- 1 - Lời nói đầu Bài giảng khoan dầu khí đợc viết cho sinh viên chuyên nghành kỹ thuật khoan dầu khí . Nội dung bài giảng đề cập một cách hệ thống các kiến thức cơ bản nhất từ việc phân tích các điều kiện địa chất, xây dựng và tính toán cấu trúc một giếng khoan dầu khí đến phần lựa chọn dụng cụ, thiết bị để thi công. Bài giảng cũng đề cập khá đầy đủ các phần tính toán lựa chọn cấu trúc bộ khoan cụ, kiểm toán bền cột cần, tính toán cấu trúc cho các cột ống chống, thiết kế chế độ khoan, công tác trám xi măng v.v Trong bài giảng đã đa vào một số bài tập có tính ứng dụng để minh hoạ cho phần lý thuyết hy vọng các sinh viên tập làm quen với công tác tính toán. Môn học kỹ thuật khoan dầu khí chứa đựng nhiều vấn đề phức tạp liên quan đến các kiến thức địa chất, cơ lý thuyết, sức bền vật liệu, cơ khí, cơ sở khoan, phá huỷ, dung dịch và vữa trám. Chính vì vậy môn học này cần thiết đuợc bắt đầu sau khi sinh viên đã học hết các môn liên quan nói trên. Trong quá trình học môn học, sinh viên có phần thực hiện viết một đồ án môn học về thiết kế kỹ thuật một giếng khoan thăm dò và khai thác dầu khí. Ngoài mục tiêu trên, bài giảng Khoan dầu khí còn đợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành thuộc lĩnh vực dầu khí. Do thời gian hạn chế nên nội dung có thể cha cập nhật và hình thức trình bày còn có những điểm cha hợp lý mong nhận đợc sự đóng góp của các đồng nghiệp và các nhà chuyên môn. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả biên soạn - 2 - mở đầu Trong ngành công nghiệp dầu khí công tác khoan giếng là một trong những khâu rất quan trọng không thể thiếu, thông qua giếng khoan để tiến hành việc tìm kiếm thăm dò và khai thác sản phẩm và làm nhiều công tác nghiên cứu tiếp theo. Giếng khoan đợc xem là một công trình hình trụ đợc thi công trong vỏ trái đất có chiều sâu lớn gấp nhiều lần đờng kính của nó. Để tạo thành giếng khoan hiện nay hầu nh chỉ còn đợc thực hiện bằng phơng pháp khoan xoay có rửa. Để phá huỷ đất đá tạo thành lỗ khoan ngời ta sử dụng choòng khoan. Căn cứ vào đặc điểm phá huỷ của choòng trên đáy mà thân giếng khoan đợc tạo thành bằng 2 kiểu sau: - Khoan phá toàn đáy: Toàn bộ bề mặt đáy đợc phá huỷ thành mùn khoan và đợc đa lên mặt bởi dòng tuần hoàn (chủ yếu là chất lỏng) đợc bơm xuống đáy từ trên mặt. - Khoan lấy mẫu: Chỉ một phần đất đá ở thành lỗ khoan bị phá huỷ thành mùn theo hình vành khăn, còn lõi đá ở giữa đợc lấy lên nguyên dạng (bằng ống mẫu) gọi là mẫu lõi để nghiên cứu cấu trúc địa chất, tính chất cơ lý và thành phần thạch học v.v Căn cứ vào công dụng của giếng khoan trong công nghiệp dầu khí ngời ta chia giếng khoan thành 5 loại chính nh sau: 1, Giếng khoang tìm kiến cấu tạo: Để nghiên cứu kiến tạo, địa tầng, thạch học cũng nh độ chứa sản phẩm của một tầng nào đó. 2, Gếng khoan chuẩn: Để nghiên cứu điều kiện địa chất và phơng hớng tìm kiếm dầu khí ở những vùng cha đợc nghiên cứu kỹ. 3, Giếng khoan thăm dò: Để nghiên cứu tầng sản phẩm cũng nh giá trị công nghiệp của chúng. Để khoanh giới hạn tầng dầu, khí, nớc ở các vỉa khai thác. 4, Giếng khoan khai thác: Dùng để lấy sản phẩm dầu khí lên. 5. Giếng bơm ép: Đợc dùng để bơm nớc, khí hoặc không khí nhằm duy trì áp lực vỉa với mục đích kéo dài thời gian khai thác tự phun. - 3 - + Các phơng pháp khoan trong khoan dầu khí: Trớc đây (khoảng củaối thế kỷ XIX) tồn tại hai phơng pháp khoan đó là khoan đập (chủ yếu là đập cáp) và khoan xoay. Chiều sâu kỷ lục của phơng pháp khoan đập đạt đợc năm 1918 tại bang Techzat Mỹ là 2250m. Phơng pháp khoan đập bên cạnh những u điểm cũng bộc lộ nhiều hạn chế không thể khắc phục đợc, trong đó chủ yếu bị hạn chế bởi chiều sâu giếng khoan do cấu trúc quá phức tạp cho nên đã phải nhờng chỗ cho phơng pháp khoan xoay có rửa. Ngày nay do những u việt vốn có, phơng pháp khoan đập vẫn đợc sử dụng để thi công các giếng khoan khai thác nớc, thăm dò sa khoáng hoặc các giếng khoan phục vụ công tác nổ mìn. Ngay cả ở Việt Nam đã, đang và sẽ còn đợc sử dụng. Nh đã nói ở trên trong công tác khoan các giếng khoan thăm dò và khai thác dầu khí duy nhất chỉ tồn tại phơng pháp khoan xoay. Trong phơng pháp khoan xoay, căn cứ vào vị trí đặt động cơ lại chia ra 2 loại chính là: - Phơng pháp khoan Roto (hoặc đầu quay di động): Có động cơ đặt trên mặt đất và truyền chuyển động quay cho choòng khoan thông qua cột cần khoan. - Phơng pháp khoan bằng động cơ chìm (chủ yếu là động cơ tuabin hoặc động cơ trục vit): Động cơ đặt ngầm trong lỗ khoan bên trên choòng khoan. + Các quá trình chính của công tác khoan bao gồm: - Công tác xây lắp và chuẩn bị mọi mặt cho công tác thi công. - Công tác khoan thuần tuý. Choòng trực tiếp phá huỷ đất đá ở đáy và tuần hoàn dung dịch. Đây là thao tác cơ bản tạo ra giếng khoan nhng nó lại cần ít ngời tham gia nhất. Chỉ có kíp trởng khoan trực tiếp điều khiển thông qua tời, bàn quay Roto và dẫn động bộ dụng cụ phá huỷ nhờ cột cần khoan và cần chủ đạo. - Tiếp cần khoan: Khi khoan hết chiều dài làm việc của cần chủ đạo ta cần phải nối dài thêm bộ khoan cụ bằng cách gắn thêm đoạn cần khác (có - 4 - chiều dài chiều dài làm việc của cần chủ đạo) dới cần chủ đạo và đợc lắp vào cột cần khoan phía dới. Cứ nh thế việc tiếp cần đợc lặp đi lặp lại sau mỗi lần khoan hết chiều dài làm việc của cần vuông. - Công tác kéo thả: Khi choòng khoan đã mòn cần thay choòng mới hay khi đã đạt tới chiều sâu dự kiến, bộ dụng cụ khoan cần đợc kéo lên để thay choòng mới hay hạ cột ống chống. - Công tác chống ống: Hạ xuống giếng cột ống chống đã đợc tính toán trớc và tiến hành trám xi măng theo thiết kế đợc duyệt. - Công tác lắp đặt đầu ống chống (đầu giếng): Khi thả cột ống chống và trám xi măng xong, bớc tiếp theo là lắp đặt các thiết bị giá treo đầu ống chống và làm kín ở phần mút phía trên của nó giữa các cột ống chống (trừ ống bảo vệ không đợc liên kết). Các thao tác này đợc thực hiện bằng tay đối với các đầu giếng ở trên mặt đất. Các thiết bị này cũng cho phép lắp đặt các đối áp và các đờng ống cao áp, trong đó có đờng dập giếng và đờng xả. Sau khi lắp đặt cần kiểm tra độ an toàn của giá treo ống, đối áp và áp suất làm việc của đầu ống chống. - Công tác hoàn thiện giếng khoan: Đây là công đoạn cuối cùng (sau khi đã thả cột ống chống khai thác) gồm có công việc thả vào giếng các thiết bị cần thiết theo thiết kế nh Pake, ống khai thác, van an toàn v.v thông giếng với tầng sản phẩm bằng bắn vỉa, thông tầng bằng các phơng pháp xử lý axit, vỡ vỉa bằng phơng pháp thuỷ lực v.v Sau đó là bàn giao giếng khoan cho các công ty khai thác quản lý. Bớc tiếp theo là thu dọn khoan trờng và chuyển đến địa điểm mới. - 5 - S¬ ®å 1 lo¹i thiÕt bÞ khoan dÇu khÝ (thiÕt bÞ khoan xoay). - 6 - Chơng I: Choòng khoan Choòng khoan là loại dụng cụ phá huỷ đất đá tạo thành lỗ khoan. 1.1.Phơng pháp phân loại choòng khoan: Do đặc điểm cơ lý của đất đá và sự đa dạng của phơng pháp khoan cũng nh yêu cầu về kỹ thuật địa chất, kỹ thuật thi công nên choòng khoan đợc chế tạo theo nhiều kiểu khác nhau về cấu trúc và nguyên lý phá huỷ. Chính vì vậy công tác phân loại choòng cũng đợc thực hiện theo các quan điểm khác nhau: + Căn cứ vào cấu tạo, choòng đợc chia ra: - Choòng cánh dẹt - Choòng chóp xoay - Choòng kim cơng + Căn cứ vào công dụng, choòng đợc chia ra: - Choòng phá mẫu - Choòng lấy mẫu - Choòng có công dụng đặc biệt (choòng mở lỗ, choòng bậc, choòng doa rộng, choòng để khoan định hớng, ) + Căn cứ vào cấu tạo lỗ thoát nớc, choòng đợc chia ra: - Choòng có nớc chảy đều - Choòng có vòi phun thuỷ lực + Căn cứ vào tính chất cơ lý của đất đá, choòng đợc chia ra: - Choòng mềm - Choòng trung bình - Choòng cứng và các loại choòng liền kề (choòng mài mòn và ít mài mòn). Về mặt cấu trúc, một choòng khoan gồm có 3 bộ phận chính là phần lắp nối, phần hoạt động và phần dẫn dung dịch. Riêng choòng chóp xoay có thêm một bộ phận đặc thù đó là hệ thống ổ tựa của chóp xoay. - 7 - - Phần lắp nối là phần nối giữa choòng khoan và phần dới của cột cần, truyền năng lợng trực tiếp cho phần hoạt động. Phần lắp nối đợc tiện ren (trong hoặc ngoài). - Phần hoạt động: Là phần trực tiếp tác dụng lên bề mặt đáy. Đất đá bị phá huỷ bởi các răng dạng nêm lỡi cắt, răng hợp kim cứng định hình hoặc hạt kim cơng và chúng đợc bố trí theo các mặt tiếp xúc với đáy và thành lỗ khoan nhằm tạo thành lỗ khoan có hình dạng và đờng kính nhất định. - Hệ thống dẫn dung dịch: Đợc bố trí ở các khoảng trống giữa các chân choòng với các vòi dẫn dung dịch xuống đáy nhằm làm sạch đáy và làm mát choòng. Căn cứ vào vận tốc dòng dung dịch qua khỏi vòi phun (v j ) ta chia ra 2 loại: Choòng có hệ thống rửa thờng nếu v j < 70m/s Choòng có vòi phun thuỷ lực nếu v j 70 130m/s 1.2. Các loại choòng khoan trong khoan dầu khí. 1.2.1. Choòng cánh dẹt: a. b. a. Choòng 2 cánh; b. Choòng 3 cánh Hình 1 Choòng cánh dẹt + Phạm vi sử dụng : Choòng cánh làm việc theo nguyên lý cắt - vỡ, thờng đợc dùng trong đất đá mềm hoặc dẻo. Không đợc sử dụng trong khoan tuabin vì mô men phá huỷ lớn. + Các loại choòng cánh và cấu tạo. Căn cứ vào số cánh mà choòng đợc phân ra các loại choòng 2 cánh, 3 cánh và 4 cánh. - 8 - Phía trên cùng tiện ren để nối với cần khoan. Mặt trớc và mặt bên đều đợc gắn hợp kim để tăng độ cứng của choòng. Lỗ thoát nớc hớng chất lỏng từ cột cần khoan chảy trực tiếp lên đáy đợc bố trí ở khoảng cách 2/3 bán kính tính từ tâm choòng khoan. Sự bố trí vòi phun đảm bảo lệch dòng chất lỏng về phía trớc lỡi cắt chút ít nhằm đảm bảo làm sạch đáy và làm mát tốt nhất. Tốc độ khoan sẽ tốt lên nếu tạo cho vòi phun đạt tốc độ 70 130m/s. + Vật liệu chế tạo choòng. Choòng cánh đợc chế tạo từ thép có kết cấu hàm lợng các bon trung bình. Thân và cánh đợc sản xuất theo kiểu rèn hoặc dập: Thân bằng thép các bon không hợp kim. Hàm lợng Cacbon từ 035 0,4%. Cánh choòng bằng thép hợp kim với Crom, Silic, Măngan. Thông thờng khi chế tạo, cánh đợc hàn vào thân choòng, cũng có khi đợc rèn liền khối với thân. Cánh choòng đợc trám hợp kim Rêlit để tăng khả năng chống mòn. 1.2.2. Choòng kim cơng: + Phạm vi sử dụng: Làm việc theo nguyên lý cắt - vỡ, dùng trong đất đá có độ cứng từ trung bình đến rất cứng, trong các loại đất đá nh sa thạch, đôlômít, đá vôi và các loại đá mà hiệu suất khoan của choòng chóp xoay đạt thấp. Dùng đợc cho tất cả các phơng pháp khoan. Tuy nhiên khoan bằng động cơ đáy phù hợp nhất vì đạt đợc vận tốc quay cao. Hình 2 - 9 - + Cấu trúc và sự phân loại choòng kim cơng. Thông thờng cấu trúc của 1 choòng kim cơng gồm có các phần chính nh: đầu nối ren để nối với cần khoan, lõi thép và khuôn đấu. Trên bề mặt khuôn đấu có gắn các hạt kim cơng (xem hình vẽ). Trong đó khuôn đấu là bộ phận quan trọng nhất nó phải có hệ số dãn nở nhiệt và độ mài mòn gần giống với kim cơng để tránh hiện tợng bong tróc các hạt kim cơng khỏi khuôn đấu. Và cuối cùng là bộ phận dẫn dung dịch đợc bố trí thích hợp giữa các bề mặt đáy đợc gắn kim cơng theo những hình dạng khác nhau. Căn cứ vào cách gắn các hạt kim cơng và kích thớc các hạt kim cơng mà ngời ta phân ra 3 loại chính: - Choòng kim cơng 1 lớp (khoan trong đá đồng nhất). - Choòng kim cơng nhiều lớp (khoan trong đá nứt nẻ). - Choòng kim cơng thấm nhiễm (khoan trong đá nứt nẻ). Ngoài ra ngời ta còn có cách phân loại nh: Choòng kim cơng đợc gắn lỡi cắt là kim cơng tự nhiên, loại choòng có lỡi cắt PDC hay kim cơng đa tinh thể và cuối cùng là lỡi cắt TSP hay kim cơng đa tinh thể bền nhiệt (Độ chịu nhiệt của PDC 800 0 C, loại TSP có độ ổn định nhiệt tốt hơn). + Tính chất của kim cơng: Là khoáng vật cứng nhất trong tự nhiên (cấp Xii), nhiệt độ nóng chảy là 3650 0 C. Kim cơng bị grafit hoá ở 1450 0 C. Đơn vị đo khối lợng của kim cơng là Cara (1 cara = 0,2053 g). Kích thớc các hạt kim cơng đợc gắn vào choòng thay đổi từ 2-12 hạt/cara. Đặc điểm của kim cơng là rất cứng nhng dòn, không chịu đợc va đập và nhiệt độ đáy cao. Kim cơng đợc dùng để chế tạo choòng kim cơng thờng là kim cơng nhân tạo vì giá thành rẻ hơn kim cơng tự nhiên. + Sử dụng choòng kim cơng: Việc có quyết định chọn và sử dụng choòng kim cơng hay không phải căn cứ vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố giá thành là rất quan trọng. Những - 10 - trờng hợp sau đây sẽ là căn cứ để có thể sử dụng choòng kim cơng thay cho choòng chóp xoay: - Khi tuổi thọ chóp xoay quá ngắn do mòn các ổ lăn, răng hoặc gãy răng. - Khi tốc độ khoan quá nhỏ (1,5m/h), do tỷ trọng của dung dịch khoan lớn hoặc do thiếu công suất thuỷ lực của thiết bị khoan. - Khi gk 6 mà tuổi thọ của choòng chóp xoay bị hạn chế. - Khi độ nghiêng tăng lên trong khoan định hớng hoặc tải trọng lên choòng bị hạn chế. - Trong khoan tuabin có số vòng quay lớn và đất đá phù hợp sẽ hiệu quả hơn so với khoan Roto. Tuy nhiên trong đá rắn chắc và nứt nẻ, các loại đá chứa đá lửa hoặc pirit sẽ không phù hợp với choòng kim cơng. Nếu sử dụng hợp lý 1 choòng kim cơng có thể thay thế đợc tới 15 choòng chóp xoay. Trớc khi bắt đầu khoan bằng choòng kim cơng cần phải doa thân lỗ khoan, lấy hết các mảnh vụn đất đá và kim loại lên khỏi đáy. Vì thế trớc khi khoan kim cơng trong 2 hay 3 hiệp khoan bằng choòng chóp xoay cuối cùng, cần phải thả ống mùn để lấy hết các vụn kim loại và đá. ống mùn đợc lắp trên choòng trong khoan Roto và trên tuabin trong khoan tuabin. Trong trờng hợp cần doa lỗ khoan và bơm rửa thêm cần phải khoan hiệp khoan đặc biệt có sử dụng ống mùn. 1.2.3. Choòng chóp xoay: 1.2.3.1.Phạm vi sử dụng và u nhợc điểm của choòng chóp xoay: Trong công tác khoan dầu khí choòng chóp xoay đợc sử dụng rộng rãi nhất chiếm tỷ lệ trên 90%. Dùng đợc trong mọi loại đất đá có độ cứng và tính chất khác nhau. Choòng chóp xoay có những u điểm nổi bật là: - Diện tích tiếp xúc với đáy nhỏ nhng độ dài của mép làm việc lại lớn vì vậy hiệu suất phá đá cao. [...]... các răng choòng kém cứng vững, nhất là những choòng có đường kính nhỏ Hiện người ta chế tạo các loại choòng 1, 2, 3, 4 chóp, riêng loại 3 chóp xoay là phổ biến nhất 1. 2.3.2.Cấu tạo của choòng 3 chóp xoay: 5 3 2 4 1- Ren nối 2- Thân choòng 3- Chân choòng 4- Lỗ thoát nước 5- Chóp xoay Hình 3 -11 - Choòng 3 chóp xoay gồm 4 phần chính đó là thân choòng, phần làm việc, hệ thống ổ tựa và hệ thống rửa - Thân... tốc đạt khoảng từ 80 15 0 m/s Các tia không những có tác dụng rửa sạch các chóp xoay mà còn có tác dụng làm nguội và tống thoát mùn khoan một cách nhanh chóng ra khỏi không gian vành xuyến Có thể nối dài các vòi phun làm tăng hiệu quả làm sạch đáy giếng Các vòi phun được chế tạo từ hợp kim chống mòn, có thể được thay mới theo cách tháo lắp răng Ren với bề mặt đáy của choòng khoan 1. 2.3.3.Qui luật phá... cân bằng áp lực trong ổ lăn giữa áp lực của dung dịch khoan và áp lực mỡ được tra vào từ khi chế tạo Vòng cách ly được chế tạo từ loại vật liệu đặc biệt chịu nhiệt, chịu mài mòn dưới áp suất cao - Hệ thống vòi rửa thuỷ lực: -13 - Được bố trí trong thân choòng với các đường dẫn dung dịch tới đáy nhằm đáp ứng yêu cầu làm sạch đáy và làm mát choòng khoan Có 2 loại cấu trúc hệ thống dẫn dung dịch: Loại... theo những hình dạng khác nhau Cụ thể loại răng thép (choòng răng phay) để khoan trong đá mềm có tốc độ quay cao Bề mặt răng đều được phủ lớp Cacbuavonfram để tăng độ cứng và chống mòn Các loại choòng khoan trong đá mềm có răng dài, nằm xa nhau để tạo điều kiện tăng chiều sâu cắm ngập vào đất đá và phá vỡ các mảng lớn Các choòng khoan trong đất đá cứng trung bình và nửa cứng thì các răng bố trí gần nhau... tuabin Trong quá trình làm việc các chóp xoay của choòng quay xung quanh trục của mình và xung quanh trục của choòng Khi quay xung quanh trục của mình, các chóp xoay lúc thì tỳ 1 răng lúc thì tỳ 2 răng lên đáy lỗ khoan Vì -14 - ... để lắp với cột cần khoan Choòng nhóm A có đường kính 345490mm Choòng nhóm B có đường kính 76320mm - Phần làm việc (bao gồm chóp xoay, các răng của chóp xoay) Chóp xoay vừa quay quanh trục của choòng đồng thời quay quanh trục của chóp xoay và bị trượt khi quay nên vừa có tác dụng đập vừa có tác dụng cắt hữu hiệu đối với đất đá mềm Chính vì thế để tăng hiệu quả cắt và tăng tốc độ khoan trong đá mềm người... vững chắc, nằm gần nhau, chóp xoay lớn để có thể chịu tải trọng lớn Ngày nay nhờ tiến bộ của ngành luyện kim và hình dạng các răng nhọn định hình cho phép người -12 - ta chế tạo ra được các loại choòng phù hợp với phần lớn các loại đất đá khi khoan (Ví dụ dạng cầu, dạng quả trứng, dạng đầu đạn, dạng hình chóp, dạng lưỡi đục, dạng thìa múc đặt biệt vv.) - Hệ thống ổ tựa chóp xoay: ổ tựa chóp xoay có 3... có từ 1 đến 2 ổ bi cầu Bi đũa chịu lực hướng tâm là chủ yếu và có tác dụng truyền tải trọng cho lưỡi cắt Vòng trượt có thể thay cho bi đũa và làm tăng thể tích côn, tăng độ vững chắc của ngõng trục - Hệ thống cách ly và bôi trơn các ổ tựa chóp xoay: Các ổ bi cầu và bi đũa hở không được bôi trơn thường có thời gian làm việc ngắn, tuổi thọ giảm, chúng được làm mát và bôi trơn chủ yếu nhờ nước rửa (khí . - 1 - Lời nói đầu Bài giảng khoan dầu khí đợc viết cho sinh viên chuyên nghành kỹ thuật khoan dầu khí . Nội dung bài giảng đề cập một cách hệ thống các kiến. thuật một giếng khoan thăm dò và khai thác dầu khí. Ngoài mục tiêu trên, bài giảng Khoan dầu khí còn đợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành thuộc lĩnh vực dầu khí. Do thời. vòi phun thuỷ lực nếu v j 70 13 0m/s 1. 2. Các loại choòng khoan trong khoan dầu khí. 1. 2 .1. Choòng cánh dẹt: a. b. a. Choòng 2 cánh; b. Choòng 3 cánh Hình 1 Choòng cánh dẹt + Phạm vi