Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 2 pps

-
15
-

vậy trong quá trình quay các chóp xoay sẽ có sự dịch chuyển lên xuống và tác
dụng va đập từng phần lên đáy. Nhờ thế mà chóp xoay tác dụng lên đáy cả tải
trọng tĩnh lẫn tải trọng động. Tuỳ theo hình dạng của chóp xoay và vị trí tơng
đối giữa trục của choòng và trục của chóp xoay mà tác dụng của răng choòng
lên đất đá ở đáy là đập thuần tuý hoặc đập cộng với cắt.
Trong quá trình quay xung quanh trục của mình và trục của choòng, các
chóp xoay thực hiện một chuyển động phức tạp.












Hình 6 : Phân tích sự chuyển động của chóp xoay
Khi quay choòng quanh trục OA theo chiều kim đồng hồ với tốc độ
OA

các chóp xoay sẽ lăn và quay quanh trục OB ngợc chiều kim đồng hồ với tốc
độ

OB
. Chuyển động tuyệt đối của chóp xoay (tổng hợp 2 chuyển động trên)
là chuyển động quanh trục tức thời MN với tốc độ
MN
. Trục MN đi qua giao
điểm O (giữa trục choòng và trục chóp xoay) và O
1
(là tiếp điểm giữa răng
choòng với mặt đáy lỗ khoan). Mọi điểm nằm trên trục quay tức thời đều đứng
yên. Mọi điểm nằm ngoài trục quay tức thời MN đều chuyển động trên đờng
tròn bán kính bằng khoảng cách từ điểm đó đến MN. Khi chuyển động quay
quanh trục quay tức thời, các chóp xoay cắt đất đá. Cờng độ trợt của choòng
đợc đánh giá bằng hệ số trợt K (là tỷ số giữa diện tích trợt của choòng và
M

A

B

N

b

b

a


a

O


OB

MN
O
1
O
1
B

a


OA



-
16
-

diện tích đáy sau 1 vòng quay). Dựa vào vị trí tơng đối giữa các trục của
chóp xoay ngời ta có thể phân ra:
* Choòng có tác dụng đập thuần tuý:
Là choòng có đờng sinh của chóp xoay trùng với trục tức thời MN hay
đỉnh của côn trùng với tâm lỗ khoan (có hệ số trợt = 0).

Choòng khoan chạy trục:
Chóp có thể đơn côn hoặc đa côn. Trờng hợp đơn côn nhng có đỉnh
vợt ra ngoài hay hụt vào trong tâm lỗ khoan đều đợc gọi là choòng chạy
trục. Loại choòng này ngoài tác dụng đập còn có hiện tợng trợt vuông góc
với đờng sinh. Khoảng chạy trục f càng lớn thì trợt càng nhiều. Nếu chóp đa
côn, hiện tợng trợt đợc xem xét cho từng côn riêng rẽ. Côn nào có đỉnh
nằm ở tâm sẽ không có hiện tợng trợt và ngợc lại.







* Choòng lệch trục:
Choòng lệch trục là choòng mà trục của chóp xoay và trục của choòng
không giao nhau, nhằm tăng cờng hệ số trợt K (dọc + ngang)
N

B

A

M

O

Hình 7

O

b,Choòng vợt trục

a,Choòng hụt trục

O

Hình 8



-
17
-








Hiện tợng lệch trục đợc xem là lệch dơng (a) nếu lệch về phía chiều
quay của choòng. Trờng hợp ngợc lại (b) là lệch âm. Nh vậy nếu choòng
lệch trục lại thêm hiện tợng trợt dọc hớng vào trong (lệch dơng) và trợt
dọc hớng ra ngoài (lệch âm).
Tóm lại: Dựa vào đặc tính phá huỷ của choòng ta có thể phân ra 3

nhóm: Choòng có tác dụng đập thuần tuý, choòng đập + cắt và choòng có tác
dụng đập + cắt + dọc.
Khi nghiên cứu sự làm việc của choòng ta cần quan tâm tới các khả
năng trợt ngẫu nhiên và trợt cỡng bức.
Choòng tự làm sạch: Sự cần thiết tăng hệ số trợt và thể tích côn sẽ
dẫn đến sự xâm nhập lẫn nhau giữa các chóp. Nghĩa là hàng răng của chóp
này đi vào rãnh giữa 2 hàng răng của chóp kia ngăn ngừa sự lấp nhét mùn
khoan ở các choòng này. Hiện tợng đó đợc gọi là tự làm sạch.
Hệ số phủ (): Là tỷ số giữa tổng chiều dài của các răng của 1 chóp
tiếp xúc với đáy lỗ khoan ở một thời điểm nào đó và bán kính của choòng
khoan.
Với choòng thờng dùng có = 1,2 1,5
Đất đá càng mềm, dẻo thì dùng choòng có hệ số phủ càng lớn và ngợc lại.
+ Phơng pháp phân loại choòng chóp xoay:
Để đáp ứng với sự đa dạng của điều kiện địa chất ở các nớc ngời ta
chế tạo ra rất nhiều những loại choòng có đặc tính làm việc phù hợp.
Theo OCT ngời ta phân ra 4 loại chính là: mềm, trung bình, cứng và
rắn tơng ứng với các ký hiệu chữ cái là: M, C, T và K. Bên cạnh đó còn chế
a, lệch trục dơng

O

O

b,

lệch trục âm

-
18
-

tạo ra các loại choòng liền kề để phù hợp với điều kiện đất đá cứng mềm và
mài mòn xen kẹp.
Cụ thể theo GOST - 20692-75 đợc thể hiện ở bảng dới đây (bảng 1).
Ngoài các ký hiệu đợc nêu trong bảng còn các ký hiệu khác nh:
B: Các ổ đỡ rãnh lăn,
H: Một ổ đỡ trợt, các ổ đỡ còn lại là ổ đỡ có rãnh lăn,
A: ổ đỡ trợt,
U: Choòng có nớc rửa thờng,
: Choòng có vòi phun thuỷ lực,
: Choòng khoan thổi khí, v.V


-
19
-

Bảng phân loại choòng 3 chóp xoay theo GOST. 20692-75
bảng 1
Loại choòng

Phạm vi sử dụng Dạng răng
M Đất đá mềm Răng phay
MZ Đất đá mềm, mài mòn Răng chốt
MC Đất đá mềm có các lớp kẹp cứng vừa Răng phay
MCZ Đất đá mềm mài mòn có các lớp kẹp

cứng vừa
Răng phay và răng
chốt
C Đá cứng trung bình Răng phay
CZ

Đá cứng trung bình có mài mòn

Răng chốt

CT Đá cứng trung bình có các lớp kẹp
cứng
Răng phay
T Đá cứng Răng phay
TZ Đá cứng mài mòn Răng phay
TK Đá cứng có xen kẹp rắn Răng phay và răng
chốt
TKZ Đá cứng xen kẹp rắn mài mòn, liền
khối
Răng chốt
K Đá rắn mài mòn Răng chốt
OK

Đá rất rắn mài mòn

Răng chốt

C1 Đá cứng trung bình và giòn Răng phay
(1 chóp đờng kính)

Ngoài ra theo tiêu chuẩn phơng Tây, cụ thể là theo hiệp hội các nhà
thầu khoan (IADC) phân loại choòng 3 Chóp xoay bằng 4 ký hiệu gồm 3 chữ
số và 1 chữ cái. Qua đó ta có thể phân biệt đợc loại choòng phù hợp với từng
loại đất đá khi khoan. Ví dụ có loại choòng ATJ 22 của hãng Hughes có mã
hiệu 5 - 1 - 7 (G) đợc hiểu là:
5: Choòng răng nhọn để khoan trong đá mềm và hơi mềm
1: Loại có độ cứng thấp


-
20
-

7: Mảnh bảo vệ trên đờng kính và các ổ lăn trơn (nhẵn),
G: Có bảo vệ tăng cờng (chống mòn đờng kính ngoài)
Phân loại choòng chóp xoay theo mã hiệu IADC
Bảng 2
Loại Loại đất đá Hạng

ổ lăn
tiêu
chuẩn

ổ lăn
tiêu
chuẩn
thổi khí

Mảnh
bảo vệ

chóp
xoay
ổ lăn
kín
Mảnh
bảo vệ
ổ lăn
kín
ổ lăn
trơn
Mảnh
bảo vệ
ổ lăn
trơn
1

2

3

4

5

6

7

Dụng
cụ

răng
phay

1
Đất đá mềm có độ
khoan thấp
1








2








3
4
2
Đất đá mềm trung bình
đến cứng trung bình
sức kháng nén cao

1
2
3
4
3
Đất đá nửa mài mòn
hoặc mài mòn
1
2








3








4

Dụng
cụ
răng
chốt

4
Đất đá mềm có sức
kháng nén thấp và độ
khan cao
1








2

3
4
5
Đất đá mềm đến cứng
trung bình sức kháng
nén thấp
1
2
3
4
6
Đất đá cứng trung bình
có sức kháng nén cao

1
2
3








4

7
Đất đá cứng nửa mài
mòn đến mài mòn
1








2








3

4
8
Đất đá rất rắn và mài
mòn lớn
1
2
3
4


-
21
-

1.2.4. Các loại choòng đặc biệt:
+ Choòng đầu nhọn: Dùng để khoan chuyển đờng kính từ lớn sang
nhỏ, khoan phá nút xi măng trong ống chống, dùng để cứu sự cố (ha)

+ Choòng lệch tâm: Dùng để khoan mở lỗ nhánh trong trờng hợp cần
có lỗ khoan đờng kính lớn hơn đờng kính đã cho (hb)
+ Choòng lỡi xoắn: Dùng để khoan xiên giếng khoan trong trờng hợp
khoan bằng phơng pháp khoan roto có sử dụng máng nghiêng (hc)











c, Choòng xoắn
Hình 11
d, Choòng doa rộng
a, Choòng đầu nhọn

Hình 10
b, Choònh lệch tâm


-
22

-

+ Choòng doa rộng: Là loại choòng dùng để mở rộng đờng kính thân
lỗ khoan. Thờng có 2 loại: Loại cấu tạo cánh để doa trong đất đá mềm, loại
bằng chóp xoay để doa trong đất đá cứng (h.D)
+ Choòng khoan mẫu: Là loại choòng phá huỷ đất đá ở đáy theo hình
vành khăn sát thành lỗ khoan để lại mẫu lõi ở giữa: Choòng lấy mẫu có nhiều
kiểu cấu trúc khác nhau. Loại lỡi cắt choòng kim cơng loại 4 chóp xoay có
độ cứng cũng rất khác nhau phù hợp với từng loại đất đá khoan qua. Choòng
khoan mẫu đợc lắp phía dới của ống mẫu bằng ren (h12)









1.3. Phơng pháp lựa chọn choòng khoan.
Do tính chất rất khác nhau về độ cứng, độ mài mòn của đất đá cũng nh
sự đa dạng, phong phú về chủng loại nên việc lựa chọn đợc choòng thật phù
hợp cho từng đối tợng đất đá là công việc rất khó khăn và hầu nh không thể.
ở đây ta chia ra 2 trờng hợp:
1.3.1.Đối với lỗ khoan thăm dò:
Cột địa tầng mới chỉ là dự kiến sơ bộ các tính chất cơ lý của đất đá
(cha hiểu rõ) và sự thay đổi đột ngột của chúng thờng gây rất nhiều khó
khăn cho việc sử dụng choòng. Việc lựa chọn choòng ở đây hoàn toàn mang
tính chất giả định. Vì vậy phải kết hợp chặt chẽ với sự phán đoán của kỹ thuật
địa chất để làm cơ sở lựa chọn chủng loại hợp lý. Trong trờng hợp này các

chủng loại choòng cần đợc chuẩn bị nhiều hơn để đề phòng mọi trờng hợp
phát sinh bất ngờ.

Hình 12 Choòng khoan mẫu



-
23
-

1.3.2.Đối với các giếng khoan khai thác:
Cột địa tầng đã biết trớc một cách khá chính xác về tính chất cơ lý, độ
cứng và bề dày các lớp đất đá. Vì thế ta có thể chủ động lựa chọn đợc choòng
phù hợp. Đối với một loại đất đá cụ thể ở chiều sâu nhất định có thể có nhiều
loại choòng có khả năng phá huỷ tốt. Vì vậy công việc nghiên cứu mang tính
so sánh đợc thực hiện ở giếng khoan đầu tiên sẽ tạo ra điều kiện thuận lợi
cho phép thực hiện ở những giếng khoan khai thác tiếp theo đạt đợc hiệu quả
cao về thời gian khoan cũng nh kinh tế. ở đây ta xem loại choòng khoan hợp
lý nhất là choòng cho phép đạt giá thành 1m khoan thấp nhất trong điều kiện
kỹ thuật tốt.
Sau đây là những ví dụ để so sánh trong việc lựa chọn choòng phù hợp
với địa tầng khoan qua:
Ta đã biết, giá thành 1m khoan đợc tính nh sau; (G
m
):
G
m
=
G

c
+ G
h
(t
c
+ t
nt
)
h
; VND/m
Trong đó:
G
m
- Giá thành 1m khoan
G
c
- Giá thành của choòng
G
h
- Giá thành 1 giờ làm việc của thiết bị khoan
t
c
- Thời gian khoan thuần tuý
t
nt
- Thời gian nâng thả
h - Số lợng m khoan đợc
Ví dụ1: Một choòng A loại hơi cứng khoan đợc 41m trong 17h. Cũng trong
địa tầng ấy, một choòng B khác hơi mềm hơn khoan đợc 35m trong 12h.
Trong khi đó đợc biết: giá 1h thuê thiết bị là: 8.000.000đ, giá thành choòng

A = giá thành choòng B = 17.000.000 đ. Thời gian nâng thả hết 4
h
00.
Từ kết quả trên ta tính đợc
Đối với choòng A:
G
mA
=
17.000.000 + 8.000.000 (17+4)
41
= 4.512.195 đ/m


-
24
-

Đối với choòng B:
G
mB
=
17.000.000 + 8.000.000 (12+4)
35
= 4.142.857 đ/m
Nh vậy việc sử dụng choòng B kinh tế hơn so với choòng A
Ví dụ 2: Về sự lựa chọn giữa choòng chóp xoay và choòng kim cơng.
Giếng khoan 1: Cần 3 choòng chóp xoay mới khoan đợc 310m trong 126
h
,
nh vậy 1 choòng trung bình khoan đợc 103m trong 42

h
. Giá trung bình 1
choòng là 35.200.000 đ. Giá 1
h
thuê thiết bị là: 12.500.000đ, thời gian kéo thả
trung bình là: 12h
Từ đó ta tính đợc:
G
m
=
35.200.000 + 12.500.000 (42 + 12)
103
= 6.895.146 đ/m
Giếng khoan thứ 2:
Một choòng kim cơng khoan đợc 330m trong thời gian 117h giá
choòng là: 500.000.000 đ (bằng giá thành choòng mới trừ đi giá kim cơng
thu hồi đợc).
Các điều kiện khác giống giếng khoan thứ nhất
Vậy ta tính đợc G
m
là
G
m
=
500.000.000
đ
+ 12.500.000
đ
(117 + 12)
330

= 6.401.512 đ/m
Nh vậy rõ ràng trong trờng hợp này nên chọn choòng kim cơng để khoan
sẽ kinh tế hơn.
1.4. Phơng pháp loại bỏ choòng khoan hợp lý:
Việc loại bỏ choòng khoan hợp lý có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn.
Giá thành 1m khoan phụ thuộc phần lớn vào mức độ hợp lý của việc thay
choòng đúng thời điểm.
Việc giảm thời gian làm việc của choòng trên đáy cho phép tăng đợc
tốc độ cơ học cực đại, nhng việc thay choòng lại không thể căn cứ vào tốc độ
cơ học đợc mà phải căn cứ vào tốc độ hiệp (v
h
) sao cho v
h
đạt cực đại.
v
h
=
h
t
c
+ t
nt
(1)


-
25
-

Từ (1) ta có thể phân tích thành (2)

1
v
h
=
t
c
h
+
t
nt
h
(2)
Trong đó:
v
h
- Tốc độ hiệp
t
c
- Thời gian khoan thuần tuý
t
nt
- Thời gian nâng thả
h - Số mét khoan đợc
Biểu thức (2) biểu thị sự phân bố thời gian để thực hiện đợc 1m trong 1 hiệp
khoan.
- Khi tăng thời gian làm việc của choòng trên đáy, thành phần
t
c

h
tăng
lên và
t
nt
h
sẽ giảm xuống kết quả là
1
v
h
tăng lên v
h
giảm xuống
- Khi giảm thời gian làm việc của choòng trên đáy thì
t
nt
h
sẽ tăng lên rất
nhiều hơn hẳn mức độ giảm xuống của
t
c
h
, kết quả là
1
v
h
tăng lên suy ra v
h

giảm đi.

Nh vậy không thể đạt đợc v
h
cực đại khi kéo thật dài hoặc rút thật
ngắn thời gian làm việc của choòng trên đáy. Do đó sẽ tồn tại một thời gian tối
u mà ở đó v
h
sẽ đạt cực đại.
Trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm MinHim đã thiết lập đợc
mối quan hệ sau.
v
ch
= v
0
. e
-k.t
(3)
Trong đó: v
ch
- Tốc độ cơ học
v
0
- Tốc độ cơ học ban đầu
k - Hệ số đặc trng cho tốc độ mòn của choòng.
t - Thời gian choòng làm việc trên đáy
e- Hằng số Lôga tự nhiên
Từ công thức (3) chúng ta có thể tính đợc tiến độ sau 1 hiệp


-
26

-

h =

kt
0
t
0
kt
0
t
0
ch
e1
k
v
dt .ev .dtv



(4)
Thay giá trị ở (4) vào (1) ta tính đợc v
h
là:
v
h
=
v
0
(1 - e

-kt
)
k (t
c
+ t
nt
)
(5)
Từ (5) ta có nhận xét: tốc độ hiệp phụ thuộc vào chất lợng choòng khoan, chế
độ khoan, độ cứng đất đá và chiều sâu của lỗ khoan.
ở một độ sâu xác định của lỗ khoan ta biết trớc v
0
, t
nt
và hệ số k và có
thể biểu diễn v
h
= f (t) là một đờng cong (hình vẽ dới). Đờng cong có một
điểm cực đại rõ rệt. Thời gian để đạt đợc điểm cực đại đó của v
h
gọi là thời
gian khoan kinh tế, hay còn đợc xem là thời gian loại bỏ choòng hợp lý.







Hình 13 Quan hệ giữa v

h
, v
ch
với thời gian làm việc của choòng
Thời gian kinh tế (t
kt
) của choòng đợc xác định theo công thức
t
kt
=
13 t
nt
k
(6)
Từ công thức (6) ta thấy rằng để tính đợc t
kt
ta cần phải biết đợc t
nt
và hệ số
k. Hệ số k phụ thuộc vào chất lợng choòng, chế độ khoan, độ cứng và mài
mòn của đất đá và mức độ rửa lỗ khoan. Thông thờng hệ số k đợc tính theo
công thức sau:
k =
ln
v
ch
v
0
t
(7)

Ta có thể xem một ví dụ cụ thể của việc cần thiết phải thay choòng mới sau
đây:
t
kt
V
ch
,V
h
(m/h)

t(h)

V
ch
v
h



-
27
-

Nội dung là: Hãy tính thời gian cần thiết để thay choòng mới khi chiều sâu
khoan là: 1000m
t
nt
= 2h
Cứ sau mỗi 15 thân lỗ khoan lại tiến sâu đợc nh sau:
h

1
= 5m; h
2
=4m; h
3
= 3m; h
4
= 2,5m; h
5
= 2m; h
6
= 1,5m
h
7
= 1m; h
8
= 0,5m; h
9
= 0,3m

Nh vậy là muốn phát huy tốt hiệu quả làm việc của choòng trên đáy
thì ta phải xác định đợc thời gian mà ở đó v
h
đạt cực đại rồi thay choòng mới.
v
h
=
h
i
t

ci
+ t
nt

Từ công thức tính v
h
tổng quát, ta sẽ tính đợc v
h
sau thời gian mỗi 15 nh
sau:
v
h1
=
h
1
t
c1
+ t
nt
= =
5
025 + 2
= 2,22 (m/h)
v
h2
=
5 + 4
05 + 2
= 3,6 m/h
v

h3
=
5 + 4 + 3
075 + 2
= 4,37 m/h
v
h4
=
5 + 4 + 3 + 25
1+2
= 4,83 m/h
v
h5
=
5 + 4 + 3 + 25 + 2
125 + 2
= 5,08 m/h
v
h6
=
5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15
15 + 2
= 5,14 m/h
v
h7
=
5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15 + 1
175 + 2
= 5,07 m/h
v

h8
=
(5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15 + 1 + 0,5)
2 + 2
= 4,87 m/h
v
h9
=
5 + 4 + 3 + 25 + 2 + 15 + 1 + 05 + 03
225 + 2
= 4,66 m/h


-
28
-

Từ kết quả tính toán ta thấy v
h6
= 5,14 m/h có giá trị cực đại với chiều
sâu khoan đợc là


6
1i
i
h
= 5 + 4 + 3 + 2,5 + 2 + 1,5 = 18m
Thời gian khoan thuần tuý là t
c

= 6 x 0,25 = 1,5 h
Tổng thời gian là: t
c
+ t
nt
= 1,5 + 2 = 3,5h
Giả sử nh sau khi khoan ở tốc độ hiệp v
h9
= 4,66 m/h mới thay choòng
sẽ hoàn toàn không phù hợp vì ta thấy ngay rằng.
Chiều sâu khoan đợc là


9
1i
i
h
= 19,8m
Tổng thời gian khoan thuần tuý sẽ là: t
c
= 9 x 0,25 = 2,25 h
Tổng thời gian sẽ là: t
c
+ t
nt
= 2,25 + 2 = 4,25 h
Nh vậy sẽ chênh lệch thời gian là: 4,25 - 3,5 = 0,75 h
Cùng với thời gian này nếu thay choòng mới thì sẽ khoan đợc số mét
tăng thêm là: 5 + 4 + 3 = 12m. Tổng số mét khoan đợc bằng 2 choòng trong
trờng hợp đầu tiên sẽ là: 18 + 12 = 30m, còn trờng hợp thứ 2 chỉ là 19,8m

và hiệu quả sẽ tăng đợc số mét khoan là 30m - 19,8m = 10,2m vẫn cùng một
thời gian thi công.