Phân tích ổn định thành lỗ khoan bằng phương pháp địa cơ học cho giếng khoan HT01

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
GEOPET

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LẦN THỨ XIV
VỀ TÀI NGUYÊN TRÁI ĐẤT VÀ DẦU KHÍ

Phân tích ổn định thành lỗ khoan bằng phương pháp
địa cơ học cho giếng khoan HT01
TS. Tạ Quốc Dũng*
Hồ Hoàng Phúc*
Phạm Minh Khánh*
Nguyễn Bình Phương*

Đại Học Bách Khoa Tp HCM
Tòa B8 – Số 268 – Lý Thường Kiệt – Quận 10 – Tp Hồ Chí Minh
Tel: +84 945 452 576, Fax: +84 8 38 654 086, Email:
*


NỘI DUNG
HCMUT

1. Giới thiệu tổng quan
2. Mô hình địa cơ học
• Ứng suất tự nhiên
• Các quy ước
• Các tiêu chuẩn bền

3. Phân tích ổn định thành lỗ khoan
• Các bước phân tích
• Giải thuật

HCMUT

PHẦN 1: TỔNG QUAN


1. Giới thiệu tổng quan
HCMUT

 Công nghệ khoan hiện đang co
những bước phát triển đáng kể
trong những năm gần đây, bằng
chứng là:
 Đat tới những vi tri thuôc dang kho
khăn mà trước đây với công nghệ cu
không thể khoan tới.
 Khoan nghiêng, khoan ngang, khoan
đa đáy.
 Giảm giá thành khoan.


1. Giới thiệu tổng quan
HCMUT

 Măt khác, việc khoan những hô khoan
nghiêng co thể dẫn tới những vấn đề về
bất ổn đinh thành hô khoan như:
 Sư mơ rông thành hô khoan do sư phá
huỷ đá dòn.

 Sư thu hẹp bán kinh lỗ khoan do sư
phá huỷ đá dẻo.
 Nứt vỡ vỉa do áp suất giếng lớn hơn
giới han cho phép.


1. Giới thiệu tổng quan
HCMUT

 Sư nơ rông hay thu hẹp thành hô
khoan đều gây kẹt cần khoan.
 Nứt vỡ vỉa → mất dung dich khoan →
co thể dẫn tới kick → blow out.
 Tất cả các vấn đề trên đều co thể quy
ra hao tổn về tền cua, thậm chi là
con người.


HCMUT

PHẦN 2: MÔ HÌNH ĐỊA CƠ


2. Mô hình địa cơ học
HCMUT

Sv

Môt mô hình đia cơ học xác đinh là mô hình
mà các yếu tô sau được xác đinh:

 Hướng
 Đô lớn trường ứng suất tư nhiên
 Áp suất lỗ rỗng
 Tinh chất cơ học cua đá
 Mô hình nứt nẻ
 Cấu trúc đia chất

Sh

SH


2. Mô hình địa cơ học
HCMUT

a. Ứng suất thẳng đứng – Sv.
Được hiểu là tổng khôi lượng các khôi
vật chất bên trên zđe nén xuông.
Sv  g ��
z(z)dz
0






Sv: Ứng suất thẳng đứng (Pa)
z: Đô sâu cua đá (m)
ρ(z): Hàm mật đô theo đô sâu z (kg/m3)

g: Gia tôc trọng trường (9.81 m/s2)


2. Mô hình địa cơ học
HCMUT

b. Ứng suất ngang – Sh và SH.
 Gây ra bơi các dich chuyển kiến tao.
 Gồm ứng suất ngang nhỏ nhất và lớn
nhất.
 Thông thường trong các khu vưc
không xảy ra hoat đông kiến tao thì Sh
= SH.
 Ngược lai ơ những nơi co hoat đông
kiến tao diễn ra thì Sh < SH.


2. Mô hình địa cơ học
HCMUT

Phân bô và đinh hướng
cua SH ơ khu vưc châu Á
và Việt Nam.
(World stress map, 2008)


2. Mô hình địa cơ học
HCMUT

c. Quy ước.

 Là các ứng suất chinh.
SH và Sv lần lượt đinh hướng theo trục
x và y trong hệ toa đô Cartesian.
Sv vuông goc với bề măt Trái Đất.


2. Mô hình địa cơ học
HCMUT

d. Các tiêu chuẩn bền.
Trong suôt hai thế kỷ qua, đã co rất nhiều các
têu chuân bền cho vật liệu noi chung cung
như là đất đá noi riêng ra đời bơi nhiều tác
giả khác nhau và cho đến tận ngày nay các ly
thuyết này vẫn không ngừng phát triển.
Các ly thuyết này được đưa ra nhằm giải thich
cho các kết quả từ thưc nghiệm.
Morh là môt trong những nhà tên phong
trong việc phát triển mô hình cơ học cho vật
liệu.

Christian Otto Mohr 1835 - 1918


Tiêu chuẩn
Mohr - Coulomb
HCMUT

Mogi - Coulomb

Modified Lade

Stassi – D’Alia

Phương trình

Các tiêu chuẩn bền
(Mark D.Zoback,2007)

(R. Gholami et al, 2014)

(Mark D.Zoback,2007)

(Mark D.Zoback,2007)


Tiêu chuẩn

Phương trình

HCMUT

Inscribed – Drucker
Prager

(Mark D.Zoback, 2007)

Circumscribed –
Drucker Prager

(Mark D.Zoback, 2007)

Modified Wiebol Cook

(Mark D.Zoback, 2007)


HCMUT

PHẦN 3: PHÂN TÍCH ỔN
ĐỊNH


3. Phân tích ổn định thành hố khoan
HCMUT

Trường ứng suất tự
nhiên

Trường ứng suất
theo trục lỗ khoan

Phương trình
Kirsch cho trường
ứng suất quanh
thành lỗ khoan

Cửa sổ khoan

Áp suất gây sụp lở

Áp dụng thuyết
bền

Chéo hoá ma trận,
tìm ứng suất chính

Vị trí tại đó xảy ra
sụp lở hoăc nứt vơ


3. Phân tích ổn định thành hố khoan
HCMUT

Cac sô liêu đâu vao:
Đô lớn SH, Sh, Sv.
Goc phương vi cua SH.
 Tinh chất cơ ly cua đất đá theo đô sâu: UCS, goc nôi ma sát φ, hệ sô
Poisson γ, hệ sô Biot α.
Áp suất lỗ rỗng Po.
 Quỹ đao giếng khoan.


3.1. Chuyển trục
HCMUT

 Môt phân tô ứng suất trong hệ toa
đô 3D được mô tả bằng môt
tensor ứng suất.
 Ta co thể đưa tensor này từ trang

thái ban đầu sang bất kỳ kiểu đinh
hướng nào trong không gian bơi
các phép xoay trục.
 Việc xoay trục co thể được biểu
diễn thông qua các phép biến đổi
ma trận.


3.1. Chuyển trục
HCMUT

Quay môt goc a Quay môt goc ϕ
Biến
đổi
ma
tr
ậ
n
xoay
quanh trục yo
quanh trục z
o
�
 xx
�o
 xy
�
�o
�


� xz

�
cos a  sin a 0 �
�
�
A  �sin a cos a 0 �
�0
0
1�
�
�

�cos  0 sin  �
�
�
B� 0
1
0 �
�
 sin  0 cos  �
�
�

o
 xy
 xzo �
�
SH 0 0 �
�

�
o
o
T �
 yy  yz � (AB) ��0 Sh 0 ��(AB)
�
�0
0 Sv �
 oyz  zzo �
�
�
�


3.1. Chuyển trục
HCMUT

�
 xxo  S H (cos a.cos  )2  Sh (sin a.cos  )2  Sv (sin  ) 2
�
o
�
 yy
 S H (sin a)2  Sh (cos a)2
�
o
2
2
2
�



S
(cos
a
.sin

)

S
(sin
a
.sin

)

S
(cos

)
� zz
v
H
h
�o
 xy  ( cos a.sin a.cos  ) S H  (cos a.sin a.cos  ) Sh
�
�o
2
2



(cos
a
.sin

.cos

)
S

(sin
a.sin .cos  ) Sh  (sin .cos  ) Sv
�xz
H
�o
 yz  ( sin a.cos a.sin  ) S H  (cos a.sin a.sin  ) Sh
�


3.2. Phương trình Kirsch
HCMUT

Cac thanh phân ứng suất trên thanh lỗ
khoan:
 σθ: phụ thuôc vào áp suất trong lỗ khoan, đô lớn và
sư đinh hướng cua ứng suất tư nhiên, áp suất lỗ
rỗng và đô nghiêng lỗ khoan.
 σz: phân bô dọc theo trục giếng trên thành lỗ khoan
và không bi ảnh hương trưc tếp bơi tỷ trọng dung

dich khoan.
 σr: phân bô dọc theo phương bán kinh và vuông goc
với thành lỗ khoan. Phụ thuôc trưc tếp vào áp suất
lỗ khoan và áp suất lỗ rỗng.


3.2. Phương trình Kirsch
HCMUT
o
o
4
2
2
�
 xxo   yyo
Rw2  xx   yy
Rw4
Rw2
R
R
R
o
r 
(1  2 ) 
(1  3 4  4 2 ) cos 2   xy
(1  3 4w  4 2w ) s in2  Pw 2w
�
2
r
2

r
r
r
r
r
�
o
o
�
 xxo   yyo
Rw2  xx   yy
Rw4
Rw4
Rw2
o
 
(1  2 ) 
(1  3 4 ) cos 2  xy (1  3 4 ) sin 2  Pw 2
�
2
r
2
r
r
r
�
�
� o
�
Rw2

Rw2
o
o
o
�
 z   zz  �2  xx   yy 2 cos 2  4 xy 2 sin 2 �
�
r
r
�
�
�
�
 yyo   xxo
Rw4
Rw2
Rw4
Rw2
o
 r 
(1  3 4  2 2 ) sin    xy (1  3 4  2 2 ) cos 2
�
2
r
r
r
r
�
�
Rw2

o
o
  z   xz sin    yz cos (1  2 )
�
r
�
�
Rw2
o
o
 rz   xz cos   yz sin  (1  2 )
�
r
�














3.2. Phương trình Kirsch
HCMUT

r = Rw →

�
 r  Pw
�
o
o
o
o
    xxo   yy
 2  xx
  yy
cos 2  4 xy
sin 2  Pw
�
�
o
o
o
o
�
�
�





2




cos
2


4

sin
2

�z
zz
xx
yy
xy
�
�
�
�
 r  0
�
�
  z  2  xzo sin    yzo cos
�
�
 rz  0
�














3.3. Chéo hoá tensor ứng suất
HCMUT

�
r
�
�0
�0
�

0 0 �
�
  z �
 z  z �
�

�Pw

�
�0
�0
�

0 0�
�
a 0 �
0 b �
�

�
1
1
2  4 2


(



)

(



)
�
z 2

z

z
�a 2 
�
1
1
�
  (   z ) 
(   z )2  4 2

z
�
2
�b 2