Đồ án Môn học: Công Nghệ Khoan dầu khí

LỜI NÓI ĐẦU Nghành công nghiệp Dầu Khí luôn là một nghành mũi nhọn mang tính chiến lược trong quá trình phát triển nền kinh tế không những ở Việt Nam mà hầu hết các Quốc gia trên thế giới. Để khai thác được dầu và khí thiên nhiên trong lòng đất thì giai đoạn xây dựng một giếng khoan giữ một vai trò hết sức quan trọng,việc thành công hay thất bại đều phụ thuộc vào công nghệ và kỹ thuật thực hiện của giai đoạn này. Một trong những công đoạn quan trọng đầu tiên phải kể đến là công tác thiết kế kỹ thuật- thi công giếng,chất lượng của các tài liệu thiết kế và dự toán không những ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các công trình,mà còn ảnh hưởng đến mức độ kỹ thật-kinh tế của chính quy trình thực hiện và gây ảnh hưởng không nhỏ tới tuổi thọ của các công trình đó. Trong sự phát triển chung của cuộc cách mạng khoa học và công nghệ,nghành dầu khí nói chung và nghành khoan nói riêng ngày càng phát triển với tốc độ hết sức nhanh. Để đáp ứng yêu cầu phát triển chung của nghành,đòi hỏi ngày càng có nhiều cán bộ,kỹ sư,công nhân kỹ thuật có trình độ chuyên môn và tay nghề cao. Bài giảng “Khoa Dầu Khí” được viết dành cho sinh viên chuyên nghành “ kỹ thuật khoa dầu khí”. Nội dung bài giảng đã 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 thiết bị, dụng cụ để thi công. Bài giảng cũng đã 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 cột ống chống,thiết kế chế độ khoan,công tác trám xi măng..v.v… Trong bài giảng đã đưa vào một số bài tập có tính ứng dụng để minh họa cho phần lý thuyết giúp 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 ,cợ khoan,phá hủy,dung dịch và vữa trám. Chính vì vậy môn học này cần thiết được bắt đầu khi sinh viên đã học hết các môn liên quan nói trên. Trong quá trình học môn học,sinh viên cần phải thực hiện viết một đồ án môn học về thiết kế kỹ thuật một giếng khoan thăm dò và khai thác dầu khí.Và sau đây là đồ án môn học của em. Được sự giảng dạy,hướng dẫn một cách tâm huyết,tận tình,tỷ mỉ, chu đáo của Thầy giáo Lê Văn Thăng đã giúp em nắm vững được kiến thức môn học,cũng như hiểu biết thêm về nghành học của mình. Và em đã hoàn thành được cái đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn Thầy! Do thời gian làm đồ án hạn chế cũng như công việc học ở trường một cách liên tục, nên có thể có một số nội dung trình bày của em còn thiếu sót hoặc chưa hợp lý thì mong Thầy lưu ý và bổ sung thêm cho cái đồ án của em được hoàn thiện hơn! Em xin chân thành cảm ơn! Chương 1 : Cấu trúc giếng khoan 1.1.Sự lựa chọn cấu trúc giếng. 1.1.1.Khái niệm về cấu trúc giếng. Giếng khoan dầu khí được coi như là một công trình xây dựng cơ bản,thi công theo một đề án được duyệt.Yếu tố cơ bản để lập thiết kế kỹ thuật là chọn lựa và xây dựng giếng khoan. Cấu trúc giếng khoan được tạo bởi một số cột ống chống có đường kính và chiều dài khác nhau thả lồng vào nhau trong lỗ khoan,kết hợp với những cỡ chòong khoan tương ứng dùng để khoan. Vậy cấu trúc giếng khoan bao gồm: -Cấu trúc của các cột ống chống(số lượng loại, chiều sâu thả, đường kính). -Chòong khoan sử dụng: (loại chòong ,đường kính). - Khoảng trám xi măng (chiều cao trám kể từ đế ống chống Hc) Nếu giếng khoan: ngoài ống định hướng và dẫn hướng chỉ còn lại ống chống khai thác thì gọi là giếng khoan có cấu trúc 1 cột ống. Nếu thêm cột ống trung gian thì gọi là cấu trúc 2 cột ống. Nếu nhiều ống trung gín thì gọi là cấu trúc nhiều cột ống(3 cột ống, 4 cột ống,…). 1.1.2.Cơ sở lựa chọn cấu trúc cho giếng khoan. Giếng khoan là một công trình thi công vào bên trong vỏ trái đất có chiều sâu rất lớn.Do đó để thi công một giếng khoan chúng ta phải chọn cấu trúc giếng sao cho đảm bảo được yêu cầu là thả được cột ống chống khai thác để tiến hành khai thác bình thường. Đồng thời ta phải xuất phát từ tài liệu địa chất khu vực thi công giếng khoan(đặc biệt là khi có các tầng địa chất phức tạp và dị thường áp suất cao). Cụ thể là tính chất cơ lý của các vỉa đất đá như là: độ bở rời,độ cứng,độ trương nở,áp suất vỉa,nhiệt độ vỉa… Cấu trúc giếng khoan trên biển phải đảm bảo các yếu tố sau: -Ngăn cách hoàn toàn nước biển,giữ ổn định thành và thân giếng khoan để việc kéo thả các bộ khoan cụ,các thiết bị khai thác,sửa chữa ngầm được tiến hành bình thường. -Chống hiện tượng mất dung dịch khoan. -Giếng khoan phải làm việc bình thường khi khoan qua các tầng có áp suất cao và tầng sản phẩm có áp suất vỉa nhỏ hơn so với tầng có áp suất cao phía trên. -Bảo vệ thành giếng khi có sự cố phun. -Đường kính của cột ống chống khai thác cũng như các cột ống chống khác phải là cấp đường kính nhỏ nhất,đơn giản và gọn nhẹ nhất trong điều kiện cho phép của cấu trúc giếng. -Cấu trúc giếng phải phù hợp với yêu cầu kỹ thuật,khả năng cung cấp thiết bị đảm bảo độ bền và an toàn trong suốt quá trình khai thác cũng như sửa chữa giếng sau này. Nói tóm lại nó phải phù hợp với điều kiện địa chất,yếu tố kỹ thuật, công nghệ và thích hợp với khả năng thi công cũng như yếu tố về kinh tế. Căn cứ vào biểu đồ kết hợp áp suất dọc theo cột địa tầng của giếng ST-1P ta có thể chọn cấu trúc ống chống cho giếng khoan như sau: 1.1.3.Lựa chọn cấu trúc giếng ST-1P. 1.Cột ống chống định hướng. Dựa vào kinh nghiệm khoan trên mỏ Sư tử trắng,người ta thường sử dụng ống cách nước loại F508´16´D (do thi công trên biển nên phải cách nước,điều kiện địa chất phức tạp nên phải dự phòng thi công phức tạp phải thêm cột ống, chiều sâu có thể thay đổi). Tại giếng khoan này ta cũng chọn ống bảo vệ như trên. Dùng búa máy để đóng ống xuống đáy biển tới 35m,khoảng cách từ đáy biển lên mặt nước là 45m,từ mặt nước lên bàn rô to là 35m. Vậy tổng chiều dài cột ống định hướng là 115m. 2.Cột ống dẫn hướng. Cũng dựa vào kinh nghiệm khoan trên mỏ Sư tử trắng,tại giếng khoan này người ta cũng sử dụng ống dẫn hướng là ống được chống tới độ sâu khoảng 250m. Do ở độ sâu này người ta đã khoan qua khoan qua lớp đất đá đệ tứ bở rời mới hình thành, có độ gắn kết kém nên thành giếng khoan dễ bị sập lở khi ta thay đổi chế độ khoan để khoan sâu vào vùng đất đá có độ cứng lớn hơn. Ngoài ra,do điều kiện địa chất phức tạp ta phải chống nhiều cột ống nên ta phải chôn ống dẫn hướng có độ sâu đủ lớn để chịu được tải trọng của các cột khác treo lên nó. Chính vì thế ,để đảm bảo an toàn cho quá trình khoan người ta phải chống ống dẫn hướng này. 3.Cột ống chống trung gian thứ nhất. Khi khoan qua điệp Biển Đông,áp suất vỡ vỉa tăng dần do thay đổi địa tầng,đất đá bền vững hơn. Để tăng tốc đọ khoan cơ học,ta phải thay đổi thông số chế độ khoan và một vài thông số của dung dịch khoan (tăng tỷ trọng dung dịch,tăng tải trọng đáy,tăng áp lực bơm rửa). Với các thông số như vậy nếu ta không chống ống sẽ rất dễ xảy ra sập lở thành giếng khoan. Dựa vào tài liệu nghiên cứu về cột địa chất tại độ sâu 2868m thì ta tiến hành chống ống tại đây. Trên cơ sở lí luận và tính toán,ta chọn chiều sâu chống ống trung gian thứ nhất là 2868m. 4.Cột ống chống trung gian thứ hai. Khi ta khoan qua tầng Oligoxen,áp suất vỉa tăng cao,nếu ta giữ nguyên tỷ trọng dung dịch cũ thì sẽ dẫn tới hiện tượng phun dầu khí. Do đó,để khoan tiếp ta phải tăng tỷ trọng dung dịch khoan. Nhưng nếu tăng dung dịch khoan thì sẽ dẫn đén hiện tượng sạp lở, nứt vỡ,mất dung dịch ở các giai đạn khoan qua phía trên với tỷ trọng dung dịch nhỏ hơn(tầng áp suất vỉa thấp). Chính vì thế để khoan tiếp vào tầng Oligoxen ta phải tiến hành chống ống trung gian thứ hai ở độ sâu 3400m, và ở đây ta sẽ chống ống lửng từ độ sâu 2768m đến 3400m. 5.Cột ống chống khai thác. Khoan tới độ sâu 4000m thì ta tiến hành chống cột ống chống khai thác. Và đối với cột ống chống này ta cũng có thể chống ống lửng từ độ sâu 3300m đến độ sâu 4000m. Do đây là giếng khai thác khí nên tất cả các cột ống chống đều được tiến hành trám xi măng hết chiều dài của ống.Sau đó ta tiến hành bắn vỉa. Vậy cấu trúc cho giếng khoan thăm dò và khai thác khí số ST-1P là cấu trúc 3 cột ống. Ta có sơ đồ cấu trúc của giếng như sau: Hình:1.1 1.2.Tính toán cấu trúc giếng khoan. 1.2.1. Nguyên tắc tính toán cấu trúc . Ta đã chọn cấu trúc giếng khoan là dạng cấu trúc 3 cột ống,gồm: ống định hướng,ống dẫn hướng,ống chống trung gian thứ nhất,ống chống trung gian thứ hai,và cột ống chống khai thác.sau đây ta tiến hành tính toán đường kính cột ống chống đó và đường kính chòong tương ứng. Việc tính toán được tiến hành từ dưới lên,bắt đầu từ đường kính của ống chống khai thác cho đến cột ống chống ngoài cùng (tính từ trong ra ngoài). Tính toán cấu trúc phải đảm bảo cho quá trình khoan,thả ống chống đến chiều sâu dự kiến được thông suốt, đảm bảo trám xi măng được thuận lợi.Chọn đường kính ống chống khai thác chủ yếu dựa vào lưu lượng khai thác của giếng và kích thước của thiết bị lòng giếng. Chọn đường kính của choòng khoan chủ yếu dựa vào đường kính mupta của ống chống (Dm) và khoảng hở để trám xi măng giữa mupta và thành giếng khoan (δ). Đường kính của choòng khoan (Dc) được tính theo công thức sau: Dc = Dm + 2.δ = Dm + Δ (1.2) Sau khi xác định được đường kính choòng khoan người ta tiến hành xác định đường kính trong (Dt) và ngoài (Dn) của ống chống phía trên trước nó. Hiệu số giữa đường kính trong của ống chống và đường kính choòng khoan thả qua nó không được vượt quá 6 ÷ 8 mm: Dt = Dc + ( 6 ÷ 8 ) mm (1.3) Dn = Dt + 2b (1.4) Trong đó : 2b là bề dày thành ống = 9 ÷ 12mm Dựa vào các số liệu tính toán ta lựa chọn đường kính choòng và đường kính ống theo kích thước gần nhất. Chúng được tra theo Bảng sau: Bảng1.2.1 . Bảng qui chuẩn tính Δ theo cấp đường kính ống chống của Gost Đường kính ống chống, (mm) Δ - không lớn hơn, (mm) 114, 127 10 ÷ 15 140, 146 15 ÷ 20 168, 178, 194 20 ÷ 25 219, 245 25 ÷ 30 273, 299 30 ÷ 35 324, 340, 351 35 ÷ 45 377, 407, 426 45 ÷ 50 Bảng1.2.2 . Bảng kích thước ống chống và đường kính Mupta tương ứng Đường kính ống chống, (mm) Mupta Đường kính, (mm) Chiều dài, (mm) 114 127 159 127 142 165 140 154 171 146 166 177 168 188 184 178 196 184 194 216 190 219 245 197 245 270 197 273 299 203 299 324 203 324 351 203 340 365 203 351 376 229 377 402 229 407 432 228 426 451 229 508 533 228 1.2.2. Tính toán,lựa chọn cấc cấp đường kính chòong ống chống cho giếng ST-1P. 1. Cột ống chống khai thác. -Dựa vào lưu lượng dự đoán và kích thước của các thiết bị trong lòng giếng cũng như các thiết bị đo sâu người ta đã cho biết đường kính của ống chống khai thác là Ф140mm. -Tính đường kính chòong tương ứng để khoan ống chống khai thác Dckt1 theo công thức sau: Dckt1 = Dmkt1+2d Trong đó: Dmkt1 :là đường kính mupta ứng với ống chống khai thác Ф140mm. Dmkt1=154mm d : khoảng hở giữa mupta và thành giếng. chọn d = 10mm Vậy: Dckt1 = 154+2.10 = 174mm. Căn cứ vào cấp đường kính chuẩn của chòong ta chọn Dckt1 =190mm. 2.Cột ống chống trung gian thứ hai. Để tính đường kính ngoài của cột ống chống trung gian thứ hai thì ta cần xác định đường kính trong của nó dựa vào Dckt1 . Ta có công thức tính như sau: Dtg2=Dckt1+(6¸8mm) Vậy: Dtg2=190+(6¸8mm )= 196÷198mm. từ đây ta lấy đường kính ngoài của ống trung gian thứ hai là 219mm(đường kính theo quy chuẩn). Suy ra theo quy chuẩn thì: Dmtg2 =245mm, và chọn δ=15mm. Vậy: Dctg2 =245+2.15 =275mm. Vậy chọn chòong theo quy chuẩn là: Dctg2 =295mm. 3.Cột ống chống trung gian thứ nhất. Tương tự ta có đường kính trong của ống trung gian thứ nhất là: Dttg1=295+(6÷8mm)=301÷303mm. Từ đấy ta lấy đường kính ngoài của ống trung gian thứ nhất là: Dntg1=324mm(đường kính theo quy chuẩn). Suy ra đường kính mupta của ống trung gian thứ nhất là: Dmtg1=351mm, và chọn δ=20mm. Vậy ta có đường kính của chòong là : Dctg1=351+2.20= 391mm. Vậy chọn chòong theo quy chuẩn là: Dctg2 =394mm. 4.Ống chống dẫn hướng. Tương tự ta có đường kính trong của ống chống dẫn hướng là: Dtdh=394+(6÷8mm)=400÷402mm. Từ đấy theo quy chuẩn ta chọn đường kính ngoài của ống dẫn hướng là: Dndh=426mm. Suy ra đường kính mupta của ống dẫn hướng là: Dmtg1=451mm, và chọn δ=20mm. Vậy ta có đường kính chòong là: Dcdh= 451+2.20=491mm. Vậy ta chọn chòong theo quy chuẩn là: Dcdh=490mm. Bảng1.2.3 .Bảng cấu trúc giếng khoan và chiều sâu trám xi măng giếng ST-1P: Loại ống chống Chiều sâu thả, (m ) Đường kính ống, (mm ) Đường kính choòng, (mm ) Chiều cao trám xi măng, (m) Định hướng Từ 0÷115 508 Đóng búa máy // Dẫn hướng Từ 0÷250 426 490 250 Trung gian thứ nhất Từ 0÷2868 324 394 2868 Trung gian thứ hai Từ 2768÷3400 219 295 632 Ống khai thác Từ 3300÷4000 140 190 700 Vì đây là giếng thăm dò và khai thác khí nên ta cần phải trám hết tất cả chiều dài của các cột ống chống để đảm bảo sự an toàn cần thiết. Chương 2: Chọn thiết bị và dụng cụ khoan. 2.1. Cơ sở chọn thiết bị và dụng cụ khoan. Để tiến hành công tác khoan cần phải có một bộ các thiết bị và các công trình phục vụ trên mặt. Tất cả các thiết bị và dụng cụ này cần phải tính toán lựa chọn hợp lý và đồng bộ hóa và được gọi là giàn khoan dầu khí, dàn này hoạt động như một xí nghiệp đồng bộ. Để lựa chọn thiết bị khoan và dụng cụ khoan chúng ta cần căn cứ vào khả năng khoan sâu tối đa. Khả năng khoan sâu tối đa của thiết bị thường được đánh giá qua tải trọng định mức ở đầu móc nâng-tải trọng tối đa mà móc nâng còn làm việc hiệu quả. Tải trọng này bao gồm khối lượng các bộ khoan cụ , khối lượng ống chống. Tương ứng với chiều sâu khoan của từng loại thiết bị ta cần phải chọn công suất làm việc cho tời ,và cho các chức năng khác: như cho bàn quay Rôto,cho bơm dung dịch tuần hoàn, bơm trám. Do chương trình khoan và chống ống được quy định cho giếng có chiều sâu cho trước. Cụ thể: Loại thiết bị chiều sâu tối đa công suất làm việc của tời Bộ Thiết bị nhẹ 1500-2000 m 650 Hp Bộ Thiết bị trung bình 3500 m 1300 Hp Bộ Thiết bị nặng 6000 m 2000 Hp Bộ Thiết bị siêu nặng 8000-10000 m 3000 Hp 2.2. Chọn thiết bị và dụng cụ cho giếng ST-1P. 2.2.1. Chọn thiết bị khoan. І.Tháp khoan và các thiết bị nâng thả. 1. Tháp khoan. -Tháp khoan được đặc trưng bởi chiều cao, sức chịu tải, kích thước sàn làm việc dưới đất và sàn làm việc trên cao. Vật liệu chế tạo thép là thép chuyên dùng. -Trong tháp bố trị hệ thống palăng, chỗ dựng cần khoan và đặt một phần thiết bị khoan, thiết bị điều khiển, che chắn cho công nhân làm việc. -Thông thường tải trọng làm việc càng lớn thì tháp có chiều cao càng tăng, cho phép kéo thả được cần dựng dài, giảm được thời gian nâng thả. Tuy vậy tháp càng cao cũng có những điều bất lợi vì cần dựng dài quá dễ bị uốn cong khi dựng thẳng đứng do trọng lượng bản thân, ren zamốc đầu cần đặt trên giá đỡ dễ bị biến dạng. Hơn thế nữa còn tăng vốn đầu tư, giá thành xây lắp. Thực tế người ta chế tạo tháp theo các chiều cao tiêu chuẩn như sau: -tháp cao 28 m cho các giếng sâu 1200÷ 1300 m. -tháp cao 41÷42 m cho các giếng sâu 1300÷ 3500 m. -tháp cao 53 m cho các giếng sâu > 3500 m. * Có 2 loại tháp khoan: tháp 4 chân và tháp chữ A. -Tháp 4 chân: Tháp 4 chân gồm nhiều tầng ghép lại với nhau và có thể tháo rời ra được. Thân tháp làm bằng cần khoan hoặc thép định hình. Đai tháp cũng được làm bằng cần khoan nhưng nhỏ và mỏng hơn. Các đoạn chân tháp , đai tháp , thanh giằng được nối với nhau bằng các ốp tháp thắt bu lông. Khi tháp làm việc cần thiết phải có giây chằng tháp để chống lật. Chính vì thế mà hiện nay hầu như không còn được sử dụng cho thiết bị khoan ở trên đất liền mà hay được sử dụng ở các thiết bị khoan biển di động có mặt bằng lắp ráp theo chiều ngang hạn chế hoặc được sử dụng ở dàn nhẹ phục vụ cho công tác khai tác và sửa chữa giếng. Ưu điểm của tháp 4 chân là rất ổn định, chắc chắn khi làm việc. Tuy nhiên có những nhược điểm cơ bản là sàn làm việc dưới đất chật hẹp, bị vướng. Việc dựng và hạ tháp khó khăn tốn kém và nguy hiểm vì phải lắp ráp ở trên cao. -Tháp chữ A: Tháp chữ A gồm 2 cột, đầu trên được liên kết với nhau còn đầu dưới bắt vào gối tựa kiểu bản lề. Khoảng cách giữa các gối tự phải đảm bảo cho tháp đứng vững. Ưu điểm của tháp chữ A là làm việc với tải trọng lớn nhưng mà trọng lượng bản thân nhỏ (hiệu suất làm việc cao hơn) so với tháp 4 chân. Sàn làm việc dưới mặt đất rộng và thoáng hơn. Cho phép lắp đặt tháp theo chiều ngang rồi dựng tháp bằng cáp tời và kích thủy lực nên việc dựng hạ tháp nhanh, thuận tiện và dễ vận chuyển. Tuy nhiên độ ổn định của tháp chữ A nhỏ hơn tháp 4 chân. Để tăng độ ổn định cho tháp khi làm việc cần phải có ít nhất 4 dây chằng tháp. Hiện nay do tính ưu việt của tháp chữ A nên nó được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị khoan, nhất là các thiết bị khoan trên đất liền. Khi chọn tháp khoan thì ta phải chọn theo hai tiêu chuẩn là tải trọng thẳng đứng và chiều cao của tháp. Hai tiêu chuẩn này phụ thuộc vào chiều sâu của giếng. -Tải trọng thẳng đứng lớn nhất tác dụng lên tháp được tính theo công thức sau: Qmax=Qm+Qr+Qph+Pt Trong đó: +Qmax: tải trọng thẳng đứng lớn nhất tác dụng lên tháp(T). +Qm: tải trọng định mức trên móc nâng. +Pt: sức căng tại đầu nhánh cáp tĩnh và động. Pt= Với m là số nhánh cáp động. Đối với giếng khoan có tải trọng định mức trên móc nâng lớn thì ta cần sử dụng hệ palăng sao cho hợp lý để giảm tải phù hợp với công suất của máy khoan, kết hợp với thực tế ta chọn palăng 6×7 có trọng lượng là 10 tấn. → m=2.Uđ=2.6=12 +Qph: tải trọng phụ khi cứu kẹt. Giếng càng sâu, càng nghiêng thì phải có tải trọng phụ càng lớn. Chọn tải trọng phụ theo kinh nghiệm cho giếng dài 4000m là: Qph = 60 (T). - Chiều cao của tháp cũng phụ thộc vào chiều sâu của giếng. Giếng càng sâu thì tháp càng cao, với mục đích là để giảm thời gian kéo thả, tăng tốc độ thi công giếng khoan. Tuy vậy để đảm bảo an toàn thì tháp chỉ cao tới một giá trị nào đó. Hiện nay, loại tháp có chiều cao lớn nhật được sử dụng tại mỏ Sư Tử Trắng là tháp cao 53m. Trên cơ sở lý luận và kết hợp thực tế ta chọn tháp khoan cho giếng này là loại tháp 4 chân với chiều cao là 43m.(BMA×320×53), nó có các thông số kỹ thuật sau: Các thông số Tháp BMA ×320×53 Chiều cao(m) 43 Diện tích khung dưới (mm2) 10´10 Tải trọng lớn nhất (T) 320 Trọng lượng tháp (T) 36 2.Hệ thống palăng. -Hệ thống palăng biến chuyển động quay của tang tời thành chuyển động tịnh tiến lên xuống của móc nâng và làm giảm tải cho dây cáp. -Tùy theo tải trọng nâng thả và số nhánh day cáp, hệ thống palăng được phân ra làm nhiều cỡ. +Với tải trọng 50 ÷ 75 tấn sử dụng cỡ 2 × 3 hoặc 3 × 4. +Với tải trọng cỡ 100 ÷ 130 tấn sử dụng cỡ 4 × 5 hay 5 × 6 hoặc 6 × 7. - Các bộ phận chính của palăng: +Bộ ròng rọc tĩnh: Gồm một khung kim loại trên đó có lắp một trục, trên trục được gắn các puly để luồn cáp tời đi qua. Toàn bộ bộ ròng rọc tĩnh được lắp lên sàn trên cao của tháp khoan. Tải trọng đặt lên hệ ròng rọc cố định cũng như lên tháp khoan lớn hơn tải trọng ở móc nâng. +Ròng rọc động và móc nâng: Ròng rọc động thường chế tạo liên khối với móc nâng. Móc nâng dùng để treo cột cần khoan, móc vào êlêvatơ khi kéo thả dụng cụ.Ngoài móc nâng ra còn có quang treo, quang treo có 2 loại: loại đơn và loại kép. Quang treo là khâu nối giữ móc nâng và êlêvatơ. +Cáp tời: Cáp tời gồm 6 múi được xoắn quanh lõi (bằng sợi hữu cơ hay kim loại). Mỗi múi lại có từ 19 đến 37 sợi thép xoắn với nhau tạo thành múi. Thông thường chiều xoắn của các sơi thép ở các múi ngược với chiều xoắn của các múi trên lõi cáp khoan. Chính điều này làm cho cáp cứng hơn cũng như phần nào giúp chống xoay. 3.Tời khoan. -Tời khoan dùng để kéo thả cột cần khoan, ống chống tháo vặn cần, treo cột cần khi khoan. Trong một số trường hợp tời khoan còn dùng để truyền động cho Roto. Tời khoan còn được dùng để di chuyển các vật nặng phục vụ cho công tác dựng hạ tháp và công tác phụ trợ khác. -Tời khoan gồm 1 khung bằng kim loại trên đó có lắp các ổ bi đỡ các trục của tời. Một tời khoan được cấu tạo bởi nhiều trục (3 đến 4 trục) và trên đó được lắp các thành phần khác nhau như các bánh răng xích, phanh hãm cơ khí, phanh thủy lực, tời phụ các khớp nối. .vv… -Trong quá trình làm việc vì tải trọng ở móc nâng thay đổi theo thời gian với một giá trị rất lớn, còn động cơ của thiết bị chạy với công suất định mức với số vòng quay gần như không đổi. Vì thế để sử dụng động cơ một cách hợp lý tời khoan phải được chế tạo có nhiều tốc độ khác nhau. Để khi tải trọng ở móc nâng thì vận tốc ở móc nâng lớn và ngược lại. Tức là thay đổi tốc độ cuốn cáp ở tang tời. →Đối với giếng khoan sâu 4000m như thế này người ta thường sử dụng tời 5 tốc độ với tốc độ nhỏ nhất phải đảm bảo kéo được tải trọng định mức trên móc. Dựa vào kinh nghiệm thực tế ta chọn tời khoan cho giếng này là loại Y2-5-5 có các thông số kỹ thuật sau: Các thông số Tời Y-2-5-5 Công suất (kw) 809,6 Đường kính cáp (mm) 33 Sức căng dây cáp (T) 1,9 – 24,5 Tốc độ cuốn cáp trên tang (m/s) 2,2 – 15,8 Bề dày tang tời (mm) 1000 Đường kính tang tời (mm) 800 Số m cáp có thể cuốn trên tang tời 600 Số tốc độ nâng 5 Tốc độ quay của tang (v/s) 0,78 – 5,6 Với các thông số trên ta có thể tính được sức nâng lớn nhất của tời theo công thức sau: Qm,max = = 382,5 (T) Trong đó: +N: công suất của tời, N=809,6(kw)=1100(HP). +hr = hệ số hiệu dụng của bộ ròng rọc, hr = 0,85. +Vm.min: tốc độ nâng móc nhỏ nhất. Vmin = Với m = 12 (số nhánh cáp động). Vc,min = 2,2 (m/s) là tốc độ cuốn cáp trên tang tời nhỏ nhất. Þ Vm,min = 2,2/12 = 0,183 (m/s). Như vậy với công suất định mức thì tời có thể kéo được tải trọng lớn nhất là 382,5 T. Vậy tời mà ta chọn đủ công suất để phục vụ quá trình khoan. II. Thiết bị khoan. 1.Máy khoan. Đối với giếng khoan sâu 4000m thì ta chọn máy BY_5000 là được. Máy khoan tương ứng với nó là Uralmas 3D-76, có các thông số kỹ thuật sau: Các thông số Máy khoan Uralmas 3D-76 Chiều sâu khoan cho phép (m) 4000 ¸ 5000 Tải trọng kéo cho phép (T) 200 ¸ 250 Công suất truyền đến tời (kw) 885 Trọng lượng (T) 212 * Các thiết bị đồng bộ với máy khoan Uralmas 3D-76: - Tháp khoan BMA53´320. - Bàn roto: P560. - Máy bơm khoan: Y8 – 6 MA. 2.Bàn Roto. Bàn Roto được dùng để quay cột cần khoan. Làm bệ tì để giữ cột cần, ống chống khi kéo thả và làm rất nhiều công tác phụ trợ khác. Do đó cấu tạo bàn Roto phải phù hợp để vừa quay được cột cần với các tốc độ nhất định và bền chắc để có thể giữ được cột cần khoan nặng nhất. Đường kính lỗ Roto phải đủ lớn để đút lọt cột ống đường kính lớn nhất thường dùng. Thân của Roto tiếp nhận toàn bộ tải trọng và truyền cho nền móng. Trong thân Roto có chứa dầu bôi trơn. Đầu trục Roto có thể lắp then với đĩa xích, hoặc với khớp trục các đăng. Roto quay trên các ổ bi, có thể hãm chặt Roto bằng then hoặc bằng cơ cấu hãm. Khi truyền chuyển động quay cho Roto qua tời, tốc độ của Roto được thay đổi bằng hộp số tời hoặc bằng thay đổi đĩa xích. Để Roto làm việc độc lập với tời và để điều khiển tốc độ trong một giới hạn rộng thì người ta cho Roto nhận truyền động riêng biệt. Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn Roto trong đó đặt ống lỗ vuông để treo bộ khoan cụ nhờ các cháu chèn và làm quay đâu vông dẫn khi khoan. Kích thước lỗ này có thể là: 1712'' , 2012'', 2712'', 3712'', 4912''. Các thông số Bàn Roto p – 560 Tải trọng tĩnh lớn nhất (T) 150 Công suất lớn nhất (kw) 257,25 Tốc độ quay lớn nhất (v/s) 5,3 Đường kính lỗ (mm) 560 Kích thước dài× rộng× cao (mm) 2310´1350´775 Khối lượng (kg) 5750 3.Máy bơm khoan. Máy bơm khoan dùng để bơm dung dịch tuần hoàn trong quá trình khoan. Trong khoan dầu khí thường sử dụng các máy bơm piston, đó là máy bơm 2 xi lanh nằm ngang tác dụng kép hoặc 3 xi lanh nằm ngang tác dụng đơn. Yêu cầu đối với máy bơm khoan là: bơm được dung dịch có độ nhớt cao, trọng lượng riêng lớn và chứa các pha rắn mài mòn như cát, chát làm nặng..vv… Đồng thời có được lưu lượng và áp suất làm việc cao đảm bảo thắng được sức cản thủy lực khi tuần hoàn. Máy bơm bền chắc, hệ số tin tưởng cao, lắp đặt và vận hành đơn giản. Các thông số Bơm khoan y8 – 6 ma2 Công suất thủy lực định mức (kw) 510 Công suất chạy bơm (kw) 632 Bước piston (mm) 350 Số lần đẩy trong một phút 65 Tần số quay của trục truyền (v/f) 320 Số xilanh 2 Đường kính xilanh (mm) 170; 160; 150; 130 Áp suất (kG/cm2) 154 – 200 Kích thước dài× rộng× cao (mm) 4190´2362´3205 Khối lượng (T) 14 4.Tổ hợp máy bơm trám xi măng 3CA-400. -áp suất lớn nhất đạt ở 6,6 l/s: 40 Mpa. - Lưu lượng lớn nhất đạt được ở áp suất 8 Mpa: 33 l/s. - Loại máy bơm trám xi măng: 11 T. - Dung tích thùng chứa: 6 m3. - Khối lượng tổ hợp: 22,5 T. 2.2.2. Chọn bộ khoan cụ. 2.2.2.1. Phân chia khoảng khoan cho từng công đoạn khoan. - Cơ sở phân chia khoảng khoan: + Dựa vào điều kiện địa chất, tính chất đất đá, tính công nghệ, kỹ thuật, kinh tế thì ta phải lựa chọn khoảng khoan cho thích hợp. + Dựa vào yêu cầu kỹ thuật trong công tác khoan. + Việc phân chia khoảng khoan thích hợp sẽ đảm bảo tiến độ thi công, an toàn cho công tác khoan và tính kinh tế cho công trình được tốt hơn. - Phân chia khoảng khoan cho giếng ST-1P: + từ 0 ÷ 250 m là 1 khoảng. + từ 250 ÷ 2868 m là 1 khoảng. + từ 2868 ÷ 3400 m là 1 khoảng. + từ 3400 ÷ 4000 m là khoảng khoan cuối cùng. 2.2.2.2. Lựa chọn phương pháp khoan cho từng khoảng khoan. 1. Phương pháp khoan Roto. Đặc điểm của phương pháp này là công suất phá hủy của đất đá được truyền qua bàn roto đến chò ong. Vì vậy, có thể điều chỉnh độc lập và hợp lý các thông số chế độ khoan, đảm bảo sự làm việc tối ưu của chò ong khoan trong các lớp đất đá khác nhau, công suất bơm dung dịch không cần lớn như khoan tua bin. Thiết bị trên mặt dễ sửa chữa và bảo dưỡng. Đạt hiệu quả khoan cao ở những độ sâu từ nhỏ đến trung bình. Có khả năng khoan được các giếng sâu trên 4000 m. Nhược điểm của phương pháp này là gây ra mất mát công suất do ma sát, thường xảy ra sự cố đối với cột cần do các ứng suất sinh ra trong quá trình khoan, vì vậy khi khoan cong với cường độ cong lớn và khoan tới chiều sâu lớn là rất hạn chế. 2. Phương pháp khoan tua bin. Đặc điểm của phương pháp này là công suất phá hủy đất đá được truyền trực tiếp từ tua bin tới chò ong. Cần khoan không quay nên tua bin làm việc dưới đáy lỗ khoan nhờ năng lượng từ dòng nước rửa. Vì vậy, ứng suất phát sinh trong quá trình làm việc của cột cần khoan nhỏ, do đó giảm thiểu được sự cố đối với cột cần, tránh được mài mòn cột cần và thiết bị quay trên mặt. Phương pháp này rất thuận lợi trong khoan định hướng. Nhưng nó có một số nhược điểm sau: - Đặc tính làm việc của tua bin là có số vòng quay lớn, nó làm cho chò ong chóp xoay chóng bị hỏng do sự mài mòn các ổ tựa. - Ở những tầng đất đá cần mô men phá đá lớn không đáp ứng được. - Vùng làm việc của tốc độ quay của tua bin hẹp, nếu vượt ra khỏi vùng làm việc thì tua bin có thể bị kẹt, ngừng làm việc. - Công suất thủy lực của máy bơm khoan trong khoan tua bin cần phải lớn hơn rất nhiêu so với khoan roto. Các thiết bị bơm, tuần hoàn dung dịch tổn thất thủy lực lớn, do vậy khi khoan bằng chế độ vòi thủy lực sẽ kém hiệu quả, phức tạp, phải làm việc với công suất lớn. Điều này làm hạn chế khả năng làm việc của tua bin với những chiều sâu lớn. - Bảo dưỡng sủa chữa tốn kém, làm giá thành cho1 m khoan tăng. → Dựa vào ưu nhược điểm của từng phương pháp khoan, đặc điểm địa chất qua mặt cắt giếng khoan, cấu trúc giếng có tính đến điều kiện kinh tế kỹ thuật vùng mỏ. Để đảm bảo các yêu cầu của giếng khoan ta chọn phương pháp khoan cho từng khoảng khoan của giếng ST-1P như sau: - Đoạn thân giếng từ 0 ÷ 250 m: Đây là khoan mở lỗ đất đá mềm bở rời, đường kính lỗ khoan lớn đòi hỏi mô men quay lớn sử dụng chò ong khoan có vòi phun thủy lực đạt hiệu quả cao, cho nên ta chọn phương pháp khoan roto để thực hiện khoảng khoan này. - Đoạn từ 250 ÷ 2868 m: Đoạn này đất đá mềm, trung bình đòi hỏi mô men phá lớn, để khoan đoạn này ta dùng phương pháp khoan roto. - Đoạn từ 2868 ÷ 3400 m: Tính chất đất đá trong đoan này là trung bình cứng, cần mô men phá đá nhỏ phù hợp với phương pháp khoan tua bin và roto như đã trình bày ở trên sử dụng phương ohaps khoan tua bin ở độ sâu khoan lớn đòi hỏi công suất máy bơm lớn do đó tổn thát thủy lực lớn, do vậy hiệu quả không bằng phương pháp khoan roto, vậy ta chọn phương pháp khoan roto để thực hiện khoảng khoan này. - Đoạn thân giéng từ 3400 ÷ 4000 m: Đây là tầng đá móng bền chắc phù hợp với việc sử dụng chò ong chóp xoay với mô men nhỏ và số vòng quay lớn. Mặt khác đây là đoạn khoan cuối của giếng cần được khoan thẳng để tạo sự tiếp cận tốt giữa giếng với vỉa sản phẩm, độ sâu của giếng lớn ta chọn phương pháp khoan roto để khoan khoảng này. Khoảng khoan Phương pháp khoan Từ (m) Đến (m) 0 80 Đóng bằng búa máy 0 250 Ro to 250 2868 Roto 2868 3400 Roto 3400 4000 Roto 2.2.2.3. Lựa chọ bộ khoan cụ cho từng khoảng 1. Chòong khoan. Sử dụng chò ong khoan 3 chóp xoay ta có các cấp đường kính của chò ong tương ứng với từng cấp đường kính của cột ống chống như đã chọn ở chương trước. Dựa vào độ cứng của đá vỉa để chọn loại chò ong cho thích hợp và kết hợp với kinh nghiệm khoan trên mỏ cũng như khả năng cung cấp của xí nghiệp, ta chọn được các loại chò ong cho từng khoảng như sau: tt Khoảng khoan (m) F ống chống (mm) Loại chòong 1 0 - 80 508 660,4 – 3S 2 0 - 250 426 490 – 3SK 4 250 - 2868 324 394 – GT – G1 5 2868 ¸ 3400 219 295 – ATJ – 22 6 3400 ¸ 4000 140 190 – F47 ODL Loại chòong IADC code Tải trọng lên chòong (Kg/cm đường kính chòong) Tốc độ vòng quay (v/f) Khối lượng (kg) Chiều cao (m) Đường kính lỗ thoát dung dịch (mm) Ren nối Hãng sản xuất 660,4 – 3S 1 – 2 – 1 394 – 787 180 – 80 617 0,8 28,58/41 7 5/8 REG TSK 490 - 3SK 1 – 2 – 6 384 – 787 120 – 60 225 0,52 25,4/41 7 5/8 REG 394 – ATX – G3 1 – 3 – 5 268 – 804 200 – 80 94 0,35 15,57/33,07 6 5/8 REG HUGHES 295 – GT – GT 1 –1 – 6 357 – 893 180 – 80 40,8 0,35 12,7/33,07 4 1/2 REG 190 – ATJ – 22 5 –1 – 7 357 – 1072 140 – 50 21,3 0,31 11,11/22,2 3 1/2 REG 190 – F47 ODL 6 –1 – 7 424 –1090 160 – 50 21,3 0,31 11,11/22,2 3 1/2 REG SMITHS 2.Cột cần khoan. Cột cần khoan là khâu nối giữa chò ong khoan và thiết bị đặt trên sàn khoan. Cột cần khoan bao gồm các bộ phận sau: - Cần chủ đạo: có thể vuông, lục giác, bát giác. - Cần khoan thường: có nhiều cấp đường kính và mác thép khác nhau. - Da mốc: nối các đoạn cần dựng, đường kính của da mốc phụ thuộc vào đường kính cần khoan. - Parêkhốt: nối các bộ phận khác nhau của cột cần khoan. - Định tâm: ổn định thành giếng, chống mòn cần, điều chỉnh độ nghiêng trong khoan định hướng, đường kính phụ thuộc chòong khoan. - Cần nặng: gồm nhiều cấp đường kính ( giảm dần từ dưới lên, tránh thay đổi một cách đột ngột gây tập trung ứng suất làm gãy cột cần) và nhiều loại (cần nặng xoắn, cần nặng không nhiễm từ hay cần nặng nhôm, cần nặng thường). - Búa thủy lực: lắp cùng cần nặng, có tác dụng gây xung lực rút cần lên khi cứu kẹt, có đường kính bằng đường kịnh cần nặng. a) Cần chủ đạo: Sử dụng cần chủ đạo hình vuông, 2 đầu mupta và nhippen được chồn dày ở phía ngoài. b) Định tâm: Định tâm lắp ở trên chò ong, có thể lắp 1 hoặc 2 định tâm trên 1 bộ khoan cụ. Khoảng cách từ chò ong đến định tâm, từ định tâm đến định tâm phụ thuộc và đường kính chồng khoan. Ở đây người ta sử dụng loại định tâm có rãnh xoắn trên thân với các cấp đường kính như sau: Đường kính chò ong khoan (mm) Đường kịnh định tâm (mm) 660,4 660,4 490 490 394 394 295 295 190 190 c) Búa thủy lực: Do đường kính thủy lực bằng đường kính của cần nặng nên ta sử dụng 3 cấp đường kính của búa thủy lực là: 203,2; 165,1; 120,65. d) Cần khoan thường và cần nặng: Dựa vào kinh nghệm và khả năng cung cấp của xí nghiệp ta chọn các cấp cần nặng và cần khoan cho từng khoảng như sau: tt Khoảng khoan (m) Đường kính chòong khoan (mm) Cần nặng (Fng´Ftr´q) (mm ´ mm ´ kg/cm) Cần khoan (F´d)´q (mm ´ mm ´ kg/cm) 1 0 ¸ 80 660,4 254´71,44´365,6 228,6´71,44´290,2 203,2´71,44´136,4 165,1´71,44´136,4 127´9,19´29 2 0 ¸ 250 490 241,3´71,44´321,4 228,6´71,44´290,2 203,2´71,44´222,7 165,1´71,44´136,4 127´9,19´29 3 0 ¸ 2868 394 203,2´71,44´222,7 165,1´71,44´136,4 127´9,19´29 4 2868 ¸ 3400 295 165,1´71,44´136,4 127´9,19´29 5 3400 ¸ 4000 190 120,7´57,15´69,7 127´9,19´29 101,6´8,38´20,83 Chương 3: Gia cố thành giếng khoan. 3.1 Trám xi măng. Mục đích của việc trám xi măng là cách li các vỉa dầu khí với nhau và với các vỉa trên nó, chống sự ăn mòn ống chống. Vì vậy, sau khi thả ống chống xuống lỗ khoan cần phải trám xi măng bằng cách bơm ép dung dịch xi măng vào khoản vào khoảng không vành xuyến giữa cột ống chống và thành giếng khoan. Có rất nhiều phương pháp trám xi măng khác nhau: trám một tầng 2 nút, trám xi măng phân tầng, trám xi măng ống chống lửng, trám dưới áp lực. Tùy theo điều kiện thế nằm, mức độ chứa dầu khí, thành phần thạch học và độ thấm,…của các vỉa mà ta sử dụng phương pháp này hay phương pháp khác. 3.1.1. Lựa chọn phương pháp trám cho từng cột ống chống. Do ở đây là giếng thăm dò và khai thác khí nên ta trám xi măng hết chiều dài của tất cả các cột ống chống, để đảm bảo sự an toàn tốt nhất cho giếng. Vì vậy chỉ có cột ống trung gian thứ nhất là dài nhất chiều dài lên tới 2868 m nên ta lựa chọn phương pháp trám xi măng là trám phân tầng, còn các cột ống chống khác do có chiều dài tương đối ngắn nên ta sử dụng phương pháp trám 1 tầng 2 nút. 3.1.2. Tính toán trám xi măng cho cột ống chống trung gian thứ nhất. Cột ống chống trung gian thứ nhất có đường kính ống là F=324mm. chiều cao trám xi măng là 2868m (vì là giếng khoan khai thác khí nên ta trám hết chiều dài cột ống chống để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình). Hc=2868 Vdx=π4 [(D2LK - Dn2).H1+(Dtt2 – Dn2).H2 + Dt2.h] (m3) DLK: đường kính lỗ khoan. DLK=k.Dc= 1,15.394=453,1 mm=0,4531m. k: hệ số mở rộng thành giếng, Dc:đường kính chò ong. Dn, Dt: đường kính ngoài, trong của ống. Dtt: đường kính trong của ống trước đó. h : chiều cao cốc xi măng: h=20m. trọng lượng riêng dung dịch xi măng OWCL : gdx = 1,52G/cm3. trọng lượng riêng xi măng khô OWCL: gx = 2,9G/cm3. Trọng lượng riêng nước kỹ thuật: gn = 1,0 G/cm2. Trọng lượng riêng dung dịch ép: gde = 1,16 G/cm3. Trọng lượng riêng dung dịch đệm: gdđ = 1,03 G/cm3. Hệ số hao hụt xi măng khi trộn: kx = 1,05. Chiều cao cột dung dịch đệm: hdđ=150m. vậy Vdx=π4[(0,45312- 0,3442).2618+(0,4262-0,3442).250+0,3242.20]=193(m3) Lượng xi măng khô để chế tạo 1m3 vữa xi măng: gx = . Vậy lượng xi măng khô để chế tạo 193m3 vữa xi măng là: Gx = kxVdxgx = 1,05´193´0,794 = 160.9 (T). Tỷ lệ nước xi măng là: m = . Lượng nước để trộn 1m3 vữa xi măng là: gn = mgx = 0,914´0,794 = 0,726. Vậy lượng nước để trôn 193m3 vữa xi măng là: Vn = gnVdxkx = 0,726´193´1,05 = 147,12 (m3). Thể tích dung dịch bơm ép là: Vde = 0,785knDt2(H – h) Vde = 0,785´1,05´0,3242´(2868 – 20) = 246,4 (m3). Thể tích dung dịch đệm là: Vdđ = 0,785hdđDt2 Vdđ = 0,785´150´0,3242 = 12,4(m3). Áp suất cực đại ở đầu bơm trám trong thời gian cuối quá trình bơm trám: Pmax=P+Pcl P = 0,01.H + 8 =0,01.2868+ 8=36,68 Pcl=Hc-h(gdx-gde)10 + H-Hc(gdx-gde)10=2868-20(1,52-1,16)10+0=102,528 (kG/cm2). (vì H=Hc=2868) Þ Pmax=36,68+102,528=139,208 (kG/cm2). Thời gian bơm trám là: Theo công thức: ttr = tdx + tde = Vdx×1000Qdx×60+Vde1×1000Qde1×60+Vde2×1000Qde2×60 ttr=193×100016,7×60+234×100019,4×60+12,4×10005,9×60=436(phút) 3.2. Kiểm tra bền ống chống. Là tính chiều dài từng đoạn ống, bề dày thành ống, mác thép, đảm bảo độ bền của ống chống trong suốt quá trình làm việc của giếng khoan. Đồng thời đảm bảo giá thành hạ nhất với sự tiêu hao vật liệu thép ống tối thiểu nhất. 3.2.1. Phương pháp kiểm tra bền cho từng cột ống chống. 1. Phương pháp kiểm tra bền cột ống chống trung gian. Phương pháp tính toán cột ống trung gian phụ thuộc vào: mục đích, điều kiện và chiều sâu thả ống. Thông thường cột ống chống trung gian được tính toán dựa vào tải trọng kéo cho phép. Tính áp suất bên trong gây bóp méo ống trung gian chỉ được áp dụng trong trường hợp giếng khoan gặp những vùng mất nước. Hay sau khi chống ống tiếp tục khoan bằng dung dịch trước đó (ngoài ống chống). Trong tính toán ta xem rằng lực kéo căng đạt giá trị cực đại trong quá trình trám xi măng cột ống chống. Lực kéo căng sinh ra do trọng lượng bản thân của cột ống chống ở trạng thái treo và lực phụ sinh ra trong thời điểm kết thúc bơm trám (nút xi măng tên tỳ lên nút xi măng dưới tại vòng dừng). Tại một điểm nào đó ở độ sâu z của ống chống, lực kéo căng có giá trị Qz: Qz= Q + Qph Trong đó: Q : lực kéo căng do trọng lượng bản thân cột ống. Qph: Tải trọng phụ sinh ra trong giai đoạn cuối của quá trình bơm trám. Qph = (Pth+ Pd).πd2 tv4 Trong đó: Pth: tổn thất áp suất do tuần hoàn dung dịch. Pd: áp suất dư sinh ra khi nút trám trên tỳ lên nút trám dưới tại vòng dừng. dtv: đường kính của ống chống tại chỗ đặt vòng dừng. Pth=0,01H + 8at (đối với 1÷2 thiết bị), còn nếu ≥3 thiết bị thì Pth=0,002H + 16at; H là chiều sâu của ống chống,(m). Pd=15÷20, at. Để cho cột ống chống đảm bảo bền thì Qz≤Qcf = Pđ n1 Qcf : là tải trọng kéo cho phép của ống chống. Pđ: tải trọng tới hạn làm đứt ống chống. Ứng suất kéo có giá trị nhỏ nhất ở phần dưới cùng của cột ống chống và tăng dần theo chiều dài và đạt tới giá trị cực đại ở phần trên cùng. Do vậy nếu như cột ống chống được tạo thành bằng một loại mác thép thì độ dài của thành ống chống bao giờ cũng phải tăng từ dưới lên trên. Nếu như mác thép khác nhau thì chất lượng thép phải tăng dần từ dưới lên trên. Do vậy việc tính toán cột ống chống được bắt đầu từ dưới lên trên. Đối với cột ống này (trung gian) sau khi chống ống xong vẫn tiếp tục công tác khoan tiếp theo nên cột cần khoan sẽ quay trong ống chống này. Để tránh hiện tượng tháo ren và mài mòn, ta lắp ở phần dưới cùng của cột ống chống một đoạn khoảng 50÷100m có bề dày thành ống lớn nhất (la). Trọng lượng đoạn ống chống có chiều dài la sẽ là Qa= la. qa qa : là trọng lượng 1m của đoạn ống. Đoạn ống chống được lắp tiếp theo (l1) sẽ có bề dày nhỏ nhất. chiều dài l1 sẽ dưới hạn bởi độ bền của nó. Ta có thể viết: l1.q1+la. qa+Qph≤Qcfi=Pđn1 Þ l1=Qcf1-Qa-Qphq1 , (m). q1: là trọng lượng 1m của đoạn ống l1. Cứ như thế ta tính được chiều dài đoạn ống tiếp theo ở phía trên như sau: ln=(Qcfn-Qcfn-1)/qn, (m). Khi nào tính được tổng chiều dài các đoạn ống từ la+l1+l2+…bằng chiều dài của cột ống chống theo thiết kế thì ta kết thúc tại đó. Sau khi tính toán và chọn được ống chống theo tải trọng kéo cho phép chúng ta tiến hành kiểm tra độ bền của ống đối với áp suất dư ngoài và trong. Nếu sau khi thả ống trung gian, tiếp tục khoan với dung dịch đã khoan thì áp suất trong thực tế sẽ tính như sau: Pdt=γna-γnh10.Hx, (KG/cm3). γna, γnh: dung dịch nặng (bên trong) và dung dịch nhẹ(bên ngoài). Hx: khoảng cách từ miệng ống đến đoạn kiểm tra (tức là đoạn có bề dày thành bé nhất). Kiểm tra hệ số dữ liệu bền với áp suất dư trong: n3=PtPdt Pt: áp suất tới hạn bên trong của cột ống (tra bảng). Pdt: áp suất dư trong. Chúng ta cũng cần phải tính áp suất cực đại xuất hiện tại thời điểm cuối của quá trình bơm trám. Px=0,1.(Hx-h)(gdx-gd)+(0,01+8) (đối với 1÷2 thiết bị) Px=0,1.(Hx-h)(gdx-gd)+(0,02+16) (đối với ≥3 thiết bị). Trong đó: Hx,h: chiều cao trám xi măng và chiều cao cốc xi măng. gdx,gd: trọng lượng riêng dung dịch xi măng và dung dịch khoan lúc này hệ số dự trữ bền : n3=PtPx Chiều cao cho phép hạ mực chất lỏng ở bên trong ống được xác định (Ho). Ho=10Pmbγd.n2 Nếu thời gian mở vỉa chúng ta khoan với dung dịch có trọng lượng riêng nhỏ hơn dung dịch ngoài ống chống thì ta phải kiểm tra độ bền với áp suất bên ngoài ở đoạn ống có bề dày thành bé nhất. Áp suất bên ngoài Pn được tính như sau: Pn=Hx.(γna-γnh)10. Hệ số dự trữ bền bóp méo ống: n2=PmbPn 2.Phương pháp kiểm tra bền cột ống chống chống khai thác. Trong thời gian thả ống cũng như trong suốt quá trình làm việc, ống chống khai thác chịu những ứng lực chủ yếu sau đây: -Lực kéo do trọng lượng bản thân cột ống và tải trọng phụ. -Áp lực ngoài ống do cột thủy tĩnh ngoài ống. -Áp lực bên trong. Áp lực bên ngoài đạt cực đại trong trường hợp bên trong ống chống hoàn toàn không có dung dịch. Có nhiều phương pháp tính toán cột ống chống khai thác, sau đây chúng ta đề cập tới một vài phương pháp: a). Tính toán bền cột ống chống khai thác theo ứng suất bóp méo và kiểm tra theo ứng lực kéo tới hạn của ống: Chúng ta tính toán cột ống chống khai thác dựa theo áp lực bên ngoài bóp méo ống chống, lực kéo căng và áp suất bên trong. Để tiến hành tính theo phương pháp này chúng ta tiến hành tính từ trên xuống dưới. Ban đầu tính theo áp suất bóp méo sau đó tiến hành kiểm tra lại theo lực kéo căng tới hạn. Chúng ta biết rằng áp suất ngoài có giá trị lớn nhất ở phần dưới cùng và giảm dần tới miệng. Do vậy phần trên ta tính với đoạn ống có bề dày thành nhỏ nhất và tăng dần cho tới đáy. Trong bất kỳ trường hợp nào thì ống chống cũng phải thỏa mãn điều kiện: Hth(z) ≤ Hcf(z); Hth(z), Hth(z): Chiều sâu thực tế và chiều sâu cho phép thả cột ống chống khai thác. Chiều sâu cho phép được tính bằng công thức tổng quát sau: +Khi bên trong ống không có chất lỏng: Hcfn=(10.Pmbn)/n2.gd +Trường hợp chất lỏng trong ống chỉ hạ xuống một phần: Ho≤ z ≤ L. Xuất phát từ công thức: Pnx=110[Ho.gn+(H-Ho-H(x)).(gn-gt)] Pnx=110[Ho.gt+(H-H(x)).(gn-gt)] Áp suất ngoài tại đáy ống chống: H(x)=0 PnL=110[Ho.gt+H.(gn-gt)] Trong đó: gn, gt: trọng lượng riêng của chất lỏng bên ngoài và bên trong ống chống. Như vậy áp suất bên ngoài cho phép tác dụng lên cột ống chống được tính bằng phương trình sau: Pncf(n)=(Pmb(n))/n2= 110[Ho.gt+Hcf(n).(gn-gt)] Từ đấy chúng ta rút ra: Hcfn=(10.Pmbn-Ho.gt.n2)/n2..(gn-gt) Sau khi tính cột ống theo áp suất bóp méo bên ngoài ống, chúng ta tiến hành kiểm tra độ bền kéo ở mối nối ren phía trên và phía dưới của mỗi đoạn. Nếu đoạn nào hệ số dự trữ bền với tải trọng kéo n1 quá thấp dưới giới hạn cho phép thì chúng ta chuyển sang tính toán cột ống từ đó lên theo tải trọng cho phép ở mối nối. Phương pháp kiểm tra như sau: - Đối với ống l1 ta kiểm tra độ bền ở đầu nối phía trên và phía dưới: Phía trên: Pđ1/Qth ≥ n1 Trong đó: Pđ1 –Lực kéo căng tới hạn của mối nối ren (hàn) của đoạn ống số 1 theo công thức Iakovle. Qth –trọng lượng thực tế của ống chống đã được tính (chọn) theo áp suất bóp méo, Qth =Q+Qph Q- trọng lượng bản thân cột ống đã được tính ở trên Q=i=1nli.qi Qph=( Pth+Pd)πdtv2/4 tải trọng phụ đã nói ở trên. Nếu hệ số dự trữ bền phần trên không thỏa nãm, chúng ta tiếp tục kiểm tra phần nối dưới của đoạn ống l1 như sau: Pđ1/(Qth-Q1 )≥ n1 (Q1 là trọng lượng đoạn l1) Nếu không thỏa mãn thì tiếp tục kiểm tra đến đoạn ống thứ I: Phía trên: Pđi/( Qth - i=1i-1Qi) ≥ n1 ; Phía dưới: Pđi/( Qth - i=1iQi) ≥ n1 Khi đoạn ống thứ I thỏa mãn điều kiện của n1 thì từ đây trở lên chúng ta tiếp tục kiểm tra ống theo tải trọng kéo cho phép giống như tính toán cột ống trung gian. + Sau khi kiểm tra xong theo áp suất bên ngoài và tải trọng kéo chúng ta tiến hành kiểm tra phần trên của cột ống với áp suất nổ ống ở bên trong theo hệ số n3. n3=PT/Pv-(Hgt/10); Pv- áp suất vỉa, PT – áp suất tới hạn gây nổ ống, gt – trọng lượng riêng của chất lỏng trong ống (lấy bằng trọng lượng riêng của dầu mỏ) b). Phương pháp tính toán cột ống chống khai thác theo biểu đồ áp suất. Các bước tính toán như sau: + Tính áp suất dư (trong, ngoài) + Vẽ biểu đồ áp suất dư (có kể đến hệ số bền dự trữ) + Chọn ống dựa vào biểu đồ áp suất dư. Việc xác định áp suất dư trong và ngoài tại các điểm: z = 0; z = H0; z = h và z = L. Áp suất dư ngoài trong trường hợp chung nhất được xác định bằng hiệu giữa áp suất ngoài và áp suất trong cùng một thời điểm. Áp suất dư ngoài có giá trị lớn nhất trong thời gian cuối của quá trình khai thác khi áp suất bên trong đạt giá trị bé nhất. + Kiểm toán lại theo hệ số bền kéo. 3.2.2. Kiểm tra bền cho cột ống chống cụ thể. Ở đây ta tính cột ống chống trung gian thứ nhất. 1.Áp suất dư trong. Áp suất dư trong tại miệng giếng tại thời điểm đóng giếng khi có xuất hiện dầu khí (khi gọi dòng khí dầu) sẽ đạt giá trị lớn nhất. Nó được xác định theo công thức sau: Pt = Pvl – Pxh = Pvl – 0,1go(L – Z) Z=0 Þ Pt= 318 – 0,1´0,84´3400 = 32,4 (kG/cm2). Áp suất tại miệng giếng cực đại ở cuối thời kỳ bơm trám là: Pbt=Pdx – Pdc + Pth = 0,1´(gdx – gde)Z + Pms Pth = 0,01L + 8 = 0,01´2868 +8 = 36,68 (kG/cm2). Þ Pt = Pbt = 0,1´(1,52 – 1,16)´2868 + 36,68 = 139,93 (kG/cm2). Áp suất ép thủ cho cột ống lấy lên 10% so với Ptmax. Pth = 1,1Pmax = 1,1´139,93 = 153,92 (kG/cm2). Để tiện cho việc theo dõi áp suất khi thử cột ống F340 ta chọn: Pth=160 (kG/cm2). Áp suất dư tại độ sâu Z=2868 m là: Pdt,z=[Pth -0,1(gdx – gde).L-(gdx – gdk).h].(1-kv) với Z=L, h=0. Þ Pdt,L=[Pth -0,1(gdx – gde).L].(1-kv) =[160- 0,1.(1,52-1,16).2868].(1-0,4)= 34,05 (kG/cm2). 2.Áp suất dư ngoài. *Áp suất dư ngoài lớn nhất ở chân đế ống chống, càng xuống sâu thì áp lực vỉa càng tăng. *Chú ý: Ống chống này đặc biệt vì ở dưới ống chống này là ống chống lửng (ống chống trung gian thứ 2 và ống lửng khai thác). Do vậy, khi ghép thử ống chống khai thác Ф 140mm, thì áp suất ép thử này sẽ ảnh hưởng tới cả ống chống trung gian Ф 340mm. Vì vậy ta cần tính toán xem áp lực lên ống Ф 140mm là như thế nào? Ta chỉ xét cho ống chống khai thác bởi vì áp suất ép thử lên ống chống khai thác là lớn hơn so với ống trung gian thứ 2. -Áp suất miệng giếng tại thời điểm đóng giếng khi có xuất hiện khí đối với ống Ф 140mm là: Pt=346-0,1.0,75.4000= 46 (KG/cm2). -Áp suất cực đại cuối quá trình bơm trám đối với ống chống Ф 140mm là: Pbt=0,1.(1,85-1,66).4000 + (0,01.4000+8)=124 (KG/cm2). -Áp suất dư đối với ống Ф 140mm khi ép thử tăng 10 % so với áp suất dư trong lớn nhất là: Pbt= 1,1.124= 136,4 (KG/cm2). Để tiện cho việc theo dõi áp suất khi thử cột ống F140 ta chọn: Pth=140 (kG/cm2). -Áp suất dư trong với ống F340 , khi ép thử ống F140 là: Pdt= [140- 0,1.(1,52-1,16).2868].(1-0,4)= 22,05 (KG/cm2). -Với tỷ trọng dung dịch khi xuất hiện dầu khí là go= 0,75 (G/cm2) thì áp suất dư ngoài tác dụng lên thành ống F340 tạin z=2868m là: Pdn,z= 0,1.(1,52-0,75).2868.(1-0,4) = 132,5 (kG/cm2). 3.Vẽ biểu đồ áp suất dư với hệ số bền dự trữ n1,n2 như sau: -tại miệng giếng: Pdt= 160 (kG/cm2) Þ n2.Pdt=1,1.160=176 (kG/cm2). -tại z=2868m: Pdt,z= 34,05 (kG/cm2) Þ n2.Pdt=1,1.34,05=37,455 (kG/cm2). Pdn,z= 132,5 (kG/cm2) Þ n1.Pdn=1,1.132,5=145,75 (kG/cm2). 4.Chọn ống chống. Þ Chọn ống chống F340 dựa vào áp suất và các thông số bền của loại ống chống mà ta lựa chọn cho phù hợp và đảm bảo tốt nhất về tính công nghệ,kỹ thuật, cũng như kinh tế! Tra bảng ta chọn được cấu trúc giếng F340 theo API – 5A như sau: Khoảng ống chống (m) Chiều dài đoạn (m) Loại ống chống Đầu nối 2868 –2768 100 F340´10,92´K55 BTC 2768 –0,00 2768 F340´9,65´ K55 BTC Đặc tính ống chống vừa chọn: Các thông số F340´9,65´K55 F340´10,92´K55 Pbm 78 106 Pno 188 214 Qot 379 428 Qor 460 519 q 80,39 90,22 5.kiểm toán lại hệ số dữ trữ bền n3 và n31. n3 = - Đoạn 2768 m F340´9,65´ K55 phía trên: n3= 460×10380,39×2768+90,22×100 =1,99≥ 1,75. =379×10380,39×2768+90,22×100 =1,64≥ 1,25 Tại vị trí cắt xiên, ren đầu ống chống bị cong làm giảm khả năng chịu kéo tại mối nối ren. Do đó, ta phải lấy dư độ bền kéo tại mối nối ren cho ống chống trong trường hợp này, tải trọng kéo cho phép là: Q'or = Qor – 23,2´10-5Doqi =460 – 23,2´10-5´340´80,39´4,5 = 431,5 (T). n3 =. Vậy cấu trúc ta chọn ở bảng trên là đảm bảo an toàn. KẾT LUẬN. Như vậy là: sau một thời gian tìm kiếm, đọc tài liệu, cũng như vận dụng kiến thức của Thầy Lê Văn Thăng đã dạy cho chúng em về môn công nghệ khoan dầu khí. Thì em đã hoàn thành đồ án môn học này. Và đã chọn được cấu trúc giếng khoan là cấu trúc 3 cột ống. Trong đó, ống trung gian thứ 2 và ống chống khai thác là dùng 2 ống chống lửng. (và trám xi măng tất cả chiều dài của các cột ống chống). Tuy là em đã nỗ lực hết mình để hoàn thành đồ án này, nhưng mà bên cạnh đó có thể sẽ có một số sai sót nhỏ hay chưa được thực sự hợp lý ở đâu đó thì em mong Thầy Lê Văn Thăng, các thầy, cô trong khoa dầu khí lưu ý cho em và xem xét, đóng góp, bổ sung thêm những ý kiến vàng ngọc của mình để đồ án của em được hoàn hảo hơn. Em rất chân thành cảm ơn mọi người, và chúc các thầy cô luôn có sức khỏe tốt, thành công trong công việc cũng như cuộc sống. Và đặc biệt là Thầy Lê Văn Thăng đã hết sức tận tình giúp đỡ em! Tài liệu tham khảo. 1).Bài Giảng Công Nghệ Khoan (ĐH Mỏ-Địa Chất, Khoa Dầu Khí) 2).Cẩm Nang Kỹ Sư-Công Nghệ Khoan Các Giếng Sâu (Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội - 2006) 3).Thiết Kế Công Nghệ Khoan Các Giếng Dầu Và Khí. TSKH: TRẦN XUÂN ĐÀO (Nhà Xuất Bản Hà Nội-2001). 4).Nguồn tài liệu trên mạng internet,và các bài đồ án của các anh chị khóa trước …vv.