Tính toán và lựa chọn ống chống cho giếng khai thác dầu

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
LỜI MỞ ĐẦU
.
Trong các biện pháp nâng cao hiệu quả thực hiện công tác khoan dầu
khí thì việc hoàn thiện cơ sở khoa học thiết kế và dự toán xây dựng giếng có
vai trò quan trọng nhất.
Thiết kế giếng khoan là một mắt xích quan trọng trong dây chuyền
khoa học sản xuất.Các giếng khoan dầu và khí là những công trình mang tính
đặc thù .Các công trình này thường thi công trong điều kiện địa lí-kỹ thuật và
môi trường làm việc hết sức phức tạp ,giá thành công trình dao động từ vài
triệu đô đến hàng chục triệu đô la Mỹ.Chính vì vậy ,quá trình thi công xây
dựng giếng không thể không thực hiện một cách cụ thể,chi tiết và chuyên môn
hóa cao các công việc của từng giai đoạn.
Một phần quan trọng trong quá trình hoàn thiện giếng là tính toán ,lựa
chọn ống chống.Qua quá trình học tập,nghiên cứu,thực tập tại xí nghiệp liên
doanh dầu khí Vietsovpetro,và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy Lê Đức
Vinh,em đã lựa chọn đề tài:Tính toán và lựa chọn ống chống cho giếng khai
thác dầu làm đồ án tốt nghiệp.
Đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu khoa học được xây dựng dựa
trên quá trình học tập,nghiên cứu tại trường kết hợp với thực tế sản xuất nhằm
giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học.Với mức độ tài liệu và thời
gian nghiên cứu hoàn thành đồ án có hạn,cũng như kiến thức và kinh nghiệm
còn hạn chế,nên sẽ không tránh khỏi có những thiếu sót.Em rất mong nhận
được sự góp ý,bổ sung của các thầy cô,các nhà chuyên môn và các bạn cùng
đọc.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầu
khí và công trình,các bạn cùng lớp và đặc biệt là thầy Lê Đức Vinh đã giúp
đỡ,hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án này.Nhân đây
em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ ,công nhân viên trong xí nghiệp
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
1

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
liên doanh dầu khí Vietsovpetro đã giúp đỡ thu thập tài liệu để em hoàn thành
bản đồ án tốt nghiêp.
Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2010
Sinh viên
Trần Ngọc Hòa
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
2
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
CHƯƠNG 1
LỰA CHỌN CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN
Cấu trúc giếng khoan được xác định bằng:
 Số lượng các cột ống chống trong giếng khoan
 Đường kính và chiều sâu thả các cột ống chống
 Đường kính choòng khoan tương ứng dùng khoan để thả các cột ống
chống.
 Chiều cao dâng của vữa xi măng trong khoảng không gian vành xuyến
ống chống.
Việc lựa chọn cấu trúc giếng khoan phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố
cơ bản sau: mục đích giếng khoan và phương pháp khoan, điều kiện địa chất
khoan qua, chiều sâu vỉa sản phẩm, số lượng vỉa sản phẩm, phương pháp mở
vỉa sản phẩm, khả năng thiết bị kỹ thuật và thực trạng công nghệ.
Trong tất cả các trường hợp, cấu trúc giếng khoan phải đảm bảo được
khả năng thi công đến chiều sâu thiết kế và đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật như thiết kế đặt ra.
Với mục đích giảm thiểu thời gian thi công và tạo điều kiện tốt cho công
tác khoan nhằm phòng ngừa các phức tạp và sự cố trong quá trình khoan nên
khi thiết kế cấu trúc giếng khoan cần chú ý đến:
 Chiều sâu của đối tượng khai thác (vỉa sản phẩm), sản lượng của chúng và
tính thấm, chứa của vỉa.

 Tính chất cơ lý và trạng thái gắn kết của đất đá, trong trường hợp thân
giếng hở, cần tính tới các phức tạp địa chất có thể xảy ra các hiện tượng
như bó, kẹt cần khoan, sập lở, hang hốc, phun trào…
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
3
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
 Áp suất vỉa và áp suất lỗ hổng, cũng như áp suất phá vỡ vỉa của đất đá
khoan qua.
 Nhiệt độ của đất đá theo chiều sâu thân giếng.
Nói chung, khi lựa chọn cấu trúc giếng khoan thì các đặc tính của các
chỉ tiêu đã liệt kế ở triên phụ thuộc nhiều vào các thông số kỹ thuật và công
nghệ thi công, xây dựng giếng khoan, cũng như đặc điểm và tính chất phức
tạp của điều kiện địa chất.
Có thể nhận xét rằng một số yếu tố chủ quan ở mức độ này hay ở mức
độ khác có thể trở thành yếu tố khách quan, trong trường hợp này số lượng
các yếu tố chủ quan ảnh hưởng đến quá trình thiết kế có thể là giới hạn đáng
kể, nhưng cũng có thể không có và việc lựa chọn cấu trúc giếng khoan chỉ là
việc xác định chính xác chiều sâu thả các cột ống chống mà thôi.
Phụ thuộc vào các yêu cầu đối với giếng khoan (các yếu tổ chủ quan)
và đặc điểm địa chất của vùng mỏ (các yếu tố khách quan) thiết kế cấu trúc
giếng có thể đạt hiệu quả rất tốt nhưng cũng có thể đạt hiệu quả kém.
Cấu trúc giếng khoan được xem là hợp lý nếu nó bảo đảm giá thành
xây dựng giếng thấp nhất, cũng như hoàn thiện các hạn chế tồn tại về kỹ
thuật (thiết bị kỹ thuật và vật tư, điều kiện vận chuyển), những hạn chế về
công nghệ (áp dụng công nghệ mới, tổ chức các công việc chính và phụ trợ
của các đơn vị, xí nghiệp tham gia quá trình thi công xây dựng giếng), những
hạn chế về điều kiện địa chất (như sự xuất hiện nước vỉa, mất dung dịch
khoan và vữa xi măng, sập lở và trương nở của đất đá) những đòi hỏi về độ
tin cậy và tuổi thọ của giếng khoan trong suốt thời gian làm việc của giếng
(thử vỉa, hoàn thiện giếng và khai thác).

Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
4
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
1.1. Chọn chiều sâu thả và đường kính các cột ống chống
1.1.1. Tính toán và lựa chọn chiều sâu thả các cột ống chống
Khi thiết kế cấu trúc giếng, bước đầu tiên là chọn số cột ống chống và
chiều sâu thả. Có hai yếu tố quyết định tới tính toán và xác định chiều sâu thả
các cột ống chống: điều kiện địa chất khoan qua và trình độ kỹ thuật, công
nghệ thực hiện các giai đoạn trong quy trình xây dựng giếng.
Hai yếu tố này cần và đủ để tính toán chiều sâu thả các cột ống chống.
Nếu các điều kiện địa chất trong toàn bộ thân giếng có những bất thường
(không có cùng một môi trường địa chất như nhau) và khả năng kỹ thuật-
công nghệ khoan không cho phép thực hiện cùng lúc thì phải thay đổi cho
phù hợp với các khoảng khoan riêng biệt.
Có thể lý giải như sau: Khi các tham số có trước của các qui trình công
nghệ không hợp lý về mặt kinh tế khi khoan tiếp các khoảng khoan phía
dưới (tiếp theo) của giếng sẽ gây nhiều khó khăn phức tạp trong khoảng đã
khoan phía trên, nếu khoảng khoan này chưa được gia cố bằng ống chống
hay phải thực hiện thêm một số giải pháp công nghệ đặc biệt để phòng ngừa
những phức tạp này. Chính vì vậy, chiều sâu thả ống chống cần được quyết
định một cách cụ thể phù hợp với điều kiện bất thường của vật chất.
Từ mục đích này, việc xây dựng biểu đồ phân bố gradient áp suất vỉa
P
v
theo chiều sâu thẳng đứng L
v
(ß
v
= P
v

/L
v
), gradient áp suất phá vỡ vỉa ß
vv
(ß
vv
= P
vv
/L
v
) và gradient áp suất cột dung dịch khoan (ß
dd
= Y
dd
) là hết sức
cần thiết.
Các đại lượng P
v
, P
vv
hoặc được tính toán trên cơ sở số liệu nghiên cứu
địa chất, địa vật lý của các giếng hoặc của vùng lân cận gần nhất về mặt địa
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
5
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
lý cũng như địa tầng để đưa ra các giá trị về áp suất vỉa, vỡ vỉa, mất dung
dịch. Trong trường hợp không có số liệu, áp suất phá vỡ vỉa P
vv
có thể dự
toán theo các công thức sau:

P
vv
= 0,83 L + 6,6 P
v
(1.1)
P
vv
= 0.87P lỗ hổng (1.2)
P
vv
= P
v
+ µ (P
lỗ.hổng
– P
v
)/(1- µ) (1.3)
Trong đó:
P
v
– áp suất vỉa ở chiều sâu L (MPa)
P
lỗ.hổng
– áp suất lỗ hổng của vỉa bên trên (MPa)
P
lỗ.hổng
= 0,01 LP
dd
P
dd

– trọng lượng riêng của đất đá ở chiều sâu L (g/cm3)
µ - hệ số Poisson
µ đất sét = 0,0977 P
1,4
dd
Áp suất mà ở giá trị này có hiện tượng dung dịch bị mất vào vỉa được
gọi là áp suất mất dung dịch và được xác định theo số liệu thực tế hoặc bơm
ép thử (lưu lượng 1-2 l/s). Khi không có số liệu về áp suất mất dung dịch
P
mdd
, có thể dự đoán theo công thức sau:
P
mdd
= (0,75 – 0,95) P
vv
(1.4)
Trong các khoảng chiều sâu chứa các tạp chất có tính chảy dẻo cao, để
tính gradient áp suất vỡ vỉa ß
vv
, ở giá trị của đại lượng P
v
có thể lấy giá trị áp
suất lỗ hổng của đất đá. Trong các khoảng khoan có cường độ mất dung dịch
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
6
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
lớn mà việc khống chế trong quá trình khoan không đạt kết quả, để tính toán
gradient áp suất vỡ vỉa ß
vv
, ở vị trí đại lượng P

vv
có thể sử dụng áp suất mà tại
thời điểm đó xảy ra hiện tượng mất dung dịch trầm trọng.
Chiều sâu thả các cột ống chống (chiều sâu đặt chân đế ống chống)
được lấy theo chiều sâu của ranh giới dưới của vùng gia cố ống (vùng có
cùng điều kiện) cộng thêm từ 10-20cm nhưng không lớn hơn chiều sâu bắt
đầu của vùng có điều kiện tăng tiếp theo.
Chiều sâu thả cột ống chống khai thác được tính theo chiều sâu thực tế
của vỉa sản phẩm có tính đến phương pháp hoàn thiện và khai thác giếng,
cũng như cấu trúc đáy giếng.
Chiều sâu thả cột ống chống kỹ thuật được tính toán và thả đến nóc của
vỉa sản phẩm, nhằm ngăn cách toàn bộ địa tầng phía trên trước khi mở vỉa
sản phẩm với công nghệ mở vỉa và hệ dung dịch chuyên dùng cho mở vỉa sản
phẩm.
Chiều sâu thả cột ống chống định hướng được xác định để gia cố các
tạp chất đất đá bở rời phía trên và chứa tạp chất nước trên bề mặt hoặc các
tập mất dung dịch. Nếu cột ống chống định hướng được lắp đặt các thiết bị
chống phun, chiều sâu thả chân để ống chống định hướng được tính toán
chống khi xuất hiện dấu khí phun bằng công thức sau:
H = 10 (P
m
+ ΔP
m
) / (Y
dd
– Y
nv
) (1.5)
Trong đó:
P

m
– áp suất tại miệng giếng khi đóng đối áp trong trường hợp
dầu khí phun (kg/cm2)
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
7
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
ΔP
m
– áp suất phụ thêm tại miệng giếng xuất hiện khi thực hiện
qui trình làm sạch giếng và khống chế các chất lỏng của vỉa xâm nhập
vào giếng (kg/cm2)
Y
dd
– tỷ trọng dung dịch khoan tương đương với gradient áp suất
phá vỡ vỉa, (g/cm3)
Y
nv
– tỷ trọng chất lỏng của vỉa trong giếng (g/cm3)
Chiều sâu thả các cột ống chống trung gian được xác định và thỏa mãn
các điều kiện:
H >= (P
v
– 0,01 Y
o
)/(0,02 – 0,01 Y
o
) (1.6)
Hoặc: 0,11 (ß (L – L
d
) – Y

o
L) + ß L
d
)
H >= (1.7)
ß – 0,11 Y
o
Trong đó:
H – chiều sâu tối thiểu của chân đế ống chống cần thả (m)
L – chiều sâu chân đế cột ống chống tiếp theo (m)
L
d
– chiều cao từ mực nước biển đến mặt bàn roto
(trong trường hợp khoan ở biển)
Còn khi khoan trên đất liền L
d
= 0
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
8
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Y
o
– tỷ trọng của dung dịch khoan có tính đến sự xâm nhập của
chất lỏng của vỉa (dầu, khí, nước) hay còn gọi là hỗn hợp khí nước, mà giá trị
này được xác định như sau:
Y
0
= Y . Y
dd
Đại lượng Y là trọng lượng riêng của khí vỉa so với không khí (tỷ lệ

giữa khí vỉa vả không khí), đối với 1-3 giếng khoan đầu tiên của vùng mỏ thì
Y được lấy bằng 0,6 còn khi khoan ở các vùng có đủ số liệu thực tế thì Y
được xác định theo số liệu thực tế.
Thực tế chiều sâu đặt chân đế ống chống được lựa chọn nằm trong vỉa
có đất đá bền vững, nhưng không được nhỏ hơn giá trị tính toán.
Mặt khác, chiều sâu thả cột ống chống trung gian và cột ống chống
định hướng cần được kiểm tra trong điều kiện thực tế, nếu giếng khoan bị
mất tuần hoàn dụng dịch khi khoan khoảng dưới, thì chân đế ống chống trước
cần thả sâu hơn chiều sâu mực dung dịch trong giếng khi khoan trong khoảng
dưới mà có thể xảy ra mất tuần hoàn dung dịch.
Đối với 1-3 giếng khoan đầu tiên của vùng mỏ, do chưa có số liệu thực
tế đáng tin cậy che nên chiều sâu mực dung dịch trong giếng khi mất tuần
hoàn có thể xác định như sau:
L
mdd
= 0,3 – 0,4 H
k
, H
k
- chiều sâu giếng khi xảy ra mất tuần hoàn dung
dịch, L
mdd
- chiều sâu mực dung dịch trong giếng. Trong trường hợp có số liệu
thực tế về địa chất của vùng mỏ thì giá trị L
mdd
được xác định theo số liệu
thực tế.
Tỷ trọng dung dịch Y
dd
sử dụng khi khoan trong khoảng khoan chưa

gia cố bằng ống chống cần phải nằm trong giới hạn cho phép của vùng có
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
9
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
cùng điều kiện, phù hợp với các yêu cầu của các qui trình, qui phạm hiện
hành và thỏa mãn điều kiện sau:
Δα
mdd min
>= 0,01 Y
dd
>= a Δα
max
(1.8)
Y
dd
– tỷ trọng dung dịch lớn nhất khi khoan các khoảng riêng biệt
a - hệ số dự phòng (chiều sâu giếng <= 1200m, a = 1,10-1,15; chiều
sâu giếng lớn hơn 1200m, a = 1,05-1,10)
Δα
mdd min
- gradient áp suất mất dung dịch nhỏ nhất trong khoảng xác
định (MPa/m)
Δα
max
- gradient áp suất vỉa (lỗ hổng) lớn nhất trong khoảng xác định
(MPa/m)
Nói một cách khác, tỷ trọng dung dịch khoan luôn luôn phải nhở hơn
giá trị gradient áp suất phá vỡ vỉa và lớn hơn gradient áp suất vỉa với giá trị:
- 10-15% đối với các giếng có chiều sâu không lớn hơn 1200m (0-1200m),
nhưng không lớn hơn 1,5MPa.

- 5-10% đối với các giếng có chiều sâu không lớn hơn 2500m (1200-2500m),
nhưng không lớn hơn 2,500 MPa
- 4-7% đối với các giếng có chiều sâu lớn hơn 2500m (khoảng từ 2500m đến
chiều sâu thiết kế), nhưng không lớn hơn 3,5MPa
Giá trị sai số cho phép của tỷ trọng dung dịch trong hệ thống tuần
hoàn, nằm trong khoảng + - 0,02 g/cm3 so với giá trị tính toán thiết kế.
1.1.2.Tính toán và lựa chọn đường kính các cột ống chống
Đường kính các cột ống chống và choòng khoan được lựa chọn từ nhỏ
đến lớn; hay nói một cách khác là từ dưới lên trên bắt đầu từ cột ống chống
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
10
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
khai thác. Khi kết thúc với thân giếng trần, lựa chọn đường kính ống chống
và choòng khoan được bắt đầu từ đoạn thân giếng trần.
Đường kính các cột ống khai thác phụ thuộc vào phương pháp hoàn
thiện giếng, điều kiện khai thác và yêu cầu của phía đặt hàng cho công tác
khoan. Đối với điều này cần tính toán đến thể loại sản phẩm, sản lượng mong
muốn, áp suất vỉa, các giải pháp thực hiện công việc nghiên cứu địa vật lý
giếng khoan, sửa chữa giếng và cứu sự cố; kích cỡ cần khoan và thiết bị khác
thực hiện trong cột ống chống khi tiến hành công đoạn khoan giếng.
Tương quan giữa đường kính ống khai thác và choòng khoan có thể
tính toán theo công thức sau:
D
choong
= (1,0447 + 0,00022 D
oc
) D
dn
(1.9)
Trong đó:

D
choong
– Đường kính choòng (mm)
D
oc
– Đường kính ống chống (mm)
D
dn
– Đường kính đầu nối ống chống (mm)
Sau khi tính toán đường kính choòng khoan cho ống khai thác sẽ tính
toán tiếp các cột ống chống khác và đường kính choòng khoan tương ứng.

Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
11
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Bảng 1.1.Đường kính ống chống và khe hở nhỏ nhất
Đường kính
ống chống
ngoài, mm
89 ÷ 127
140 ÷
159
168 ÷
194
219 ÷
245
273 ÷
351
376 ÷
508

Khe ở nhỏ
nhất của
vành xuyên,
mm
10 ÷ 15 15÷ 20 20 ÷ 25 25 ÷ 30 30 ÷ 45 45 ÷ 80
Đối với các mỏ gần thường sử dụng các cột ống chống khai thác đường
kính 114, 127, 140, 168, 178, 194 mm; hạn hữu có trường hợp sử dụng ống
đường kính 245 mm, đối với các giếng khai thác khí thường sử dụng ống
chống khai thác đường kính không nhỏ hơn 219mm
Đường kính cột ống chống trung gian, cũng như cột ống chống định
hướng và dẫn hướng được lựa chọn phù hợp với khe hở không gian vành
xuyến giữa choòng khoan và cột ống chống đã thả và choòng khoan để khoan
khoảng tiếp theo không được nhỏ hơn 2 ÷ 5 mm tính đến ở các phía.
Khe hở không gian vành xuyến được lựa chọn phụ thuộc điều kiện
chiều dài của khoảng khoan tính từ chân đế ống trước, mức độ hoàn thiện
công nghệ thi công khoan, trình độ hiểu biết của đội khoan và các yếu tố phụ
khác.
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
12
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Bảng .1.2: Đường kính chuẩn của choòng khoan và ống chống tương ứng
Đường kính choong
khoan, mm
Đường kính ống chống
tiêu chuẩn API, mm
Đường kính ống chống
tiêu chuẩn GOST, mm
914,4 762 720
660,4 508
490 426

444,5 340
393,7 324
311,1 244,5
295,7 244,5
215,9 177,8 193,7
165,1 140
152,4 120,7
101,6 89
Phương pháp tính toán đường kính ống chống và choòng khoan cho
các khoảng khoan phù hợp với cấu trúc giếng như sau:
- Đường kính choòng khoan được lựa chọn theo công thức sau:
D
c
= D
dnoc
+ Δ (1.10)
Trong đó:
D
c
– Đường kính choòng khoan (mm)
D
dnoc
– Đường kính đầu nối ống chống (mm)
Δ – Khe hở giữa mặt ngoài đầu nối ống chống và thành giếng
khoan và bằng 20 ÷ 25 mm
- Đường kính trong và ngoài của ống chống xác định theo công thức:
Dt
r oc
= D
c

+ 6 ÷ 8 mm (1.11)
D
ng oc
= D
tr oc
+ 2 £ (1.12)
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
13
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Trong đó:
D
tr oc
– Đường kính trong ống chống xít (mm)
D
ng oc
– Đường kính ngoài ống chống đang xem xét ( mm)
£ - Chiều dày của thành ống chống đang xem xét. (mm)
1.2. Lựa chọn chiều cao dâng vữa xi măng và cấu trúc đáy giếng
1.2.1. Tính toán và lựa chọn chiều cao dâng vữa xi măng
Chiều cao dâng vữa xi măng trong khoảng không gian vành xuyến
được tính toán trên cơ sở của các qui phạm đang có hiệu lực và các tài liệu
hướng dẫn. Chiều cao dâng vữa xi măng được xác định từ những điều kiện
địa chất đặc biệt của vùng mỏ, có thể sơ lược như sau:
 Đối với cột ống chống định hướng.
Trong mọi trường hợp chiều cao dâng vữa xi măng bắt buộc phải đến
miệng giếng (miệng ống định hướng)
 Cột ống chống trung gian.
- Đối với các giếng dầu chiều sâu cần thiết kế nhỏ hơn 3000m thì chiều
cao dâng vữa xi măng ở khoảng không gian vành xuyến bên ngoài cột ống
chống không nhỏ hơn 500m so với chân đế ống chống.

- Đối với các giếng khí, giếng khoan thăm dò và giếng khoan dầu chiều
sâu thiết kế lớn hơn 3000m, nếu điều kiện địa chất không có biểu hiện phức
tạp như áp suất dị thường cao…và có khả năng đảm bảo được chất lượng
bơm trám, cũng như độ kín của cột ống thì chiều cao dâng vữa xi măng ở
khoảng không gian vành xuyến bên ngoài cột ống chống không nhỏ hơn
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
14
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
200m tính từ chân để ống chống trước. Trong trường hợp, điều kiện địa chất
có biểu hiện phức tạp không có, khả năng bảo đảm được chất lượng gia cố và
gia kín độ kín của cột ống chống để thực hiện khoan các khoảng khoan tiếp
theo thì chiều cao dâng vữa xi măng bắt buộc phải dâng lên đến miệng giếng.
 Cột ống chống khai thác
- Đối với các giếng dầu, chiều cao dâng vữa xi măng ở khoảng không
gian vành xuyến bên ngoài cột ống chống khai thác nhỏ hơn 100m tính từ
chân đế ống chống trước. Điều này có thể áp dụng cho các giếng khí và các
giếng thăm dò với điều kiện giếng này cần áp dụng các giải pháp kỹ thuật
đảm bảo độ kín của đầu nối cột ống; các trường hợp còn lại, chiều cao dâng
vữa xi măng bắt buộc phải lên đến miệng giếng.
1.2.2.Cấu trúc đáy giếng.
Các yếu tố cơ bản để thiết kế cấu trúc đáy giếng gồm:
o Phương pháp khai thác đối tượng
o Tính chất thấm chứa của vỉa sản phẩm
o Tính chất cơ lý của vỉa sản phẩm
o Vị trí của vỉa sản phẩm
Khái niệm về cấu trúc đáy giếng được hiểu là sự tương quan giữa các
thành phần gia cố giếng trong các khoảng của đối tượng khai thác mà ở đó
đảm bảo sự bền vững cho thân giếng ngăn cách được: chất lỏng chứa trong
vỉa sản phẩm; thực hiện các tác động kỹ thuật và công nghệ lên vỉa; công
việc sửa chữa và cách ly cũng như kéo dài tuổi thọ khai thác giếng với lưu

lượng tối ưu.
Sản phẩm được gia cố bằng cột ống chống (có thể chống ống lửng)
trám xi măng, sau đó bắn đục lỗ thông vữa bằng đạn.
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
15
e
f
g
h
a
b
c
d
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Hình 1.2.1: Cấu trúc đáy giếng
Hình g là cấu trúc đáy giếng đặt ống lọc đáy nhằm ngăn ngừa sự xâm
nhập của cát vào giếng
Hình a,b,c cấu trúc đáy giếng thân trần.
Hình d,e là cáu trúc đáy giếng dạng hỗn hợp
Hình f là cấu trúc đáy giếng kín.hình h là vùng cận đáy giếng được gia
cố bằng vật liệu thấm.
Giới hạn thay đổi độ thấm chứa của đất đá trong vỉa sản phẩm không được
nằm ngoài ranh giới của một trong sáu nhóm sau đây:
K>1
K= 0,5 ÷ 1
K = 0,1 ÷ 0,5
K= 0,05 ÷ 0,1
K= 0,01 ÷ 0,05
K = 0,001 ÷ 0,05
Vỉa sản phẩm được hiểu là không đồng nhất nếu như độ thấm chứa của

vỉa sản phẩm thay đổi; chứa nhiều loại chất lỏng như: nước vỉa, mũ khí hoặc
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
16
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
hỗn hợp dầu nước và áp suất vỉa khác nhau; hoặc các giá trị K của đất đá
trong các vùng khác nhau và vượt quá giới hạn thay đổi thấm chứa.
Đối với các tính chất khác của đất đá, khi khai thác giếng được bảo tồn
và không bị phá hủy dưới tác động thẩm thấu và tải nén địa tầng tĩnh.
Độ ổn định của đất đá vùng cận đáy giếng khi khai thác được đánh giá bằng
mối tương quan : £b < £ b
£ b là giới hạn bền của đất đá vỉa sản phẩm khi khai thác bằng các
phương pháp khác nhau (chất lỏng được lấy ra từ vỉa, bơm vào vỉa hoặc thiếu
sự hơn chuyển của chất lỏng) được tính toán từ thực nghiệm. Các tính toán
phụ thuộc vào trọng lượng riêng của đất đá, áp suất vỉa và áp suất thủy tĩnh.
Đất đá không bền vững là đất đá có tính chất gắn kết kém, một phần
của vỉa đất đá này sẽ được mang lên bề mặt qua ống lọc theo thời gian trong
quá trình khai thác vỉa sản phẩm.
1.3. Tính toán ống chống
1.3.1.Cơ sở và phương pháp tính toán ống chống
Tính toán ống chống được thực hiện khi thiết kế giếng khoan với mục
đích lựa chọn chiều dày thành ống, nhóm độ bền vật liệu ( mác thép ) ống
chống: hệ số dự phòng ( hệ số an toàn ) độ bền. Khi tính toán cần tính đến
các điều kiện phức tạp địa chất, công nghệ và điều kiện môi trường làm việc.
Các điều kiện thiết yếu có thể trình bày như sau:
Tính toán lựa chọn chiều dày thành ống £ và nhóm độ bền vật liệu
(mác thép) Mt của ống chống khi đã biết đường kính ống D
oc
, chiều dài ống
L
oc

, đã biết giá trị áp suất dư ngoài và áp suất dư trong. Hệ số dự phòng (an
toàn) qui định thỏa mãn các điều kiện sau:
[ ]
P
đn
>=
∑
tt
ql
(1.13)
[ ]
P
oc
>=
∑
tt
ql
(1.14)
P
kt
>= P
đn

[ ]
1n
(1.15)
P
oc
>= P
dt

[ ]
2n
(1.16)
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
17
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Trong đó:
[ ]
P
đn
- Lực kéo cho phép mà tại giá trị này đầu nối ống chống
bị biến dạng
q
t
– Trọng lượng 1m chiều dài của đoạn ống chống có cùng
chiều dày và mác thép
l
t
– Chiều dài của đoạn ống chống có cùng chiều dày và mác
thép
[ ]
P
oc
- Là kéo cho phép mà tại giá trị này thân ống chống bị
biến dạng
P
kt
- Giá trị áp suất tới hạn cho phép xác định theo áp xuất dư
ngoài và phụ thuốc vào mác thép chiều dày thành ống.

P
đn
– Áp suất dư ngoài
P
dt
– Áp suất dư trong
P
oc
– Áp suất dư trong cho phép mà tại giá trị này ống chống đạt
tới giới hạn bền của vật liệu.
n
1
– hệ số dự phòng đối với áp suất dư ngoài
n
t
– 1,125 ÷ 1,25 cho đoạn ống nằm trong ranh giới của vỉa sản
phẩm (phụ thuộc vào tính ổng định của đất đá), các trường hợp khác n
t
= 1,125
n
2
– hệ số dự phòng đối với áp suất dư trong tương ứng với giá
trị giới hạn bền của vật liệu n
2
= 1
Áp suất giới hạn cho phép được xác định theo công thức Sarkisov:
P
bm
= 1,1 K
min

δ
c
+ (Ek
2
0
p (1 +
min34
3
Kf
e
) -
)4))
Kmin 4f3
3e
1(2(( cEkoppEkoc
δδ
−++
)
Trong đó:
D – Đường kính ngoài ống chống (mm)
δ
c
– Giới hạn chảy của vật liệu (Mpa)
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
18
A
A
A
A

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
E – mô đun đàn hồi bằng 2,1.10
5
(Mpa)
E – hệ số ô van của ống
1.3.1.1.Các ứng suất tác dụng lên ống chống
*Ứng lực kéo tác dụng bởi tải trong của ống chống.
Bản thân ống chống mỗi cột ống chống phải chịu 1 tải trọng nhất định
bởi chính trọng lượng của chúng tác dụng lên ta gọi là tải trọng kéo
Chính tải trọng này là nguyên nhân chính gây đứt ống chống khi ta thả ống
chống xuống giếng khoan.
Do trọng lượng bản thân ứng suất kéo phân bố đều trên cột ống chống
như hình (1.3.1.1)
Hình 1.3.1.1.Phân bố ứng suất kéo trên cột ống
Ứng suất kéo tác dụng lên ống chống có những đặc điểm sau:
- Ứng suất kéo có giá trị nhỏ nhất ở phân dưới cùng của cột ống chống
và tăng theo chiều dài và đạt giá trị lớn nhất ở phần trên cùng.
- Vì do ứng suât kéo phân bố đều lên cột ống chống nê tiết diện của cột
ống chống nào nhỏ hơn thì có ứng suất lớn nhất và ngược lại tiết diện của
ống chống nào lớn nhất sẽ có sẽ có ứng suất nhỏ nhất (căn cứ vào đặc điểm
này để ta bố trí, chọn mác thép và tiết diện thép cho phù hợp)
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
19
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Ứng suất bóp méo ống chống.
Ứng lực bóp méo ống chống là lực do các yếu tố bên ngoài tác dụng
lên ống chống (áp suất vỉa hoặc sự thay đổi áp suất của cột chất lưu trong và
ngoài ống chống)
Hình1.3.1.2 : Ứng suất bóp méo tác động tác động lên ống chống
Đặc điểm vỉa ứng lực này là:

- Phụ thuộc vào trị số của áp suất vỉa
- Phụ thuộc vào sự thay đổi áp suất của cột chất lưu trong và ngoài ống
chống
- Phụ thuộc vào cấu trúc địa chất của cột địa tầng giếng khoan
Ứng lực gây nổ ống:
Ứng lực gây nổ ống có thể xảy ra khi áp suất dư bên trong được tạo ra
trong các trường hợp như:
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
20
BB
B
B
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
- Trong quá trình khoan có sử dụng dung dịch nặng mà khoảng khoan
trước đó sử dụng dung dịch nhẹ.
- Khi trám xi măng giếng khoan
- Khi giếng khoan xảy ra hiện tượng phun toàn và thiết bị đối áp được
đóng lại
Hình 1.3.1.3 : Ứng suất gây nổ ống
Ứng lực bóp méo ống và ứng lực gây nổ ống có liên quan chặt chẽ với
nhau:
- Nếu áp lực bên ngoài lớn hơn áp lực trong ống chống thì sinh ra ứng
lực bóp méo cho phép thì ống chống sẽ bị phá hủy dễ bóp méo
- Nếu áp lực bên ngoài nhỏ hơn áp lực bên trong thì sinh ra ứng lực
gây nổ ống, nếu ứng lực này lớn hơn ứng lực gây nổ ống cho phép thì ống sẽ
bị phá hủy do nổ ống.
Do vậy, việc chọn ống phụ thuộc cốt yếu vào các lực nói ở trên
Tính bền cột ống chống có nghĩa là tính chiều dài từng đoạn ống, bề
dày thành ống, mác thép, đảm bảo độ bền của ống chống trong suốt quá trình
làm việc của giếng khoan. Đồng thời đảm bảo giá thành hạ nhất cới sự tiêu

hao vật liệu thép ống tối thiểu.
1.3.2. Phương pháp tính toán bền cột ống chống kỹ thuật.
Phương pháp tính bền cột ống chống kỹ thuật phụ thuộc vào:
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
21
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Mục đích, điều kiện, chiều sâu thả ống.
Thông thường cột ống trung gian được tính toán dựa vào tải trọng kéo
cho phép. Tính áp suất bên ngoài gây bóp méo ống trung gian chỉ được áp
dụng trong trường hợp giếng khoan gặp những vừng mất nước. Hay sau khi
ống chống tiếp tục khoan bằng dung dịch có tỷ trọng nhỏ hơn dung dịch
khoan trước đó (ngoài ống chống)
Trong tính toán ta xem rằng lực kéo căng đạt giá trị cực đại trong quá
trình trám xi măng cột ống chống. Lực kéo căng sinh ra do trọng lượng bản
thân của cột chống ở trạng thái treo và lực phụ sinh ra trong thời điểm kết
thúc bơm trám mút ximăng trên tì lên nút dưới tại vòng dừng.
Tại một điểm nào đó ở chiều sâu z của ống, lực kéo căng có giá trị là Q
z
:
Q
z
= Q + Q
ph
Trong đó:
P
th
: Tổn thất áp suất do tuần hoàn dung dịch
P
d
: Áp suất dư sinh ra khi nút toán trên tì lên nút trám dưới tại

vòng dừng.
D
tv
: Đường kính trong của ống chống tại chỗ đặt vòng dừng.
P
th
= 0,02 H + 16 (at)
H: Là chiều sâu của ống chống m
P
d
= 15 ÷ 20 (ct)
Để cột ống chống đảm bảo bền thì Q
7

≤
Q
cf
=
1n
Pd
n
1
: Hệ số an toàn khi kéo đứt
Q
cf
: Là tải trọng kéo cho phép của ống chống.
P
d
: Tải trọng kéo cho phép của ống chống
Ứng suất kéo có giá trị nhỏ nhất ở phần dưới cùng các cột ống và tăng

dần theo chiều dài và đạt tới giá trị cực đại ở phần trên cùng. Do vậy nếu như
cột ống chống được tạo thành bằng một loại mác thép thì bề dày của thành
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
22
0
L
s
K
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
ống chống bao giờ cũng phải tăng dần từ dưới lên trên. Nếu như mác thép
khác nhau thì chất lượng thép phải tăng dần từ dưới lên trên.
Sơ đồ phân bố như hình vẽ:
Sơ đồ phân bố ứng suất kéo của cột ống
Hình 1.3.1.4 : Sơ đồ phân bố ứng suất kéo của cột ống
Do vậy việc tính toán cột ống chống được bắt đầu từ dưới lên trên.
Đối với cột ống này (trung gian) sau khi chống xong vẫn tiếp tục công tác
khoan tiếp theo cho nên cột cần khoan sẽ quay và kéo thả thường xuyên trong
cột ống này. Để tránh hiện tượng tháo ren, và mài mòn, ta lắp ở phần dưới
cùng của cột ống chống một đoạn khoảng 50 ÷ 100m, có bề dày thành ống
lớn nhất
a
δ
. Trọng lượng đoạn ống ấy có chiều dài là Q
a
:
Q
a
= l
a
. q

a
a
δ
. Là trọng lượng 1m của đoạn ống
Đoạn ống chống được lắp tiếp theo (ln) sẽ có bề dày thành ống nhỏ
nhất. Chiều dài l1 sẽ có giới hạn bởi độ bền của nó. Ta có:
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
23
l
2
l
n
l
1
l
a
L
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
l1.q1 + l
a
.q
a
+ Q
ph

≤
Q
cf
1
=

1
1
n
Pd
Ta có l
1
=
1Q
QphQaQcf
−−
(m)
Trong đó:
q
1
– Trọng lượng 1m của đoạn ống l
1
Cứ như vậy ta tính được chiều dài đoạn ống tiếp theo ở phía trên là l
2
như sau:
l
2
=
2
)2'(2
Q
QQQphQcf
++−
(m)
l
n

=
qn
QcfnQcfn 1
−−
(m)
Khi nào tính được tổng chiều dài các đoạn ống từ l
a
+ l
1
+ l
2
+ … bằng
chiều dài của cột ống chống theo thiết kế thì kết thúc tại đó. Ta cũng có thể
biểu diễn được trắc diện mặt cắt của cột ống chống bằng hình vẽ:
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
24
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Hình 1.3.1.5.Trắc diện cột ống theo tải trọng kéo
Sau khi tính toán và chọn được ống chống theo tải trọng kéo cho phép
chúng ta tiến hành kiểm tra độ bền của ống đối với áp suất dư ngoài và áp
suất dư trong.
Nếu sau khi thả ống trung gian, tiếp tục khoan với dung dịch nặng hơn
dung dịch đã khoan thì áp suất bên trong thực tế sẽ được tính như sau:
P
dt
=
Hx
YnhYna
10
−

(kg/cm2)
Trong đó:
Y
na
– Dung dịch nặng bên trong
Y
nh
– Dụng dịch nhẹ bên ngoài
H
x
– Khoảng cách từ miệng ống đến đoạn kiểm tra
(Tức là đoạn có bề dày thành bé nhất)
Kiểm tra hệ số dữ liệu bền với áp suất dư trong:
n
3
=
Pdt
Pt
P
t
– Áp suất tới hạn bên trong của ống (tra bảng)
P
dt
– Áp suất dư trong
Chúng ta cũng cần phải tính áp suất cực đại xuất hiện tại thời điểm
cuối của quá trình bơm trám.
P
x
= 0,1 (H
x

– h) (Ydx – Y
d
) + (0,02H + 16)
Trong đó:
H
x
, h – chiều cao trám và chiều cao cột xi măng (m)
Y
dx
, Y
d
– trọng lượng riêng dung dịch xi măng trám và dung
dịch khoan, lúc này hệ số dự trữ bền là n
3
=
Px
Pt
Chiều cao cho phép hạ mức chất lỏng ở bên trong ống được xác định
(H
o
):
Trần Ngọc Hòa Lớp: Thiết bị dầu khí và công trình K50
25