Nghiên cứu hoàn thiện chế độ công nghệ khoan các giếng có độ dời đáy lớn ở thềm lục địa việt nam

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Nguyễn Thế Vinh

NGHIÊN CỨU HỒN THIỆN
CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ KHOAN CÁC GIẾNG
CÓ ĐỘ DỜI ĐÁY LỚN
Ở THỀM LỤC ĐỊA NAM VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2012


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Nguyễn Thế Vinh

NGHIÊN CỨU HỒN THIỆNCHẾ ĐỘ
CƠNG NGHỆ KHOAN CÁC GIẾNG CÓ ĐỘ DỜI ĐÁY LỚN
Ở THỀM LỤC ĐỊA NAM VIỆT NAM
Chuyên ngành: Khoan và Hoàn thiện giếng dầu khí
Mã số: 62.53.50.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. LÊ XUÂN LÂN
2. TSKH. TRẦN XUÂN ĐÀO

Hà Nội - 2012


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong một cơng
trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Thế Vinh


ii

MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................v
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu của luận án ...........................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2

4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................3
7. Điểm mới của luận án .............................................................................................4
8. Luận điểm bảo vệ ....................................................................................................4
9. Cơ sở tài liệu của luận án ........................................................................................4
10. Khối lượng và cấu trúc của luận án.......................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ CÔNG TÁC KHOAN .......................6
1.1. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả công tác khoan ....................................................6
1.1.1. Chỉ tiêu về chất lượng .......................................................................................6
1.1.2. Chỉ tiêu về số lượng ..........................................................................................6
1.1.2.1. Các chỉ tiêu về tốc độ .....................................................................................6
1.1.2.2. Chỉ tiêu về giá thành ....................................................................................10
1.1.2.3. Năng lượng tiêu hao để phá hủy đất đá ở đáy lỗ khoan ...............................11
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới chỉ tiêu đánh giá công tác khoan ..............................13
1.2.1. Ảnh hưởng của tải trọng chiều trục .................................................................14
1.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay ...................................................................17
1.2.3. Ảnh hưởng đồng thời của tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay ...............19
1.2.4. Ảnh hưởng của các thông số thủy lực .............................................................20
1.2.5. Ảnh hưởng của chất lượng dung dịch .............................................................23


iii

1.2.6. Ảnh hưởng của tính chất cơ lý của đất đá .......................................................25
1.2.7. Ảnh hưởng của ổn định động học của hệ động lực học quá trình khoan ........26
1.2.7.1. Ảnh hưởng của các dao động .......................................................................26
1.2.7.2. Các yếu tố gây mất ổn định hệ động lực học trong quá trình khoan ...........30
1.3. Kết luận ..............................................................................................................34
CHƯƠNG 2: HOẠT ĐỘNG KHOAN TẠI THỀM LỤC ĐỊA NAM VIỆT NAM .36

2.1. Địa tầng và các đối tượng khai thác dầu khí ......................................................36
2.1.1. Địa tầng mỏ Bạch Hổ ......................................................................................38
2.1.2. Các đối tượng khai thác dầu khí của mỏ Bạch Hổ ..........................................42
2.2. Quá trình phát triển ............................................................................................43
2.3. Quĩ đạo và cấu trúc giếng...................................................................................47
2.3.1. Quĩ đạo giếng ..................................................................................................47
2.3.2. Cấu trúc giếng .................................................................................................47
2.4. Độ dời đáy và tỷ lệ cong xiên ............................................................................50
2.5. Một số đặc điểm thi công khoan ở mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng ...........................51
2.6. Kết Luận .............................................................................................................52
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ ĐỘNG LỰC HỌC
Q TRÌNH KHOAN BẰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC .........................................53
3.1. Đặc điểm làm việc của hệ động lực học quá trình khoan ..................................53
3.2. Nghiên cứu trạng thái làm việc của hệ động lực học quá trình khoan ...............57
3.2.1. Các lý thuyết áp dụng ......................................................................................57
3.2.2. Đánh giá ổn định động học của hệ động lực học quá trình khoan ..................61
3.3. Đánh giá hiệu quả khoan trong đá móng mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng .................74
3.3.1. Các vùng làm việc của chng .......................................................................75
3.3.2. Đánh giá hiệu quả khoan trong đá móng ........................................................76
3.4. Kết luận ..............................................................................................................85
CHƯƠNG 4: HỒN THIỆN CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ KHOAN KHI KHOAN
TRONG ĐÁ MÓNG MỎ BẠCH HỔ VÀ MỎ RỒNG ............................................87
4.1. Các phương pháp nghiên cứu lựa chọn chế độ công nghệ khoan ......................87


iv

4.2. Lựa chọn thông số chế độ khoan khi khoan trong đá móng
mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng ..........................................................................................88
4.2.1. Lựa chọn thông số chế độ khoan bằng năng lượng cơ học riêng ....................89

4.2.2. Lựa chọn thông số chế độ khoan trên quan điểm bền động học .....................94
4.2.2.1. Lựa chọn mô hình xác định thơng số chế độ khoan.....................................94
4.2.2.2. Xác định hệ số thực nghiệm cho các mơ hình thơng số chế độ khoan ........96
4.2.2.3. Lựa chọn thông số chế độ khoan khi khoan trong đá móng ........................98
4.3. Áp dụng các thông số chế độ khoan lựa chọn vào thực tế ...............................111
KẾT LUẬN .............................................................................................................114
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................115
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ....................116
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................117
PHỤ LỤC 1: BẢNG MẪU SỐ LIỆU KHOAN THỰC TẾ ...................................121
PHỤ LỤC 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ THỰC NGHIỆM .......122
PHỤ LỤC 3: TỐC ĐỘ CƠ HỌC THEO CHIỀU SÂU
THÂN GIẾNG 404 RCDM, 421 RC-4, 465 BK-8 .................................................125


v

CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

BDCK- Bộ dụng cụ khoan;
CĐK- Chế độ khoan;
PVN- Tập đồn dầu khí Quốc gia Việt Nam;
QTK- Q trình khoan;
TKTD- Tìm kiếm thăm dị;
XNLD- Xí nghiệp liên doanh.
A- Tiết diện ngang của mẫu đá, cm2;
a, a1, a2, a3- Các tham số điều khiển của phương trình;
B- Hệ số phụ thuộc vào đường kính chng;
b, b1, b2, b3- Các tham số điều khiển của phương trình;
C- Giá thành cho 1 mét khoan, đ/m;

CK- Chi phí chung cho q trình khoan, đ;
CKT- Chi phí để đưa giếng khoan vào giai đoạn khai thác, đ;
CMX- Chi phí tiêu hao mũi khoan, đ;
CSX- Chi phí giờ của thiết bị và đội khoan, đ/h;
CXL- Chi phí cho cơng tác san nền, đường, bãi khoan, móng máy, xây lắp,
chuẩn bị, tháo dỡ, đ;
c, c1, c2, c3- Các tham số điều khiển của phương trình;
D- Đường kính chng khoan, mm;
dch- Đường kính lớn nhất của chóp, mm;
E- Năng lượng cơ học riêng, Pa;
Eb- Năng lượng cơ học riêng tại choòng, Pa;
em- Hiệu suất cơ học;
Fd- Lực đập thủy lực của dòng dung dịch, N:
fm- Lực ma sát, N;
G- Tải trọng chiều trục, N;
G0- Tải trọng chiều trục bị mất mát, N;
Gmax- Giá trị cực đại của tải trọng chiều trục, N;
Gv- Tải trọng gây phá vỡ mẫu đá, N;
K- Hệ số phụ thuộc vào điều kiện đất đá;


vi

K0- Hệ số sử dụng thời gian khoan;
K1- Hệ số sử dụng thời gian lịch;
K2- Hệ số sử dụng thời gian sản xuất;
K3- Hệ số sử dụng thời gian hiệp;
k- Hệ số phụ thuộc vào từng loại choòng khoan;
L- Chiều dài theo thân giếng, m;
lK- Chiều dài khoan được sau một hiệp, m;

Mo- Mô men xoắn không phụ thuộc tải trọng, N.m;
Mx- Mô men xoắn N.m;
N- Công suất thủy lực ở choòng, W;
n- Tốc độ vòng quay, v/ph;
nr- Số hố lõm do một răng mũi khoan tạo nên trong một đơn vị thời gian;
Pc- Tổn thất áp lực ở choòng, Pa;
Ptt- Áp suất thủy tĩnh do cột áp của dung dịch trong lỗ khoan, Pa;
Pv- Áp suất vỉa, Pa;
Q- Lưu lượng bơm, m3/s;
r- Tham số điều khiển của phương trình;
TCB- Thời gian chuẩn bị, h;
TCH- Thời gian khoan thuần túy cho toàn bộ giếng khoan, h;
TDC- Thời gian di chuyển, h;
TFSX- Thời gian phi sản xuất, h;
TGC- Thời gian gia cố thành lỗ khoan và nghiên cứu giếng, h;
TK- Thời gian lịch, h;
TSX- Thời gian sản xuất tính cho tồn bộ giếng khoan, h;
t- Thời gian để khoan 1 mét, h;
tBT- Thời gian phụ trợ trong một hiệp, h;
tCH- Thời gian khoan trong một hiệp, h;
tGC- Thời gian nghiên cứu giếng trong một hiệp, h;
tNC- Thời gian nối thêm cần trong một hiệp, h;
tNH- Thời gian nâng hạ dụng cụ trong một hiệp, h;
tSX- Thời gian sản xuất trong một hiệp, h;
U- Hệ số phụ thuộc tốc độ vòng quay;


vii

Vt- Thể tích đất đá bị phá hủy trong một đơn vị thời gian, m3;

Vr- Thể tích hố lõm do một răng mũi khoan tạo nên, m3;
v2, v1- Tốc độ trước và sau va chạm của dòng dung dịch với đáy lỗ khoan,
m/s;
vCH- Tốc độ cơ học, m/h;
vCH(n)- Tốc độ cơ học của mét khoan thứ n, m/h;
vCT- Tốc độ chu trình, m/tháng máy;
vH- Tốc độ hiệp, m/h;
vJ- Tốc độ vòi phun của choòng, m/s;
vKT- Tốc độ kỹ thuật, m/tháng sản xuất;
vTM- Tốc độ thương mại, m/tháng máy;
xmax - Giá trị tối đa của các thông số chế độ khoan;
xn- Tương quan của số đã biết thứ n với số trước đó;
Z1, Z2, Z3- Các tham số điều khiển của phương trình;
ztb- Số răng trung bình trên vành biên của chóp;
P-Chênh lệch áp suất ở đáy, Pa
- Khối lượng riêng của dung dịch, g/cm3
- Trọng lượng riêng của dung dịch, G/cm3;
- Hệ số lưu lượng ở vòi phun của choòng
- Độ cứng đất đá trong điều kiện đáy giếng, Pa
- Độ cứng đất đá trong điều kiện khí quyển, Pa
c- Độ bền nén không cân bằng của đất đá, Pa


viii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các thông số chế độ khoan sử dụng tại bể trầm tích Cửu Long ...............51
Bảng 3.1: Các khoảng khoan có giá trị 0, r>1 của giếng 7001, 7002, 7004 ........69
Bảng 3.2: Các khoảng khoan có giá trị 0, r>1 của giếng 465, 9002, 9003 ..........70
Bảng 3.3: Các khoảng khoan có giá trị 0, r>1 của giếng 911, 914, 918, 919 ......72

Bảng 3.4: Số liệu sử dụng choòng của giếng 7001 BK-7 .........................................77
Bảng 3.5: Số liệu sử dụng choòng của giếng 7004 BK-7 .........................................77
Bảng 3.6: Số liệu sử dụng choòng của giếng 465 BK-8 ...........................................77
Bảng 3.7: Số liệu sử dụng choòng của giếng 9001 BK-9 .........................................78
Bảng 3.8: Số liệu sử dụng choòng của giếng 9003 BK-9 .........................................78
Bảng 3.9: Độ bền nén không cân bằng của một số loại đất đá .................................78
Bảng 4.1: Kết quả xác định a, b, c, và Mo, K, U .......................................................90
Bảng 4.2: Kết quả lựa chọn tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay
theo năng lượng cơ học riêng ....................................................................................94
Bảng 4.3: Kết quả lựa chọn thông số chế độ khoan theo quan điểm bền động học.. 110
Bảng 4.4: Thông số chế độ khoan được lựa chọn
để khoan trong đá móng mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng ................................................110
Bảng 4.5: Kết quả khoan của các giếng được thử nghiệm ......................................112


ix

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mối liên hệ giữa độ ngập của răng choòng h
và hiệu suất cơ học em của chng ............................................................................12
Hình 1.2: Mối quan hệ giữa vCH và G (n=const).......................................................15
Hình 1.3: Mối quan hệ giữa vCH và n ........................................................................17
Hình 1.4: Mối quan hệ giữa vCH,  với G và n .........................................................20
Hình 1.5: Mối quan hệ giữa vCH với Q và vJ .............................................................21
Hình 1.6: Lực tác dụng lên mảng đất đá bị phá hủy ở đáy lỗ khoan ........................24
Hình 1.7: Các dạng dao động của cột cần và BDCK ................................................27
Hình 1.8. Xốy chng về phía trước và phía sau ....................................................29
Hình 1.9: Ảnh hưởng của dung dịch đến dao động ngang........................................32
Hình 1.10: Ảnh hưởng của chiều dài cột cần đến dao động ngang ..........................32
Hình 1.11: Ảnh hưởng của góc nghiêng lỗ khoan đến dao động ngang ...................33

Hình 1.12: Ảnh hưởng của tải trọng chiều trục đến dao động ngang .......................33
Hình 2.1: Các bể trầm tích Đệ tam Việt Nam ...........................................................37
Hình 2.2: Sơ đồ vị trí mỏ Bạch Hổ ...........................................................................39
Hình 2.3: Cột địa tầng tổng hợp mỏ Bạch Hổ...........................................................40
Hình 2.4: Số lượng giếng được khoan hàng năm tại Việt Nam ................................44
Hình 2.5: Số giếng thăm dò, khai thác tại các bể trầm tích

ở thềm lục địa phía Nam Việt Nam tính đến nửa đầu năm 2009 .............................45
Hình 2.6: Giá thành mét khoan theo các năm của bể Cửu Long ..............................45
Hình 2.7: Giá thành mét khoan theo các năm của bể Nam Côn Sơn ........................46
Hình 2.8: Quỹ đạo giếng điển hình tại thềm lục địa Nam Việt Nam ........................48
Hình 2.9: Cấu trúc giếng điển hình của đối tượng đá móng bể trầm tích Cửu Long.....49
Hình 2.10: Cấu trúc giếng điển hình ở bể trầm tích Nam Cơn Sơn ..........................49
Hình 3.1: Hình chiếu bằng quỹ đạo giếng 919 MSP-9 .............................................55
Hình 3.2: Hình chiếu bằng quỹ đạo giếng 911 MSP-9 ............................................55
Hình 3.3: Hình chiếu bằng quỹ đạo giếng 918 MSP-9 .............................................56


x

Hình 3.4: Hình chiếu bằng quỹ đạo giếng 914 MSP-9 .............................................56
Hình 3.5: Các trạng thái và vị trí tương đối của hịn bi A .........................................59
Hình 3.6: Đồ thị của các giá trị lặp xn theo thông số điều khiển r ............................60
Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r
dọc theo thân giếng 7001 BK-7 ................................................................................65
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r
dọc theo thân giếng 9001 BK-9 ................................................................................65
Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r
dọc theo thân giếng 9002 BK-9 ................................................................................66
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r

dọc theo thân giếng 9003 MSP-9 ..............................................................................66
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r
dọc theo thân giếng 911 MSP-9 ................................................................................67
Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r
dọc theo thân giếng 914 MSP-9 ................................................................................67
Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r
dọc theo thân giếng 918 MSP-9 ................................................................................68
Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của  và r
dọc theo thân giếng 919 MSP-9 ................................................................................68
Hình 3.15: Các vùng làm việc của chng ...............................................................75
Hình 3.16: Đồ thị biến thiên G, n, Mx, vCH, Eb
theo chiều sâu khi khoan trong đá móng của giếng 7001-BK7 ................................80
Hình 3.17: Đồ thị biến thiên G, n, Mx, vCH, Eb
theo chiều sâu khi khoan trong đá móng của giếng 7004 BK-7 ...............................81
Hình 3.18: Đồ thị biến thiên G, n, Mx, vCH, Eb
theo chiều sâu khi khoan trong đá móng của giếng 465 BK-8 .................................82
Hình 3.19: Đồ thị biến thiên G, n, Mx, vCH, Eb
theo chiều sâu khi khoan trong đá móng của giếng 9001 BK-9 ..............................83


xi

Hình 3.20: Đồ thị biến thiên G, n, Mx, vCH, Eb
theo chiều sâu khi khoan trong đá móng của giếng 9003 BK-9 ...............................84
Hình 4.1: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên Eb và vCH theo G
của choòng 215,9mm khi khoan bằng động cơ đáy ..................................................91
Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên Eb và vCH theo G
của choòng 215,9mm khi khoan bằng rơto ...............................................................92
Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên Eb và vCH theo G
của choòng 165,1mm khi khoan bằng động cơ đáy ..................................................92

Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên Eb và vCH theo G
của chng 165,1mm khi khoan bằng rơto ...............................................................93
Hình 4.5: Mối quan hệ giữa các tải trọng chiều trục G
khi khoan bằng động cơ đáy trong đá móng cho chng 215,9mm .........................99
Hình 4.6: Mối quan hệ giữa các tốc độ vòng quay n
khi khoan bằng động cơ đáy trong đá móng cho chng 215,9mm .........................99
Hình 4.7: Mối quan hệ giữa các lưu lượng bơm Q
khi khoan bằng động cơ đáy trong đá móng cho chng 215,9mm .......................100
Hình 4.8: Mối quan hệ giữa các tải trọng chiều trục G
khi khoan bằng rôto trong đá móng cho chng 215,9mm ....................................100
Hình 4.9: Mối quan hệ giữa các tốc độ vịng quay n
khi khoan bằng rơto trong đá móng cho chng 215,9mm ....................................101
Hình 4.10: Mối quan hệ giữa các lưu lượng bơm Q
khi khoan bằng rôto trong đá móng cho chng 215,9mm ....................................101
Hình 4.11: Mối quan hệ giữa các tải trọng chiều trục G
khi khoan bằng động cơ đáy trong đá móng cho chng 165,1mm .......................102
Hình 4.12: Mối quan hệ giữa các tốc độ vòng quay n
khi khoan bằng động cơ đáy trong đá móng cho chng 165,1mm .......................102
Hình 4.13: Mối quan hệ giữa các tải trọng chiều trục G
khi khoan bằng rơto trong đá móng cho choòng 165,1mm ....................................103


xii

Hình 4.14: Mối quan hệ giữa các tốc độ vịng quay n
khi khoan bằng rơto trong đá móng cho chng 165,1mm ....................................103
Hình 4.15: Xác định giá trị tối ưu của tải trọng chiều trục G
cho choòng 215,9mm khi khoan trong đá móng bằng động cơ đáy .......................105
Hình 4.16: Xác định giá trị tối ưu của tốc độ vòng quay n
cho chng 215,9mm khi khoan trong đá móng bằng động cơ đáy .......................105

Hình 4.17: Xác định giá trị tối ưu của lưu lượng bơm Q
cho choòng 215,9mm khi khoan trong đá móng bằng động cơ đáy .......................106
Hình 4.18: Xác định giá trị tối ưu của tải trọng chiều trục G
cho choòng 215,9mm khi khoan trong đá móng bằng rơto ....................................106
Hình 4.19: Xác định giá trị tối ưu của tốc độ vòng quay n
cho chng 215,9mm khi khoan trong đá móng bằng rơto ....................................107
Hình 4.20: Xác định giá trị tối ưu của lưu lượng bơm Q
cho choòng 215,9mm khi khoan trong đá móng bằng rơto ....................................107
Hình 4.21: Xác định giá trị tối ưu của tải trọng chiều trục G
cho choòng 165,1mm khi khoan trong đá móng bằng động cơ đáy .......................108
Hình 4.22: Xác định giá trị tối ưu của tốc độ vòng quay n
cho chng 165,1mm khi khoan trong đá móng bằng động cơ đáy .......................108
Hình 4.23: Xác định giá trị tối ưu của tải trọng chiều trục G
cho choòng 165,1mm khi khoan trong đá móng bằng rơto ....................................109
Hình 4.24: Xác định giá trị tối ưu của tốc độ vòng quay n
cho chng 165,1mm khi khoan trong đá móng bằng rơto ....................................109
Hình 4.25: Tốc độ cơ học theo chiều sâu của các giếng được thử nghiệm.............113


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong giai đoạn hiện nay, để đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước, các
hoạt động tìm kiếm, thăm dị, khai thác dầu khí đang gia tăng nhanh. Hoạt động
khoan được đẩy mạnh trên hầu hết các bể trầm tích của Việt Nam, đặc biệt tập trung
trong các bể trầm tích ở thềm lục địa phía Nam như: Cửu Long, Nam Cơn Sơn,
Malay-Thổ Chu, Tư Chính-Vũng Mây, Trường Sa... Theo kế hoạch phát triển của
Tập đồn Dầu khí Quốc gia Việt Nam, từ nay cho đến năm 2015, mỗi năm dự kiến
khoan thêm 65 đến 75 giếng, bao gồm cả giếng tìm kiếm, thăm dò và khai thác. Đây

là một khối lượng khoan lớn, địi hỏi phải có những giải pháp nâng cao hiệu quả
q trình thi cơng khoan.
Do đặc điểm địa lý của các mỏ dầu khí, đặc tính chứa của các vỉa sản phẩm,
phần lớn các giếng khoan thăm dò, khai thác ở thềm lục địa Nam Việt Nam đều
được thi cơng ngồi biển (xa bờ), điều kiện thi cơng gặp nhiều khó khăn, việc xây
dựng các giàn khoan tại vị trí mỗi giếng rất tốn kém. Chính vì vậy, hầu hết các
giếng được thiết kế, thi công đều là giếng định hướng với độ dời đáy tới hàng nghìn
mét và được thi cơng từ cùng vị trí một số giàn. Đối với các giếng khoan định
hướng, khi độ sâu giếng tăng, cùng nghĩa với góc nghiêng và độ dời đáy của giếng
cũng gia tăng. Các yếu tố này làm cho tính phức tạp của q trình khoan gia tăng
theo. Hệ động lực học quá trình khoan dễ mất ổn định và gây các sự cố kẹt, gãy cần,
quỹ đạo giếng khơng theo thiết kế, khơng đạt tới đích mong muốn... và giảm hiệu
quả của công tác khoan.
Để nâng cao hiệu quả công tác khoan, giảm giá thành thi công giếng cần phải
nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới q trình khoan. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng
tới hiệu quả công tác khoan một cách đồng thời như: địa chất, kỹ thuật, công nghệ...
Các yếu tố này hay yếu tố khác ln có sự tác động qua lại để tạo nên số mét khoan.
Các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung nghiên cứu đơn lẻ một vấn đề như: chọn
choòng phù hợp; chọn loại dung dịch phù hợp; thiết kế bộ dụng cụ khoan hợp lý...


2

Các nghiên cứu này chưa đánh giá được mức độ ảnh hưởng đồng thời của tất cả các
yếu tố đến hệ động lực học q trình khoan. Do đó, nghiên cứu tổng thể trên cơ sở
đánh giá tác động đồng thời của nhiều yếu tố tới quá trình khoan để lựa chọn các
thông số chế độ khoan tối ưu khi đã có các điều kiện khác là điều cần thiết, đặc biệt
cho các giếng khoan xiên định hướng có độ dời đáy lớn với tính phức tạp cao.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu trạng thái của hệ động lực học q trình khoan khi thi cơng các

giếng xiên và ngang tại các mỏ dầu khí ở thềm lục địa Nam Việt Nam, đặc biệt là ở
mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng thuộc bể trầm tích Cửu Long. Đây là cơ sở để hồn thiện
các thơng số chế độ công nghệ khoan nhằm nâng cao hiệu quả công tác khoan các
giếng xiên định hướng tại thềm lục địa Nam Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ động lực học quá trình khoan khi thi cơng các
giếng xiên định hướng có độ dời đáy lớn để thăm dị khai thác dầu khí ở thềm lục
địa Nam Việt Nam.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trạng thái của hệ động lực học quá trình
khoan trên quan điểm bền động học. Nghiên cứu tiêu hao năng lượng đối với quá
trình phá hủy đá trong q trình khoan. Nghiên cứu các yếu tố có thể điều khiển
trong quá trình hệ động lực học quá trình khoan làm việc, cụ thể là các thông số chế
độ khoan bao gồm tải trọng chiều trục, tốc độ vòng quay và lưu lượng bơm khi
khoan các đoạn thân giếng nghiêng.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu thu thập được về quỹ đạo và cấu trúc thực tế của các
giếng khoan, các loại choòng, hệ dung dịch và chế độ khoan đang sử dụng trong
thực tế thi công các giếng khoan xiên định hướng tại thềm lục địa Nam Việt Nam.
Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết Tai biến (Catastrof), lý thuyết Ánh xạ, lý
thuyết Năng lượng cơ học riêng để đánh giá trạng thái và hiệu quả làm việc của hệ
động lực học quá trình khoan.


3

Trên cơ sở các lý thuyết nghiên cứu, lựa chọn các thông số chế độ công nghệ
khoan tối ưu khi khoan các đoạn thân giếng nghiêng tại mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thư mục: Thu thập, thống kê, phân tích số liệu thực tế về các
thông số chế độ khoan qua từng mét khoan khi thi cơng các giếng khoan xiên định

hướng có độ dời đáy lớn tại mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng thuộc bể trầm tích Cửu Long;
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết cho phép đánh
giá trạng thái và hiệu quả làm việc của hệ động lực học quá trình khoan và cho phép
lựa chọn các thông số chế độ công nghệ khoan tối ưu;
- Ứng dụng công nghệ thông tin: Sử dụng các phần mềm tin học trong khảo
sát, đánh giá và phân tích số liệu.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Hệ động lực học quá trình khoan là hệ động lực học
phức tạp, được hình thành bởi nhiều tố khách quan như các điều kiện địa chất, địa
tầng và chủ quan như chế độ công nghệ, bộ dụng cụ đáy, dung dịch khoan... Trong
suốt quá trình khoan, các yếu tố này ln có sự tác động lẫn nhau và ảnh hưởng trực
tiếp tới trạng thái và hiệu quả làm việc của hệ động lực học quá trình khoan, cụ thể
là trạng thái làm việc của choòng.
Nghiên cứu hệ động lực học quá trình khoan trên quan điểm bền động học
bằng các lý thuyết Tai biến và lý thuyết Ánh xạ cho phép đánh giá ảnh hưởng đồng
thời của tất cả các yếu tố tác động đến trạng thái làm việc của hệ động lực học quá
trình khoan. Khắc phục nhược điểm của các nghiên cứu trước đây, chỉ dừng lại ở
mức độ đánh giá ảnh hưởng riêng biệt của từng yếu tố.
- Ý nghĩa thực tiễn: Lựa chọn các thông số chế độ khoan tối ưu trên quan
điểm Bền động học và Năng lượng cơ học riêng tối thiểu cho phép hệ động lực học
quá trình khoan làm việc ổn định, tiêu hao năng lượng nhỏ nhất, tuổi thọ thiết bị cao
nhất, tăng tối đa tốc độ cơ học khoan và giảm giá thành thi công khoan, đặc biệt
trong các đoạn thân giếng có hiện diện góc nghiêng.


4

7. Điểm mới của luận án
- Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của tất cả các yếu tố địa chất, cơng nghệ,
kỹ thuật đến q trình khoan, đặc biệt là q trình khoan trong đá móng;

- Lựa chọn thơng số chế độ khoan khi khoan trong đá móng dựa trên bản
chất về động lực học và năng lượng tiêu hao nhỏ nhất để phá hủy đá.
8. Luận điểm bảo vệ
- Đá móng mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng thuộc thềm lục địa Nam Việt Nam là
đối tượng phức tạp đối với quá trình khoan. Hệ động lực học quá trình khoan trong
đá móng của các giếng có độ dời đáy lớn luôn làm việc trong trạng thái kém ổn
định, hiệu quả khoan không cao;
- Lựa chọn các thông số chế độ khoan tối ưu trên quan điểm bền động học và
năng lượng cơ học riêng tối thiểu thông qua xử lý tổng hợp các số liệu khoan thực
tế sẽ tăng sự ổn định của các thông số chế độ khoan ở đáy, tăng tốc độ cơ học và
giảm giá thành mét khoan.
9. Cơ sở tài liệu của luận án
Luận án được xây dựng trên cơ sở: Các tài liệu thi cơng giếng khoan khai
thác dầu khí tại các mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng thuộc Liên Doanh Việt-Nga
VietsovPetro; Các báo cáo tổng kết hoạt động thăm dò, khai thác dầu khí ở thềm lục
địa Nam Việt Nam của Tập đồn dầu khí Quốc gia Việt Nam cũng như của các đơn
vị thành viên của Tập đoàn; Các bài báo và các cơng trình nghiên cứu khoa học của
các tác giả trong nước và nước ngồi đăng trên các tạp chí chuyên ngành.
10. Khối lượng và cấu trúc của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung nghiên cứu và phần kết luận,
kiến nghị. Ngoài ra, luận án cịn có danh mục các cơng trình cơng bố của tác giả,
phụ lục và danh mục tài liệu tham khảo. Tồn bộ nội dung được trình bày trong 115
trang, trong đó có 15 bảng và 67 đồ thị, hình vẽ.


5

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành luận án, tác giả đã nhận được sự
hướng dẫn khoa học của tiểu ban hướng dẫn: PGS.TS. Lê Xuân Lân, TSKH. Trần

Xuân Đào. Tác giả xin chân thành tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn
đã tận tình chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu của tác giả.
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các
đồng nghiệp đang cơng tác tại Tập đồn Dầu khí Quốc gia Việt nam và các đơn vị
thành viên, các Tập đoàn và Các cơng ty thăm dị khai thác dầu khí nước ngồi. Tác
giả xin tỏ lịng biết ơn về những giúp đỡ quý báu này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tất cả các Thầy Cô trong Bộ môn Khoan Khai thác, phòng Đào tạo Sau đại học, Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa
chất đã ủng hộ và tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho công tác nghiên cứu của
tác giả.
Tác giả xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình đã khích lệ,
động viên và là nguồn động lực rất lớn để tác giả n tâm thực hiện những cơng
việc nghiên cứu của mình.


6

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ CÔNG TÁC KHOAN
1.1. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả cơng tác khoan
Mục đích của q trình sản xuất nói chung là đạt được khối lượng sản xuất
lớn nhất và chi phí sản xuất nhỏ nhất. Đối với công tác khoan trước hết cần phải đạt
được các yêu cầu khối lượng và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật theo phương án khoan
đã đề ra.
Để đạt được hiệu quả cần phải biết rõ hiệu quả biểu hiện như thế nào, nó
được xác định qua các thơng số nào. Trong cơng tác khoan nói chung và khoan dầu
khí nói riêng, hiệu quả cơng tác khoan được đánh giá qua hai nhóm chỉ tiêu chính
đó là nhóm các chỉ tiêu về chất lượng và nhóm các chỉ tiêu về số lượng.
1.1.1. Chỉ tiêu về chất lượng
Các chỉ tiêu cơ bản về chất lượng bao gồm [6]:
- Sai số về vị trí khơng gian của thân giếng khoan so với thiết kế;

- Tỷ lệ và chất lượng mẫu đá: đường kính, tính nguyên dạng về cấu trúc, tính
chất cơ lý, thành phần khống vật;
- Khả năng thực hiện các nghiên cứu cần thiết trong lỗ khoan;
- Mức độ ơ nhiễm các tầng sản phẩm lỏng, khí;
- Đạt tới chiều sâu kết thúc giếng một cách an toàn khơng có sự cố và phức
tạp đáng kể.
1.1.2. Chỉ tiêu về số lượng
Về phương diện số lượng, hiệu quả công tác khoan được đánh giá qua các
chỉ tiêu cơ bản là tốc độ khoan, giá thành cơng trình, năng lượng tiêu hao để phá
hủy đá và chúng liên quan tới sự cân bằng thời gian khoan.
1.1.2.1. Các chỉ tiêu về tốc độ
Để đánh giá tiến độ hoàn thành các dạng công tác khác nhau, trong công tác
khoan thường sử dụng các khái niệm tốc độ sau đây [6]:


7

a- Tốc độ cơ học: Là tốc độ tiến của đáy lỗ khoan khi phá hủy đất đá, nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố và không phải là hằng số ngay cả trong cùng một hiệp
khoan. Vì vậy, để đánh giá tốc độ cơ học tại một thời điểm nào đó, khái niệm tốc độ
cơ học tức thời được sử dụng. Để tổng quát hơn, có thể dùng khái niệm tốc độ cơ
học trung bình cho một hiệp khoan, cho một khoảng khoan hoặc cho toàn bộ giếng
khoan.
- Tốc độ cơ học tức thời:
vCH 

dlK
, m/h
dt CH

(1.1)

- Tốc độ cơ học trung bình cho một hiệp:
vCH 

lK
, m/h
t CH

(1.2)

Hoặc cho tồn bộ giếng khoan:
vCH 

L
, m/h
TCH

(1.3)

Trong các cơng thức trên: lK- Chiều dài khoan được sau một hiệp, m; tCHThời gian khoan thuần túy trong một hiệp, h; L- Chiều dài giếng khoan, m; TCHThời gian khoan thuần túy cho toàn bộ giếng khoan, h.
b- Tốc độ hiệp: Đặc trưng cho mức độ tiến sâu của lỗ khoan trong thời gian
một hiệp. Tốc độ này thường tính riêng cho một hiệp khoan, cho một khoảng cách
nhất định nào đó, hoặc trung bình cho tồn bộ giếng khoan. Tốc độ hiệp có kể đến
thời gian sản xuất trong phạm vi một hiệp như: thời gian nâng hạ dụng cụ khi cần
thay thế mũi khoan hoặc lấy mẫu, thời gian cần thiết để nối thêm cần, thời gian phụ
trợ. Tốc độ hiệp cho một hiệp được xác định như sau:
vH 

lk

lk

, m/h
t NH  t NC  t BT  t GC t SX  t GC

(1.4)

Và cho toàn bộ giếng khoan:
vH 

L
, m/h
TSX  TGC

(1.5)


8

trong đó:
TSX- Thời gian sản xuất cho tồn bộ giếng khoan. Đây là thời gian cần thiết về
kỹ thuật, bao gồm: thời gian khoan thuần túy, thời gian nâng hạ dụng cụ, thời gian
nối cần, thời gian gia cố thành lỗ khoan và nghiên cứu giếng, thời gian phụ trợ, h;
TGC- Thời gian gia cố thành lỗ khoan và nghiên cứu giếng, h;
tNH- Thời gian nâng hạ dụng cụ trong một hiệp, h;
tNC- Thời gian nối thêm cần trong một hiệp, h;
tBT- Thời gian phụ trợ trong một hiệp, h;
tSX- Thời gian sản xuất trong một hiệp, h;
tGC- Thời gian nghiên cứu giếng trong một hiệp, h.
c- Tốc độ kỹ thuật: Biểu thị hiệu quả sử dụng thời gian sản xuất trong một

tháng thiết bị, được xác định như sau:
v KT 

720L
, m/tháng sản xuất
TSX

(1.6)

Như vậy, đối với tốc độ kỹ thuật, ngồi việc tính cho một tháng máy cịn kể
đến thời gian phụ trợ như gia cố thành giếng (chống ống, trám xi măng) đo địa vật
lý, gia công dung dịch...
d- Tốc độ thương mại: Phản ánh hiệu quả quá trình làm việc kể cả thời gian
phi sản xuất, nó cho biết chiều sâu khoan được trung bình của tháng thiết bị cho một
giếng khoan, được xác định theo công thức:

vTM 

720L
720L

, m/tháng máy
TK
TSX  TFSX

(1.7)

Trong công thức trên, TK là thời gian hồn thành cơng tác khoan giếng
khoan, còn được gọi là thời gian lịch. Thời gian lịch được tính từ lúc bắt đầu đến
khi kết thúc khoan, bao gồm thời gian sản xuất (TSX) và phi sản xuất (TFSX).

Trong tốc độ thương mại có kể đến ảnh hưởng của thời gian phụ cần thiết để
khắc phục các hiện tượng phức tạp, giải quyết sự cố, kỹ thuật, sửa chữa thiết bị và
dụng cụ khoan, thời gian ngừng máy do thiếu nguyên, nhiên, vật liệu hoặc do tổ
chức yếu kém.


9

e- Tốc độ chu trình: Cho thấy chiều sâu trung bình cho tháng máy tính cho
tồn bộ chu trình khoan. Tốc độ chu trình được tính như sau:
720L
, m/tháng máy
TCT

vCT 

(1.8)

Trong công thức (1.8) TCT là thời gian cho cả chu trình:

TCT  TSX  TFSX  TCB  TDC  TK  TCB  TDC

(1.8a)

trong đó:
TCB- Thời gian chuẩn bị, bao gồm việc lắp đặt máy móc, kiểm tra chất lượng
lắp đặt, tình trạng thiết bị và lắp đặt bổ sung;
TDC- Thời gian di chuyển, bao gồm thời gian tháo dỡ và di chuyển thiết bị tới
vị trí mới.
Các chỉ tiêu tốc độ có mối liên hệ mật thiết với nhau, đặt:

TK
TCT

K0 

(1.9a)

K1 

TSX
TK

(1.9b)

K2 

TSX  TGC
TSX

(1.9c)

K3 

t CH
t SX  t GC

(1.9d)

Trong các công thức trên, K0- Hệ số sử dụng thời gian khoan; K1- Hệ số sử
dụng thời gian lịch; K2- Hệ số sử dụng thời gian sản xuất; K3- Hệ số sử dụng thời

gian hiệp.
Kết hợp các phương trình (1.2), (1.4) và (1.9d) thu được:
vH 

vCH t CH
 K3 vCH
t SX  t GC

(1.10)

Kết hợp các phương trình (1.5), (1.6), (1.9c) và (1.10) thu được:
vKT 

720K 2 L
 720K 2 vH  720K 2 K 3 vCH
TSX  TGC

(1.11)


10

Kết hợp các phương trình (1.5), (1.6), (1.7), (1.9b,c) và (1.10) thu được:
vTM 

720K1L 720K1K 2 L

 720K1K 2 vH  720K1K 2 K3 vCH
TSX
TSX  TGC

(1.12)

Kết hợp các phương trình (1.5), (1.8), (1.9a,b,c) và (1.10) thu được:
vCT 

720K 0 L 720K 0 K1L 720K 0K1K 2L


 720K 0 K1K 2 vH  720K 0 K1K 2 K 3vCH (1.13)
TK
TSX
TSX  TGC

Từ các phương trình trên cho thấy theo thứ tự các tốc độ vH, vKT, vTM, vCT có
mối liên quan chặt chẽ với vCH và các tốc độ trước nó. Nếu các tốc độ trên biểu thị
cùng một đơn vị thì giá trị của các tốc độ này sẽ tương quan như sau:
vCH > vH > vKT > vTM > vCT
Sự tăng của một tốc độ nào đó sẽ làm tăng các tốc độ sau nó.
1.1.2.2. Chỉ tiêu về giá thành
Chỉ tiêu về giá thành thường được tính thơng qua giá một mét khoan. Nếu
tính cho tồn bộ giếng khoan thì giá một mét khoan được xác định như sau [6]:

C 

CXL  CK
, đ/m
L

(1.14)

trong đó:
CXL- Chi phí cho cơng tác san nền, đường, bãi khoan, móng máy, xây lắp,
chuẩn bị và di chuyển, tháo dỡ, đ;
CK- Chi phí chung cho QTK, bao gồm chi phí cho QTK thuần túy, gia cố
thành giếng, chi phí mũi khoan, dung dịch khoan, chi phí cho cơng tác phụ trợ...
Trong khoan dầu khí cịn phải tính đến chi phí để đưa giếng khoan vào giai đoạn
khai thác (CKT), lúc đó:

C

CXL  CK  CKT
, đ/m
L

(1.14a)

Ngoài chỉ tiêu giá thành một mét khoan, hiệu quả cơng tác khoan cịn được
đánh giá qua giá thành trong phạm vi hiệp khoan như sau:
CH 

trong đó:

CMK  CSX t SX
, đ/m
lk

(1.15)

11

CMK- Chi phí tiêu hao mũi khoan, đ;
CSX- Chi phí giờ của thiết bị và đội khoan, bao gồm khấu hao thiết bị, cần
khoan... chi phí nhiên liệu và năng lượng, vận hành thiết bị, lương công nhân và các
chi phí gián tiếp (trong phạm vi nhà thầu), đ/h.
1.1.2.3. Năng lượng tiêu hao để phá hủy đất đá ở đáy lỗ khoan
Trong những năm gần đây, khái niệm năng lượng cơ học riêng được sử dụng
khá phổ biến để đánh giá hiệu quả công tác khoan, đặc biệt là khoan dầu khí.
a- Năng lượng cơ học riêng: Năng lượng cơ học riêng là năng lượng tiêu
tốn để phá vỡ một đơn vị thể tích đất đá, hoặc là tỷ số giữa tốc độ tiêu tốn năng
lượng và tốc độ đi xuống của choòng khoan. Kết hợp với giá trị độ bền nén của đất
đá, năng lượng cơ học riêng cho biết hiệu quả q trình làm việc của chng cũng
như hiệu quả của QTK.
Khái niệm năng lượng cơ học riêng được đề xuất sử dụng vào năm 1965 bởi
Teale [30] và nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi bởi các nhà cung cấp choòng để
xác định hiệu quả khoan của các chng thiết kế.
Năng lượng cơ học riêng có thể được xác định trên cơ sở các số liệu khoan
thực tế, bao gồm: tải trọng chiều trục, tốc độ vòng quay, mô men xoắn và tốc độ cơ
học như sau [19, 34]:
 0, 04G 4,8nM x 
E  em 
 2

2

D
D vCH 


trong đó:
E- Năng lượng cơ học riêng, MPa;
em- Hiệu suất cơ học;
G- Tải trọng chiều trục, kN;
D- Đường kính chng, cm;
n- Tốc độ vịng quay, v/ph;
Mx- Mơ men xoắn, N.m;
vCH- Tốc độ cơ học, m/h.

(1.16)