Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường LỜI MỞ ĐẦU Từ năm 1986, Việt Nam đã trở thành một trong những nước khai thác và xuất khẩu dầu thô trên thế giới. Tuy còn non trẻ, nhưng ngành công nghiệp dầu khí đã nhanh chóng trở thành ngành kinh tế mũi nhọn và là chỗ dựa vững chắc cho sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Cho đến nay, Việt Nam đã khai thác hơn 130 triệu tấn dầu thô và 8,5 tỷ m 3 khí đồng hành. Dầu và khí vẫn là nguồn năng lượng chiến lược và quan trọng nhất trong nửa đầu thế kỷ 21. Khoan giếng dầu khí là công việc sống còn của ngàng công nghiệp dầu khí vì không có giếng thì không thể khai thác dầu khí nằm sâu trong lòng đất. Mục tiêu quan trọng nhất của người kỹ sư dầu khí là biết áp dụng các kỹ thuật và công nghệ mới để khai thác ngày càng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá này. Tuy nhiên nguồn tài nguyên này là có hạn, cho đến nay vẫn chưa có thêm phát hiện những mỏ dầu nào có trữ lượng lớn, nên việc phát triển các kỹ thuật thiết bò là một đòi hỏi tất yếu trong bối cảnh hiện nay dầu mỏ là một vấn đề đang nóng bỏng (về chính trò lẫn quân sự). Do đó việc nâng cao hiệu quả thu hồi dầu và khắc phục sự cố sảy ra là nhiệm vụ cực kỳ quan trọng và cực kỳ phức tạp. Với mong muốn được tiếp cận các công nghệ mới ứng dụng để khoan-khai thác dầu khí em chọn đề tài của đồ án “Ứng dụng của coiled tubing trong xử lý cát xâm nhập”. Với những tìm hiểu của mình về Coiled Tubing e nhận thấy được tính hiệu quả trong việc ứng dụng công nghệ Coiled Tubing trong hoạt động làm sạch cát tại đáy giếng nhằm nâng cao và phục hồi sản lượng của một số giếng đang khai thác. Tuy nhiên vì trong thời gian hạn hẹp và kiến thức có hạn của e, nên không thể tránh khỏi những sai xót, e kính mong các thầy cô đóng góp ý kiến và giúp đỡ e. Đồ án bao gồm có 3 phần: Chương 1: Lòch sử hình thành và phát triển Coiled Tubing Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng Coiled Tubing trong xử lý cát xâm nhập 1 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Chương 3: Chương trình thiết kế công việc và ứng dụng phần mềm Circa trong mô phỏng tính toán Chương 4 : Kết luận 2 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường CHƯƠNG 1 : LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN COILED TUBING 1.1. Khái niệm về Coiled Tubing Trong ngành công nghiệp dầu khí, thuật ngữ coiled tubing chỉ một loại ống thép dài liên tục có độ bền cao, trước và và sau khi sử dụng được quấn trên tang cuộn ống và có thể vận chuyển dễ dàng bằng các phương tiện chuyên dụng. Một cuộn coiled tubing như vậy thường có khối lượng khoảng 40.000 lb. Thường được đi kèm với các thiết bò phụ trợ tạo thành một bộ thiết bò coiled tubing. Bao gồm: tang quấn ống, đầu dây coiled tubing, cabin điều khiển (và xe chở chuyên dụng khi thực hiện công việc trên đất liền). 1.2. Quá trình hình thành và phát triển Coiel Tubing Năm 1944, trong dự án PLUTO thì lần đầu tiên coiled tubing được sử dụng. Dự án thực hiện việc đặt 23 đường ống đường kính 3 inch ngang qua eo biển nước Anh cung cấp nhiên liệu cho quân đồng minh giúp giải phóng châu u khỏi phát xít Đức trong thế chiến II. Mỗi đường ống gồm những đoạn ống dài 4.000 ft (1.219 m) đúc sẵn được hàn lại với nhau theo phương pháp butt-weld (hàn theo mặt phẳng vuông góc với trục ống) và quấn trên những tang cuộn ống đường kính 40 ft (12,2 m). Trong số 23 đường ống có 17 đường dài 30 dặm (48,3 km) và 6 đường ống dài 70 dặm (112,6 km). Vào đầu những năm 1960, Bowen Tools đã thực hiện vận chuyển một ăngten radio dưới biển bằng một đầu đẩy ngầm. Và thiềt bò này chính là cơ sở để thiết kế nên đầu đẩy ống. Năm 1962, công ty California Oil Company và Bowen Tools đã phát triển bộ thiết bò coiled tubing đầu tiên. Nó được gọi là “cụm thiết bò cần nhẹ liên tục”. Đường kính ngoài của ống sử dụng là 1,315 inch. 3 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Coiled tubing ban đầu được chế tạo từ những mảnh thép rộng 50 inch. Thép được sử dụng là thép hợp kim Colobian. Các mảnh này được hàn theo phương pháp butt-weld và quấn vào tang cuộn ống đường kính 9 ft với tổng chiều dài là 15.000 ft. Từ năm 1963 đến 1964 bộ thiết bò coiled tubing này đã thực hiện nhiều công việc ở vùng Louisana. Quá trình phát triển liên tục của coiled tubing được thể hiện thông qua một số mốc thời gian như sau: - Năm 1964: Brown Oil Tools và Esso giới thiệu hệ thống đầu đẩy ống tubing ¾ inch. - Năm 1967: Bowen Tools giới thiệu hệ thống đầu đẩy ống cải tiến 5M với kích thước nhỏ hơn có khả năng giữ 5.000 lb ống ½ inch. NOWSCO và Brown Oil Tools đã hợp tác chế tạo được 12 bộ thiết bò coiled tubing 5M. - Năm 1968: Bowen phát triển đầu đẩy 8M có khả năng làm việc với 8.000 lb ống ¾ inch. - Cuối thập niên 1960 đầu 1970: cải tiến và thiết kế mới các thiết bò coiled tubing. Kích thước đường kính ngoài thông thường của coiled tubing đã tăng lên 1 in. Hơn 200 bộ thiết bò coiled tubing đã được chế tạo trong khoảng thời gian này. - Cuối thập niên 1970: xuất hiện nhiều nhà chế tạo thiết bò coiled tubing Uni- Flex Inc, Hydra Rig Inc, Otis Engineering. Những đầu đẩy ống mới được thiết kế tương tự như của Bowen Tools. - Năm 1975: Uni-Flex giới thiệu một đầu đẩy ống được thiết kế mới mà nhiều tính năng của nó đã có ảnh hưởng đến thiết kế của các nhà sản xuất khác. - Năm 1976: hình thành công ty Quality Tubing Inc với sự hỗ trợ tài chính từ NOWSCO. - Cuối 1970 đầu 1980: nhiều thiết kế đã thay đổi và cải tiến để tăng cường thiết bò coiled tubing. Các nhà cung cấp coiled tubing vẫn chủ yếu là Bowen Tools, Hydra Rig Inc và Otis Engineering. 4 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường - Năm 1978: tất cả các dự án chế tạo thiết bò coiled tubing của Uni-Flex và Brown Oil Tools chấm dứt. - Năm 1985: Fleet Cementers phát triển đầu đẩy ống mới làm việc với 8.500 ft ống ¾ inch. - Năm 1989: Quality Tubing Inc được tặng giải thưởng về phát minh ra phương pháp hàn bias-weld (phương pháp hàn xiên), phương pháp này tăng khả năng chòu mỏi của coiled tubing. - Năm 1993: Quality được nhận bằng sáng chế cho chuỗi ống mềm liên tục (continuous coiled tubing). - Tháng 12/1999: Coiled Line Pipe thiết lập tiêu chuẩn API Product. - Các nhà sản xuất coiled tubing ban đầu là SouthWestern, Republic và Mannesman. Hiện nay số bộ thiết bò coiled tubing trên thế giới chủ yếu do Presition Tube Inc và Quality Tubing Inc sản xuất. - Có thể coi thập niên 90 đã chứng kiến một sự phát triển thần kỳ của công nghệ coiled tubing với từ 1 giếng khoan thăm dò và 3 giếng khoan lại năm 1991, 11 giếng khoan lại và khoan mới 1992 thì đến năm 2001 đã có xấp xỉ 50% số giếng trong các mỏ lớn ở Bắc Mỹ được khoan bằng coiled tubing cùng với nhiều nơi khác đã và đang sử dụng coiled tubing trong các công tác thăm dò và khai thác dầu khí. - Một trong những minh chứng cho sự phát triển này là Schlumberger, một trong số những công ty hàng đầu trong lónh vực khoan bằng coiled tubing. Năm 1991, Schlumberger khoan được 1 giếng thì riêng năm 2000 họ đã khoan được 73 giếng tương đương 90.000 ft chiều dài coiled tubing đã được sử dụng. - Trong năm 2002, phát minh về bộ dụng cụ đáy BHA mới của AnTech Ltd Colt Coiled Tubing Bottomhoe Assembly sử dụng cho coiled tubing để khoan dưới cân bằng cho các giếng khí đã trờ thành phát minh đứng đầu trong số 10 phát minh quan trọng nhất trong ngành dầu khí năm 2001 do tạp chí Hard’s E&P bình chọn. 5 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường - Tất cả các số liệu trên cho thấy một tương lai phát triển rực rỡ của công nghệ coiled tubing. Đó cũng là điều tất yếu bởi trong tình hình hiện nay của ngành dầu khí thì tính kinh tế được xem xét đến hàng đầu và những công nghệ mới như công nghê coiled tubing giúp tiết kiệm thời gian cũng đồng nghóa sẽ đem lại nhiều lợi nhuận hơn. Những công ty ứng dụng Coiled Tubing hàng đầu 6 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Công ty Số bộ thiết bò Coiled Tubing Schlumberger 200 BJ 159 Halliburton 100 Superior 34 Cudd 28 Surguneftegas 20 Trican 19 Tổng 560 1.3. Cấu tạo của bộ thiết bò Coiled Tubing Có nhiều loại thiết bò coiled tubing phục vụ cho nền công nghiệp dầu khí nhưng chiếm ưu thế hiện nay vẫn là loại đầu đẩy xích truyền thẳng đứng quay ngược chiều nhau (vertical, contra-rotating chain drive injector head). 7 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Bộ thiết bò coiled tubing được cung cấp năng lượng bằng thủy lực, dễ vận chuyển, được thiết kế để đẩy vào và kéo ra liên tục trong cột ống chống hoặc ống khai thác có đường kính lớn hơn. Ngày nay, người ta thường dùng loại coiled tubing có đường kính ngoài từ ¾ in đến 2 - 3/8 in. Các bộ phận của coiled tubing đơn giản gồm: - Đầu đẩy ống. - Tang quấn ống. - Cụm BOP đầu giếng. - Thiết bò truyền năng lượng thủy lực. - Bảng điều khiển. 1.3.1. Đầu đẩy ống Đầu đẩy ống được thiết kế để thực hiện ba chức năng cơ bản sau: - Cung cấp lực đẩy để dẫn ống vào trong giếng, chống lại áp suất cản hoặc để thắng ma sát trong giếng. 8 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường - Kiểm soát tốc độ vào giếng của ống trong các điều kiện giống nhau. - Chòu toàn bộ trọng lượng treo của ống và tăng tốc độ kéo khi rút ống ra khỏi giếng. Coiled Tubing có thể được đẩy xuống đến đoạn giếng trần, hoặc được dùng để chuyển các thiết bò và dụng cụ đáy được gắn vào phần cuối ống. Injector Head có thể vận hành ống liên tục nhờ sự trợ giúp của hai bộ xích đóa đặt đối nhau. Hai bộ xích đóa được truyền năng lượng bởi các động cơ thủy lực xoay ngược chiều nhau. Hai bộ xích này được thiết kế kèm theo các saddle block lồng vào nhau đặt giữa chúng và tạo hình dáng tròn theo coiled tubing. Các saddle block bên trong bộ xích ép lên ống nhờ một loạt các con lăn nén thủy lực để tạo nên hệ thống truyền bằng ma sát. Injector Head cũng được trang bò hệ thống trục lăn hình vòng cung, còn gọi là bộ dẫn hướng (cỗ ngỗng) gắn trực tiếp ngay trên đóa truyền. Nó được dùng để tiếp nhận coiled tubing từ tang quấn ống và hướng nó vào các khối xích truyền (chain block). Bộ dẫn hướng này cùng với chuỗi con lăn được gắn lên một khung dạng vòm cong 90 o với bán kính cong giống như tang quấn. Nói chung bộ dẫn hướng có bán kính cong từ 60 đến 72 in, khi coiled tubing có đường kính ngoài từ 1 ¼ in đến 1 ½ in. còn đối với coiled tubing có đường kính ngoài lớn hơn cỡ 1 ¾ in và 2 in thì bộ dẫn hướng phải có bán kính cong là 84 in. Tại đế Injector Head, một ống đệm kín hay “đóa cao su” (stripper rubber) vận hành theo cơ chế thủy lực được đònh vò dọc theo đường tâm coiled tubing khi ống được giữ chặt trong thiết bò xích truyền. ng đệm kín chứa một số bộ phận đàn hồi phân đoạn (split elastomer element) được ép vào ống. Bộ phận này có tác dụng cô lập áp suất vành xuyến với áp suất khí quyển. Nếu ống đệm kín bò mòn quá trong quá trình hoạt động, các bộ phận đàn hồi phân đoạn có thể được thay ngay cả khi ống còn trong giếng khoan. Giới hạn áp suất làm việc cực tiểu của ống đệm kín là 5.000 psig, nhưng thông thường nó được thiết kế với áp suất làm việc lên đến 10.000 psig. 9 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Bộ cảm biến tải cũng được đặt ở đáy Injector Head. Bộ phận thủy lực này được nối với bảng điều khiển để giám sát quá trình vận hành qua các thông số trọng lượng ống và lực kéo (lb) cần thiết để nâng ống. Đối với các Injector Head cải tiến dùng để chuyển các dụng cụ xuống dưới giếng, người ta thường dùng một bộ cảm biến tải tác dụng kép để đo thêm lực đẩy tác dụng lên coiled tubing Injector Head được chống trên đầu giếng theo một trong hai cách sau: chống ống bằng các chân khớp lồng (telescoping legs) hoặc ống chống bằng một khung thép dựng lên theo cơ chế thủy lực thường được gọi là jack stand. Cách thứ nhất thường được dùng ở những nơi mà chiều cao Injector Head đầu giếng không cho phép sử dụng loại jack stand. Khi sử dụng loại chân khớp lồng, các đầu trên cùng của nó được lồng vào bốn rãnh (perimeter slot) đònh vò trên khung của Injector Head và được siết chặt bằng các đầu nối (pin) ở độ cao theo yêu cầu. Ngoài ra còn có các đệm lót (footpad) đặt ngay bên dưới mỗi đế của chân khớp lồng nhằm phân bố đều trọng lượng của Injector Head lên các phần ở trên bề mặt. Để làm chắc thêm các chân, người ta bắt chặt các đai ốc (turn-buckle) được gắn bên dưới các chân chống. Khi lắp đặt thiết bò ở những nơi có bề mặt không hạn chế (ví dụ như ở các giàn khoan biển), người ta thường sử dụng loại jack stand để chống đỡ Injector Head. Một khi đã đạt được chiều cao mong muốn, bốn chân được kẹp và siết chặt tại chỗ. Đế của jack stand phân bố đều trọng lượng Injector Head lên mỗi chân xung quanh vò trí đứng. Ưu điểm của loại jack stand so với loại chân khớp lồng là có tính ổn đònh, phạm vi nhả cần trục rộng và an toàn hơn. Trong mọi trường hợp, Injector Head phải được gắn chặt vào đất hoặc vào giàn khoan với ít nhất một dây xích ở mặt trước (đối diện với tang quấn) và hai dây xích ở mặt sau. Để giảm thiểu moment hình thành ở đầu giếng, các dây xích dùng để ổn đònh Injector Head không nên bắt vào đầu giếng hoặc vào cây thông khai thác. 1.3.2 Tang quấn ống (REEL) 10 [...]... thống đường ống trong bơm và hệ thống đường hồi CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG COILED TUBING TRONG XỬ LÝ CÁT XÂM NHẬP 16 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường 2.1 Các vấn đề phải đối mặt khi có hiện tượng sinh cát sảy ra 2.1.1 Sự lấp đầy khoảng thành hệ đã bắn mở vỉa – khai thác và các thiết bò lòng giếng Nếu dòng chảy không đảm bảo lưu lượng, vận tốc để đưa các hạt cát lên bề mặt,... 1.00 8.81 0.45 200 8.11 0.31 9.76 0.90 8.87 0.40 Bảng 2.3: Khối lượng thể tích và độ nhớt của một số chất lưu 2.3 Ứng dụng Coiled Tubing trong xử lý cát xâm nhập 2.3.1 Các nguyên tắc vận hành Coiled Tubing để làm sạch cát 2.3.1.1 Những việc cần làm 34 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Cần lắp một van kiểm soát dòng chảy dạng chữ T để tuần hoàn dung dòch ra khỏi lỗ khoan Nơi... tang cuộn ống,cuộn Coiled Tubing trên tang quấn, đường hồi dung dòch áp suất cao đều là những phần quan trọng trong hệ thống tuần hoàn Nhưng trong phần này ta tập trung vào việc lựa chọn kích thước của Coiled Tubing, vì vậy ta chỉ quan tâm đến tổn thất áp suất của dòng chảy bên trong ống Coiled Tubing và bên ngoài vành xuyến Ta xét các điểm nút sau: 20 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh... đầu giếng 12 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Hệ thống BOP đầu giếng là phần rất quan trọng trong bộ thiết bò coiled tubing và được dùng trong mọi hoạt động dòch vụ của coiled tubing Cụm BOP gồm bốn ngàm (ram) vận hành theo cơ chế thủy lực, thông thường có áp suất làm việc thấp nhất là 10.000 psig Tuy nhiên vẫn còn một vài loại thiết bò coiled tubing đời cũ sử dụng cụm BOP... chảy trong ống được xác đònh theo công thức sau: 22 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing N Re = 928* d b *V * ρ µ Nguyễn Mạnh Cường (2.1) Trong đó: - db : đường kính trong của ống (in) - : khối lượng thể tích (lb/gal) - : là độ nhớt của dung dòch (cp) - V : vận tốc của dung dòch trong vành xuyến(ft/s) Công thức tính số Reynolds trên áp dụng cho cả dòng chảy trong và dòng chảy ngoài Coiled Tubing, ... từ 1000 ft đến 1500 ft Phải có những thiêt bò Coiled Tubing chuyên dụng trong khu vực này để luân chuyển rộng và tránh sự dẫn điện theo chu kỳ kèm theo trong khu vực khe nứt theo chiều dọc 35 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Cần có thiết bò bề mặt theo dõi áp suất bơm và áp suất của tự động trong khi tuần hoàn chất lưu qua nút cầu trong giếng do hạt rắn gây ra Khu vực cần lầm... bề mặt tiếp xúc giữa thành ống và dòng chảy Trong trường hợp này ta sử dụng khái niệm bán kính tương đương DEq Việc sử dụng phương pháp này nhằm tính toán tổn thất áp suất của dòng chảy trong vành xuyến dựa trên hệ số tổn thất áp suất của dòng chảy qua ống tròn tương đương Bán kính tương đương được tính theo công thức: 27 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường 2 Db2 − Dco D ln b... hao áp suất khi tính toán tổn hao trong ví dụ 2.1 ta xem ống CT đồng tâm với ống khai thác và ống chống Nhưng thực tế thì các ống này luôn lệch tâm do ảnh hưởng của lực uốn dư và trọng lực Vì vậy trong khi tính toán tổn hao bên ngoài vành xuyến phải kể đến độ lệch tâm E c của CT trong giếng Độ lệch tâm Ec được tính toán và thể hiện như sau: 31 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Ec = 2* δ Db −... trò kinh tế của giếng Hình 2.1: Cát lấp đầy giếng 2.1.2 Tích tụ cát trong các thiết bò bề mặt 17 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Khi vận tốc của dòng lưu lượng sản phẩm đủ lớn để mang các hạt cát từ dưới đáy giếng lên đến các thiết bò bề mặt thì cát sẽ tích tụ lại trong các thiết bò bình tách, thiết bò gia nhiệt, đường ống thu gom,… Khi lượng cát tích tụ ở các thiết bò đó đủ... một khu vực cho phép để xử lý Mùn khoan sẽ được đưa đến khu vực rác thải để xử lý Đẩy ống vào trong giếng bằng Coiled Tubing ở một lực đẩy không lớn hơn 30 đến 40 fpm nếu chưa có thông tin về đỉnh của cột cát Nếu lượng cát tích tụ nhiều, cũng không nên đẩy ống với tốc độ 60 đến 70 fpm Giữ Coiled Tubing di chuyển trong suốt quá trình làm sạch để chống lại hiện tượng kẹt ống trong vùng hạt rắn rớt trở . Coiled Tubing trong xử lý cát xâm nhập 1 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường Chương 3: Chương trình thiết kế công việc và ứng dụng phần mềm Circa trong mô phỏng tính toán Chương. lưu, hệ thống đường ống trong bơm và hệ thống đường hồi. CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG COILED TUBING TRONG XỬ LÝ CÁT XÂM NHẬP 16 Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường. các công nghệ mới ứng dụng để khoan-khai thác dầu khí em chọn đề tài của đồ án Ứng dụng của coiled tubing trong xử lý cát xâm nhập . Với những tìm hiểu của mình về Coiled Tubing e nhận thấy