Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan thân nhánh giếng khoan khai thác đường kính nhỏ tại bể cửu long nhằm tăng cường thu hồi dầu CHUYÊN ĐỀ SỐ 6.15 Nghiên cứu đánh giá và lựa chọn các thiết bị phụ trợ khác

BỘ CÔNG THƯƠNG
Đề tài “ Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan thân nhánh giếng khoan khai
thác đường kính nhỏ tại bể cửu long nhằm tăng cường thu hồi dầu” thuộc “đề án
đổi mới và hiện đại hóa công nghệ trong ngành công nghiệp khai khoáng đến
năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025”

Đơn vị chủ trì : Trường Đại Học Mỏ Địa Chất
Chủ nhiệm đề tài: T.S Triệu Hùng Trường

CHUYÊN ĐỀ SỐ 6.15
Nghiên cứu đánh giá và lựa chọn các thiết bị phụ trợ khác
Người thực hiện:
1.
2.

1

1


Hà Nội tháng 08 năm 2013
Nghiên cứu đánh giá và lựa chọn các thiết bị phụ trợ:
1. Giới thiệu chung về công tác rửa giếng khoan :
Trong quá trình thi công khoan các giếng khoan ngoài việc thực hiện công tác
nâng thả bộ dụng cụ khoan hoặc cột ống chống bằng thiết bị nâng thả ( cụm tời)
cần phải tiến hành công tác bơm rửa giếng với mục đích làm sạch mũi khoan ở
đáy giếng . Hiện nay công tác này thực hiện nhờ thiết bị bơm . Khi khoan công
tác bơm rửa cần phải đảm bảo các yêu cầu sau :
- Khối lượng nước rửa phải đủ để làm sạch mũi khoan ở đáy và đưa mũi
-

khoan lên mặt đất.
Mật độ nước rửa phải đảm bảo yêu cầu tạo áp lực lên vỉa
Đảm bảo sự ổn định của thành giếng khoan
Không gây nhiễm bẩn cho tầng sản phẩm
Có khả năng giữ mũi khoan ở trạng thái lơ lửng
Đảm bảo công suất thủy lực cho động cơ đáy
Có khả năng bôi trơn, làm mát dụng cụ phá hủy và cho tốc độ cơ học tốc
độ hiệp khoan cao

Để đáp ứng những yêu cầu nêu trên thì việc chọn loại dung dịch cũng như công
suất của máy bơm đóng vai trò rất quan trọng. Nội dung phần này chủ yếu đề
cập đến việc tính toán để lựa chọn máy bơm khoan phục vụ cho công tác bơm
giửa giếng nhánh đường kính nhỏ. Để chọn được máy bơm hợp lý ta xét hai
thông số : Lưu lượng và áp suất làm việc của nó

2

2


Tên bài :
Phương pháp xác định các thông số cần thiết của thiết bị bơm để khoan các
giếng có góc nghiêng lớn.
Đặt vấn đề
Khi khoan trong điều kiện bình thường lưu lượng nhỏ nhất đảm bảo làm sạch
giếng khoan khi thiết kế thông số chế độ khoan được xác định theo công thức:
Qmin = 0,785.Vx. 103

(6.15.1)

Trong đó
Vx : Tốc độ trung bình của dòng chảy trong khoảng không vành xuyến
(m/s)
Dg, Dc : Tương ứng là đường kính giếng khoan và đường kính ngoài của
cầu khoan (m)
Giá trị Vx xác định từ điều kiện lắng của hạt mùn theo công thức:
Vx = 1,2 VL
VL: Tốc độ lắng của hạt mùn trong khoảng vành xuyến(m/s) và tính theo
công thức

Ở đây : R – Hằng số Rittinger ( R= 5,72m/s)
d0 : Đường kính hạt mùn (m)
: Mật độ của đất đá (kg/m3)
: Mật độ của dung dịch (kg/m3)

3

3


Tương ứng với điều kiện trên A.G. Calinhin [ ] xác định Q min theo công
thức:

Qmin = 0,785. qs.

(6.15.2)

Trong đó:
Qs : Lưu lượng nước rửa cho 1 đơn vị diện tích đáy

(qs = 0,50 – 0,65 m/s)
Dch : Đường kính choong khoan(m)
Nếu xuất phát từ yêu cầu công nghệ khoan thì lưu lượng cần thiết để đảm
bảo cho choong khoan phá hủy đất đá có hiệu quả được xác định theo công
thức [ ]
(6.15.3)
Trong đó : Qcn : Lưu lượng cần thiết để choong làm việc có hiệu quả (m3/s)
Pmax : Áp suất lớn nhất của máy bơm ở cửa xả (MPa)
P1 : Áp suất cần thiết để phá hủy sự liên kết của các hạt mùn trên
bề mặt choong( MPa)
Pc : Áp suất động lượng của choong( khi dùng choong phun tia)
(MPa) ( xung áp)
: Mật độ của nước rửa trong cầu khoan và trong khoản không vành
xuyến (kg/m3)
: Chiều dài của cột cầu với đường kính trong khác nhau(m)
: Hệ số tổn thất thủy lực tương ứng với cầu khoan có đường kính
khác nhau:
Hệ số tổn thất cục bộ ( Không phụ thuộc chiều dài)
4

4


Tương tự với trường hợp này, theo A.G. Calinhin [ ] thì lưu lượng cần
thiết đảm bảo cho choong làm việc có hiệu quả khi khoan các giếng khoan
nghiêng định hướng với góc đứng Q ≤ 600. Xác định theo công thức:
Qcn = 0,785(K1.K2.U+C)(K3 - ) (6.15.4)
Trong đó
K1 : Hệ số kể đến điều kiện cân bằng của các hạt mùn trong dòng chảy ở
vành xuyến (K1 = 1,14)

K2 : Hệ số kể đến chuyển động quay của bộ dụng cụ ( K2 = 0,79 ÷ 0,83)
K3 : Hệ số kể đến sự mở rộng thành giếng khoan
U : Tốc độ lắng tính toán của hạt mùn và xác định theo công thức :
U = K4.
Ở đây :

K4 : Hệ số kể đến dạng hạt mùn ( dạng đinh trụ)
K4 = 3-4, dạng mảnh vụn (K4 = 2÷3)
d0 : ĐƯờng kính trung bình của hạt mùn(m)
: Tương ứng là trọng lượng riêng của hạt mùn và dung dịch
: Tốc độ dư xác định phụ thuộc vào mức độ cho phép của
hàm lượng mùn khoan trong nước rửa. Đối với giếng khoan
thẳng đứng tốc độ dư C tính theo công thức

Ở đây : Vch = Tốc độ cơ học khoan m/s
Fđ, Fx : Tương ứng là diện tích tiết diện đáy và khoảng vành xuyến (m2)
: Hàm lượng mùn cho phép (
5

5


Đối với các giếng có góc nghiêng theo [ ] thì để đưa mùn khoan lên mặt
có hiệu quả thì dung dịch phải chuyển động ở chế độ chảy rối, và khi cột cần
khoan không quay ( Khi khoan bằng động cơ đáy) tốc độ dư C xác định từ công
thức:
C = (47÷54).
Ở đây : Ứng suất trượt động lực (
: Trọng lượng riêng của dung dịch (N/m3)
Trên cơ sở phân tích các phương pháp đánh giá khả năng vận chuyển mùn

khoan của dung dịch khoan V.I Crulov [ ] đưa ra công thức đánh giá mức độ
làm sạch giếng khoan bằng công thức
(6.15.5)
Trong đó
: Mật độ của dung dịch
Q : Lưu lượng dung dịch bơm rửa giếng m3/s
k : Hệ số đậm đặc của dung dịch. PaS
: Góc đỉnh của giếng ( với )
Kg : Chỉ số đánh giá mức độ làm sạch giếng
Nếu biểu diễn hệ số qua độ nhớt dẻo và ứng suất trượt động lực thì biểu thức
(6.15.5) được viết dưới dạng sau và dùng để tính toán lưu lượng cần thiết đảm
bảo làm sạch giếng, có góc nghiêng

.

6

6


Khi nghiên cứu chế độ rửa giếng khoan V.M Senberg và G.P. Zojulia [ ] phân
các giếng thành 3 nhóm theo góc nghiêng tương ứng với đặc điểm phân bố mùn
khoan trong dòng chảy ngoài cầu cột cần như sau :
Nhóm 1 : 0-300 : Các hạt mùn phân bố đều trong dòng chảy
Nhóm 2 : 300 – 600 : Tăng hàm lượng mùn ở thành dưới của giếng do lắng đọng
nhưng các hạt mùn có thể trượt xuống dưới ngược với hướng của dòng dung
dịch.
Nhóm 3 : 600 – 900 : Mùn khoan lắng đọng và tích tụ ở thành dưới của giếng và
các hạt mùn không có khả năng trượt.
Do hiện tượng tích tụ này mà thành dưới của giếng hình thành lớp mùn

và phân bố không đều do có sự lệch tâm giữa cột cầu với giếng. Đặc điểm này
các công trình nghiên cứu nêu trên chưa tính đến khi xác định lưu lượng cần
thiết để làm sạch giếng khoan với góc nghiêng lớn
Cũng theo V.M Senberg khi khoan các giếng khoan ngang hoặc có góc
nghiêng lớn ( thân giếng nhánh đường kính nhỏ) để vận chuyển được hạt mùn
tích tụ ở thành dưới giếng khoan cần có tốc độ chảy lớn, tạo ra các dòng xoáy ở
chế độ chảy rối, các dòng xoáy này sẽ cuốn theo các hạt mùn và đưa chúng vào
vùng tốc độ cao. Khi các dòng xoáy giảm hoặc với tốc độ của dòng tương
đương với tốc độ lắng của hạt mùn thì hạt mùn được giữ ở trạng thái lơ lửng và
sẽ được đưa vào vùng tốc độ cao do những dòng xoáy tiếp theo.
Theo tính toán và thực nghiệm cho thấy các hạt mùn có kích thước có
thể vận chuyển ở trạng thái lơ lửng, còn những hạt có kích thước lớn chỉ có thể
vận chuyển được nhờ các dòng xoáy ở chế độ chảy rối. Trong trường hợp này
ứng suất tiếp trên thành giếng tạo nên do dòng nước rửa xác định theo công
thức:
( 6.15.7)
7

7


Trong đó :
Độ dốc của Thủy lực
: Mật độ của nước rửa
R, Dg : Tương ứng là bán kính thủy lực và đường kính của giấy
: gradien áp suất
Và lực cản chuyển động đối với hạt mùn
Fc =

(6.15.8)

Ở đây :
S : Diện tích hình chiếu của hạt lên hướng thành dưới của giếng.
G : Trọng lượng hạt mùn
Fa : Lực Aximit
: Hệ số cản chuyển động
Để đơn giản ta coi các hạt mùn có dạng hình cầu, khi đó
(6.15.9)
Ở đây : : Mật độ của hạt mùn
D : Đường kính tương đương của hạt mùn
Từ (6.15.7)và (6.15.8) ta có trước điều kiện để hạt mùn vận chuyển được
bằng dòng nước rửa theo thành dưới cảu giếng.
(6.15.10)
Ở đây : =
Khi nước rửa chảy ở chế độ chảy rối thì chênh áp tại khoảng vành xuyến
lệch tâm xác định theo công thức
8

8


(6.15.11)
Trong đó Hệ số cản thủy lực
Ud : Tốc độ trung bình của dòng nước rửa, ở chế độ chảy rối, tốc
độ này trở thành dòng xoáy khi:
Ud
(Ở đây U là tốc độ lắng của hạt mùn –xem công thức 6.15.4)
e : Độ lệch tâm tương đối tương đối của cột cầu trong giếng và được xác
định theo công thức.

Trong đó : đường kính ngoài của đầu nối cầu khoan
Từ đó sau khi biến đổi ta được điều kiện vận chuyển các hạt mùn ở thành
dưới giếng khoan

Q = Ud.Sx

(6.15.12)

Đối với chất lỏng Bingham độ chênh áp trong khoảng vành xuyến lệch
tâm xác định bằng công thức [ ]

+

(6.15.12)

Thang giá từ(6.15.12) vào biểu thức (6.15.10) ta có lưu lượng nước rửa
cần thiết để làm sạch giếng khoan đáp ứng yêu cầu độ sạch mùn cho choong
làm việc có hiệu quả và khắc phục được hiện tượng kẹt mút bộ dụng cụ khoan.
(6.15.13)
Trong các công thức trên :

Diện tích tiết diện lớn nhất của vành

xuyến giữa cột cầu với thành giếng)
9

9


: Độ nhớt dẻo của nước rửa( độ nhớt cấu trúc)

Như vậy để xác định lưu lượng nước rửa cần thiết làm sạch mùn khoan
trong quá trình khoan các giếng có độ nghiêng lớn . Tùy theo loại chất lỏng rửa
ta áp dụng công thức(6.15.12) hoặc (6.15.13) và lưu lượng tính toán phải đáp
ứng yêu cầu làm việc của động cơ trục vít ( Các hoạt động cơ trục vít để khoan
với đường kính choong từ 165,1mm đến 215,9mm cầu lưu lượng nước rửa Q =
10÷30l/s).
Ngoài thông số lưu lượng ta cần xác định tổn thất áp suất trong quá trình
khoan tân giếng đường kính nhỏ để chọn thiết bị bơm có áp suất làm việc phù
hợp. trong quá trình khoan có những thành phần tổn thất như sau :
P = P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6 + P7
Trong đó :
P1 : Tổn thất áp suất trong cột cần khoan
P2 : Tổn thất áp suất trong khoản không vành xuyến
P3 : Tổn thất áp suất trong các đầu nối cần
P4: Tổn thất áp suất trong cần nặng
P5 : Tổn thất áp suất ở choong khoan
P6: Tổn thất áp suất ở manhiphon
P7 : Tổn thất áp suất ở động cơ đáy
Để xác định các thành phần tổn thất có thể dùng các công thức giải tích
và thực nghiệm [ ] Qua nghiên cứu và phân tích các phương pháp kết hợp với
đặc điểm vận chuyển mùn khoan trong các giếng khoan có góc nghiêng lớn và
khoan ngang các thành phần tổn thất xác định như sau:
- Tổn thất áp suất trong cột cần khoan P1 xác định theo công thức
P1 = 82,6.
(6.15.14)

10

10

Trong đó : : Hệ số tổn thất thủy lực được xác định phụ thuộc vào chế độ
chảy
Đối với nước rửa là chất lỏng Newton trị số Reunol tính theo công thức
( 6.15.15)
Ở đây : : Trọng lượng riêng của nước rửa

: Độ nhớt cấu trúc của nước rửa
: Ứng suất trượt động lực của nước rửa
Với giá trị Re < 2300 chế độ chảy là chảy tầng và R e > 2300 là chế độ
chảy rối.
Hệ số tổn thất thủy lực ở chế độ chảy tầng

Hệ số tổn thất ở chế độ chảy rối

Theo B.X.Philaton ở chế độ chảy rối, hệ số phụ thuộc vào hàm lượng
pha sẵn có trong nước rửa. Với dung dịch sét

= 1,15 ÷ 1,25 g/cm3 chọn = 0,018 ÷ 0,020 với dung dịch nặng = 0,017
÷ 0,018 ; và dung dịch nhẹ = 0,020 ÷ 0,025
Trong trường hợp nước rửa là chất lỏng nhớt dẻo ( chất lỏng Bingham) trị
số Reunol tính theo công thức:
(6.15.16)
Và chỉ số Bengham:
(6.15.17)
Nếu < 2100 là chế độ chảy tầng và xác định từ biểu thức
( 6.15.18)
Nếu > 2100 là chế độ chảy rối và xác định từ biểu thức
11

11


(6.15.19)
Trong các công thức trên :
: bán kính thủy lực

Ở đây : d là đường kính của cần khoan
L : Chiều sâu của giếng khoan
Lcn : Chiều dài của cần nặng
- Tổn thất áp suất trong khoảng không vành xuyến P 2 xác định theo công
thức
(6.15.20)
Trong đó : Hệ số tổn thất thủy lực ở khoảng không vành xuyến và được xác
định phụ thuộc vào chế độ chảy.
Đối với nước rửa là chất lỏng Newton trị số Rewnol tính theo công thức
Rc =

( 16.15.21)

Ở đây : Vx – tốc độ của dòng chảy trong khoảng vành xuyến
Vx =
Nếu Rc < 2300 là chế độ chảy tầng và Re > 2300 là chế độ chảy nối

Và ở chế độ chảy rối

-Nếu nước rửa là chất lỏng Binghan trị số Ruinol và chỉ số Bingham xác định
theo công thức (6.15.16) và (6.15.17). với Re*<2800 là chế độ chảy tầng và hệ
số X2 xác định theo công thức [

]:

X2 = +
12

12


(các hệ số A = 1,5 ; B = 1,12)
Với Re* > 2800 là chế độ chảy nối và khi đó hệ số xác định từ công thức :

= 0,0032 +
(Hệ số c = 1,05)
-tổn thất áp suất trong các đầu nối cần khoan P3 xác định theo công thức :
P3 = 82,6

(16.15.22)

Trong đó: – hệ số cản thủy lực tương tự như với cần khoan)
Le – chiều dài của cần khoan ( khoảng cách giữa các đầu nối trong
khoảng tính toán )
d – đường kính trong của đầu nối
- Tổn thất áp suất trong cột cần nặng P4 xác định theo công thức :

P4 = 82,6. .

(16.15.23)

Trong đó: – hệ số tổn thất (lấy tương đương như với cần khoan cho từng loại
chất lỏng rửa )

ltd – chiều dài tương đương quy đổi của cần năng và kén định từ biểu thức:

13

13


L = lcn .
Trong đó : dcn – chều dài cân nặng trong bộ dụng cụ khoan
dk – đường kính trong của cần khoan
dcn – đường kính trong của cân nặng
- Tổn thất áp suất trong động cơ đáy P7 hiện nay để khoan các ghiếng
khoan , nghiêng định hướng và khoan ngang , trong số động cơ đáy
thường đúng là tuabin khoan và động cơ trục vít . Các thông số làm việc
của động cơ đáy đều phụ thuộc vào lưu lượng nước rửa và độ chênh áp,
cho nên khi tính toán tổn thất áp lực ta có thể lấy theo đặc tính kỹ thuật
của động cơ. Ở đây cần phải chú ý đối với động cơ trục vít có 2 chế độ
làm việc , chế độ tương ứng với giá trị hiệu suất cao nhất gọi là chế độ tối
ưu, và chế độ tương ứng với khi công suất động cơ đạth giá trị cực đại thì
gọi là chế độ hiệu quả. Và trong ddoogj cơ trục vít 2 chế độ này không
trùng nhau. Vùng làm việc ổn định của động cơ trục vít thường nằm giữa
2 chế độ nêu trên. Trong đó đối với động cơ trục vít ta nên chọn giá trị
tổ thất áp lực ở chế độ tối ưu để đảm bảo an toàn cho quá trình khoan.
Các động cơ đáy hiện nay làm việc với chênh áp 6 11Pa .
- Các thành phần tổn thất : Tổn thất trong manh phối (P 6) và tổn thất ở
choòng khoan P5 ( đối với choòng không trang bị vòi phun thủy lực )
thường có giá trị không lớn 5 7 % tổng tổn thất trong hệ thống tuần hoàn
nước rửa.
Choòng khoan có vòi phun thủy lực ngoài việc dùng để phá hủy đất đá ở
đáy ( đối với đất đá mềm) hoặc tác dụng cơ học (trực tiếp) lên đất đá còn

tăng khả năng làm sạch mùn ( với tốc độ của dòng 80 120 m/s). Trong
trường hợp chúng
-

14

14


Ta có thông số của vòi phun thì tổn thất áp suất xác định theo công thức :

P5 = d

( 16.15.24)

Trong đó: – Mật độ của nước rửa
µ v – Hệ số lưu lượng , phụ thược vào cấu tạo của vòi phun và lấy với
giá

trị µv = 0,7
– Tổng tiết diện lỗ của vòi phun

Trong trường hợp ta không có thông số của vòi phun thì thao [5] ta thấy giá trị
tổn thất ở choong có vòi phun không lớn hơn 13MP a để dảm bảo cho các chi tiết
của vòi phun không bị hư hỏng kho choòng làm việc.
Như vậy bằng phương pháp tính toán trình bày trên chúng ta xác định được
thông số chính : Lưu lượng và áp suất cần thiết của máy bơm để khoan ghiếng
thân nhánh đường kính nỏ từ thân ghiếng chính . Khi tính toán các thánh phần
tổn thất cần phải lưu ý đến cấu trúc củ thân ghiếng chính để phân thành các
đoạn cho phàu hợp . Với các giá trị Q và P đã xác định được ta tính , công suất

thủy lực của máy bơm theo công thức:
Ntl = (kw)
Với các máy bơm piston hiện nay đang sử dụng có hiệu suất : chung
= ( đáy – Hiệu suất thủy lực, + 0,95
– Hiệu suất cò khí , = 0,81 0,83
= 0,75 0.85
Công suất cần thiết của động cơ dẫ đọng máy bơm là:
Nđc =

15

( kw)

15


3. Chọn thiết bị bơm rửa và các thiết bị khác.
Như trình bày ở trên và và qua thực tế thi công ta thấy để đảm bảo làm sạch
ghiếng khoan khi khoan thân nhánh ghiếng ,khoa đường kính nhỏ từ thân
ghiếng chính và đạp ứng công suất làm việc của động cơ đáy máy bơm cần có
lưu lượng và áp suất lớn . khi chọn máy bơm cần chú ý:
- Nếu chọn máy bơm puston loại 3 xilanh tác dụng đơn, vì loại này có khả
năng tạo áp suất lớn và mức độ ổn định lưu lượng cao9 hơn so với máy
bơm 2 xilanh tác dụng kép .Hai yếu tố này ảnh hưởng rất lớn tới tác dụng
làm việc của động cơ đáy.
- Trong quá trình khoan cần phải điều chỉnh lưu lượng cho phù hợp . khi
khoan thân nhánh đường kính nhỏ bằng động cơ trục vít , khi bơm rửa
bùn khoan . Khi cắt ống chống để mở cửa sỏ thân nhánh ghiếng và khi hệ
thống MWD làm việc cho nện cần phải chọn động cơ dẫn động bơm cho
phép điều chỉnh số hành trình của puston ( tốc độ củ trục khuỷu máy

bơm) . Dể đáp ứng nhu cầu này nên chọn động cơ dẫn động có dẫn động
máy bưm là động cơ điện có trang bị bộ biến đổi thezistor , còn động cơ
tefan do đặc tính điều chỉnh hạn chế nê không có hiệu quả.
Đồng thời với việc chọn động cơ dẫn động bơm ta cũng cần phải trang bị 1
máy bơm dự phòng cùng loại . Để điều chế ( gia công ) và làm sạch dung dịch
rũa cần phải trang bị thêm các thết bị:
-

Sàng rung
Thiết bị tách cát
Thiết bị tách bùn
Thiết bị khử khí độc
Bình điều hòa
Các máy bơm ly tâm
Máy khuấy trộn
Hệ thống đường ống hút , ống đẩy , máy tuần hoàn , thùng ( bể) chứa …,
các loại van.

Các thiết bị này phải có công suất tương ứng với lưu lượng của máy bơm.
16

16


17

17