Công nghệ khoan dầu khí bài giảng điện tử

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ

CƠNG NGHỆ KHOAN DẦU KHÍ

GIỚI THIỆU

Tác giả : ThS. Đỗ Quang Khánh
ThS. Bùi Tử An
Bộ môn : Khoan & Khai thác dầu khí
©Copyright 2007


Thơng tin chung
™ Mã số mơn học: 300008
™ Số tín chỉ: 03
™ Số tiết:

ƒ Lý thuyết: 42
ƒ Bài tập: 14
™ Ngành: Khoan và khai thác dầu khí
™ Mơn học trước: Cơ sở khoan và khai thác dầu khí
™ Cán bộ giảng dạy: ThS. Đỗ Quang Khánh

©Copyright 2007
GIỚI THIỆU MƠN HỌC

2


Nội dung môn học

™ Môn học cung cấp cho sinh viên những

kiến thức cơ bản về công nghệ và kỹ thuật
khoan dầu khí, bao gồm: cơ sở lý thuyết,
các khái niệm cơ bản về thủy lực và áp
suất, tính tốn thiết kế giếng, thiết bị và
dụng cụ khoan, qui trình kỹ thuật và công
nghệ khoan, đo đạc các thông số trong
q trình khoan, dung dịch khoan và dung
dịch hồn thiện giếng khoan, xử lý sự cố.

©Copyright 2007
GIỚI THIỆU MƠN HỌC

3


Hình thức đánh giá mơn học
™ Kiểm tra thường kỳ (10%), giữa kỳ (20%), và cuối

kỳ (50%).
™ Bài tập lớn (10%): 2 bài tập tính tốn thiết kế (nộp

bài trước khi kết thúc học kỳ)
™ Seminar (10%): mỗi SV (hoặc nhóm SV) chọn 1

chủ đề (nâng cao, mở rộng phần lý thuyết có
trong chương trình, hay ứng dụng thực tế...),
đăng ký vào đầu học kỳ, nhận tài liệu và chuẩn bị
báo cáo trước lớp (10 phút) và trả lời các câu hỏi

liên quan.

©Copyright 2007
GIỚI THIỆU MƠN HỌC

4


Tài liệu tham khảo chính
™ Kỹ thuật khoan dầu khí

Lê Phước Hảo (dịch), NXB Giáo dục, 1995

™ Cơ sở khoan và khai thác dầu khí

Lê Phước Hảo, NXB Đại học Quốc gia Tp. HCM,
2005.
™ Cẩm nang kỹ sư công nghê khoan các giếng sau

A.G Klalinin, R.A. Grandzumian, A.G. Messer,
NXB KH&KT, 2005
©Copyright 2007
GIỚI THIỆU MƠN HỌC

5


Tài liệu tham khảo chính
™ Primer of Oilwell Drilling

Ron Baker, Petroleum Extension Service,
University of Texas as Austin, Texas, 1997.
™ Applied Drilling Engineering

Adam T. Bourgoyne Jr., Martin E. Chenevert,
Keith K. Millheim and F.S. Young Jr., Society of
Petroleum Engineers, Richardson, TX, 1991.
™ Petroleum Engineering Handbook, Brandley,

Society of Petroleum Engineers, Richardson, TX,
USA, 1992.
©Copyright 2007
GIỚI THIỆU MÔN HỌC

6


Các chủ đề chính

1. ÁP SUẤT VỈA – ÁP SUẤT VỠ VỈA
2. THỦY LỰC KHOAN
3. THIẾT BỊ KHOAN
4. CHOÒNG KHOAN
5. DỤNG CỤ KHOAN
6. CỘT ỐNG CHỐNG
7. CƠNG NGHỆ KHOAN
©Copyright 2007
GIỚI THIỆU MÔN HỌC

7

Các chủ đề chính

8. ĐO TRONG Q TRÌNH KHOAN
9. THỬ GIẾNG TRONG Q TRÌNH
KHOAN
10. KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
11. CỨU SỰ CỐ

©Copyright 2007
GIỚI THIỆU MÔN HỌC

8


BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ

CƠNG NGHỆ KHOAN DẦU KHÍ

ÁP SUẤT VỈA - VỠ VỈA

Tác giả : ThS. Đỗ Quang Khánh
ThS. Bùi Tử An
Bộ mơn : Khoan & Khai thác dầu khí
©Copyright 2007


NỘI DUNG
™ Giới thiệu

™ Áp suất vỉa

ƒ Khái niệm
ƒ Phân loại
ƒ Các cơ chế hình thành áp suất vỉa dị thường.
ƒ Các phương pháp tính áp suất vỉa.
™ Áp suất vỡ vỉa

ƒ Khái niệm
ƒ Các phương pháp đánh giá áp suất vỡ vỉa
©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

2


GIỚI THIỆU
™ Áp suất vỉa pfp (Formation Pore Pressure): áp suất của dịng chất

lưu trong khơng gian lỗ khơng của vỉa chảy từ thành hệ vào giếng
khoan.
™ Áp suất vỡ vỉa pff (Formation Fracture Pressure): áp suất suất

giếng lớn nhất mà thành hệ có thể chịu đựng được mà khơng gây
nên phá huỷ.
⇒ 02 thông số cực kỳ quan trọng trong việc tính tốn và thiết kế khi

tiến hành khoan ⇒ Khảo sát sự thay đổi của hai thông số pfp =
F(D) và pff = F(D) theo độ sâu D.
™ Khi khoan các giếng sâu để đảm bảo an toàn đòi hỏi áp suất giếng

pw tại bất kỳ độ sâu nào cũng phải lớn hơn áp suất vỉa pfp và nhỏ
hơn áp suất vỡ vỉa pff.
⇒ pfp < pw < pff
©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

3


VIDEO
™ Áp suất giếng khoan và áp suất thành hệ (Wellbore and

Formation Pressure)

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

4


ÁP SUẤT VỈA
(tham khảo chính chương 6 Applied Drilling
Engineering)

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

5

Khái niệm
™ Áp suất vỉa pfp là áp suất của dịng chất lưu chứa

trong khơng gian các lổ rỗng chảy từ thành hệ
vào giếng khoan.
™ Áp suất vỉa pfp thường được tính thơng qua

gradient áp suất vỉa (dp/dD) là tỷ số của áp suất
vỉa và độ sâu (psi/ft).

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

6


Phân loại
™ Áp suất vỉa bình thường (normal formation

pressure):
ƒ Là áp suất vỉa khi có giá trị xấp xỉ bằng áp suất
thủy tĩnh lý thuyết của dòng chất lưu tại độ sâu
thẳng đứng cho trước ⇒ pnor.f= 0.052×ρ×D + po
ƒ Hình 1:
− Sự phân bố thơng thường của áp suất chất lưu dưới bề mặt trpog
các tầng trầm tích châu thổ nơng:

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

7


Phân loại (tt)
™ Hình 1:
ƒ Sự phân bố thơng thường của áp suất chất lưu dưới bề mặt trong các
tầng trầm tích châu thổ nơng

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

8


Phân loại (tt)
™ Áp suất vỉa dị thường (abnormal formation

pressure):
ƒ Là áp suất vỉa khi có giá trị khác biệt nhiều so
với áp suất thủy tĩnh lý thuyết của dòng chất
lưu tại độ sâu thẳng đứng cho trước
⇒ pabnor.f ≠ 0.052ììD + po

âCopyright 2007
P SUT VA P SUT V VỈA

9

Phân loại
™

Cụ thể hơn, áp suất vỉa dị thường còn được phân thành:
ƒ Áp suất vỉa dị thường dương (abnormal formation
pressure):
−

Là áp suất vỉa khi có giá trị lớn hơn nhiều so với áp
suất thủy tĩnh lý thuyết của dòng chất lưu tại độ sâu
thẳng đứng cho trước một cách bất thường:
⇒ pab.f >> 0.052 x ρ x D + po

ƒ Áp suất vỉa dị thường âm (subnormal formation
pressure):
−

©Copyright 2007

Là áp suất vỉa khi có giá trị nhỏ hơn nhiều so với áp
suất thủy tĩnh lý thuyết của dòng chất lưu tại độ sâu
thẳng đứng cho trước một cách bất thường:
⇒ psub.f << 0.052 x ρ x D + po

ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

10


ÁP SUẤT VỈA DỊ THƯỜNG

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH

(tham khảo chính chương 6 Applied Drilling Engineering)

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

11


Ảnh hưởng của sự nén chặt
™ (Compaction Effects)

σob = σz + pf

Trong đó:
ƒ σz: Ứng suất mạng thẳng đứng (vertical grain-to-grain, or
matrix stress)
ƒ pf: Áp suất vỉa
ƒ σob: Ứng suất thẳng đứng của lớp phủ bên trên (vertical
overburden stress) do tải trọng địa tĩnh gây nên ở độ sâu của
tầng trầm tích Ds được tính là:
D

σ ob = ∫ ρ b gdD
0

ƒ ρb: Tỷ trọng khối trung bình của tầng trầm tích ở độ sâu Ds
được tính thơng qua cơng thức:

ρ b = ρ g (1 − Φ ) + ρ fl Φ
©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

12


Ảnh hưởng của sự nén chặt
ƒ Φ: độ rỗng trung bình được xác định từ: Φ =

ρg − ρb
ρ g − ρ fl

và thường tuân theo quan hệ hàm mũ: Φ = Φ 0 .e − K . Ds
có phương đường thẳng trên đồ thị bán logarit (semilog)
ƒ Trong trường hợp ngồi khơi nó bao gồm hai thành phần:
− Từ

bề mặt đến đáy biển: nước biển có tỷ trọng ρsw = 8,5 lbm/gal

và độ rỗng Φsw = 1
− Từ

đáy biển đến độ sâu khảo sát: tỷ trọng chất lỏng được xem

bằng với tỷ trọng danh nghĩa của chất lưu trong vỉa có với Ds = D
- Dw

⇒ σ ob = g

Dw

∫
0

ρ sw dD + g ∫ [ρ g − (ρ g − ρ fl ).Φ 0 .e − KD ].dD
D

Dw

⇒ σ ob = ρsw.g.Dw + ρ g .g.Ds −
©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

(ρ

g

− ρ ft ).g.Φ0
K

(

. 1 − e− K .Ds

)
13

Ảnh hưởng của sự nén chặt

D (chiều sâu-depth)

Sea level

Overburden
sediments

Valve

σob

σob
Piston
p
Spring

σz

p

Connate water

Piston

σz

ƒ Cùng với độ sâu chôn vùi và
nhiệt độ tăng, nước trong lỗ

rỗng giản nở ra trong khi không
gian lỗ rỗng bị giảm bởi sự
tăng tải trọng địa tĩnh. Do vậy,
áp suất vỉa bình thường chỉ có
thể được duy trì nếu tồn tại
đoạn đường thấm được đủ cho
nước trong thành hệ thoát ra
dễ dàng.
ƒ Để minh họa nguyên lý này, ta
xem mơ hình (trên hình 2).

σob= p + σz

Hình 2. Mơ hình sự nén chặt trầm tích một chiều

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

14


Ảnh hưởng của sự nén chặt
™ Mô tả

ƒ Trong mô hình trên, các hạt đất đá được biểu diễn bằng
các piston tiếp xúc với một piston khác qua các lò xo chịu
nén. Nước nguyên sinh điền đầy không gian giữa các
piston, có một đoạn đường dịng chảy tự nhiên đến bề
mặt. Tuy nhiên, đoạn đường này có thể bị cản trở (được
biểu diễn bằng việc đóng van trong mơ hình). Các piston

chịu tải trọng do trọng lượng của lớp phủ bên trên hay tải
trọng địa tĩnh σob tại độ sâu chôn vùi cho trước. Cản trở
lại tải trọng này là do:
−

Ứng suất mạng tại mối tiếp xúc hạt với hạt theo
phương thẳng đứng σz, và:

−

Áp suất của chất lưu trong lỗ rỗng p.

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

15


Ảnh hưởng của sự nén chặt
ƒ Do vậy, ta có:

−

σob = σz + p

(6.1)

Khi nào mà nước trong lỗ rỗng cịn có thể thốt ra nhanh như tốc
độ nén chặt tự nhiên thì áp suất lỗ rỗng vẫn giữ là áp suất thủy
tĩnh. Ứng suất mạng vẫn tiếp tục tăng khi các piston chuyển

động lại gần nhau hơn cho đến khi ứng suất của lớp phủ bên
trên được cân bằng. Tuy nhiên, nếu đoạn dịng chảy của nước bị
bít lại hoặc bị cản trở mạnh thì ứng suất của lớp phủ bên trên
tăng sẽ dẫn đến sự tăng áp suất của nước trong lỗ rỗng lớn hơn
áp suất thủy tĩnh. Thể tích lỗ rỗng cũng sẽ vẫn lớn hơn bình
thường đối với độ sâu chôn vùi cho trước. Sự giảm độ thấm tự
nhiên qua sự nén chặt của các trầm tích hạt mịn như đá phiến
hay evaporit có thể tạo ra một nút bít kín cho phép tạo thành áp
suất vỉa dị thường.

©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

16


Ảnh hưởng của sự nén chặt
−

Ứng suất của lớp phủ bên trên theo phương thẳng đứng là kết
quả của tải trọng địa tĩnh tại độ sâu của tầng trầm tích Ds đối với
các trầm tích có tỷ trọng khối trung bình ρb được cho bởi:
D

σob = ∫ ρ b gdD

(6.2)

0

ƒ Tỷ trọng khối tại độ sâu cho trước quan hệ với tỷ trọng hạt ρg, tỷ
trọng chất lưu trong lỗ rỗng ρfl và độ rỗng φ như sau:

ρ b = ρ g (1 − φ) + ρ fl φ

(6.3a)

ƒ Trong một khu vực có hoạt động khoan đáng kể, sự thay đổi tỷ
trọng khối theo độ sâu thường được xác định bằng các phương
pháp carota đo địa vật lý giếng khoan thông thường. Ảnh hưởng
của độ sâu đến tỷ trọng khối trung bình đối với các tầng trầm tích tại
Texas và các khu vực bờ vịnh Louisiana được nêu trên Hình 3.
©Copyright 2007
ÁP SUẤT VĨA – ÁP SUẤT VỠ VỈA

17