Với cùng một bộ dụng cụ đáy: khi α tăng thì ∆α tăng và ngược
lại khi α giảm thì giá trị tuyệt đối của ∆α giảm;
2. Khi góc nghiêng của thân giếng tăng (∆α>0) thì góc phương vị
giảm (∆φ<0); ngược lại khi góc nghiêng của thân giếng giảm (∆α<0)

thì góc phương vị tăng (∆φ>0);
3. Cơ chế hình thành lực F
ω
làm thay đổi góc phương vị của thân
giếng đó là do tương tác giữa choòng với môi trường đất đá mà bản
chất là tác động của lực sườn F
s
và tốc độ quay ω;
4. Mức độ của mối tương quan này hết sức nhạy cảm do phụ
thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng; chính vì vậy mà ở một số khoảng
khoan, quy luật này thể hiện không rõ nét, thậm chí là sai lệch.
Hình 2.16. Cơ chế hình thành lực F làm thay đổi góc phương vị
trong trường hợp giảm góc nghiêng
B

F
s
F


F

IV
I
II
III
A
F
A
F

B
0
Mặt cắt ngang bề
mặt choòng khoan
Mặt cắt ngang
đáy giếng khoan
15
Chương 3
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HƯỚNG ĐI CỦA CHOÒNG
Các yếu tố ảnh hưởng tới hướng đi của choòng được chia thành 2
nhóm: nhóm những yếu tố không điều khiển được, chủ yếu là yếu tố
về địa chất; nhóm những yếu tố điều khiển được đó là những yếu tố
về kỹ thuật, công nghệ mà chủ yếu là cấu trúc bộ dụng cụ đáy và các
thông số chế độ khoan.
3.1. Ảnh hưởng của yếu tố địa chất tới hướng đi của choòng
Các yếu tố địa chất ảnh hưởng tới hướng đi của choòng bao gồm:
đặc điểm địa tầng và đặc điểm kiến trúc.
3.1.1. Đặc điểm địa tầng của mỏ Bạch hổ
Đề tài nghiên cứu tầng trầm tích Miocen và Oligocen; các tính
chất về địa tầng thường liên quan đến hệ số mở rộng thành giếng
khoan. Khi thành giếng khoan mở rộng thì vai trò của định tâm giảm
và ảnh hưởng trực tiếp tới hướng đi của choòng.
3.1.2. Đặc điểm kiến trúc vùng mỏ Bạch Hổ
Kiến trúc địa chất mỏ Bạch Hổ gồm một hệ thống các nếp uốn và
một hệ thống các đứt gãy lớn nhỏ khác nhau; căn cứ vào đặc điểm
kiến trúc địa chất, mỏ Bạch Hổ được chia thành 3 vòm: vòm Bắc,
vòm Trung Tâm và vòm Nam. Ảnh hưởng địa chất của từng vòm tới
hướng đi của choòng cũng khác nhau.
Góc nghiêng của vỉa và tính dị hướng của đất đá có ảnh hưởng
trực tiếp tới hướng đi của choòng. Giả sử mặt phân lớp của đất đá

đang tồn tại 1 giá trị góc nghiêng nào đó. Phản lực của đất đá lên
choòng khi choòng đi vào ranh giới phân lớp được biểu diễn trên
hình 3.4. Phụ thuộc vào giá trị cụ thể của độ cứng đất đá, góc
nghiêng mặt phân lớp θ và góc gặp β mà F
1
và F
2
có giá trị cụ thể.
Ta gọi: M
L
là mô men lật; M
u
là mô men uốn đối với điểm O. Ta
có: M
u1
= F
1
.l
1;
M
u2
= F
2
.l
2
; nếu M
u1
≠ M
u2
choòng sẽ có xu hướng đi

lệch hướng ban đầu, lệch cả góc nghiêng lẫn góc phương vị.
16
M
L
= M
u1
- M
u2
3.2. Ảnh hưởng của các thông số cấu trúc bộ dụng cụ đáy tới
hướng đi của choòng
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu trúc bộ dụng cụ
đáy tới hướng đi của choòng sẽ cho ta biết mức độ ảnh hưởng của
từng thông số, trên cơ sở đó xác định những thông số cần hoàn thiện.
3.2.1. Ảnh hưởng của đường kính cần nặng tới lực sườn F
s
Ảnh hưởng của đường kính cần nặng tới lực sườn được biểu diễn
trên đồ thị trên hình 3.5.
Tăng đường kính cần nặng sẽ làm tăng F
g
và F
u
tại choòng. Với
các bộ dụng cụ đáy khác nhau thì sự gia tăng của F
g
và F
u
cũng khác
nhau, do đó giá trị của lực sườn cũng khác nhau.
Hình 3.5. Ảnh hưởng của đường kính cần nặng d
n

tới lực sườn F
S
Hình 3.4
Sự hình thành lực trên choòng
khi khoan vào mặt phân lớp
1- Choòng khoan;
2- Mặt phân lớp đất đá;
θ : Góc nghiêng mặt phân lớp;
β : Góc gặp của choòng;
l
1
; l
2
: Cánh tay đòn;
F
1
; F
2
: Phản lực của đất đá
lên choòng.
Lớp đất đá 2
F
2
F
1
2
1
θ
f
1

f
2
l
2
l
1
0
β
Lớp đất đá 1
17
3.2.2. Ảnh hưởng của đường kính định tâm tới lực sườn
Gọi б là khe hở giữa choòng và định tâm theo bán kính, (mm);
ảnh hưởng của б tới lực sườn F
s
được biểu diễn trên trên hình 3.6.
Khi б tăng thì lực sườn giảm và khi б tăng đến một giá trị nào đó
thì định tâm sẽ không tiếp xúc với thành giếng khoan nữa, lúc đó bộ
dụng cụ đáy trở thành bộ dụng cụ không có định tâm.
3.2.3. Ảnh hưởng của vị trí định tâm tới lực sườn F
s
Ta xét bộ dụng cụ đáy 1 định tâm, ảnh hưởng của vị trí định tâm
tới lực sườn F
s
được biểu diễn trên đồ thị hình 3.7.
Hình 3.6. Ảnh hưởng của б tới lực sườn F
s
Hình 3.7. Ảnh hưởng của khoảng cách đặt định tâm L tới lực sườn F
s
18
Khi thay đổi L thì lực sườn thay đổi từ giá trị dương sang giá trị

âm, tức là từ tăng góc nghiêng thành giảm góc nghiêng. Qua nghiên
cứu ảnh hưởng của các thông số cấu trúc bộ dụng cụ đáy đến hướng
đi của choòng có thể nhận thấy rằng: ảnh hưởng của vị trí lắp định
tâm là lớn nhất. Định hướng nghiên cứu của đề tài là hoàn thiện
khoảng cách đặt định tâm trong cấu trúc bộ dụng cụ đáy.
3.3. Ảnh hưởng của tải trọng đáy tới hướng đi của choòng
Trong các thông số công nghệ thì thông số tải trọng đáy có ảnh
hưởng nhiều nhất đến F
s
, ảnh hưởng của F
a
tới F
s
được biểu diễn trên
đồ thị hình 3.8.
Khi tăng tải trọng đáy sẽ làm tăng lực sườn dương đối với bộ
dụng cụ đáy tăng góc nghiêng và sẽ làm tăng lực sườn âm đối với bộ
dụng cụ đáy giảm góc nghiêng. Như vậy trong quá trình khoan, ta có
thể điều chỉnh hướng đi của choòng bằng việc điều chỉnh tải trọng
đáy mà không cần phải thay bộ dụng cụ đáy khác.
Tuy nhiên, do khoảng điều chỉnh của tải trọng đáy phải nằm
trong giới hạn cho phép; chính vì vậy mà khoảng điều chỉnh hướng
đi của choòng chỉ nằm trong giới hạn nhỏ.
Hình 3.8. Ảnh hưởng của tải trọng đáy tới lực sườn F
s
19
Chương 4
TÍNH TOÁN HOÀN THIỆN CẤU TRÚC BỘ DỤNG CỤ ĐÁY
4.1. Đặt vấn đề tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy
Sử dụng phần mềm Landmark để tính toán hoàn thiện thông số

khoảng cách đặt định tâm thông qua việc xây dựng hệ số điều chỉnh
đặc trưng cho mỏ Bạch Hổ. Kí hiệu :
- ∆αlt và ∆φlt: cường độ thay đổi góc nghiêng lý thuyết và góc
phương vị lý thuyết. Giá trị của ∆αlt và ∆φlt được tính toán theo
phần mềm Landmark;
- ∆αtt và ∆φtt: cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế và góc phương
vị thực tế. Số liệu ∆αtt và ∆φtt thu thập được từ kết quả thực tế của
192 khoảng khoan ở mỏ Bạch Hổ.
Để tính toán hoàn thiện khoảng cách đặt định tâm của bộ dụng cụ
đáy, cần phải lần lượt qua các bước sau:
+ Xây dựng hệ số điều chỉnh đặc trưng cho từng vòm;
+ Xây dựng quan hệ giữa ∆αlt, ∆φlt với khoảng cách đặt định tâm;
+ Xây dựng quan hệ giữa ∆αtt, ∆φtt với khoảng cách đặt định tâm.
4.2. Xây dựng hệ số điều chỉnh đặc trưng khu vực mỏ Bạch Hổ
Mối quan hệ giữa ∆αtt với ∆αlt; giữa ∆φtt với ∆φlt được biểu
diễn trên đồ thị hình 4.1 và hình 4.2.
20
Từ đồ thị hình 4.1 và hình 4.2 có thể nhận thấy quan hệ giữa ∆αtt
với ∆αlt, giữa ∆φtt với ∆φlt cho cả 3 vòm là tuyến tính bậc nhất, có
dạng: y = a.x + b. Như vậy, để kết quả tính toán phù hợp với thực tế
thì ta phải thêm hệ số điều chỉnh a
α
, b
α
và a
φ,
b
φ
; cụ thể như sau:
Vòm Bắc: ∆αtt

Bắc
= a
α Bắc
. ∆αlt + b
α Bắc
∆φtt
Bắc
= a
φ Bắc
. ∆φlt + b
φ Bắc
Vòm Trung tâm: ∆αtt
T.Tâm
= a
α T.tâm
. ∆αlt + b
α T.Tâm
∆φtt
T.Tâm
= a
φ T.tâm
. ∆φlt+ b
φ T.Tâm
Vòm Nam: ∆αtt
Nam
= a
α Nam
. ∆αlt + b
α Nam
∆φtt

Nam
= a
φ Nam
. ∆φlt + b
φ Nam
Trong đó a
α
, b
α
và a
φ,
b
φ
là các hệ số điều chỉnh thực nghiệm:
a
α Bắc
= 1,18; b
α Bắc
= 0,36
a
α T.Tâm
= 1,12; b
α T.Tâm
= 0,14
a
α Nam
= 1,14; b
α Nam
= 0,20
a

φ Bắc
= 9,02; b
φ Bắc
= 0,10
a
φ T.Tâm
= 8,77; b
φ T.Tâm
= 0,37
a
φ Nam
= 9,33; b
φ Nam
= 0,43
4.3. Tính toán thiết kế và hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy cho
các mục đích khác nhau
∆αlt và ∆φlt được tính toán theo phần mềm Landmark như sau:
- Với bộ dụng cụ đáy 1 định tâm: thay đổi khoảng cách đặt định
tâm L với bước nhẩy là 0,4m; tính toán cho 4 giá trị góc nghiêng của
thân giếng: α= 10
0
, α= 20
0
, α= 30
0
và α= 40
0
.
21
- Với bộ dụng cụ đáy 2 định tâm: gọi khoảng cách từ choòng tới

định tâm 1 là L
1
, khoảng cách từ định tâm 1 tới định tâm 2 là L
2
. Đầu
tiên ta cố định L
1
, thay đổi L
2
với bước nhẩy là 0,4m, tính toán cho 4
giá trị góc nghiêng của thân giếng: α= 10
0
, α= 20
0
, α= 30
0
và α= 40
0
;
sau đó thay đổi L
1
với bước nhẩy cũng là 0,4m, với mỗi giá trị của L
1
ta thay đổi L
2
cũng với bước nhẩy là 0,4m. Ký hiệu:
∆: Đường biểu diễn cường độ thay đổi góc nghiêng thực tế ∆αtt;
-: Đường biểu diễn cường độ thay đổi góc phương vị thực tế ∆φtt.
Ví dụ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ∆αtt, ∆φtt với khoảng
cách đặt định tâm L được biểu diễn trên hình 4.13 và hình 4.17.

22
Từ hình 4.13 ta có nhận xét sau:
- Khi tăng L sẽ làm giảm giá trị dương và tăng giá trị âm của ∆αtt;
- Với cùng một bộ dụng cụ đáy, khi góc nghiêng α của thân giếng
tăng thì giá trị tuyệt đối của ∆αtt và ∆φtt tăng.
Từ hình 4.17 ta có nhận xét sau:
- Sự có mặt của định tâm thứ 2 đã làm đổi chiều của lực uốn F
u
(do cung uốn đổi chiều) do đó chiều của lực sườn cũng thay đổi;
- Cố định L
1
, khi tăng L
2
(từ giá trị 0,4m): đầu tiên ∆αtt tăng giá
trị âm, sau đó giảm giá trị âm; đến một giá trị L
0
nào đó (L
2
=L
0
) thì
∆αtt= 0. Nếu tiếp tục tăng L
2
>L
0
thì sẽ làm tăng giá trị dương của
∆αtt, lúc này trở thành bộ dụng cụ đáy tăng góc nghiêng;
- Khi tăng L
1
sẽ làm giảm giá trị tuyệt đối của ∆αtt;

- Khi định tâm 1 càng đặt xa choòng thì ảnh hưởng của vị trí đặt
định tâm 2 đối với ∆αtt càng ít ý nghĩa.
Sự thay đổi ∆αtt khi thay đổi khoảng cách đặt định tâm được giải
thích bằng sự thay đổi F
s
mà bản chất là do sự thay đổi không đều
nhau của F
g
và F
u
.
Sự thay đổi của ∆φ cũng được nhận xét và giải thích tương tự.
4.4. Lựa chọn bộ dụng cụ đáy
Có nhiều bộ dụng cụ đáy cùng cho 1 giá trị ∆α, việc chọn bộ dụng
cụ đáy nào là phụ thuộc vào điều kiện cụ thể nhưng nên chọn bộ
dụng cụ đáy có khoảng điều chỉnh S lớn. Việc lựa chọn bộ dụng cụ
đáy có khoảng điều chỉnh S lớn với mục đích dùng tải trọng đáy điều
chỉnh giá trị của ∆α trong phạm vi rộng hơn mà không cần phải kéo
bộ dụng cụ đáy lên để thay bộ khác.
4.5. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu ở thực tế sản xuất
Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng phương pháp đối
chứng với kết quả thực tế của 12 giếng khoan được trình bầy ở bảng
4.3. Từ kết quả ở bảng 4.3 ta thấy rằng sai số giữa kết quả tính toán
và thực tế nhỏ hơn ± 1
0
/100m, như vậy là có thể chấp nhận được.