Slide thuyết trình đề tài vận chuyển cutting trong giếng nghiên và ngang

1. giới thiệu

Nghiên cứu về vận chuyển mùn khoan và làm sạch lỗ khoan trong giếng
nghiêng và ngang bắt đầu từ đầu những năm 1980. Phần lớn các nhà khoa
học, trong nghiên cứu của họ, tập trung vào các thông số khoan, các yếu tố
lưu biến của bùn và các biến số khác có thể ảnh hưởng đến việc vận chuyển
mùn khoan. Hầu hết các nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng
phương pháp thực nghiệm, trong đó các mơ hình thực nghiệm được phát
triển dựa trên một cơng trình thực nghiệm rộng rãi.

Một nhóm các nhà khoa học khác áp dụng phương pháp cơ học, tức là
giải một hệ phương trình bằng phương pháp số, để phát triển các mơ hình
mô phỏng số khác nhau cho việc vận chuyển mùn khoan.

Trong luận văn này, trình bày cả hai phương pháp; phân tích chi tiết ba
mơ hình được phát triển theo kinh nghiệm, cụ thể là mơ hình Peden's,
Larsen's và Rubiandini's và hai mơ hình số được phát triển bởi Kamp và
Rivero và Gavignet và Sobey sử dụng phương pháp cơ học. Hai mơ hình
này được giới thiệu để minh họa tính phức tạp của việc mơ hình hóa này.

Mơ hình của larsen

Larsen et al tập trung vào kích thước cuttings, góc nghiêng và trọng lượng
dung dịch khoan. Ngồi ra, một mơ hình thiết kế được phát triển để dự đoán
vận tốc chất lỏng vận chuyển tới hạn, vận tốc trượt tương đương và vận tốc tới
hạn.

Thí nghiệm được thực hiện trong đường ống có đường kính trong 5.0 ”, và
đường ống khoan có đường kính ngồi 2.375” và chiều dài 35 ft. Trong thí
nghiệm này, độ lệch tâm của đường ống khoan thay đổi từ âm (-62%) sang

dương (+ 62%). Trong q trình thí nghiệm, cuttings được bơm với ba tốc độ
khác nhau, cụ thể là 10, 20 và 30 lbm / phút tương ứng với ROP là 27, 54 và
81 (ft/hr). Mặc dù ảnh hưởng của rpm đã được nghiên cứu trong quá trình
nghiên cứu này, nhưng nó khơng đáng kể đối với các thông số khác nhau.
Đường ống được quay với tốc độ khơng đổi 50 rpm trong suốt thí nghiệm.

Biểu đồ mơ hình Larsen

Biểu đồ mơ hình Larsen

Công thức chỉ ra rằng vận tốc vận chuyển cuttings (CTV) ở lưu lượng bằng vận tốc
chất lỏng vận chuyển tới hạn (CTFV) không bị ảnh hưởng bởi tính lưu biến của dung
dịch khoan, trọng lượng của dung dịch khoan hoặc góc nghiêng.

vận tốc chất lỏng vận chuyển tới hạn (CTFV hoặc Vcrit) là tổng của vận tốc vận
chuyển cuttings (CTV hoặc Vcut) và vận tốc trượt (Vslip)

Độ nhớ biểu kiến (μa)
Vận tốc trượt tương đương chưa hiệu chỉnh Vslip, dựa trên dữ liệu thực nghiệm

Hệ số điều chỉnh độ nghiêng
Sử dụng cơng thức tính hệ số điều chỉnh góc nghiêng, có thể vẽ biểu đồ hệ số điều chỉnh góc nghiêng
theo góc nghiêng, từ 55°đến 90°: thấy rằng trong khoảng góc từ 65°đến 75°, rất khó để thiết lập việc làm
sạch lỗ khoan hiệu quả.

Biểu đồ mô hình Larsen

Hệ số điều chỉnh kích thước cuttings
Sử dụng bảng và công thức Csize, đồ thị sau
được vẽ cho hệ số điều chỉnh kích thước

cuttings

Từ biểu đồ ta thấy cuttings lớn tạo ra vận tốc
trượt thấp và cuttings nhỏ tạo ra vận tốc trượt
lớn hơn.

Biểu đồ mô hình Larsen

hệ số điều chỉnh cho trọng lượng bùn đã được phát triển:

Sử dụng công thức, biểu đồ cho hệ số điều chỉnh trọng lượng bùn so với trọng lượng bùn được
vẽ:

Từ biểu đồ ta thấy hệ số điều chỉnh giảm khi
trọng lượng bùn tăng, điều này có nghĩa là trọng
lượng bùn cao hơn làm giảm vận tốc trượt

Biểu đồ mơ hình Larsen

Larsen et al. định nghĩa vận tốc trượt tương đương là sự khác biệt về vận tốc dòng chảy giữa cuttings
và chất lỏng khoan. Công thức cho vận tốc trượt tương đương [ESV] (ft /sec) được định nghĩa là các
hệ số điều chỉnh cho góc nghiêng, kích thước cuttings và trọng lượng bùn nhân với vận tốc trượt tương
đương chưa hiệu chỉnh Vslíp

định nghĩa vận tốc chất lỏng vận chuyển tới hạn (CTFV) là vận tốc chất lỏng tối thiểu cần thiết để duy trì
chuyển động lên trên liên tục của cuttings trong q trình tuần hồn.
Cơng thức tính tốn vận tốc chất lỏng vận chuyển tới hạn (CTFV hoặc Vcrit) là tổng của vận tốc vận
chuyển cuttings (CTV hoặc Vcut) và vận tốc trượt (Vslip):

Biểu đồ mơ hình Larsen

Kết luận:
• Phân tích dữ liệu thực nghiệm trong mơ hình Larsen cho thấy khi vận tốc chất

lỏng thấp hơn vận tốc chất lỏng vận chuyển tới hạn (CTFV), một lớp cuttings
bắt đầu hình thành và dày lên.
• Việc vận chuyển cuttings kích thước nhỏ (ví dụ: 0,1 inch) khó hơn so với
cuttings kích thước trung bình (ví dụ: 0,175 inch) hoặc lớn (ví dụ: 0,275 inch).
Hơn nữa, cuttings nhỏ hơn yêu cầu lưu lượng lớn hơn để đạt được vận tốc
dòng chảy tới hạn.
• Từ dữ liệu thực nghiệm, Larsen et al. chỉ ra rằng dung dịch khoan có độ nhớ
cao yêu cầu lưu lượng lớn hơn để đạt được vận tốc chất lỏng vận chuyển tới
hạn (CTFV).
• Ngồi ra, ở giếng khoan góc độ cao, bùn có độ nhớ thấp có hiệu quả tốt hơn
đối với việc vận chuyển cuttings do có sự hiện diện của dòng chảy rối. Larsen
et al. quan sát thấy các góc thay đổi từ 65°đến 75°thì việc làm sạch lỗ khoan
khá khó khăn.
• Trong quá trình khoan, cần phải tăng lưu lượng để đạt được hiệu quả vận
chuyển cuttings tốt hơn, khi tốc độ khoan (ROP) tăng. Larsen et al. đã xem xét
các giá trị rpm. Tuy nhiên, kết quả cho thấy các giá trị rpm không đáng kể đối
với một số thông số.

Mơ hình của Peden

Peden tập trung vào các lực ảnh hưởng đến vận chuyển
cuttings trong giếng khoan có góc nghiêng. Ngồi ra, khái
niệm vận tốc vận chuyển tối thiểu (MTV) được giới thiệu và
sử dụng trong nghiên cứu này.

Phương pháp vận tốc vận chuyển tối thiểu (MTV) xác định

lưu lượng trong giếng khoan, có khả năng làm sạch lỗ
khoan bằng cách giữ cho cuttings lăn hoặc hoàn toàn được
treo trong dòng chảy, khi vận tốc dòng chảy trong khoang
hình khuyên bằng hoặc lớn hơn vận tốc vận chuyển tối
thiểu (MTV). Việc làm sạch lỗ khoan hiệu quả hơn khi vận
tốc vận chuyển tối thiểu thấp.

Mơ hình của Peden

Kết quả: nghiên cứu thực nghiệm cho thấy độ nghiêng của lỗ khoan có ảnh hưởng chính đến tốc
độ vận chuyển tối thiểu (MTV). Vận chuyển cuttings dưới dạng lăn yêu cầu vận tốc dòng chảy
thấp hơn so với vận chuyển cuttings dưới dạng lơ lửng. Tốc độ vận chuyển tối thiểu để vận
chuyển cuttings dưới dạng lơ lửng phụ thuộc ít vào các tính chất lưu biến của chất lỏng hơn so
với việc vận chuyển chúng dưới dạng lăn. Các rãnh đồng tâm nhỏ hơn đòi hỏi MTV thấp hơn để
làm sạch lỗ khoan so với rãnh lớn hơn, và chế độ dòng chảy rối trong rãnh có ảnh hưởng đáng kể
đến việc làm sạch lỗ khoan.

Dung dịch có độ nhớt cao là tốt nhất để làm sạch lỗ khoan hiệu quả và vận chuyển cuttings
dưới dạng lơ lửng. Các dung dịch có độ nhớt thấp và trung bình lần lượt hiệu quả cho việc vận
chuyển cuttings. Việc thay đổi độ nhớt của dung dịch khoan từ trung bình sang cao dẫn đến tốc
độ vận chuyển tối thiểu thấp hơn, đây là một lợi thế. Thí nghiệm cho thấy sự quay của drill pipe
cải thiện đáng kể việc vận chuyển cuttings trong rãnh nhỏ. Tuy nhiên, sự quay của drill pipe khơng
có ảnh hưởng đáng kể đến việc làm sạch lỗ khoan trong các rãnh có kích thước lớn. Cuttings nhỏ
được vận chuyển hiệu quả hơn ở cả giếng ngang và giếng thẳng đứng khi sử dụng dung dịch
khoan có độ nhớt thấp. Mặt khác, cuttings lớn được vận chuyển hiệu quả hơn khi sử dụng dung
dịch khoan có độ nhớt cao. Tốc độ vận chuyển tối thiểu cao nhất nằm trong khoảng nghiêng từ
40°đến 60°, đây là khoảng tệ nhất cho việc làm sạch lỗ khoan.

Mơ hình của Rubiandini

Mơ hình của Rubiandini

Mơ hình này được xây dựng dựa trên:
l Mơ hình giếng thẳng đứng của Moore
l Mơ hình kinh nghiệm của Larsen và cộng sự

l Dữ liệu thí nghiệm của Peden và cộng sự
Rubiandini cho rằng có thể giải quyết các vấn đề về làm sạch hố khoan bằng cách xác định lưu lượng
bùn tối thiểu có khả năng làm sạch giếng khoan. Ông biểu diễn lưu lượng bùn tối thiểu là tổng của vận
tốc trượt và vận tốc rơi của cuttings, tương tự như Larsen. Vận tốc của cuttings phụ thuộc vào hình dạng
giếng khoan và độ lớn của ROP
Rubiandini tin rằng trọng lượng bùn, góc nghiêng và RPM (vịng quay mỗi phút) là những yếu tố chính
ảnh hưởng đến cơ chế vận chuyển cuttings.
Rubiandini giới thiệu vận tốc trượt và hệ số điều chỉnh cho trọng lượng bùn và góc nghiêng. Trong
nghiên cứu của mình, Rubiandini đã sửa đổi vận tốc trượt của Moore vốn chỉ áp dụng cho giếng thẳng
đứng để có thể sử dụng trong các giếng nghiêng đến ngang.
Ngồi ra, ơng cịn đưa ra một hệ số điều chỉnh cho RPM dựa trên cơng trình của Peden. Cuối cùng,
Rubiandini đề xuất một phương trình mới để xác định lưu lượng bùn tối thiểu cần thiết để nâng cuttings
trong giếng khoan nghiêng đến ngang.

Mơ hình của Rubiandini

kết luận:
• Đối với góc nghiêng lớn hơn 45°, lưu lượng bùn tối thiểu của mơ hình Rubiandini mới

được thiết lập khơng có sự khác biệt đáng kể so với mơ hình của Larsen và Peden.
• Đối với góc nghiêng nhỏ hơn 45°, mơ hình mới của Rubiandini dự báo lưu lượng bùn tối

thiểu cao hơn so với các phương pháp trên.
Lưu lượng dòng chảy tối thiểu do Rubiandini xác định cho thấy sự gia tăng dần dần

trong khoảng nghiêng từ 0° đến 45°. Tuy nhiên, trong khoảng góc nghiêng từ 45° đến 90°,
lưu lượng dịng chảy tối thiểu của Rubiandini là một giá trị không đổi. Lưu lượng dịng
chảy tối thiểu dựa trên tính tốn của Larsen và thí nghiệm của Peden có giá trị nhỏ hơn
so với lưu lượng dòng chảy tối thiểu của Rubiandini đối với độ nghiêng nhỏ hơn 45°.

Sự khác biệt giữa hai mơ hình Larsen và Rubiandini và quan sát cách các thông số khoan khác nhau ảnh
hưởng đến việc vận chuyển mùn khoan. Kết luận:
• Tốc độ dịng chảy: cả hai mơ hình đều cho thấy cùng xu hướng, nghĩa là tốc độ dòng chảy giảm dần khi

trọng lượng bùn tăng.Sự khác biệt giữa hai mơ hình giảm dần khi trọng lượng bùn tăng.
• Tốc độ xun đào (ROP): cả hai mơ hình đều cho thấy cùng một dạng, nghĩa là giá trị ROP cao tạo ra

tốc độ dòng chảy cao. Sự khác biệt giữa hai mơ hình này khá nhỏ (13%, 16% và 17%).
• Kích thước mùn khoan: các mơ hình cho thấy xu hướng ngược lại, cụ thể là mơ hình Larsen cho thấy

mùn khoan nhỏ cần tốc độ dòng chảy cao để được vận chuyển. Từ mơ hình Rubiandini, người ta thấy
rằng mùn khoan lớn đòi hỏi tốc độ dòng chảy cao hơn. Kinh nghiệm thực tế dường như ủng hộ xu hướng
mà Larsen dự đốn là chính xác.
• Lưu biến của bùn: cả hai mơ hình đều cho thấy cùng một xu hướng, nghĩa là lưu biến của bùn cao hơn
tạo ra tốc độ dịng chảy cao hơn. Sự khác biệt giữa hai mơ hình giảm dần khi các thơng số lưu biến của
bùn tăng lên.
• Đường kính ống khoan: xu hướng tương tự được ghi nhận cho cả hai mô hình, nghĩa là tốc độ dịng
chảy tăng theo đường kính ống khoan. Sự khác biệt giữa các mơ hình dường như khơng đáng kể (15%),
và điều này có vẻ hợp lý vì hình dạng giếng được xử lý như nhau trong các mơ hình.
• Tốc độ vòng quay (RPM) như một biến số: giá trị RPM cao hơn tạo ra tốc độ dòng chảy thấp hơn. Thông
số này chỉ được mô hình hóa cho mơ hình Rubiandini vì mơ hình Larsen bỏ qua thông số này.

Ngồi ra, các mơ hình của Larsen và Rubiandini đã được xây dựng bằng cách sử dụng dữ liệu ví dụ từ một
tình huống khoan thực tế để xác định lưu lượng bùn cần thiết và so sánh nó với lưu lượng bùn điển hình
(1500-2000 l/phút) khi khoan giếng kích thc 8 ẵ inch.

ã Trng lng bựn: lu lng tớnh tốn bởi mơ hình Larsen tương ứng với phạm vi điển hình, lưu lượng

tính tốn bởi mơ hình Rubiandini có kết quả: lưu lượng trong giếng đứng (độ nghiêng 0°) tương ứng với
phạm vi lưu lượng điển hình, khi lưu lượng trong giếng ngang (độ nghiêng 45°-90°) vượt quá phạm vi lưu
lượng điển hình.
• Tốc độ xun đào (ROP): Trong mơ hình Larsen, lưu lượng ROP thấp tương ứng với phạm vi điển hình,
lưu lượng ROP cao nằm ngồi phạm vi điển hình với sự khác biệt tối thiểu. Trong mơ hình Rubiandini,
lưu lượng ROP thấp ở giếng đứng (độ nghiêng 0°) tương ứng với phạm vi điển hình và đối với ROP cao,
lưu lượng vượt quá phạm vi điển hình. Lưu lượng trong giếng ngang (độ nghiêng 45°-90°) vượt quá
phạm vi điển hình.

• Kích thước mùn khoan: Trong mơ hình Larsen,kích thước mùn khoan nhỏ không tương ứng
với phạm vi điển hình, kích thước mùn khoan lớn tương ứng với phạm vi đó. Mơ hình hóa
chứng minh nhận định rằng mùn khoan kích thước nhỏ khó vận chuyển vì nó địi hỏi lưu
lượng bùn cao hơn. Mặt khác, mơ phỏng cho mơ hình Rubiandini khơng được thực hiện vì
mơ hình này khơng phù hợp để dự đốn vận chuyển mùn khoan kích thước nhỏ.

• Lưu biến của bùn: Trong mơ hình Larsen, độ biến dạng của bùn thấp tương ứng với phạm vi
điển hình, trong khi độ biến dạng của bùn cao vượt quá phạm vi điển hình. Trong mơ hình
Rubiandini, lưu lượng trong giếng đứng (độ nghiêng 0°) tương ứng với phạm vi điển hình;
lưu lượng trong giếng ngang (độ nghiêng 45°-90°) vượt quá phạm vi lưu lượng điển hình với
sự khác biệt đáng kể.

Dựa trên tất cả các mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng các mơ hình của Larsen và
Rubiandini, có thể kết luận rằng lưu lượng yêu cầu của Rubiandini để vận chuyển mùn khoan
vượt xa mơ hình của Larsen trong mọi tình huống. Mơ hình Larsen được biết đến với việc dự
đoán lưu lượng bùn vượt quá mức quan sát được trên thực địa. Phát biểu này chỉ ra rằng mơ
hình của Rubiandini đưa ra dự đoán lưu lượng quá cao.

Dựa trên nghiên cứu rộng rãi về vận chuyển mùn khoan và kinh nghiệm thực tế, các đề xuất sau

đây được khuyến nghị để đạt được hiệu quả làm sạch lỗ khoan và vận chuyển mùn khoan tốt hơn:
Độ xoay của ống khoan: có thể ngăn ngừa sự tích tụ của lớp mùn khoan và do đó cải thiện việc làm
sạch lỗ khoan. Vì nó tạo ra dòng chảy rối trong rãnh. Độ xoay của ống khoan có lợi thế hơn trong chất
lỏng khoan nhớt và trong giếng có kích thước nhỏ. Trong trường hợp ống khoan khơng quay, rất khó
loại bỏ lớp mùn khoan. Trong những tình huống này, cần phải có hành trình làm sạch để cải thiện việc
làm sạch lỗ khoan. Thông thường, tốc độ quay của ống khoan thông thường khoảng 90 đến 180
vịng/phút. Ống khoan có thể quay tới 120-vòng/phút khi mũi khoan chạm đáy và 180-vòng/phút khi
mũi khoan không chạm đáy. Trong các tầng formation không ổn định, chẳng hạn như đá sa thạch, nên
tránh giá trị rpm cao vì độ quay của string khoan có thể gây ra mất một số phần của thành giếng
(washouts). Ngồi ra, rpm cao có thể gây ra độ rung cao trong string khoan và do đó làm hỏng các bộ
phận điện tử trong BHA, giống như Geo-Pilot hoặc các công cụ MWD.
Giám sát thiết bị rung lắc (shakers): việc theo dõi thiết bị rung lắc (shakers) trước khi nhấc chuỗi khoan
(trip out) là điều cần thiết để đảm bảo tỷ lệ mùn khoan quay trở lại giảm xuống. Trong q trình khoan,
việc tuần hồn giếng nhiều lần trước khi bắt đầu nhấc chuỗi khoan ra khỏi lỗ là điều thường thấy. Mục
đích là để tránh kẹt ống khoan trong q trình kéo ra và có thể chạm đáy lỗ bằng mũi khoan hoặc casing
khi chúng ta nhúng chuỗi khoan vào lỗ khoan một lần nữa. Thực tế thơng thường là thực hiện ít nhất ba
lần đáy lên với tốc độ quay ống chậm trước khi nhấc chuỗi khoan ra khỏi lỗ. Nếu dụng cụ đo ECD có sẵn
trên BHA, cần kiểm sốt ECD đã giảm xuống mức bình thường.

• Lưu lượng bùn khoan: Trong quá trình khoan, nếu việc vận chuyển mùn khoan là một vấn đề, lưu
lượng cần được tăng lên mức trên cùng của nó, đặc biệt là trong phạm vi các góc cao hơn từ 55° đến
90°. Cần lưu ý rằng độ nghiêng giữa 40° đến 45° là rất quan trọng vì mùn khoan có thể trượt xuống
trong q trình kết nối khi máy bơm tắt.

• Dịng chảy trong giếng khoan: Ở giếng khoan có góc nghiêng từ 0° đến 45°, dòng chảy tầng trong rãnh
và tăng giá trị giới hạn chảy của bùn được khuyến nghị. Ở độ nghiêng trung gian từ 45° đến 55°, có thể
sử dụng dịng chảy rối hoặc tầng. Ở giếng khoan độ lệch cao với góc nghiêng từ 55° đến 90°, chế độ
dịng chảy rối có hiệu quả làm sạch lỗ khoan tốt hơn dịng chảy tầng.

• Mùn khoan kích thước nhỏ tạo thành lớp mùn khoan đặc hơn. Chiều cao của lớp mùn khoan cao hơn ở

độ nghiêng từ 65° đến 70° do việc làm sạch lỗ khoan khó khăn hơn trong khoảng này. Trong trường
hợp này, tốc độ quay vòng cao với bùn độ nhớt cao sẽ có lợi cho việc vận chuyển mùn khoan kích
thước nhỏ. Khi ống khoan không quay, bùn độ nhớt thấp làm sạch giếng khoan tốt hơn bùn độ nhớt
cao.

• Dữ liệu thực địa cho thấy nồng độ mùn khoan trong rãnh là yếu tố chính gây ra kẹt ống khoan, mơ-men
xoắn cao và lực kéo. Nồng độ mùn khoan trong rãnh là thông số cần được xem xét cho việc vận
chuyển mùn khoan trong khoan giếng định hướng. Trong trường hợp giếng có độ nghiêng cao hoặc
hẹp, việc sử dụng doa lỗ (ream) giếng khoan với sự trợ giúp của doa đáy lỗ (back reamer) là rất quan
trọng. Nó giúp tạo ra một lỗ khoan lớn hơn có thể loại bỏ nguy cơ kẹt ống khoan.

Thank you