Mô hình địa cơ và ứng dụng trong phân tích ổn định giếng khoan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT & DẦU KHÍ
----------

Tài liệu tham khảo
MƠ HÌNH ĐỊA CƠ VÀ ỨNG DỤNG TRONG
PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN

Biên soạn: TS. Tạ Quốc Dũng
KS: Nguyễn Văn Thuận
TP. HỒ CHÍ MINH, 2016


Tóm tắt

TĨM TẮT
Tài liệu này được trình bài gồm (5) năm chương với nội dung cơ bản để nắm cơ
bản về mơ hình địa cơ. Trong chương một chúng ta sẽ biết được các thông số cơ lý đất
đá cho mơ hình địa cơ, cách tính tốn, hiệu chỉnh và đánh giá đúng các thơng số tính
chất đất đá. Sang chương hai, chúng ta sẽ tìm hiểu về các ứng suất và áp suất, các định
nghĩa và khai niệm từng ứng suất và áp suất áp dụng trong mơ hình địa cơ. Tiếp theo
chương ba chúng ta sẽ được biết rõ về các tiêu chuẩn bền đất đá được sử trong mơ
hình địa cơ và một số hiện tượng liên quan đến ổn định giếng khoan. Từ các tiêu chuẩn
trong chương ba, chúng ta áp suật một số tiêu chuẩn phổ biến vào tính tốn các áp suất
sụp lở thành hệ, áp suất gây ra khe nứt. Cuối cùng là chương năm, trong chương này
chunga ta sẽ ứng dụng vào phân tích cho một giếng khoan cụ thể cho mỗi trường hợp
mỏ condesate và mỏ khí khi áp suất trong vỉa giảm đi và lúc trạng thái ban đầu. Ngoài
ra, trong từng chương tài liệu cũng đưa ra một số bài tập từ cơ bản đến phức tạp để cho
hiểu rõ và kiểm tra lại mực độ hiểu biết về mơ hình địa cơ, từ các bài tập có các số liệu
thực tế để tính tốn và nắm được cơng việc làm mơ hình địa cơ cũng như hiểu sâu hơn

về mơ hình địa cơ này.


Mở Đầu

MỞ ĐẦU


Mục Lục

MỤC LỤC
TÓM TẮT .................................................................................................................... II 
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... III 
MỤC LỤC ................................................................................................................... IV 
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................VII 
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... XV 
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ................................... XVIII 
CHƯƠNG 1: CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ .........................................1 
1.1. LỰC CỐ KẾT SO ................................................................................................1 
1.2. ĐỘ BỀN NÉN ĐƠN TRỤC (UCS) ....................................................................1 
1.3. ĐỘ BỀN KÉO CỦA ĐẤT ĐÁ (TO) ....................................................................8 
1.4. HỆ SỐ POISSON ( ) .........................................................................................8 
1.5. MODUN ĐÀN HỒI YOUNG (E) ....................................................................10 
1.6. MODUN CẮT (G) ...........................................................................................11 
1.7. MODUN KHỐI (KB) ........................................................................................11 
1.8. HỆ SỐ BIOT (  ) .............................................................................................12 
1.9. GÓC MA SÁT TRONG (  ) ............................................................................12 
1.10. BÀI TẬP.........................................................................................................14 
CHƯƠNG 2: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT XUNG QUANH GIẾNG KHOAN.....20 
2.1. ĐỊNH NGHĨA ỨNG SUẤT .............................................................................20 

2.2. ỨNG SUẤT TRONG KHÔNG GIAN HAI CHIỀU. .......................................24 
2.2.1. ỨNG SUẤT CHÍNH ..........................................................................24 
2.2.2. CHUYỂN ĐỔI ỨNG SUẤT ..............................................................25 
2.2.3. VỊNG TRỊN MORH TRONG KHƠNG GIAN HAI CHIỀU .........26 
2.3. ỨNG SUẤT TRONG KHƠNG GIAN BA CHIỀU .........................................27 
2.3.1. ỨNG SUẤT CHÍNH ..........................................................................27 
2.3.2. ỨNG SUẤT LỆCH VÀ ỨNG SUẤT TRUNG BÌNH .......................29 
2.3.3. CHUYỂN ĐỔI ỨNG SUẤT TRONG KHƠNG GIAN .....................29 
2.3.4. VỊNG TRỊN MORH TRONG KHÔNG GIAN 3 CHỀU................32 


Mục Lục
2.4. CÁC LOẠI ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ĐÁ VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH .............33 
2.4.1. ÁP SUẤT LỖ RỖNG (Pp) VÀ ỨNG SUẤT HIỆU DỤNG (σ) .........33 
2.4.2. ỨNG SUẤT CHÍNH THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG (Sv)..........43 
2.4.3. ỨNG SUẤT NHỎ NHẤT THEO PHƯƠNG NGANG (Shmin) ..........44 
2.4.4. ỨNG SUẤT LỚN NHẤT THEO PHƯƠNG NGANG (SHmax) .........49 
2.5. CÁC LOẠI ĐỨT GÃY CÓ THỂ XẢY RA TRONG ĐẤT ĐÁ .......................51 
2.6. ỨNG SUẤT XUNG QUANH LỖ KHOAN.....................................................53 
2.6.1. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ........................................................53 
2.6.2. ỨNG SUẤT XUNG QUANH LỖ KHOAN CÓ HƯỚNG BẤT KỲ 56 
2.6.3. ỨNG SUẤT XUNG QUANH GIẾNG ĐỨNG ..................................60 
2.6.4. ỨNG SUẤT XUNG QUANH GIẾNG NGANG ...............................61 
2.7. BÀI TẬP...........................................................................................................64 
CHƯƠNG 3: CÁC HIỆN TƯƠNG PHÁ HỦY - CÁC TIÊU CHUẨN BỀN ........80 
3.1. CÁC HIÊN TƯỢNG PHÁ HỦY GIẾNG KHOAN CÓ THỂ XẢY RA ..........80 
3.1.1. HIỆN TƯỢNG BREAKOUT [6] .......................................................80 
3.1.2. HIỆN TƯỢNG DITFS. ......................................................................82 
3.2. CÁC TIÊU CHUẨN PHÁ HỦY ......................................................................84 
3.2.1. MORH-COULOMB ...........................................................................84 

3.2.2. TRESCA .............................................................................................85 
3.2.3. LADE CẢI TIẾN ................................................................................85 
3.2.4. HOEK – BROWN ..............................................................................86 
3.2.5. GRIFFITH ..........................................................................................87 
3.2.6. GRIFFITH CẢI TIẾN ........................................................................88 
3.2.7. MOGI – COULOMB ..........................................................................88 
3.2.8. STASSI D’ALIA ................................................................................89 
3.2.9. VON MISES .......................................................................................89 
3.2.10. DRUCKER-PRAGER ......................................................................90 
3.2.11. WIEBOLS-COOK CẢI TIẾN ..........................................................91 
3.3. BÀI TẬP...........................................................................................................92 
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG CÁC TIÊU CHUẨN BỀN ĐỂ XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT
SẬP LỞ VÀ GÂY RA KHE NỨT THÀNH HỆ .......................................................96 


Mục Lục
4.1. XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT GÂY KHE NỨT .........................................................96 
4.2. XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT SẬP LỞ THÀNH HỆ ..................................................97 
4.2.1. TIÊU CHUẨN MOHR-COULOMB..................................................97 
4.2.2. TIÊU CHUẨN TRESCA ..................................................................100 
4.2.3. TIÊU CHUẨN LADE CẢI TIẾN [17].............................................102 
4.3. BÀI TẬP.........................................................................................................104 
CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN ......................................109 
5.1. CÁC KHÁI NIỆM ..........................................................................................109 
5.1.1. CỬA SỔ MÙN KHOAN ..................................................................109 
5.1.2. CHÂN ĐẾ ỐNG CHỐNG ................................................................110 
5.2. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN .....................................................112 
5.2.1. BỒN TRŨNG NAM CÔN SƠN VÀ MỎ KHÍ TH..........................113 
5.2.2. BỒN TRŨNG CỬU LONG VÀ MỎ CONDESATE ......................150 
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................189 

PHỤ LỤC ...................................................................................................................193 
A. CHỨNG MINH PHƯƠNG TRÌNH TỔNG QUAN 2.79 ...............................................193 


Danh Mục Hình Ảnh

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Các thơng số trên vịng trịn Mohr ...................................................................1 
Hình 1-2 Thí nghiệm nén đơn trục ..................................................................................2 
Hình 1-3 So sánh các mơ hình tính UCS trong cát kết....................................................4 
Hình 1-4 So sánh các mơ hình UCS trong thành hệ cát kết. ...........................................6 
Hình 1-5 So sánh các mơ hình UCS trong đá vơi. .........................................................7 
Hình 1-6 Hệ số poisson và modul đàn hồi ......................................................................9 
Hình 1-7 Mơ hình thể hiện vật thể chịu biến dạng cắt ..................................................11 
Hình 1-8 Góc ma sát trong xác định trên vịng trịn Morh ...........................................12 
Hình 1-9 UCS Bài tập 1.1..............................................................................................15 
Hình 1-10 IFC Bài tập 1.1 .............................................................................................16 
Hình 1-11 So Bài tập 1.1 ................................................................................................16 
Hình 1-12 To Bài tập 1.1................................................................................................17 
Hình 1-13 Hệ số Poisson Bài Tập 1.1 ...........................................................................17 
Hình 1-14 Modun Young Bài Tập 1.1...........................................................................18 
Hình 1-15 Modun khối Bài tập 1.1................................................................................18 
Hình 1-16 Modun Cắt Bài tập 1.1 .................................................................................19 
Hình 2-1 Biểu diễn lực và ứng suất [1] .........................................................................21 
Hình 2-2 Ứng suất cục bộ [1] ........................................................................................22 
Hình 2-3 Tác thành phần lực tác dụng lên bề mặt. [1] ..................................................22 
Hình 2-4 Các thành phần ứng suất tác dụng lên phần tử trong 3 chiều [7] ...................23 
Hình 2-5 Các thành phần ứng suất tác dụng lên mặt phẳng hai chiều [1].....................24 
Hình 2-6 Các ứng suất trong không gian hai chiều .......................................................24 

Danh Mục Hình Ảnh
Hình 2-7 Lực kéo căng tác dụng lên thanh thép (a), các lực song song và vuông góc
trên mặt m-n (b). ............................................................................................................26 
Hình 2-8 Các ứng suất tiếp và ứng suất vng góc tác dụng lên thanh thép. ...............26 
Hình 2-9 Vịng trịn Mohr thể hiện các trạng thái ứng suất trên mặt p-q. .....................27 
Hình 2-10 Các hướng cosin trong khơng gian ba chiều [1] ..........................................27 
Hình 2-11 Chuyển ứng suất từ một hệ trục toạ này sang hệ trục toạ độ khác...............30 
Hình 2-12 Các thành phần ứng suất trước và sau khi quay quanh trục z’ một góc α. ..30 
Hình 2-13: Vịng trịn Morh trong khơng gian ba chiều................................................32 
Hình 2-14 Biểu đồ điện trở suất (a) và áp suất lỗ rỗng (b) [8] ......................................38 
Hình 2-15 Biểu đồ thể hiện thời gian truyền sóng âm [8] .............................................38 
Hình 2-16: Quy luật của phương pháp độ sâu tương đương .........................................39 
Hình 2-17 Biểu đồ tra chỉ số d-exponent ......................................................................41 
Hình 2-18 So sánh chỉ số d – exponent và dc – exponent (dmod) cho cùng một giếng ..41 
Hình 2-19: Phương pháp tỉ số........................................................................................42 
Hình 2-20: Ví dụ về đường tỉ trọng bất đồng nhất ........................................................43 
Hình 2-21 Ảnh điện trở, log mật độ, log mật độ hiệu chỉnh và log đường kính. ..........44 
Hình 2-22 Tài liệu log hình ảnh xác định hướng ứng suất [6] ......................................45 
Hình 2-23 Đồ thị thể hiện áp suất theo lưu lượng bơm [6] ...........................................45 
Hình 2-24 Thí nghiệm extended leak off test [10] ........................................................46 
Hình 2-25 Đồ thị từ thí nghiệm minifracture [2] ...........................................................47 
Hình 2-26 Bề rộng breakout xung quanh giếng khoan .................................................50 
Hình 2-27 Các loại đứt gãy trong đất đá .......................................................................52 
Hình 2-28 Các loại đứt gãy trong đất đá thể hiện trên đa giác ứng suất [6] .................52 
Hình 2-29 Vị trí các ứng suất xung quanh một giếng trong thành hệ ...........................54 
Hình 2-30 Thành hệ đá ở trạng thái ổn định (a), thành hệ đá bị khoan và trạng thái ứng
suất thay đổi (b) [7] .......................................................................................................56 

Danh Mục Hình Ảnh
Hình 2-31 Ứng suất trong hệ tọa độ Đềcác (x,y,z), và Hệ tọa độ cầu (r,θ,z) trong mặt
cắt của giếng. [12] .........................................................................................................57 
Hình 2-32 Ứng suất xung quanh thanh giếng khoan .....................................................60 
Hình 2-33 Ứng suất tập trung lớn nhất và nhỏ nhất trong giếng khoan ........................61 
Hình 2-34: Giếng ngang trùng với σH. ...........................................................................62 
Hình 2-35: Giếng ngang trùng với σh. ...........................................................................63 
Hình 2-36: Bài tập 1 ......................................................................................................65 
Hình 2-37 Bài Tập 2 ......................................................................................................65 
Hình 2-38 Hình ứng suất Bài tập 2.4 .............................................................................68 
Hình 2-39 Ứng suất thẳng đứng và Áp suất thủy tĩnh Bài tập 2.10 ..............................78 
Hình 2-40 Áp suất lỗ rỗng và Overpressure ..................................................................78 
Hình 2-41 Ứng suất tại chỗ SH Sh và Sv Bài Tập 2.10...................................................78 
Hình 2-42 Ứng suất trên trục tọa độ Đecac (x,y,z) Bài tập 2.10 ...................................79 
Hình 2-43 Ứng suất trên thành giếng khoan Bài tập 2.10 .............................................79 
Hình 3-1 Hình ảnh FMI chỉ ra độ sâu bị Breakout ........................................................81 
Hình 3-2 Ứng suất tại vị trí breakouts ...........................................................................81 
Hình 3-3 Dụng cụ đo đường kính xác định breakout. ...................................................82 
Hình 3-4 Log hình ảnh thể hiện khe nứt trong quá trình khoan ....................................82 
Hình 3-5 Hướng sập lở thành giếng và hướng khe nứt trong khi khoan.......................83 
Hình 3-6 Vịng trịn Morh..............................................................................................84 
Hình 3-7 Mơ hình tiêu chuẩn Hoek-Brown sử dụng dữ liệu thí nghiệm ba trục. .........87 
Hình 3-8: Mặt phẳng    ............................................................................................88 
Hình 3-9 Tiêu chuẩn phá hủy Mogi – Coulomb ...........................................................89 
Hình 3-10 Mơ hình phá hủy Von Mises Bài Tập 3.1 ....................................................93 
Hình 3-11 So sánh Tiêu chuẩn Von Mises khi có Po và khơng có Po Bài tập 3.2 .......93 


Danh Mục Hình Ảnh

Hình 3-12 Vịng trịn Morh Bài Tập 3.3 ........................................................................94 
Hình 4-1 Các giai đoạn xảy ra khe nứt ..........................................................................96 
Hình 4-2 Các giai đoạn sụp lỡ thành hệ ........................................................................98 
Hình 5-1 Cửa sổ mùn khoan theo: (a) áp suất lỗ rỗng và ứng suất ngang nhỏ nhất, (b)
áp suất sụp lở thành hệ và ứng suất ngang nhỏ nhất, (c) giá trị lớn nhất giữa áp suất sụp
lở thành hệ và áp suất lỗ rỗng cùng một độ sâu và ứng suất ngang lớn nhất. .............110 
Hình 5-2 Các loại ống chống trong một giếng khoan .................................................111 
Hình 5-3 Vị trí khu vực mỏ TH và bồn trũng Nam Cơn Sơn ......................................113 
Hình 5-4 Cột địa tầng bồn trũng nam cơn sơn ............................................................116 
Hình 5-5 Quỹ đạo giếng khoan TH – 01 .....................................................................116 
Hình 5-6 Cửa sổ mùn khoan theo phương pháp truyền thống ....................................117 
Hình 5-7 Dự đoán phá hủy theo phương pháp truyền thống. ......................................118 
Hình 5-8 Cửa sổ mùn khoan sau khi áp suất vỉa giảm ................................................119 
Hình 5-9 Các thơng số tính chất đất đá, giá trị các ứng suất và cửa sổ mùn khoan giai
đoạn khai thác ban đầu theo tiêu chuẩn Morh - Coulomb...........................................121 
Hình 5-10 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ...........122 
Hình 5-11 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sụp lở thành hệ ...123 
Hình 5-12 Phân tích xác suất thành cơng đoạn giếng 13 3/8” khi áp dụng mơ hình địa
cơ và áp suất vỉa chưa giảm.........................................................................................124 
Hình 5-13 Phân tích độ nhạy các thông số đầu vào đoạn giếng 13 3/8”, khi áp dụng mơ
hình địa cơ và áp suất vỉa chưa giảm...........................................................................125 
Hình 5-14 Đánh giá khả năng ổn định trong giới hạn cho phép khi giếng chưa suy
giảm áp suất .................................................................................................................126 
Hình 5-15 Các thơng số tính chất đất đá, giá trị các ứng suất và cửa sổ mùn khoan giai
đoạn áp suất vỉa giảm theo tiêu chuẩn Morh - Coulomb.............................................127 
Hình 5-16 Cửa sổ mùn khoan và chiều sâu các cấp ống chống thiết kế theo tiêu chuẩn
Morh-Coulomb tối ưu sâu khi vỉa giảm áp suất ..........................................................128 


Danh Mục Hình Ảnh

Hình 5-17 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ...........129 
Hình 5-18 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sụp lở thành hệ ...129 
Hình 5-19 Phân tích xác suất thành công đoạn giếng 13 3/8” khi áp dụng mơ hình địa
cơ và áp suất vỉa chưa giảm.........................................................................................131 
Hình 5-20 Phân tích độ nhạy các thơng số đầu vào đoạn giếng 13 3/8”, khi áp dụng mơ
hình địa cơ và áp suất vỉa chưa giảm...........................................................................132 
Hình 5-21 Đánh giá khả năng ổn định trong giới hạn cho phép khi giếng giảm áp suất
.....................................................................................................................................133 
Hình 5-22 Các thơng số tính chất đất đá và các ứng suất giai đoạn khai thác ban đầu
theo tiêu chuẩn Lade cải tiến. ......................................................................................134 
Hình 5-23 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ...........135 
Hình 5-24 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sụp lở thành hệ ...136 
Hình 5-25 Phân tích xác suất thành cơng đoạn giếng thứ 3 khi áp dụng mơ hình địa cơ
và áp suất vỉa chưa giảm theo tiêu chuẩn Lade ...........................................................137 
Hình 5-26 Phân tích độ nhạy các thông số đầu vào đoạn giếng thứ 3, khi áp dụng mơ
hình địa cơ và áp suất vỉa chưa giảm theo tiêu chuẩn Lade ........................................138 
Hình 5-27 Đánh giá khả năng ổn định trong giới hạn cho phép khi giếng chưa suy
giảm áp suất .................................................................................................................139 
Hình 5-28 Các giá trị thay đổi trước và sau khi áp suất vỉa suy giảm.........................140 
Hình 5-29 Các thơng số tính chất đất đá và các ứng suất giai đoạn áp suất vỉa suy giảm
theo tiêu chuẩn Lade. ...................................................................................................141 
Hình 5-30 Cửa sổ mùn khoan và chiều sâu các cấp ống chống thiết kế theo tiêu chuẩn
Lade tối ưu sâu khi vỉa giảm áp suất ...........................................................................142 
Hình 5-31 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan. ..........143 
Hình 5-32 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sụp lở thành hệ ...144 
Hình 5-33 Phân tích xác suất thành cơng đoạn giếng 7” khi áp dụng mơ hình địa cơ và
áp suất vỉa chưa giảm theo tiêu chuẩn Lade ................................................................145 


Danh Mục Hình Ảnh

Hình 5-34 Phân tích độ nhạy các thông số đầu vào đoạn giếng ”, khi áp dụng mơ hình
địa cơ và áp suất vỉa suy giảm theo tiêu chuẩn Lade ..................................................146 
Hình 5-35 Đánh giá khả năng ổn định trong giới hạn cho phép khi giếng giảm áp suất
.....................................................................................................................................147 
Hình 5-36 Vị trí mỏ Condesate (mỏ Y) .......................................................................150 
Hình 5-37 Cột địa tầng Cenozoic Lơ 15-1 .................................................................151 
Hình 5-38: Mặt Cắt Ngang Qua Các Cấu Tạo Trong Lơ 15-1 ...................................151 
Hình 5-39 Cột địa tầng mỏ Y ......................................................................................153 
Hình 5-40 Pha đứt gãy sớm : căng dãn – tập F. ..........................................................154 
Hình 5-41 Pha đứt gãy muộn: Nghịch đảo ..................................................................155 
Hình 5-42 Quỹ đạo của giếng XX - 3P .......................................................................155 
Hình 5-43 Cửa sổ mùn khoan theo phương pháp truyền thống ..................................156 
Hình 5-44 Dự đốn phá hủy theo phương pháp truyền thống. ....................................157 
Hình 5-45 Cửa sổ mùn khoan sau khi áp suất vỉa giảm của giếng XX-3P theo phương
pháp truyền thống ........................................................................................................158 
Hình 5-46 Các thơng số tính chất đất đá, giá trị các ứng suất và cửa sổ mùn khoan giai
đoạn khai thác ban đầu theo tiêu chuẩn Morh – Coulomb giếng XX-3P....................159 
Hình 5-47 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ...........160 
Hình 5-48 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sụp lở thành hệ ...161 
Hình 5-49 Phân tích xác suất thành cơng đoạn giếng 13 3/8” khi áp dụng mơ hình địa
cơ và áp suất vỉa chưa giảm.........................................................................................162 
Hình 5-50 Phân tích độ nhạy các thơng số đầu vào đoạn giếng 13 3/8”, khi áp dụng mơ
hình địa cơ và áp suất vỉa chưa giảm...........................................................................163 
Hình 5-51 Đánh giá khả năng ổn định trong giới hạn cho phép khi giếng chưa suy
giảm áp suất .................................................................................................................164 
Hình 5-52 Các thơng số tính chất đất đá, giá trị các ứng suất và cửa sổ mùn khoan giai
đoạn áp suất vỉa giảm theo tiêu chuẩn Morh – Coulomb giếng XX-3P......................165 


Danh Mục Hình Ảnh

Hình 5-53 Chiều sâu cấp ơng chống và tỉ trọng để xuất cho giếng XX-3P ................166 
Hình 5-54 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ...........167 
Hình 5-55 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sụp lở thành hệ ...168 
Hình 5-56 Phân tích xác suất thành cơng đoạn giếng 7” khi áp dụng mơ hình địa cơ và
áp suất vỉa giảm ...........................................................................................................169 
Hình 5-57 Phân tích độ nhạy các thơng số đầu vào đoạn giếng 7”, khi áp dụng mô hình
địa cơ và áp suất vỉa giảm. ..........................................................................................170 
Hình 5-58 Đánh giá khả năng ổn định trong giới hạn cho phép khi giếng giảm áp suất
.....................................................................................................................................171 
Hình 5-59 Hình 5-60 Các thơng số tính chất đất đá, giá trị các ứng suất và cửa sổ mùn
khoan giai đoạn khai thác ban đầu theo tiêu chuẩn Lade giếng XX-3P......................172 
Hình 5-61 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ....173 
Hình 5-62 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến sập lở thành hệ tại ....173 
Hình 5-63 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ....174 
Hình 5-64 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến cửa áp suất sập lỡ .....174 
Hình 5-65 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ....175 
Hình 5-66 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sập lở ............175 
Hình 5-67 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ....176 
Hình 5-68 Ảnh hưởng của góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sập lở tại
4177mMD....................................................................................................................177 
Hình 5-69 Đánh giá rủi ro và thành cơng trong đoạn giếng 2028 -3127mMD ...........178 
Hình 5-70 Biểu đồ phân bố độ nhạy các thông số đầu vào. ........................................179 
Hình 5-71 Dự đốn phá hủy với tỉ trọng đề xuất.........................................................180 
Hình 5-72 Các thơng số tính chất đất đá, giá trị các ứng suất và cửa sổ mùn khoan giai
đoạn áp suất vỉa giảm theo tiêu chuẩn Morh – Coulomb giếng XX-3P......................181 
Hình 5-73 Chiều sâu cấp ơng chống và tỉ trọng để xuất cho giếng XX-3P ................182 


Danh Mục Hình Ảnh
Hình 5-74 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến cửa sổ mùn khoan ...........183 

Hình 5-75 Ảnh hưởng góc nghiêng và góc phương vị đến áp suất sụp lở thành hệ ...184 
Hình 5-76 Phân tích xác suất thành công đoạn giếng 7” khi áp dụng mô hình địa cơ và
áp suất vỉa giảm ...........................................................................................................185 
Hình 5-77 Phân tích độ nhạy các thơng số đầu vào đoạn giếng 7”, khi áp dụng mơ hình
địa cơ và áp suất vỉa giảm. ..........................................................................................186 
Hình 5-78 Dự đốn khả năng ổn định khi giếng giảm áp suất ....................................187 


Danh Mục Bảng Biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 Dữ liệu tính thơng số vật lý của đá ................................................................14 
Bảng 2-1 Nguồn dữ liệu để xây dựng mơ hình địa cơ . ................................................33 
Bảng 2-2: Tổng hợp các phương pháp xác định ứng suất tại chỗ. ................................51 
Bảng 2-3 Số liệu vùng vịnh Mexico ..............................................................................75 
Bảng 3-1: Giá trị m cho các loại đá ...............................................................................87 
Bảng 3-2 Dữ liệu thí nghiệm ba trục .............................................................................92 
Bảng 3-3 Kết quả thí nghiệm.........................................................................................92 
Bảng 4-1 Tỷ trọng dung dịch gây nên breakout trong giếng đứng theo tiêu chuẩn
Morh-Coulomb ..............................................................................................................99 
Bảng 4-2 Tỷ trọng dung dịch khoan gây ra break out theo tiêu chuẩn Tresca............101 
Bảng 4-3 Dữ liệu dùng cho Bài tập 4.5 .......................................................................106 
Bảng 5-1: Ống chống được thiết kế ban đầu ...............................................................115 
Bảng 5-2 Tóm tắt các đoạn giếng khác sử dụng phương pháp truyền thống và chưa
giảm áp suất. ................................................................................................................118 
Bảng 5-3 Cửa sổ mùn khoan an toàn, tỉ trọng trước và sau khi suy giảm áp suất vỉa
theo phương pháp truyền thống ...................................................................................119 
Bảng 5-4 Tóm tắt các đoạn giếng khác khi áp dụng mơ hình địa cơ và chưa giảm áp
suất theo tiêu chuẩn Morh - Coulomnb .......................................................................123 
Bảng 5-5 Tóm tắt khả năng thành công, độ nhạy của các đoạn giếng khác khi áp suất

vỉa chưa suy giảm theo tiêu chuẩn Morh - Coulomnb ................................................125 
Bảng 5-6 Tỉ trọng tối thiểu trước và sau khi suy giảm áp suất vỉa có cùng cấp ống
chống theo tiêu chuẩn Morh Coulomb ........................................................................127 
Bảng 5-7 Tóm tắt các đoạn giếng khác khi áp dụng mơ hình địa cơ và áp suất vỉa theo
tiêu chuẩn Morh - Coulomnb ......................................................................................130 
Bảng 5-8 Tóm tắt khả năng thành cơng, độ nhạy của các đoạn giếng khác khi áp suất
vỉa suy giảm theo tiêu chuẩn Morh - Coulomb ...........................................................132 


Danh Mục Bảng Biểu
Bảng 5-9 Tóm tắt các đoạn giếng khác khi áp dụng mơ hình địa cơ và chưa giảm áp
suất theo tiêu chuẩn Lade ............................................................................................136 
Bảng 5-10 Tóm tắt khả năng thành công, độ nhạy của các đoạn giếng khác khi áp suất
vỉa chưa suy giảm theo tiêu chuẩn Lade .....................................................................138 
Bảng 5-11 Tỉ trọng tối thiểu trước và sau khi suy giảm áp suất vỉa có cùng cấp ống
chống theo tiêu chuẩn Lade .........................................................................................141 
Bảng 5-12 Tóm tắt các đoạn giếng khác khi áp dụng mơ hình địa cơ và áp suất vỉa suy
giảm theo tiêu chuẩn Lade ...........................................................................................144 
Bảng 5-13 Tóm tắt khả năng thành cơng, độ nhạy của các đoạn giếng khác khi áp suất
vỉa suy giảm theo tiêu chuẩn Lade ..............................................................................146 
Bảng 5-14 So sánh cửa sổ mùn khoan an toàn giữa hai tiêu chuẩn khi áp suất vỉa chưa
suy giảm .......................................................................................................................148 
Bảng 5-15 So sánh cửa sổ mùn khoan an toàn giữa hai tiêu chuẩn khi áp suất vỉa suy
giảm .............................................................................................................................148 
Bảng 5-16 Tỉ trọng đề xuất cho giếng TH-01 .............................................................148 
Bảng 5-17 Chiều sâu chân đế ống chống thiêt kế ban đầu giếng XX-3P. ..................156 
Bảng 5-18 Cửa sổ mùn khoan an toàn, tỉ trọng trước và sau khi suy giảm áp suất vỉa
theo phương pháp truyền thống ...................................................................................158 
Bảng 5-19 Tóm tắt các đoạn giếng khác khi áp dụng mơ hình địa cơ và chưa giảm áp
suất theo tiêu chuẩn Morh - Coulomnb .......................................................................161 

Bảng 5-20 Tóm tắt khả năng thành cơng, độ nhạy của các đoạn giếng khác khi áp suất
vỉa chưa suy giảm theo tiêu chuẩn Morh - Coulomnb ................................................164 
Bảng 5-21 Tỉ trọng tối thiểu trước và sau khi suy giảm áp suất vỉa có cùng cấp ống
chống theo tiêu chuẩn Morh Coulomb giếng XX-3P ..................................................165 
Bảng 5-22 Tóm tắt các đoạn giếng khác khi áp dụng mơ hình địa cơ và áp suất vỉa
theo tiêu chuẩn Morh - Coulomb.................................................................................168 
Bảng 5-23 Tóm tắt khả năng thành cơng, độ nhạy của các đoạn giếng khác khi áp suất
vỉa suy giảm theo tiêu chuẩn Morh - Coulomb ...........................................................171 


Danh Mục Bảng Biểu
Bảng 5-24 Tỉ trọng tối thiểu trước và sau khi suy giảm áp suất vỉa có cùng cấp ống
chống theo tiêu chuẩn Morh Coulomb giếng XX-3P ..................................................181 
Bảng 5-25 Tóm tắt các đoạn giếng khác khi áp dụng mơ hình địa cơ và áp suất vỉa
theo tiêu chuẩn Morh - Coulomb.................................................................................184 
Bảng 5-26 So sánh tỉ trọng hai tieu chuẩn khi chưa giảm áp suất vỉa giếng XX-3P ..188 
Bảng 5-27 So sánh tỉ trọng hai tiêu chuẩn khi giảm áp suất vỉa giếng XX-3P .........188 


Danh Mục Ký Hiệu Viết Tắt Và Thuật Ngữ

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
α:

Hệ số Biot

σ:

Ứng suất pháp

τ:

Ứng Suất tiếp tuyến
:

Độ rỗng, lỗ rỗng

φ:

Góc ma sát trong

ν:

Hệ số Poisson

ρ:

tỉ trọng (g/cm3)

εx, εy:

biến dạng theo phương ngang và phương thẳng đứng do kiến tạo.

So:

Hệ số cố kết của đá

R:

Điện trở suất từ đường log (ohm)

Rn:

Điện trở suất từ đường chuẩn (ohm)

∆t:

Thời gian truyền sóng trên đường log (μs/ft)

∆tn:

Thời gian truyền sóng chuẩn (μs/ft)

Vp:

Vận tốc sóng P – sóng dọc (pull wave) (m/s), Vp = 304878/DTC

Vs:

Vận tốc sóng S – sóng ngang (shear wave) (m/s), Vs = 304878/DTS

DTC:

Thời gian truyền sóng dọc (μs/ft)

DTS:

Thời gian truyền sóng ngang (μs/ft),

Pp:

Áp suất lỗ rỗng (ppg, psi, Pa)

Pw:

Áp Suất Chất Lưu trong giếng (ppg, psi, pa)

Phydro: Áp suất thủy tĩnh (ppg, psi, Pa)
Sv:

Ứng suất thẳng đứng – Overburden stress (ppg, Psi, Pa)

Shmin:

Ứng suất ngang nhỏ nhất – Minimum horizontal stress (ppg, Psi, Pa)

SHmax: Ứng suất ngang lớn nhất – Maximum horizontal stress (ppg, Psi, Pa).


Danh Mục Ký Hiệu Viết Tắt Và Thuật Ngữ
x:

Ứng suất pháp theo phương x (ppg, Psi, Pa).

y :

Ứng suất pháp theo phương y (ppg, Psi, Pa).

z :

Ứng suất pháp theo phương z (ppg, Psi, Pa).

 :

Ứng suất pháp tiếp tuyến với giếng (ppg, Psi, Pa).

r :

Ứng suất theo phương bán kính giếng (ppg, Psi, Pa).

z :

Ứng suất pháp theo phương z (ppg, Psi, Pa).

 xy :

Ứng suất tiếp tuyến trên mặt x-y (ppg, Psi, Pa).

 xz :

Ứng suất tiếp tuyến trên mặt x-z (ppg, Psi, Pa).

 yz :

Ứng suất tiếp tuyến trên mặt y-z (ppg, Psi, Pa).

 r :

Ứng suất tiếp tuyến trên mặt   r (ppg, Psi, Pa).

 z :

Ứng suất tiếp tuyến trên mặt   z (ppg, Psi, Pa).

 rz :

Ứng suất tiếp tuyến trên mặt r  z (ppg, Psi, Pa).

E:

Modun Young (Gpa)

K:

Modun khối – Bulk Voulume (Mpa)

G:

Modun Cắt - Shear Modulus (Mpa)

UCS:

Độ bền nén đơn trục – Undifined Compressive Strength (Psi)

To:

Độ bền căng dãn – Tensile Strength (Psi).

NCT:

Normal Compaction Trend

θ:

Góc hợp bởi hướng SHmax và vị trí breakout (độ, degree)

wbo:

Bề rộng breakout (độ, degree)

J1,2,3:

Ứng suất bất biến lệch thứ 1, 2, 3 (deviatoric invariant stress)

I1,2,3:

Ứng suất bất biến thứ 1, 2, 3 (invariant stress)

σm:

Ứng suất trung bình


Chương 1

CHƯƠNG 1: CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ
1.1. LỰC CỐ KẾT So
Lực cố kết liên quan tới lực liên kết giữa các phân tử trong đất đá. Nó thể hiện
sự kết dính giữa các phần tử trong đất đá. S0 cũng bằng ứng suất tiếp lớn nhất đất đá có
thể chịu đựng được mà khơng xảy ra biến đàn hồi. [1]

Hình 1-1 Các thơng số trên vịng trịn Mohr
Lực cố kết được định nghĩa bằng cơng thức :
S0 

1
[ 1'   3'  sin  ( 1'   3' )]
2 cos 

(1.1)

Trong đó:  1' và  3' lần lượt là ứng suất chính hiệu dụng lớn nhất và nhỏ nhất
Lực cố kết cũng được tính thơng qua độ bền nén một trục UCS theo công thức :
S0 

UCS 1  sin 
UCS

2 cos 
2 tan 

(1.2)

1.2. ĐỘ BỀN NÉN ĐƠN TRỤC (UCS)
UCS (Undefined Compressive Strength) được xác định khi nén đất đá theo một
chiều, đất đá được đặt giữa hai tấm kim loại và được nén thẳng đứng cho đến khi bị
phá hủy. Giá trị UCS khi đó được tính : [2] [3]
UCS 

F

A

(1.3)

Ta có thể tính UCS dựa vào vịng trịn Mohr theo công thức :
UCS  Co  2S0 tan   2 So

cos 
1  sin 

(1.4)
1


Chương 1

Hình 1-2 Thí nghiệm nén đơn trục
Hiện nay có rất nhiều mơ hình xác định độ bền nén đơn trục dựa vào các dữ liệu
địa chấn và dữ liệu đo log trong khi khoan. Và ứng với mỗi loại thành hệ lại có một
mối tương quan khác nhau giữa UCS và các dữ liệu liên quan :
 Mơ hình đối với thành hệ cát kết
1. McNally:

UCS = 185165*exp(-0.037*DTC)

(1.5)

Phương trình của MacNally (1987) được hiệu chỉnh từ hàng trăm mẫu lõi từ 24
giếng khoan trong khu vực mỏ than ở Úc. Hầu hết các mẫu này gắn kết tốt với kích
thước hạt cát từ mịn đến trung bình. Phương trình MacNally có thể áp dụng cho cát kết

đã cố kết với khoảng thời gian truyền sóng từ 65 – 120 (us/ft)
2. Vernik Modified:

UCS = 145(254-204VCL)(1-2.7 )2

(1.6)

Phương trình Vernik modified (1993) sẽ cho kết quả hợp lý đối với cát kết có lỗ
rỗng nhỏ hơn 0.3 và yêu cầu phải có giá trị của thể tích sét (VCL) và độ rỗng ( ) tính
từ đường log. Các hệ số trong phường trình chủ yếu dựa trên thực nghiệm trong đó
254 là giá trị UCS đo trong mẫu khơng có lỗ rỗng, 204 là giá trị UCS đo trong sét và
2.7 có thể thay đổi giá trị này theo dữ liệu từ thí nghiệm mẫu nhưng đó là giá trị cao
nhất khi lỗ rỗng lớn hơn 0.3. Trong phương trình gốc của Vernik thì khơng có VCL,
nhưng áp dụng VCL để cải thiện kết quả chính xác
3. Hemlock:

UCS = 0.001750(RHOB*Vp2 ) - 3043

(1.7)

Phương trình Hemlock (1999) áp dụng cho cát kết vùng Alaska có hạt mịn đến
thơ nhưng chưa cố kết với độ sâu nông hơn 10000ft
2


Chương 1

10670
UCS  145[(
)  31.5]

DT

4. Freyburg:

(1.8)

Phương trình Freyburg xuất phát từ cát kết vùng Thuringia, Đức. Khi áp dụng
cho kết quả khơng hợp lý nếu UCS có giá trị lớn.
5. Schlumberger:

UCS  561* e

7.83*107 *RHOB*V p2

(1.9)

2

6. Mechpro

1  v 
UCS  2.27 *10 * ( RHOB * V ) * 
 * 1  2v  (1  0.78VCL )
1  v 
7

2 2
p

(1.10)

Mechpro là chương trình tính tốn tích chất cơ học của Schlumberger. Và
phương trình Mechpro trên là phương trình thực nghiệm tính UCS áp dụng trong cát
kết có UCS trên 4000psi. Phương trình u cầu có dữ liệu từ sóng ngang (DTS, Vp) để
tính hệ số Poisson (ν), ngồi ra cịn có các giá trị tỉ trọng, gamma rat, neutron để hiệu
chỉnh modul sóng P ( M = RHOB *V p2 ) và thể tích sét. Phương trình nay thường áp
dụng cho UCS có giá trị lớn.
7.GMI-Browse

1.31*10 7 * ROHB *V p2

UCS  6105e

(1.11)

Phương trình trên dựa vào mẫu lõi và hiệu chỉnh với các đường log trong bồn
Browse, Tây Bắc Úc. Cát kết bị hóa đá và có kết rất tốt với độ rỗng từ 5 – 12%, UCS
thường lớn hơn 12000psi.
7.GMI-Literature-Phi

UCS  40144e 10

(1.12)

Phương trình trên xuất phát từ sự tổng hợp của các dữ liệu phịng thí nghiệm với
105 mẫu được sử dụng để đo UCS từ 300-52000psi và lỗ rỗng từ 0.2 – 33%. Mặc dù
điều kiện tự nhiên và phịng thí nghiệm khơng được xác định nhưng phương trình trên
cho kết quả tốt hơn phương trình Vernik, đặc biệt cát kết có lỗ rỗng lớn.
8.GMI-Literature-E

UCS  6695e E *1.86*10

7

(1.13)

Phương trình trên xuất phát từ sự tổng hợp dữ liệu từ 86 mẫu đo UCS từ 30044000psi và modun Young (E) tĩnh từ 320000-9425000psi.
9. GMI-Jizba-Phi
10. GMI-Jizba-M

UCS  4697 0.466
UCS  3648e

RHOB*V p2 *3.65*10 7

(1.14)
(1.15)

3


Chương 1
11. GMI-Jizba-E

UCS  3668e E *4.14*10

7

(1.16)

Các phương trình của Jizba trên dựa vào thí nghiệm dữ liệu cát kết từ vùng Peak
Travis, Tesxa, Các mẫu được có độ rổng từ thấp đến trung bình (1% <

< 18%).

Modun Young (E) được tính tốn từ các thơng số tĩnh, vì thế, khả năng áp dụng của
phương trình cịn hạn chế trong cát kết chặt sít với Estatic ≈ Edynamic. Các mẫu này thực
hiện ở trạng thái mẫu khô nên khi áp dụng vào mẫu bão hóa chất lưu thì rất phức tạp
và ảnh hưởng nhiều.
So sánh các mơ hình UCS trong cát kết :

Hình 1-3 So sánh các mơ hình tính UCS trong cát kết.

4


Chương 1
 Mơ hình đối với thành hệ sét
1. Horsrud-Vp :
2. Horsrud-Phi :

UCS = 2.12*109*(DTC)-2.93
UCS = 424.7*( )-0.96

(1.17)
(1.18)

Phương trình trên dựa vào các tính tốn tại phịng thí nghiệm trong thành hệ sét
biển Bắc. Đá chủ yếu sét đệ tam có độ rỗng cao, cố kết tốt và ít bị nén chặt. khi áp
dụng cong thức trên thì độ chắc chắn lên đến 50% nếu mẫu mềm (UCS 1500psi) và độ

chắn chắn tăng lên 80 – 90% nếu mẫu cứng hơn (UCS > 7000psi).
Lỗ rỗng nên tính từ các đường log (DT, RHOB, NPHI) vì các cơng thức lỗ rỗng
chủ yếu tính cho đá của vỉa và khơng áp dụng cho sét. Nên có thể có một sai số thêm
vào khi tính UCS từ các cơng thức của Horsrud.
3. Vp Cubed

UCS  72.5* V p3 , Vp (km/s)

(1.19)

Phương trình trên xuất phát từ thí nghiệm mẫu lõi từ Vịnh Mexico. Các mẫu
chưa cố kết hay cố kết yếu.
4. Literature-Phi

UCS  145.2 *  1.143

(1.20)

Phương trình này dựa vào số liệu thí nghiệm từ 13 mẫu với 9 mẫu có lỗ rỗng ích
hơn 10%. Cho kết quả UCS thấp hơn mơ hình của Horsrud khơng nhiều. UCS trung
bình khoảng 11500psi. (Lashkaripour and Dusseault, 1993)
5. GMI - Literature-Phi

UCS  41.5*  1.762

(1.21)

Phương trình trên xuất phát từ sự tổng hợp 33 mẫu trong đó 29 mẫu được do có
lỗ rỗng lớn hơn 27%.
6. GMI - Literature-ROHB

UCS  0.0123* exp(4.98*  )

(1.22)

Phương trình áp dụng cho những thành hệ có tỉ trọng lớn hơn 2.4 g/cc.
7. GMI - Literature-E

UCS  0.2215* E 0.712

(1.23)

Phương trình trên xuất phát từ tổng hợp các 15 mẫu dữ liệu về sét bị nén chặt và
cứng với modung Young trung bình 4.35 Mpsi.
8. GOM Shales

UCS  2.05*109 * DT 3

(1.24)

5


Chương 1
Phương trình thực nghiệm trên tính UCS từ dữ liệu truyền sóng và được hiệu
chỉnh ở vùng vịnh Mexico. Áp dung công thức trên trong đá chưa cố kết hay mềm.
So sánh các mơ hình UCS trong thành hệ sét :

Hình 1-4 So sánh các mơ hình UCS trong thành hệ cát kết.

 Mơ hình đối với thành hệ đá vôi (limestone)
1. Quatif - Nphi :

UCS = 23018exp(-4.79*Nphi)

(1.25)

2. Quatif – Phi:

UCS  20849 exp( 6.95 )

(1.26)

Nphi là gia trị log neutron. Phương trình trên xuất phát từ sự tương quan giữa kết
quả thí nghiệm ba trục trên 13 mẫu limestone và log neutron trong giếng khoan tại
Trung Đông. Độ rỗng từ 4.8 – 19,7% và giá trị UCS từ 4900 – 22500 psi.
3. Militzer – DT
4. Golubev – Dt
5. Rzhewski-Phi

UCS  2.05*109 * DT 3
(2.44+109.14/DTC)

UCS = 10
UCS = A(1-B*Phi)2

(1.27)
(1.28)
6