Bài giảng Dung dịch khoan & Xi măng - Chương 1: Khái niệm chung về rửa lỗ khoan - Đỗ Hữu Minh Triết

Nội dung text: Bài giảng Dung dịch khoan & Xi măng - Chương 1: Khái niệm chung về rửa lỗ khoan - Đỗ Hữu Minh Triết

1. RỬA LỖ KHOAN LÀ GÌ? GEOPET ◼ Rửa lỗ khoan là dùng chất lỏng hay chất khí để thực hiện 2 nhiệm vụ:  Làm sạch đáy lỗ khoan,  Bôi trơn và làm mát dụng cụ khoan. ◼ Định nghĩa Dung dịch khoan là bất kì dung dịch nào được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt vào cần khoan, đi qua choòng khoan và quay lại bề mặt bằng khoảng không vành xuyến trong công tác khoan. 1-2 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
2. I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ SỬ DỤNG GEOPET CÁC LOẠI DUNG DỊCH VÀO CÔNG TÁC KHOAN − Thế kỷ XIX ở Trung Quốc người ta đã tiến hành rửa lỗ khoan bằng nước lã, sau đó là nước lã và các hạt sét có sẵn. − 1905, dung dịch sét đã được dùng để rửa lỗ khoan trong giếng khoan đầu tiên ở Texas. − 1921, ôxit sắt xay nhỏ được dùng để làm nặng dung dịch ở bang Arkansas và bang Louissiana (Mỹ). Sau đó, barit được tìm thấy có khả năng làm nặng dung dịch tốt hơn. − Đồng thời với việc làm nặng dung dịch người ta tìm ra xút (NaOH) và aluminat natri để làm ổn định dung dịch và giữ các hạt chất làm nặng ở trạng thái lơ lửng. 1-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
3. Hệ thống tuần hoàn dung dịch GEOPET 1-6 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
4. II. CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN GEOPET Các chức năng khác ➢ Đảm bảo tính chính xác cho công tác đánh giá vỉa ➢ Kiểm soát sự ăn mòn thiết bị (O2, CO2, H2S) ➢ Hỗ trợ quá trình trám ximăng và hoàn thiện giếng ➢ Giảm thiểu các tác hại cho môi trường ➢ Truyền thông tin địa chất lên mặt đất ➢ Là môi trường trung gian để truyền tín hiệu điều khiển 1-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
5. Chức năng 2 GEOPET Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn ◼ Trong quá trình khoan thường xảy ra hiện tượng ngừng khoan một cách đột ngột hoặc khi tiếp cần, thay choòng khoan. Khi đó trong khoảng không vành xuyến còn mùn khoan chưa được nâng lên mặt đất. Do trọng lượng bản thân, các hạt mùn khoan lắng xuống gây kẹt lỗ khoan. ◼ Để tránh hiện tượng kẹt lỗ khoan, phải dùng dung dịch có tính lưu biến cao. Dung dịch loại này khi ở trạng thái yên tĩnh, ứng suất giới hạn của chúng tăng lên (quá trình gel hóa), đủ để giữ các hạt mùn khoan không bị lắng xuống. 1-10 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
6. Chức năng 3 GEOPET Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ ◼ Trong quá trình khoan, dụng cụ phá đá bị nóng do nhiệt độ ở đáy (địa nhiệt) và do ma sát với đất đá. ◼ Năng lượng cơ học do ma sát sẽ sinh ra nhiệt. Một phần làm nóng dụng cụ phá đá và một phần đi vào đất đá. Nhiệt độ ở vùng tiếp xúc 800 - 1000oC sẽ giảm độ bền và độ chống mòn của dụng cụ. 1-12 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
7. Chức năng 3 GEOPET Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ (tt.) ◼ Thực tế cho thấy dung dịch làm lạnh dụng cụ phá đá tốt nhất là nước lã, sau đó là dung dịch sét và các chất lỏng khác, cuối cùng là chất khí. ◼ Nước rửa còn bôi trơn ổ bi, các chi tiết của turbin, choòng khoan, cần khoan và ống chống do nước rửa làm giảm ma sát ở các bộ phận quay, làm giảm nhẹ sự làm việc của các cơ cấu dẫn đến tăng độ bền của chúng, đặc biệt quan trọng trong khoan turbin. Hiệu quả bôi trơn càng tăng nếu pha vào dung dịch 8 - 10% dầu diesel hoặc dầu hỏa. Dung dịch nhũ tương dầu có tác dụng bôi trơn tốt nhất. 1-14 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
8. Chức năng 4 GEOPET Giữ thành lỗ khoan không bị sập lở, tránh mất nước rửa và hiện tượng dầu-khí-nước vào lỗ khoan (tt.)  Khi Pv > Ptt thì đất đá, dầu-khí-nước sẽ đi vào lỗ khoan gây ra hiện tượng sập lở thành lỗ khoan hay làm bão hòa dung dịch, đôi khi có thể đẩy dung dịch ra khỏi lỗ khoan và phun lên. Tăng tỷ trọng Ptt có tác dụng chống lại Pv. Mặt khác, khi dùng dung dịch sét sẽ tạo nên một lớp vỏ mỏng sét chặt sít xung quanh thành lỗ khoan, ngăn cách giữa vỉa và lỗ khoan thì thành lỗ khoan ổn định.  Khi Pv < Ptt, nước rửa đi vào khe nứt của đất đá làm giảm thể tích nước rửa, gây ra hiện tượng mất nước rửa từng phần hay hoàn toàn. Hiện tượng này xảy ra khi khoan qua đất đá nứt nẻ, nhiều lỗ hổng 1-16 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
9. Chức năng 5 GEOPET Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá ◼ Là một thông số chế độ khoan. ◼ Nước rửa qua lỗ thoát của choòng có kích thước nhỏ có tốc độ khá lớn và dự trữ một động năng. Động năng này được sử dụng làm sạch đáy lỗ khoan và khi gặp đất đá mềm, nó phá hủy trực tiếp. ◼ Tác động cơ học của dòng nước rửa lên đáy lỗ khoan được đánh giá bằng áp lực hay lực đập của dòng nước rửa khi tiếp xúc với đất đá ở đáy. Lực đập này phụ thuộc tốc độ, khối lượng và mật độ của dòng nước rửa. 1-18 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
10. Chức năng 5 GEOPET Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá (tt.) ◼ Hiệu quả đó tăng thêm khi ta thêm vào nước rửa các chất giảm độ cứng. Tác dụng các chất này là tăng lực tương tác hóa lý giữa môi trường phân hóa và bề mặt mới của đất đá tạo ra trong quá trình phá hủy cơ học. ◼ Các chất làm giảm độ cứng như hoạt chất cacbon, fenol, axit và các muối kiềm của chúng. + Các chất điện phân: NaCl, MgCl2, CaCl2, AlCl3 + Các muối của kim loại kiềm NaOH, Na2CO3 Lưu ý: Tác dụng của các chất trên thay đổi tùy nồng độ. 1-20 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
11. Chức năng 6 GEOPET Truyền năng lượng cho turbin khoan (tt.) Muốn Q tăng để tăng công suất quay của turbin thì tăng Nb hay giảm p. Trong kỹ thuật, Nb có thể điều chỉnh dễ dàng nên tăng Q dễ dàng nhưng trong kỹ thuật khoan, do kích thước các ống dẫn hạn chế nên khi Q tăng làm p giảm. Tùy theo độ bền của ống dẫn thủy lực, bơm và dụng cụ khoan mà p tăng đến trị số p < pmax do giá trị pmax đã làm hạn chế Q máy bơm. ◼ Khi Nb không đổi, muốn tăng Q thì phải giảm các tổn thất cục bộ. Điều này thực hiện bằng 2 cách. − Tăng đường kính của các phần có nước rửa chảy qua như ống dẫn, cần khoan và đầu nối, các lỗ thoát của choòng. − Dùng nước rửa linh động có tỷ trọng và độ nhớt nhỏ. ◼ Khi Q không đổi thì tổn thất thủy lực sẽ nhỏ nhất nếu làm sạch lỗ khoan bằng nước lã. 1-22 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
12. III. CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN GEOPET 1. Phương pháp rửa thuận 2. Phương pháp rửa nghịch 3. Phương pháp rửa cục bộ 1-24 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
13. 2. Phương pháp rửa nghịch GEOPET Nước rửa bơm vào lỗ khoan qua khoảng không vành xuyến giữa thành lỗ khoan và cần khoan, tới đáy, đưa mùn khoan lên theo phía trong của cần khoan. Phương pháp này thường dùng trong các lỗ khoan đường kính nhỏ hay khoan qua cát, cát kết bị phong hóa. ◼ Ưu điểm  Do tiết diện cần khoan nhỏ nên tốc độ dòng nước rửa đi lên nhanh.  Mùn khoan và mẫu cũng được nâng nhanh, có thể lấy mẫu liên tục  Va đập vào thành lỗ khoan nhỏ. ◼ Khuyết điểm:  Cần có thiết bị bít miệng lỗ khoan.  Không khoan được trong điều kiện mất nước.  Cấu trúc bộ dụng cụ khoan phức tạp, dễ bị tắt cần khoan. 1-26 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
14. CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN GEOPET 1 1 2 1 2 2 Cần khoan 1 1 Ống lắng 3 Thành 2 lấy mẫu giếng mùn khoan khoan 2 2 Rửa thuận Rửa nghịch Rửa cục bộ 1 Đường dung dịch vào 2 Đường dung dịch ra 3 Mùn khoan vào ống lắng 1-28 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
15. IV. CÁC CHẤT ĐỂ RỬA LỖ KHOAN GEOPET Một số chất để rửa lỗ khoan tương đối phổ biến: ◼ Dung dịch sét: dùng trong điều kiện địa chất không phức tạp lắm, có tác dụng làm sạch đáy lỗ khoan, làm lạnh dụng cụ phá đá, làm chắc thành lỗ khoan, tránh sự lắng đọng mùn khoan khi ngưng tuần hoàn, tránh sự xâm nhập của dầu, khí, nước vào lỗ khoan. ◼ Nước lã: dùng để khoan qua đất đá tương đối ổn định. Khi khoan, nước lã hòa lẫn với mùn khoan tạo thành dung dịch tự nhiên (khoan qua đá vôi, dolomit tạo thành dung dịch cacbonat, khoan qua anhydrit thạch cao tạo dung dịch sunfát).  Ưu điểm: Trọng lượng riêng nhỏ, tổn thất áp lực ít do đó tăng tốc độ cơ học khoan 15 - 20% so với sử dụng các loại dung dịch khác.  Khuyết điểm: Không giữ mùn khoan lơ lửng do đó dễ gây kẹt bộ dụng cụ khoan. 1-30 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
16. IV. CÁC CHẤT ĐỂ RỬA LỖ KHOAN GEOPET ◼ Dung dịch muối bão hòa: dùng để khoan qua các vỉa muối khoáng hay các lớp đất đá liên kết bằng các loại muối khoáng có thể hòa tan được. Khi khoan qua loại muối nào thì dùng dung dịch bão hòa là loại muối đó. Dung dịch muối khoáng không bị đóng băng ở nhiệt độ âm do đó người ta dùng dung dịch này để khoan qua vùng đóng băng quanh năm. ◼ Khí nén: Dùng để rửa lỗ khoan ở vùng không có nước, vùng đóng băng hay vùng dễ mất nước rửa. Dùng không khí tự nhiên, khí thải của động cơ đốt trong sẽ tăng tốc độ cơ học khoan từ 2 đến 5 lần so với dùng các loại nước rửa. Phương pháp này bị hạn chế trong các vùng có nước áp lực. Ngoài ra người ta còn dùng dung dịch nhẹ là hỗn hợp nước hay dung dịch với không khí hay khí tự nhiên. 1-32 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
17. CÂU HỎI GEOPET 1. Trình bày các chức năng cơ bản của dung dịch khoan và phân tích các chức năng đó. 2. Trình bày nguyên tắc hoạt động của các phương pháp rửa lỗ khoan cơ bản. So sánh ưu điểm và nhược điểm của phương pháp rửa thuận và phương pháp rửa nghịch. 3. Phân loại các chất rửa lỗ khoan phổ biến trong khoan dầu khí. Cooling and lubricating Functions and requirements Oil-based fluids 1-34 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
18. 3. Khi tuần hoàn thuận, dung dịch khoan sẽ đi qua theo GEOPET thứ tự: a. Đầu giếng, choòng khoan, khoảng không vành xuyến, cần khoan. b. Đầu giếng, cần khoan, choòng khoan, khoảng không vành xuyến. c. Đầu giếng, khoảng không vành xuyến, choòng khoan, cần khoan. d. Đầu giếng, khoảng không vành xuyến, cần khoan, choòng khoan. e. Đầu giếng, cần khoan, khoảng không vành xuyến, choòng khoan. 4. Thiết bị nào sau đây không thuộc hệ thống tuần hoàn dung dịch? a. Máy bơm dung dịch b. Cần khoan c. Choòng khoan d. Bàn xoay e. Bể lắng 1-36 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết