CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG ĐỘNG CƠ TRỤC VÍT

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1:............................................................................................................3
TỔNG QUAN VỀ KHOAN ĐỊNH HƯỚNG.........................................................3
1.1. Quá trình phát triển của khoan định hướng..................................................3
1.1.1. Lịch sử phát triển.........................................................................................3
1.1.2. Q trình phát triển của cơng nghệ..............................................................5
1.2. Các ứng dụng chính của khoan định hướng...................................................7
1.2.1. Khoan lệch hướng (Sidetracking)................................................................7
1.2.2. Khoan qua các địa điểm không thể tiếp cận được........................................8
1.2.3. Khoan qua các vòm muối.............................................................................8
1.2.4. Khoan qua các đứt gãy.................................................................................9
1.2.5. Khoan nhiều giếng thăm dò từ thân giếng đơn đã có từ trước đó.................9
1.2.6. Tiến hành khoan trên bờ.............................................................................10
1.2.7. Phát triển giếng khoan đa đáy trên biển.....................................................10
1.2.8. Khoan qua vùng nhiều cát từ một thân giếng đơn......................................11
1.2.9. Khoan giếng cấp cứu..................................................................................11
1.2.10. Khoan giếng khoan ngang........................................................................12
1.3.Các yêu cầu trong khoan định hướng.............................................................12
CHƯƠNG 2:..........................................................................................................13
CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG.............13
2.1. Phương pháp khoan rôto kết hợp với máng xiên.........................................13
2.1.1.Phương pháp thực hiện...............................................................................13
2.1.2. Ưu nhược điểm..........................................................................................14
2.2. Khoan bằng động cơ đáy................................................................................14
2.2.1.Khoan bằng động cơ tuabin........................................................................15
2.2.1.1. Phương pháp thực hiện........................................................................15
2.2.1.2. Các bộ phận làm lệch hướng lỗ khoan và phạm vi sử dụng của chúng16
a. Sử dụng cần cong......................................................................................16
b. Pere khốt cong..........................................................................................17
c. Nhippen lệch tâm......................................................................................17

d. Bộ phận làm lệch P-1................................................................................18
e. Bộ phận làm lệch OT và OTC...................................................................18
2.2.1.3. Trang thiết bị cần thiết để tăng hoặc giảm cường độ cong của giếng. .18
2.2.1.4. Ưu nhược điểm....................................................................................19


2.2.2.Khoan bằng động cơ trục vít.......................................................................20
2.3. Hệ thống lái chỉnh xiên (RSS)........................................................................21
2.3.1. Lịch sử phát triển.......................................................................................21
2.3.2.Ưu nhược điểm của RSS.............................................................................22
2.3.3. Nguyên lí hoạt động của RSS....................................................................23
2.3.4. Các loại RSS trên thị trường......................................................................24
a. Của Baker Huge...........................................................................................24
b. Của Halliburton...........................................................................................24
c. Của Schlumberger........................................................................................25
d. Các hãng khác..............................................................................................25
CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ TRỤC VÍT...................................................................26
3.1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của động cơ trục vít...................................26
3.1.1.Cấu tạo của động cơ trục vít........................................................................26
3.1.1.1.Van thơng ( Dump valve )....................................................................27
3.1.1.2. Phần công tác tạo công suất (Power section).......................................28
3.1.1.3.Trục các đăng dẫn động........................................................................30
3.1.1.4. Khớp nối cong (Adjustable housing)...................................................33
3.1.1.5. Định tâm trên động cơ.........................................................................34
3.1.2.nguyên lí làm việc, sự truyền động thủy lực trong động cơ trục vít............34
a. Nguyên lý hoạt động của động cơ trục vít....................................................34
b. Sự truyền động thủy lực của động cơ trục vít:.............................................35
3.1.3.Thơng số kĩ thuật và đường đặc tính của động cơ trục vít...........................36
3.1.3.1 Tính tốn các thơng số cho động cơ trục vít.........................................37
a. Lượng chất lỏng trên một vịng quay........................................................37

b. Tốc độ vịng quay.....................................................................................38
c. Mơmen quay.............................................................................................38
d. Giá trị chênh áp khi đầy tải.......................................................................39
3.1.3.2. Đặc tính kỹ thuật của động cơ trục vít.................................................40
a. Đường biểu diễn số vịng quay.................................................................41
b. Đường biểu diễn mômen..........................................................................42
c. Đường biểu diễn công suất.......................................................................42
3.2. Một số thiết bị và dụng cụ sử dụng trong khoan định hướng bằng động cơ
trục vít.................................................................................................................... 46
3.2.1. Trang thiết bị cơ bản..................................................................................46
3.2.1.1.Choòng khoan......................................................................................46
3.2.1.2. Máng xiên............................................................................................47


3.2.1.3. Đầu nối cong.......................................................................................47
3.2.1.4. Bộ định tâm.........................................................................................47
3.2.2. Thiết bị đo thơng số giếng khoan trong q trình khoan (MWD)..............48
3.2.2.1. Bộ thiết bị điện tử điều khiển và đo đạc các thông số (D&I (Directinal
Module))..........................................................................................................50
3.2.2.2.Mô đun pin...........................................................................................53
3.2.2.3.Bộ phận tạo xung (Pulser Module).......................................................54
a. Hoạt động của bộ phận tạo xung:..............................................................54
b.Các bộ phận chính trong bộ phận tạo xung................................................55
c. Q trình tạo xung của bộ phận tạo xung..................................................56
3.2.2.4. Cơ cấu kết nối (Interconnect)..............................................................56
3.2.2.5.Cảm biến áp suất (Pressure Transducer (PT)).......................................57
3.2.2.6. Thiết bị xử lí tín hiệu trên bề mặt (Safe Area Power Suppy (SAP))....58
3.2.2.7.Remote Terminal (RT)..........................................................................58
3.2.2.8. Máy tính..............................................................................................59
KẾT LUẬN............................................................................................................60

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................61


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN

STT

Số hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1

Hình 1.1.

Bình đo góc nghiêng bằng axit HF (acid-bottle
inclinometer)

2

Hình 1.2.

Khoan lệch hướng

7

3

Hình 1.3.

Khoan qua một địa điểm khơng tiếp cận được

8

4

Hình 1.4.

Khoan qua các vịm muối

8

5

Hình1.5.

Khoan qua các đứt gãy

9

6

Hình 1.6.

9

7

Hình 1.7.

Khoan giếng thăm dị từ giếng đơn đã có từ trước
đó
Tiến hành khoan từ trên bờ

8

Hình 1.8.

Phát triển giếng đa đáy trên biển

10

9

Hình 1.9.

Khoan qua vùng nhiều cát từ một thân giếng đơn

11

10

Hình1.10.

Khoan giếng cấp cứu

11

11

Hình1.11.

Khoan giếng khoan ngang

12

12

Hình 2.1.

Cấu tạo của bàn quay rotor

13

13

Hình 2.2.

Chng khoan kết hợp với máng nghiêng

14

14

Hình 2.3.

Các tầng cánh của tuabin khoan

16

15

Hình 2.4.

Cần cong

16

16

Hình 2.5.

Pere khốt cong

17

17

Hình 2.6.

Nhippen lệch tâm

17

18

Hình 2.7.

Bộ phận làm lệch P-1

18

19

Hình 2.8.

Một đoạn phần cơng tác của động cơ trục vít

20

20

Hình 2.9.

Rotary Closed Loop System

22

3

10


21

Hình 2.10.

Bản đồ phát triển mỏ của BP

22

22

Hình 2.11.

“Push the bit”

23

23

Hình 2.12.

“Point the bit”

23

24

Hình 3.1.

Sơ đồ tổng thể động cơ trục vít

26

25

Hình 3.2.

Van thơng

27

26

Hình 3.3.

Phần cơng tác tạo cơng suất

28

27

Hình 3.4.

Mặt cắt ngang roto và stator động cơ trục vít

29

28

Hình 3.5.

Bước xoắn

30

29

Hình 3.6.

Trục các đăng dẫn động

31

30

Hình 3.7.

Hệ thống ổ bi

32

31

Hình 3.8.

Khớp nối cong

33

32

Hình 3.9.

Mặt cắt sơ đồ bộ phận làm việc

35

33

Hình 3.10.

40

34
35

Hình 3.11.
Hình 3.12.

Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ trục vít
Biểu đồ tương quan giữa mơmen và tốc độ quay
so với số múi rãnh xoắn của rotor và stator
Đường đặc tính tổng hợp của động cơ trục vít

36

Hình 3.13.

Sơ đồ hoạt động của hệ thống MWD

48

37

Hình 3.14.

Khối chính trong D&I Module

50

38

Hình 3.15.

Xác định góc nghiêng

52

39

Hình 3.16.

Xác định góc phương vị

52

40

Hình 3.17.

Helix và Muleshoe

55

41

Hình 3.18.

Q trình tạo xung

56

42

Hình 3.19.

Interconct và 2 kiểu định tâm

57

43

Hình 3.20.

Pressure Transucer

57

44

Hình 3.21.

Thiết bị SAP

58

42
44


45

Hình 3.22.

Thiết bị RT

58

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG ĐỒ ÁN

STT Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

1

Bảng 2.1.

Các loại RSS của Baker Huge trên thị trường

24

2

Bảng 2.2.

Các loại RSS của Haliburton trên thị trường

24

3

Bảng 2.3.

4

Bảng 2.4.

5

Hình 3.1.

6

Hình 3.2.

Các loại RSS của Schlumberger trên thị 25
trường
Các loại RSS của các hãng khác trên thị 25
trường
Đặc tính làm việc động cơ trục vít 6 ¼ ” 4/5
lobe 7.5 stage
41
Bảng đặc tính kỹ thuật của các loại động cơ

trục vít hiện có ở VSP
45

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN


1. VSP ( Vietsovpetro): Liên doanh dầu khí Việt - Nga.
2. MWD (Measurement while drilling ) : thiết bị đo trong khi khoan.
3. PT (Pressure Transducer ) : Cảm biến áp suất.
4. D&I (Directinal Module): Bộ điện tử dùng để điều khiển và đo đạc các thông số.
5. SAP (Safe Area Power Supply ) : Thiết bị xử lý tín hiệu trên bề mặt.
6. LWD (logging while drilling) : Đo địa lý giếng khoan.
7. SP (Sensor Package ) : Hộp cảm biến
8. BP (Bristish Petroleum) : Cơng ty dầu khí đa quốc gia có trụ sở tại Ln Đơn,
Anh.

BẢNG QUY ĐỔI ĐƠN VỊ
1 foot (ft) = 0.3 mét (m).
1 thùng / ngày = 0.11 lít / phút (l/ph).
1 gallon / phút (gal/ph) = 3.79 lít / phút (l/ph).
1 vịng / gallon (v/gal) = 0.26 vịng / lít (v/l).
1 pound / inch2 ( psi) = 6.89 kPa.
1 ft-lbs = 1.3558 Nm.
1 lbs = 4.54 kN.
1 pound = 0.4536 kg.
1 gauss = 10 microteslas = 100 000 gamma.


MỞ ĐẦU
Trong hoạt động khoan thăm dò hay khoan khai thác dầu khí, việc sử dụng

động cơ để truyền chuyển động quay cho chng là thao tác bắt buộc. Có 2 phương
pháp chính để truyền chuyển động quay cho chng là: truyền động từ trên bề mặt
qua hệ thống cột cần khoan xuống đến choòng, hoặc là truyền chuyển động quay
trực tiếp ngay trên choòng.
Trước đây, ở các dàn cố định phương pháp truyền động từ trên mặt đất
thường xuyên được sử dụng như khoan bàn Roto hay Topdrive. Tuy nhiên, do sự ưu
việt của các giếng khoan định hướng, nên khi cắt xiên các phương pháp trên rất ít
được ứng dụng. Từ những năm 30 của thế kỉ trước, ngành dầu khí nước ta mà đặc
trưng là “cánh chim đầu đàn - Vietsovpetro” đã đi vào sử dụng động cơ dẫn động
trực tiếp cho choòng là động cơ tuabin. Tuy nhiên, do kết cấu phức tạp và dễ hỏng
hóc gây khó khăn trong việc sửa chữa và bảo dưỡng, nên đến những năm 90, tại liên
doanh đã đi vào sử dụng động cơ trục vít, với điển hình là Black max và Ennovi. Sự
hoạt động ngày càng đáng tin cậy của động cơ đáy, cùng với sự hỗ trợ của các thiết
bị phụ trợ đã khiến phương pháp này vẫn tiếp tục được ứng dụng cho đến ngày nay
trong quá trình khoan các giếng mới ở VSP.
Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Giáp của bộ
mơn Thiết bị Dầu khí và Cơng trình, thuộc trường Đại học Mỏ- Địa chất em đã
quyết định làm đồ án về : “Thiết bị và dụng cụ sử dụng trong khoan định hướng”.
Với đồ án này em tập trung trình bày về cấu tạo, đặc điểm điển hình của động cơ
trục vít cùng sự kết hợp giữa động cơ trục vít và thiết bị đo trong khi khoan (MWD)
để lí giải tại sao tại xí nghiệp VSP đang được sử dụng rộng rãi trong quá trình khoan
các giếng khoan định hướng. Đồ án được chia làm 3 chương chính :
Chương 1: Tổng quan về khoan định hướng
Chương 2: Các phương pháp áp dụng trong khoan định hướng
Chương 3: Động cơ trục vít.
Do nhiều phần thiếu hụt tài liệu tiếng Việt nên phần chuyển ngữ từ tiếng Anh
sang có thể khơng chính xác, cùng với đó là kiến thức của bản thân còn nhiều hạn
chế, cũng như kinh nghiệm thực tế chưa có nên đồ án này khơng thể tránh được
những sai sót. Vì vậy rất mong sự đóng góp của q thầy cơ và các bạn để đồ án
được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Giáp, các thầy cô giáo trong bộ
môn Thiết bị Dầu khí và Cơng trình và các cơ chú trong xí nghiệp VSP đã hướng
dẫn và tạo điều kiện cho em có thể hồn thành đồ án này.
1


Hà Nội, ngày 18 tháng 5 năm 2017
Sinh viên

Vũ Thị Lan

2


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
1.1. Quá trình phát triển của khoan định hướng
Khoan định hướng là một công nghệ khoan tạo ra trắc diện giếng khoan lệch
so với phương thẳng đứng, theo một chương trình từ trước với sự điều khiển từ trên
bề mặt. Tại một vị trí cụ thể của q trình khoan định hướng, các thơng số kĩ thuật sẽ
được lên kế hoạch cụ thể từ trước.
1.1.1. Lịch sử phát triển
Thuở ban, đầu khoan định hướng chỉ đơn thuần như một công tác sửa chữa
giếng, hoặc khoan xung quanh cần khoan bị kẹt để thu hồi và làm giếng thẳng trở
lại, hay sử dụng khoan dập giếng ngăn chặn hiện tượng phun trào.
Tầm quan trọng của khoan định hướng được biết đến từ những năm 1929,
với việc ứng dụng thiết bị đo góc nghiêng của giếng trong suốt quá trình khoan mỏ
Seminole, tại Oklahoma.
Lần đầu tiên thiết bị đo được đưa vào sử dụng để khảo sát giếng tại Seminole
thuộc Oklahoma, công tác xác định thông tin địa chất dưới tầng mặt vơ cùng khó

khăn để phát triển bản đồ đường bao dầu thô hay trên các lớp chuẩn dưới đáy.
Người ta đưa vào sử dụng thiết bị đo góc nghiêng bằng bình axit HF (acid bottle
inclinometer -đây là một loại thiết bị từng được sử dụng để xác định góc nghiêng
trong giếng trong suốt thời gian khảo sát giếng).

Hình 1.1. Bình đo góc nghiêng bằng axit HF (acid- bottle inclinometer)
Cấu tạo chính là 1 chai thủy tinh chứa axit Flohidric (HF). Do đặc tính HF có
khả năng khắc lên thủy tinh nên dựa vào hình dạng của vết khắc hồn tồn có thể
xác định được góc nghiêng) tuy nhiên dụng cụ này cũng đề ra nhiều vấn đề. Hầu hết
các giếng đều cong, cá biệt một vài nơi được kiểm tra có độ nghiêng lên tới 500.

3


Mùa xuân năm 1929, phương pháp xác định góc nghiêng mới được đưa vào
sử dụng tại đây. Đó là việc ứng dụng xác định góc nghiêng bằng kim nam châm.
Các giếng khoan trước đó được xác định bằng phương pháp “đo góc nghiêng bằng
bình HF (acid bottle inclinometer)” nghiêng tới 450 thì với phương pháp mới chỉ
nghiêng 10 - 110 so với phương thẳng đứng. Nguyên nhân chính gây ra là sự xê dịch
mặt thoáng do hiện tượng mao dẫn. Điều này dẫn đến các vạch được khắc trên chai
thủy tinh chứa HF sai lệch. Cũng nhờ phương pháp mới đã cho thấy kích thước của
bộ khoan cụ có tác động rất ít đến chiều sâu theo phương thẳng đứng của giếng, và
hầu hết các giếng đều cong, có một vài giếng cong tới 38 0. Tuy nhiên tại thời điểm
này, cơng tác chính của đội khoan định hướng chủ yếu được thuê để làm thẳng lại
các giếng cong.
Đầu thập niên 30, giếng khoan định hướng đầu tiên được tiến hành khoan tại
Huntington, California. Giếng khoan này đã thành công khi khoan từ trên đất liền
tới tầng chứa dầu thô ngoài khơi bằng việc sử dụng máng xiên, khớp nối và mũi
khoan phá. Đây được xem là phương pháp sớm nhất được áp dụng trong khoan định
hướng.

Công tác điều khiển quá trình khoan tại mỏ Huntington thuở ban đầu đã sai
so với trắc diện giếng thiết kế ban đầu. Trong công tác phát triển mỏ này, người ta
phát hiện ra 2 giếng được hồn thiện năm 1930 có chiều sâu đáng kể, và đồng thời
cũng thu được nhiều dầu hơn so với các giếng khác trong mỏ, mặc dù cùng thời
gian bơm với nhau. Và kết luận cuối cùng được đưa ra là giếng này đã đi chệch quỹ
đạo, cắm sâu vào lòng đại dương. Đến năm 1932, sự thật này đã được thừa nhận khi
mà công tác khoan đã được thực hiện trên nhiều thị trấn để mở rộng khu khai thác
của mỏ, và lấy dầu thô từ vỉa dưới biển lên trên đất liền.
Nhưng đã có nhiều vấn đề đã nảy sinh trong khoan định hướng, nơi tầng sản
phẩm khai thác nằm trong khu vực thủy triều, mà quyền sở hữu nơi này thuộc cả
thành phố Hungtington Beach và Bang California. Tình trạng chồng lấn quyền sở
hữu đã bắt buộc đội khoan phải đi đúng hướng phát triển ban đầu.
Năm 1933, trong suốt quá trình phát triển của mỏ Singnal Hill tại Long
Beach, California có hơn 3 giếng đã được khoan ngay dưới nghĩa trang Sunnyside
từ bên ngoài đường bao chứa dầu dưới nghĩa trang và thậm chí còn từ những điểm
xa hơn để khai thác vỉa dầu này.
Và cho tới năm 1934, khoan định hướng mới được nhìn nhận đúng đắn khi
được dùng để dập 1 giếng gần Conroe, Texas. Giếng Madeley 01 đã được tiến hành
khoan trong một vài tuần trước đó, nhưng trong khi mọi thứ đang diễn ra hết sức
bình thường, áp suất thành hệ bên trong ống chống đột ngột tăng lên, sự tăng áp này
4


làm mất sự cân bằng áp suất, chất lưu bên trong thành hệ phun trào lên bề mặt và
gây cháy nổ, khung cảnh khi ấy trông như một miệng núi lửa đang trong thời kì
hoạt động với đường kính lên tới gần 170 ft và không rõ chiều sâu, với chủ yếu là
dầu và cát được đốt cháy, luôn luôn ở mức 6000 thùng/ ngày. Nhưng mọi chuyện
chưa dừng lại ở đây, áp suất lớn gây phun trào cả các giếng lân cận tạo nên một
khung cảnh hết sức tệ hại. Nhiều người đã nghĩ khơng có thể làm gì để giếng có thể
ngừng phun, và chỉ hi vọng bản thân nó có thể ngừng phun càng sớm càng tốt để

mọi người có thể quay trở lại làm việc như những ngày bình thường.
Nhưng trong lúc đó, có một kĩ sữ trẻ làm việc cho 1 công ty dầu mỏ lớn ở
Conroe, đã đề nghị sử dụng một giếng khoan dịch vị và có xu hướng nghiêng đến
tận đáy của giếng đang phun trào kia. Lúc này, giếng khoan mới sẽ được sử dụng để
bơm ép một lượng dung dịch nặng xuống đáy, thông qua các kênh dẫn trong thành
hệ, tạo ra phản áp mới cân bằng với áp suất thành hệ đang phun trào. Từ đó hiện
tượng phun trào sẽ được kiểm soát. Kiến nghị táo bạo này đã được chấp thuận, và
kết quả đã thành công xuất sắc, những người có cơng đã được thưởng xứng đáng
cho thành công này. Khi ấy, khoan định hướng đã được công nhận từ các nhà thầu,
các công ty như một biện pháp để khắc phục hiện tượng phun trào dầu khí.
Ngày nay, khoan định hướng được sử dụng rộng rãi để phát triển mỏ theo
chiều rộng chứ không phải theo chiều sâu như phương pháp truyền thống, mang lại
hiệu quả kinh tế cao.
1.1.2. Q trình phát triển của cơng nghệ
Lịch sử phát triển kỹ thuật và công nghệ khoan định hướng gắn liền với tiến
bộ khoa học kỹ thuật của lĩnh vực khoan thăm dò, khai thác.
- Ở cuối thế kỷ thứ XIX khoan định hướng bằng phương pháp khoan đập cáp
đạt đến chiều sâu 60 m. Khi đó chủ yếu tiến hành bằng cách lắp đặt thiết bị kết hợp
với bộ phận đầu hướng từ trên bề mặt.
- Năm 1921-1924 ở Mỹ bắt đầu khoan định hướng các giếng khoan dầu khí
bằng phương pháp khoan roto thay cho khoan đập cần. Phương pháp tiến hành lắp
bàn roto nghiêng kết hợp dùng dụng cụ làm lệch ở đáy. Bộ dụng cụ làm lệch được
đưa xuống giếng khoan và định vị bằng máy trắc địa trên bề mặt.
- Ở Liên Xô cũ giếng khoan nghiêng đầu tiên được thực hiện bằng phương
pháp khoan bằng bàn quay roto dùng máng xiên vào năm 1934, song do cơng nghệ
khơng hồn chỉnh, kết quả thấp, gây nhiều sự cố (Vì thân giếng tạo thành có nhiều
bậc và tạo lòng máng trên thành giếng).

5

- Do sự phát triển của phương pháp khoan tuabin vào năm 1936, các chuyên
gia đã dùng tuabin để khoan định hướng nhưng công nghệ khoan định hướng vẫn
dùng công nghệ khoan roto nên hiệu quả thấp.
- Từ năm 1940, sau khi chế tạo được tuabin khoan với nhiều tầng cánh, kết
hợp với dùng đầu nối cong, cần cong đã xây dựng được quy trình cơng nghệ khoan
định hướng bằng phương pháp khoan tuabin và được áp dụng nhiều ở một số mỏ
dầu khí của Liên Xơ.
- Thời kỳ 1945-1946 trên cơ sở nghiên cứu sự làm việc của cột cần khoan, để
thay thế cho dụng cụ làm lệch dạng máng xiên đã dùng đầu nối cong kết hợp với
cần nặng lắp trên tuabin tại điểm đỉnh cung uốn và sau đó là dùng nhipen lệch tâm,
tốc độ khoan nghiêng định hướng nâng cao rõ rệt và từ năm 1949, cùng sự ra đời
nhiều loại dụng cụ định hướng ở đáy.
Từ năm 1952, nhiều chuyên gia bắt đầu đi sâu nghiên cứu cơ sở lý thuyết của
phương pháp khoan nghiêng định hướng.
Ngày nay nhờ sự làm việc ngày càng đáng tin cậy của động cơ đáy và các
thiết bị phụ trợ là một bước đánh dấu quan trọng trong công tác khoan định hướng.
Thêm vào đó là sự phát triển vượt bậc của cơng nghệ khoan thăm dị, chúng bổ sung
và thúc đẩy phát triển lẫn nhau.
Sự phát triển của thiết bị chỉnh xiên (steering tool) thay thế dần cho phương
pháp đo từ tính. Với phương pháp này, thao tác định hướng cho động cơ đáy bằng
một đoạn ống cong. Thiết bị này được đặt xuống bởi một hệ thống cáp tời và đặt
bên trong thiết bị định vị high side (smuleshoe orienting sleeve của máy MWD với
bộ khoan cụ). Cáp được đi vào một đầu của hệ thống tuần hoàn trong cột cần khoan
và được đi ra sau mỗi 90ft.
Dữ liệu được đưa lên bề mặt bằng hệ thống cáp tời và được xử lí bằng máy
tính, hiển thị liên tục góc phương vị (azimuth), góc nghiêng (inclination), nhiệt độ
(temperature), và tool face (là phần dụng cụ để xác định hướng lệch). Cáp được thả
bên trong ống giúp loại bỏ được lực kéo trên mỗi 90ft.
Đầu thập những năm 1980, ANADRILL MWD bắt đầu phát triển công nghệ

với thiết bị chỉnh xiên là dụng cụ kết hợp với động cơ đáy tác dụng đo phương vị và
độ nghiêng của tool face, và nhận được sự công nhận về lợi ích mà nó mang lại,
cũng như nguồn lợi tài chính lớn. Ngày này các MWD được thay thế cho thiết bị
chỉnh xiên (steering tool) trong công tác khởi động và được sử dụng độc lập với một
động cơ đáy có khả năng điều chỉnh góc nghiêng. Thế hệ mới của MWD có bổ sung
thêm tia gama, điện trở suất, và DWOB/DTOR (DWOB( Downhole Weight On Bit)
6


: Tải trọng trong thành hệ tác động lên choòng ; DTOR (Downhole Torque ) :
Mômen xoắn tác động lên chng ) để tăng khả năng tính tốn chính xác.
Nhìn chung, MWD ngày nay đang nhận được sự chấp thuận rộng rãi khơng
chỉ có ngành cơng nghiệp dầu khí nói riêng mà cả những cơ quan quản lí có thẩm
quyền.
Cơng nghệ mới công nghệ con quay hồi chuyển (Gyro Technology ) cũng đã
thu được những bước tiến triển. SCR ( Surface Readout Gyro) dựa trên sự chỉ thị
của con quay khơng thay đổi trục quay, là cách đo góc bằng phương pháp vật lí, sử
dụng trong các giếng khoan mà từ trường bị nhiễu bởi ống chống của các giếng bên
cạnh. Đây được xem là sự cải tiến mới nhất phục vụ cho cơng tác khảo sát dịng
dung dịch. Nó cho ra kết quả nhanh và chính xác nhờ sử dụng năng lượng điện, tiết
kiệm được thời gian phải đọc một loạt phim. Nhiều nhà sản xuất cũng đưa ra những
thiết bị của riêng mình với nhiều tên tuổi điển hình như FINDER, SEEKER, GCT,
FINDS ....
1.2. Các ứng dụng chính của khoan định hướng
1.2.1. Khoan lệch hướng (Sidetracking)
Khoan lệch hướng (Sidetracking): đây được xem là kĩ thuật xuất hiện đầu
tiên của khoan định hướng, vì thời kì này chưa có sự hỗ trợ của kĩ thuật tiến tiến,
mục đích chính là đi qua vật kẹt (như cần khoan bị gãy) để thu hồi vật kẹt và làm
giếng thẳng trở lại, hay đổi hướng khi gặp phải cấu tạo địa chất bất ngờ, khó xác
định thuộc tính.

Hình 1.2. Khoan lệch hướng

7


1.2.2. Khoan qua các địa điểm không thể tiếp cận được
Giúp khoan qua các địa điểm không thể tiếp cận được: Khi các mỏ dầu nằm
dưới các khu vực khó tiếp cận như một thành phố, một con sông, hay khu vực có
mơi trường nhạy cảm. Khi đó cần phải thiết kế một dàn khoan ở khoảng cách xa
hơn và đưa ra một hướng khoan tối ưu để tiếp cận được mỏ dầu.

Hình 1.3. Khoan qua một địa điểm khơng tiếp cận được

1.2.3. Khoan qua các vòm muối
Giúp khoan qua các vịm muối: các vịm muối đã được tìm thấy là các bẫy tự
nhiên của các tích tụ dầu khí. Dầu khí sẽ được hình thành bên dưới lớp vịm. Sự phá
hủy trực tiếp vòm muối này để tiếp cận được mỏ dầu phía dưới rất khó khăn. Dù
vẫn có thể sử dụng một lượng dung dịch muối bão hòa để xuyên qua trụ muối. Tuy
nhiên khoan một giếng định hướng để tiếp cận vùng mỏ là thuận lợi hơn cả, tránh
được rủi ro khi phải khoan phá trực tiếp trụ muối.

Hình 1.4. Khoan qua các vịm muối
8


1.2.4. Khoan qua các đứt gãy
Giúp khoan qua các đứt gãy: Mặc dù các giếng được khoan được gọi là
thẳng đứng, nhưng hầu hết các giếng đều cong. Hiện tượng cong này thường xảy ra
khi đi qua các đứt gãy địa chất. Khi gặp trường hợp này, khoan định hướng được

ứng dụng để có thể dễ dàng đi qua các đứt gãy.

Hình 1.5. Khoan qua các đứt gãy
1.2.5. Khoan nhiều giếng thăm dị từ thân giếng đơn đã có từ trước đó
Giúp khoan nhiều giếng thăm dị từ thân giếng đơn đã có từ trước đó. Thân
giếng đơn này có thể đã bị bịt lại từ trước đó, khi này tại một điểm nhất định nào đó
sẽ được cắt xiên để tạo ra một thân giến mới. Đôi khi thân giếng khoan cũ cũng
được sử dụng như một điểm của phương định vị để khoan những giếng khác. Công
tác này cho phép thăm dò cấu trúc của địa tầng mà khơng cần khoan thêm một
giếng hồn tồn mới.

Hình 1.6. Khoan giếng thăm dị từ giếng đơn đã có từ trước đó
9


1.2.6. Tiến hành khoan trên bờ
Có thể tiến hành khoan trên bờ: Có nhiều mỏ dầu nằm dưới những hồ nước
lớn, là những nơi nằm hoàn toàn trong khả năng tiếp cận của dàn trên đất liền. Các
đầu giếng sẽ được đặt trên đất liền và quá trình khoan định hướng diễn ra ngầm
dưới nước. Phương pháp này giúp tiết kiệm tiền, vì dàn trên đất liền rẻ hơn dàn
ngồi khơi rất nhiều.

Hình 1.7. Tiến hành khoan từ trên bờ
1.2.7. Phát triển giếng khoan đa đáy trên biển
Phát triển giếng khoan đa đáy trên biển : Trên một dàn khoan ở ngồi khơi
cơng tác phát triển nhiều nhánh tại cùng một đầu giếng là một giải pháp kinh tế nhất
để phát triển mỏ dầu ở ngồi khơi. Khơng những thế giải pháp này cũng được đưa
vào sử dụng ở trên đất liền, những nơi có khơng gian làm việc bị hạn chế như rừng
rậm nhiệt đới, hay đầm lầy. Tại đây, dàn khoan được đặt trên một giá, các giếng
được khoan thành “cụm”.

Hình 1.8. Phát triển giếng đa đáy trên biển

10


1.2.8. Khoan qua vùng nhiều cát từ một thân giếng đơn
Khoan qua vùng nhiều cát từ một thân giếng đơn: Ứng dụng khoan một
giếng khoan xiên tới cắt những vỉa dầu nghiêng. Nó cho phép có thể hồn thiện
giếng bằng hệ thống “đa hoàn thành”. Giếng này phải đáp ứng được những mục tiêu
cụ thể ban đầu và đảm bảo xuyên qua số lượng vỉa dầu nhiều nhất.

Hình 1.9. Khoan qua vùng nhiều cát từ một thân giếng đơn
1.2.9. Khoan giếng cấp cứu
Khoan giếng cấp cứu : Mục tiêu chính của các giếng này là khoan một giếng
khoan định hướng cứu trợ với mục đích chính để bơm dung dịch nặng xuống đáy
của một giếng khoan đang xảy ra sự cố phun trào để dập giếng. Để có thể tiến hành
dập giếng, cần lên một bản kế hoạch cụ thể, với độ chính xác cao về kích thước của
giếng, và chiều sâu cắt giếng đang phun trào.

Vùng áp suất cao

Hình 1.10. Khoan giếng cấp cứu

11


1.2.10. Khoan giếng khoan ngang
Giếng khoan ngang: Hiện tượng giảm lưu lượng trong một mỏ có thể có
nhiều lí do, bao gồm cả khí và nước của thành hệ bị thấm theo phương thẳng đứng.

Khi ấy, kĩ sư có thể lập kế hoạch khoan một giếng khoan ngang. Đó là một loại
giếng khoan định hướng đặc biệt. Giếng khoan ngang được chia thành : dài, trung
bình và ngắn, tùy thuộc vào cường độ tăng góc nghiêng. Ứng dụng của khoan định
hướng được phát triển trên nhiều lĩnh vực như địa nhiệt và khai thác mỏ.

Hình 1.11. Khoan giếng khoan ngang
1.3.Các yêu cầu trong khoan định hướng
- Lựa chọn quỹ đạo cho thân giếng trên quan điểm đường đi tối ưu và tổn hao
năng lượng là ít nhất.
- Cơng suất của thiết bị khoan phải đảm bảo trong suốt quá trình thi công.
- Cấu trúc giếng khoan phải tối ưu và phù hợp với cơng nghệ hiện có.
- Hệ dung dịch khoan phải đảm bảo khả năng làm sạch giếng và ổn định thành
giếng khoan.
- Thiết bị và dụng cụ đo, lái chỉnh thân giếng đầy đủ.
- Giảm tối đa chi phí về thời gian cũng như thiết bị, vật tư trong q trình thi
cơng giếng khoan.
- Đạt độ sâu, khoảng dịch đáy theo yêu cầu đặt ra trong phạm vi sai số cho
phép.
-Giảm tối đa các phức tạp và sự cố xảy ra trong quá trình khoan, tránh gây
ảnh hưởng tới các giếng lân cận.
- Tận dụng được tối đa thiết bị, kĩ thuật, cơng nghệ hiện có. Đặc biệt tận
dụng điều kiện địa chất (Tính chất cơ lý của đất đá, góc vỉa, góc nghiêng...) cho
q trình thi cơng đơn giản và mang lại hiệu quả kinh tế cao.

12


CHƯƠNG 2:
CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
2.1. Phương pháp khoan rôto kết hợp với máng xiên

2.1.1.Phương pháp thực hiện
Bàn rơto đóng vai trị như một bộ truyền trung gian biến chuyển động quay
nằm ngang của động cơ thành chuyển động thẳng đứng của cột cần khoan nhờ cặp
bánh răng nón. Cấu tạo của bàn rơto được mơ tả tỏng hình 2.1.

Hình 2.1 Cấu tạo của bàn quay rơto
1. Ổ đỡ chính
2. Đầu vng dẫn động
3. Ổ đỡ phụ
4. Chấu kẹp
5. Bàn xoay
6. Cặp bánh răng nón
7. Vỏ khoang chứa dầu
8. Puli

9. Rãnh then
10. Bạc chặn
11. Bạc lót
12. Nắp khoang chứa dầu
13. Ổ đỡ chặn
14. Trục
15. Ổ lăn
16,17. Gioăng làm kín

Trong q trình khoan rơto dụng cụ thường dùng để cắt xiên là máng xiên.
Thông thường các máng xiên được làm từ hợp kim cứng có chất lượng tốt. Thân
của máng xiên được vát nghiêng và có hình lòng máng bên trong. Nguyên tắc làm
việc của hệ thống là sau khi định hướng bộ khoan cụ làm lệch hướng, ta tiến hành
đặt một tải trọng cần thiết để đầu nhọn phía dưới của máng hướng cắm vào đất đá ở
đáy lỗ khoan, tránh cho máng hướng bị xoay trong quá trình làm việc. Cố định xong

máng hướng, ta tiếp tục tăng tải trọng để cắt chốt làm việc, khi ấy chng khoan
được giải phóng, trượt trên máng xiên để làm lệch lỗ khoan.
13


Hình 2.2. Máng nghiêng
2.1.2. Ưu nhược điểm
*Ưu điểm:
+ Phương pháp này thích hợp với sử dụng khoan bằng chng chóp xoay.
+ Quá trình vận chuyển mùn khoan lên một cách dễ dàng nhờ cột cần khoan
quay liên tục.
+ Không yêu cầu công suất bơm lớn như khi khoan bằng động cơ đáy.
+ Cho phép khoan được chiều sâu lớn.
+ Dải tốc độ điều chỉnh rộng nên thích hợp cho đất đá từ mền tới cứng.
+ Phương pháp cũng như thiết bị đơn giản dễ thực hiện.
* Nhược điểm:
+ Khả năng chỉnh xiên khó khăn, dễ xảy ra sự cố khi mở cửa sổ.
+Mỗi khi muốn cắt xiên lại phải kéo tồn bộ bộ khoan cụ lên.
+Góc nghiêng cắt xiên được rất hạn chế.
2.2. Khoan bằng động cơ đáy
Thay vì truyền chuyển động cho choòng khoan từ trên bề mặt như khi khoan
bằng bàn rơto, thì trong q trình khoan bằng động cơ đáy, động cơ truyền chuyển
động sẽ được lắp trực tiếp ngay trên choòng khoan. Trong phương pháp truyền
chuyển động này, động cơ được sử dụng có thể là động cơ tuabin hay động cơ trục
14


vít. Nhờ thao tác lắp động cơ được ngay trên chng nên trong suốt q trình
khoan, cột cần khoan khơng quay, tạo điều kiện cho chúng làm việc nhẹ nhàng hơn.
2.2.1.Khoan bằng động cơ tuabin

2.2.1.1. Phương pháp thực hiện
Tuabin khoan có cấu tạo từ nhiều tầng cánh giống nhau. Mỗi tầng có hai phần
rotor và stator. Trên đó, gồm các cánh cong thủy lực có chiều uốn cong ngược nhau
sao cho khi làm việc cánh cong của stator hướng dòng chất lỏng đổ vào cánh của
rotor .
Tuabin khoan làm việc theo nguyên lý khi dòng chất lỏng từ máy bơm chuyển
động dọc theo cột cần khoan đi vào tuabin đập lên các cánh của stator, sau đó từ
cánh của stator sẽ đổ lên cánh của rotor làm rotor quay. Trên cánh tuabin, năng
lượng dịng dung dịch được chuyển hóa thành cơ năng làm quay trục tuabin để dẫn
động cho choòng khoan phá hủy đất đá. Như vậy, việc biến đổi năng lượng giữa
tuabin và chất lỏng được thực hiện bằng năng lượng thủy động của dòng chất lỏng
qua tuabin. Nếu khơng kể tới tổn thất, thì chênh lệch năng lượng thủy động của
dòng chảy đầu vào và đầu ra của bánh cơng tác chính bằng cơ năng mà bánh cơng
tác nhận được từ dòng chất lỏng.
Động cơ tuabin gồm các loại :
- Tuabin một tầng là tuabin có một tập hợp tầng cánh, số tầng cánh cong của
một tập hợp tầng cánh từ 89 đến 121 tầng. Đây là loại tuabin có tốc độ trung bình
nằm trong khoảng 545 đến 660 vịng/phút.
- Tuabin nhiều tầng là loại tuabin có tập hợp tầng cánh, số tầng cánh cong của
các tập hợp tầng cánh từ 239 đến 318 tầng . Đây là loại tuabin có tốc độ thấp nằm
trong khoảng 355 đến 505 vịng/phút.
- Tuabin ngắn là loại tuabin có số tầng cánh cong ít nằm trong khoảng 30 đến
60 tầng. Đây là loại tuabin tốc độ cao nằm trong khoảng 780 đến 1110 vịng/phút.
- Tuabin khối lượng nhỏ là tuabin có chiều dài không lớn nhưng số tầng cánh
cong tương đương như tuabin nhiều tầng từ 180 đến 330 tầng, tốc độ vòng quay từ
464 đến 645 vòng/phút.
- Tuabin cong là loại được sử dụng để khoan giếng khoan định hướng. Tuabin
này có số tầng cánh cong từ 95 đến 109 tầng tốc độ vòng quay từ 660 đến 670
vòng/phút.

15


Dịng chảy

Cánh tua bin

Hình 2.3. Các tầng cánh của tuabin khoan
2.2.1.2. Các bộ phận làm lệch hướng lỗ khoan và phạm vi sử dụng của chúng
Để cắt xiên bằng động cơ tuabin người ta thường sử dụng một trong các biện
pháp phổ biến sau:
a. Sử dụng cần cong
Đây là một trong những kiểu làm lệch đầu tiên khi khoan định hướng bằng
tuabin. Khi đó, thợ khoan sẽ đưa vào sử dụng một đoạn cần khoan thành dày, uốn
cong. Đoạn cần này được lắp trực tiếp trên tuabin khoan. Khi thả cần cong xuống lỗ
khoan, cần cong bị biến dạng tạo nên lực đàn hồi ép choòng khoan đi vào thành lỗ
khoan.
Do không đủ độ cứng vững nên cần cong không thể làm tăng độ cong của
giếng khoan lên nhiều. Dùng cần cong chỉ có thể làm cong lỗ khoan đến 20 ÷ 25 0.
Các cần cong khó vận chuyển, khó chế tạo đúng góc ngiêng theo u cầu. Trong
q trình sử dụng thì góc cong ban đầu của chúng bị thay đổi.

Hình 2.4. Cần cong
16


b. Pere khốt cong
Được lắp trực tiếp trên tuốc bin khoan, và cũng làm việc theo nguyên tắc như
cần cong, nhưng có thể giữ góc cong với độ chính xác cao hơn, kích thước nhỏ gọn
dễ vận chuyển.

Nhược điểm của Pere khốt cong là mức độ cong của giếng khoan phụ thuộc
nhiều vào chế độ khoan, độ cứng vững và trọng lượng của cột cần khoan ở phía
trên, cũng như đường kính thực tế của lỗ khoan.
Thiết bị này thơng thường có thể tăng độ cong đến 40 - 450.

Hình 2.5. Pere khốt cong
c. Nhippen lệch tâm
Nhippen lệch tâm được chế tạo bằng cách hàn một tấm đệm bằng thép vào nhippen
(đế) của tuabin khoan. Khoảng cách từ tâm đến mặt ngồi của tấm thép hàn lớn hơn
đường kính của chng khoan là 5mm.
Nhippen lệch tâm có thể dùng để tăng độ cong lên rất lớn hoặc dùng khi uốn
cong với độ chính xác cao. Chú ý, khi dùng nhippen lệch tâm bộ cần khoan dễ bị
kẹt gây ra nhiều sự cố nguy hiểm.

1. Tuabin
d. Bộ phận làm lệch P-1

Hình 2.6. Nhippen lệch tâm
2. Tấm đệm

17

3. Choòng


Đây là loại hồn thiện nhất. Đó là một loại cần nặng có đường tâm của các
đầu ren ngiêng đi so với đường tâm của cần.
Các đầu ren cũng nghiêng trong một mặt phẳng và cùng một phía. P-1 được
lắp trực tiếp trên tuabin. Người ta dùng nó để tăng độ cong đến 90 0 hoặc lớn hơn, để
đổi phương vị của lỗ khoan thứ 2 từ lỗ khoan trước đó. Khi dùng P-1 độ cong của lỗ

khoan tăng đều đặn và khơng phụ thuộc vào chế độ khoan.

Hình 2.7. Bộ phận làm lệch P-1
1. Cần khoan
4. Gối đỡ

2. Pere khốt cong
5. Choòng

3.Tuabin

e. Bộ phận làm lệch OT và OTC
Thực chất bộ phận làm lệch này là một đầu nối cong lắp giữa nhippen và
thân tuabin.
Mômen xoắn và tải trọng chiều trục được truyền từ trục phía trên xuống đoạn
trục phía dưới nhờ ổ tuabin, ổ tựa này nối giữa phần trục trên và phần trục dưới
bằng côn ma sát.
2.2.1.3. Trang thiết bị cần thiết để tăng hoặc giảm cường độ cong của giếng
* Để tăng góc cong lỗ khoan:
1. Choòng + tuabin + đầu nối cong + cần nặng
2. Choòng + tuabin cong + cần nặng
3. Choòng + tuabin + dụng cụ làm lệch P-1
4. Choòng + tuabin + cần cong
5. Chng + tuabin có nhippen lệch tâm + cần nặng
* Để giảm góc cong của lỗ khoan:
1. Để giảm góc cong một cách từ từ: Chng + tuabin
2. Để giảm góc cong nhanh: Chng + cần khoan thành dày + tuabin
3. Để làm giảm thật nhanh góc cong : Choòng + tuabin + dụng cụ làm lệch
P-1
* Để ổn định góc nghiêng của lỗ khoan:

1. Chng + tuabin khoan có hàn vịng kim loại ở thân
18