Thiết kế thi công giếng khoan thăm dò khai thác dầu khí БT19 nằm ở phía Đông Bắc của vòm bắc trên mỏ Bạch Hổ thuộc bồn trũng Cửu Long

i giai đoạn: - Gia công dung dịch lần đầu tiên để thu được các thông số cần thiết. Giai đoạn này thường được tiến hành khi bắt đầu khoan. Ngoài ra còn sử dụng trong trường hợp phải chuyển từ điều kiện khoan bình thường sang điều kiện khoan phức tạp, hay trong việc chống các hiện tượng sự cố trong khoan. - Gia công bổ sung để giữ nguyên hoặc cần thay đổi các thông số dung dịch trong quá trình khoan. Giai đoạn này được tiến hành liên tục trong quá trình khoan để tách mùn khoan, dầu, khí, hoặc nước từ vỉa xâm nhập và trong dung dịch đi lên. Trong nội dung chương này ta chỉ xét giai đoạn đầu tiên của quá trình gia công hoá học dung dịch. * Quá trình gia công hóa học dung dịch khoan nhằm các mục đích chính sau: - Tạo được các loại dung dịch với tính chất và chất lượng phù hợp với điều kiện khoan. - Sau khi tuần hoàn trong lỗ khoan, các tính chất của dung dịch đã thay đổi, quá trình gia công hóa học dung dịch nhằm phục hồi tính chất ban đầu của dung dịch, thỏa mãn các yêu cầu của công tác thiết kế chế độ khoan. - Trong quá trình khoan các lỗ khoan ta có thể gặp các tầng đất đá với các tính chất hoàn toàn đặc biệt. Để khoan qua tầng này ta phải sử dụng chế độ khoan hoàn toàn khác và dung dịch khoan cũng phải có tính chất phù hợp.Như vậy gia công hóa học còn tạo ra các dung dịch khoan với tính chất riêng biệt mà ta gọi là dung dịch đặc biệt. * Nguyên tắc gia công hóa học dung dịch: - Các dung dịch được gia công bằng các chất phụ gia khác nhau phải được đem so sánh ở cùng một độ nhớt đã được chọn trước theo điều kiện yêu cầu. Có thể dùng nước để điều chỉnh độ nhớt. - Bằng mọi cách để đạt được các thông số của dung dịch nhưng lượng tiêu hao chất phụ gia là ít nhất. - Cần tiến hành thí nghiệm trước trong phòng để tìm được liều lượng chất phụ gia thích hợp... - Điều kiện thí nghiệm trong phòng phải tương tự như điều kiện ở ngoài lỗ khoan: nhiệt độ, áp suất và các điều kiện khác ở đáy lỗ khoan. Trong chương này ta chỉ xét giai đoạn đầu của quá trình gia công hóa học dung dịch khoan, để tạo ra được các thông số dung dịch phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đặt ra trên mỗi địa tàng đất đá thuộc vùng mỏ. 4.3.2. Các hoá phẩm gia công dung dịch. - Sét Bentonite: Được sử dụng để tạo ra cấu trúc của hệ phân tán và các thông số cơ bản của dung dịch khoan. - Barite (BaSO4): Làm tăng trọng lượng riêng của dung dịch khoan theo yêu cầu và giảm độ thải nước. - CMC HV: Dùng để điều chỉnh các thông số như: độ thải nước, ứng suất cắt tĩnh, độ nhớt phù hợp với yêu cầu kỹ thuật một cách nhanh chóng và kinh tế. - FCL: Có tác dụng khống chế độ nhớt, ứng suất cắt tĩnh khi khoan qua các tầng sét kết. ngoài ra FCL còn có chức năng phụ là: làm giảm độ thải nước, ức chế sự trương nở của sét. - NaOH và KOH: Chủ yếu sử dụng để điều chỉnh độ pH của dung dịch. - Na2CO3: Làm tăng khả năng phân tán sét trong dung dịch, hạn chế hàm lượng chất rắn có trong dung dịch. - AKK: Dùng để ức chế sự trương nở của sét. - VIETBAC-21: Chất diệt khuẩn. - Grafit, VIETLUB-150: là những hoá phẩm bôi trơn có tác dụng làm tăng khả năng bôi trơn, giảm mômen quay và lực kéo của bộ khoan cụ. Các chất này chịu được ở nhiệt độ cao nên rất thích hợp khi khoan vào địa tầng có nhiệt độ cao. Ngoài các hoá phẩm chính nêu trên thì còn có một số các chất phụ gia khác sử dụng trong các trường hợp đặc biệt như: Oxoscav dùng để chống ăn mòn, Pottassium Iodide là chất theo dõi giúp quá trình thử vỉa sau này, chất chống mất dung dịch: DK Drill A1, vỏ trấu, xơ dừa, bột cẩm thạch. 4.3.3. Gia công hoá học dung dịch. Việc gia công hoá học cho dung dịch khoan phải được tiến hành dựa trên cơ sở tính toán lượng dung dịch sét, sét, nước và các hoá phẩm khác. Đồng thời để tạo ra các thông số cơ bản của dung dịch theo yêu cầu thì công việc này còn đòi hỏi phải được tính toán và thử nghiệm một cách cẩn thận trong phòng thí nghiệm. Kết quả của việc gia công hoá học dung dịch khoan cho giếng khoan БT19 được trình bày trong bảng sau. Bảng 4-2: Đơn pha chế dung dịch khoan Khoảng khoan Trọng lượngriêng d.d Tên hoáphẩm Tỷ trọngkhô của hoá phẩm Hàm lượng hoá phẩm trong dung dịch m G/cm3 G/cm3 kg/m3 80-300 1.03 Nước biển - - 300-1330 1,10±0.02 Bentonite 2.6 60 CMC HV 1.85 12 NaOH 2.13 2 Na2CO3 2.5 2 Grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 15 Nước kỹ thuật 300 1330-2230 1.12±0.02 Bentonite 2.6 60 CMC HV 1.85 12 NaOH 2.13 4 Na2CO3 2.5 2 Grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 15 Nước kỹ thuật - 300 FCL 1.2 20 2230-2950 1.16±0.02 Bentonite 2.6 30 CMC LV 1.75 15 KOH 6 Na2CO3 2.5 2 grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 20 Nước kỹ thuật - 300 FCL 1.2 40 AKK 5 Bentonite 2.6 30 2950-3060 1.18±0.02 CMC LV 1.75 15 KOH 6 Na2CO3 2.5 2 grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 20 Nước kỹ thuật - 300 FCL 1.2 40 AKK 1.5  5 3060-3250 1.24-1.36 Bentonite 2.6 30 CMC LV 1.75 15 KOH 6 Na2CO3 2.5 2 grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 20 Nước kỹ thuật - 300 FCL 1.2 40 AKK 5 3250-3470 1.67±0.02 Bentonite 2.6 30 CMC LV 1.75 15 KOH 6 Na2CO3 2.5 2 3250-3470 1.67±0.02 grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 20 Nước kỹ thuật - 300 FCL 1.2 40 AKK 5 Barit 4.25 980 3470-4280 1.65-1.74 Bentonite 2.6 30 CMC LV 1.75 15 KOH 6 Na2CO3 2.5 2 grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 20 Nước kỹ thuật - 300 FCL 1.2 40 AKK 5 Barit 4.25 1134.8 4280-4670 1.62-1.68 Bentonite 2.6 30 CMC LV 1.75 15 KOH 6 Na2CO3 2.5 2 grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 VIETLUB-150 - 20 Nước kỹ thuật - 300 FCL 1.2 40 AKK 5 barit 4.25 927 4670-5180 1.13-1.24 Bentonite 2.6 50 CMC HV 1.85 12 KOH 6 Grafit 2.2 10 VIETBAC-21 - 2 4670-5180 1.13-1.24 VIETLUB-150 - 15 Nước kỹ thuật - 980 AKK 5 4.4.TÍNH TOÁN LƯỢNG HOÁ PHẨM CHO CÁC KHOẢNG KHOAN. 4.4.1. Phương pháp tính toán: * Tính toán thể tích dung dịch cần thiết cho các khoảng khoan. Thể tích dung dịch cần thiết cho mỗi khoảng khoan được xác định theo công thức sau: Vdd = V1+ V2+ a.V3+ V4+ V5 (4-5) Trong đó: V1- Thể tích bể chứa, V1= 30m3. V2- Thể tích máng lắng và sàng rung V2= 15m3. V3- Thể tích giếng khoảng khoan trước đó: (4-6) D- là đường kính trong của cột ống chống trước đó (m). L- Chiều dài cột ống chống trước đó (m). a- Hệ số dự trữ dung dịch. Hệ số này phụ thuộc vào từng khoảng khoan và có giá trị a=22,5. V4- Thể tích dung dịch tiêu hao trong quá trình khoan có kể tới sự tăng thể tích do tăng chiều sâu của giếng khoan. V4= K.l (4-7) l- Chiều sâu khoan được (m). K- Định mức tiêu hao dung dịch. K phụ thuộc vào đường kính giếng khoan, tốc độ khoan, chất lượng dung dịch khoan và được lấy theo kinh nghiệm như sau: + Choòng với đường kính Dc=660,4mm lấy k=0,62m3/m. + Choòng với đường kính Dc=444,5mm lấy k=0,45m3/m. + Choòng với đường kính Dc=311,1mm lấy k=0,34m3/m. + Choòng với đường kính Dc=215,9mm lấy k=0,11m3/m. + choòng với đường kính Dc=165,1mm lấy k=0,08m3/m V5- Thể tích giếng khoan trong khoảng khoan được: V5= (4-8) Dg- Đường kính giếng khoan Dg=M.Dc. M- hệ số mở rộng thành giếng. M phụ thuộc vào tính chất đất đá. Dc- Đường kính choòng khoan. * Tính toán hoá phẩm gia công dung dịch cho mỗi khoảng khoan: Lượng hoá phẩm cần thiết cho toàn bộ khoảng khoan là: Php=β.nhp.Vdd (kg) (4-9) Trong đó: β: Hệ số dự trữ (β=1,03 – 1,05). nhp: hàm lượng hoá phẩm trong dung dịch (kg/m3). * Tính toán lượng nước gia công dung dịch cho mỗi khoảng khoan. Thể tích nước tính cho toàn bộ khoảng khoan là: Vn=β.(Vdd - ) ( m3) (4-10) 4.4.2 Tính toán lượng hoá phẩm tiêu hao cho mỗi khoảng khoan. Trong phần này ta sẽ chọn một khoảng tiêu biểu để tính theo lý thuyết ở trên, còn các khoảng khác ta tính tương tự. Chọn khoảng khoan từ 300m đến 1330m: khoảng khoan này sử dụng dung dịch sét có trọng lượng riêng γdd=1,10 G/cm3. Thể tích dung dịch khoan: Thể tích bể chứa dung dịch: V1=30m3. Thể tích máng lắng sàng rung: V2=15m3. Thể tích giếng trong đoạn ống chống trước đó: V3 Với các thông số: + Hệ số dự trữ dung dịch: a=2 + Chiều dài cột ống chống trước đó: L=300m + Đường kính trong ống chống trước đó: D=486mm = 0,486m Thay các thông số trên vào công thức ta được: V3==55,63 m3 Thể tích dung dịch tiêu hao trong quá trình khoan với choòng có đường kính 444,5mm + Định mức tiêu hao dung dịch khoan là K=0,45 + Chiều dài khoảng khoan được: l = 1330-300 =1030m Thay các thông số trên vào công thức (4-7) ta có: V4=0,45.1030=463,5 m3 Thể tích dung dịch trong khoảng khoan được (V5): + Hệ số mở rộng thành giếng khoan: M=1,1 + Đường kính choòng khoan: Dc=0,4445 m + Đường kính giếng khoan: Dg=M.Dc=0,489m Thay các thông số trên vào công thức (4-8) ta được: V5==193,32 m3 Thể tích dung dịch cho toàn khoảng khoan là: Vdd=V1 + V2 + V3 + V4 + V5 = 787,45 m3 Lượng hoá phẩm gia công hoá học dung dịch: Thay các thông số vào công thức (4-9) ta có: Bentonite: P1=1,03.60.787,45=48664,41 kg ≈ 48,66 tấn CMC HV: P2=1,03.12.787,45=9732,88 kg ≈ 9,73 tấn NaOH: P3= 1,03.2.787,45=1622,15 kg ≈ 1,62 tấn Na2CO3: P4=1,03.2.787,45=1622,15 kg ≈ 1,62 tấn Graphit: P5=1,03.10.787,45=8110,76 kg ≈ 8,11 tấn VIETLUB-150: P6=1,03.15.787,45=12166,10 kg ≈ 12,17 tấn VIETBAC-21: P7=1,03.2.787,45=1622,15 kg ≈ 1,62 tấn Thể tích nước gia công dung dịch Lượng nước cần thiết cho toàn bộ khoảng khoan: Vn=1,03(787,45- ) = 781.13 m3 Loại hoá phẩm Khoảng khoan (m) Cho toàn bộ giếng 0-300 300-1330 1330-2230 2230-2950 2950-3060 3060-3250 3250-3470 3470-4280 4280-4670 4670-5180 Bentonite 48,66 43,940 24,376 25,009 28,380 6,359 10,22 12,08 13,016 CMC HV 9,73 8,788 - 3,123 NaOH 1,62 2,929 - Na2CO3 1,62 1,464 1,625 1,667 1,892 0,423 0,681 0,805 grafit 8,11 7,323 8,125 8,336 9,46 2,119 3,406 4,026 2,603 VIETBAC-21 1,62 1,464 1,625 1,667 1,892 0,423 0,681 0,805 0,52 VIETLUB-150 12,17 10,985 16,25 16,673 18,920 4,239 6,813 8,053 3,904 FCL - 14,646 32,501 33,346 38,840 8,479 13,627 16,106 CMC LV - - 12,188 12,504 14,190 3,179 5,11 6,04 KOH - - 4,875 5,001 5,676 1,271 2,044 2,416 1,562 AKK - - 4,062 4,168 4,73 1,059 1,703 2,013 1,301 Barit - - - - 207,744 386,618 373,273 Nước kỹ thuậtm3 781,13 686,80 721,576 697,84 873,01 221,02 281,5 248,67 Ghi chú: ta có thể tận dụng dung dịch ở khoảng khoan trước đó rồi gia công hoá học để sử dụng cho khoảng khoan tiếp theo. Chương 5 GIA CỐ VÀ CÁCH LY VỈA 5.1. Mục đích và yêu cầu của công tác chống ống và trám xi măng giếng khoan. 5.1.1. Mục đích: - Bảo đảm một thành giếng ổn định và chắc chắn để tiếp tục khoan, bơm rửa hoặc khai thác giếng khoan. - Vành đá xi măng đảm nhiệm vai trò cách ly sự thông thương giữa các vỉa và giữa các tầng đất đá khác nhau, đặc biệt cách ly các tầng sản phẩm, phục vụ mục đích thử vỉa, đánh giá vỉa cũng như lựa chọn tầng khai thác mà không bị thông thương lẫn nhau. - Vành đá xi măng chịu tải toàn bộ cột ống chống trong điều kiện làm việc thực tế của giếng khoan. - Vành đá xi măng này cũng góp phần bảo vệ cột ống chống khỏi sự tác động có hại của môi trường đáy giếng như: ăn mòn, xâm thực của nước muối.. - Kiểm soát tình trạng giếng thông qua các thiết bị kiểm soát bề mặt. - Bảo vệ ngăn ngừa sự xâm nhập và tác động của các tầng nước, khí, lưu chất khác nhau vào giếng khoan cản trở quá trình thi công tiếp đó. - Là phương tiện để lắp ráp thiết bị kiểm soát giếng như thiết bị chống phun, thiết bị khai thác bên trong ống chống. - Bảo đảm giếng khoan ổn định để nghiên cứu giếng khoan bằng các phương pháp địa vật lý giếng khoan. 5.1.2. Yêu cầu: Việc chống ống và trám xi măng có một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình thi công giếng khoan và trong quá trình khai thác sau này. Mọi sự cố xảy ra với công việc này đều có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng đối với việc khoan tiếp hoặc việc đưa giếng vào khai thác. Do đó ống chống và việc xi măng sử dụng để trám giếng khoan cần phải đạt được các yêu cầu sau: - Về ống chống: ống chống được lựa chọn phải đảm bảo độ bền kéo cũng như chịu được áp suất dư bên trong hoặc bên ngoài do cột dung dịch và áp suất vỉa gây ra. - Về xi măng: Loại xi măng được chọn phải có các đặc tính kỹ thuật như: thời gian bắt đầu đông kết, độ hạt, độ thẩm thấu, trọng lượng riêng,… phù hợp để tạo điều kiện cho quá trình bơm trám diễn ra thuận lợi. Khi vữa xi măng đông đặc phải tạo thành vành đá có độ bền cơ học cao, độ chặt sít lớn và trong quá trình đông cứng không được thay đổi thể tích. 5.2 Công nghệ chống ống giếng khoan 5.2.1 Chuẩn bị giếng khoan. - Trước khi thực hiện công việc chống ống và trám xi măng cần phải tiến hành đo địa vật lý giếng khoan nhằm xác định độ ổn định của thành giếng khoan và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chống ống và trám xi măng. - Khoan doa lại những đoạn mà thân giếng bị bó hẹp. - Cho thêm các chất bôi trơn vào dung dịch để giảm độ bám dính của lớp vỏ bùn lên thành giếng như: dầu mỏ, graphit,…rồi cho tuần hoàn lại dung dịch. - Sử dụng chổi quét màng sét để loại bỏ lớp sét bám dính trên thành giếng. - Phải vét hết mùn khoan khỏi đáy để chống lắng đọng mùn khoan bằng cách bơm rửa và tuần hoàn giếng. 5.2.2. Chuẩn bị ống chống. Quá trình chuẩn bị ống chống rất quan trọng, vì nó giúp ta phát hiện kịp thời các khuyết tật của ống chống, đảm bảo ống chống đủ chất lượng, từ đó tránh được các sự cố trong quá trình chống ống và trám xi măng. Việc chuẩn bị ống chống sẽ tiến hành các công việc sau: - Chuẩn bị đầy đủ ống chống và phụ tùng đi kèm như chân đế, vòng dừng, van ngược, định tâm, chổi quét,.. đến khoan trường trước khi thả. - Kiểm tra lại độ thẳng, mác thép, đo lại chiều dài, đường kính và độ dày của ống. Kết quả đo được ghi vào thân ống và ghi vào sổ theo dõi. - Đánh sạch đầu ren của ống chống và của mupta bằng chổi thép và rửa bằng dầu hoả, sau đó lắp đầu bảo vệ vào. - Thử độ kín để tránh rò rỉ, áp suất thử không nhỏ hơn 1,5lần áp suất làm việc, siêu âm để kiểm tra khuyết tật của ống. 5.2.3. Chuẩn bị tháp và thiết bị thả ống. Trước khi thả ống cần phải kiểm tra, bảo dưỡng lại tất cả các thiết bị có liên quan đến công tác này như: tháp khoan,tời khoan, hệ thống palăng ròng rọc,…công việc cụ thể là: - Kiểm tra lại độ thẳng đứng và cứng vững của tháp khoan, hệ thống palăng chuyển động thẳng với trục của giếng khoan. - Kiểm tra tời khoan, thiết bị dẫn động. - Kiểm tra cáp tời đang sử dụng, nếu số sợi cáp bị nổ ≥10% thì phải thay cáp mới cũng như kiểm tra cẩn thận tình trạng của móc nâng, bộ ròng rọc tĩnh, động. Kiểm tra độ chính xác của đồng hồ đo trọng lượng,…. 5.2.4. Công tác thả ống chống. Quá trình thả ống chống càng nhanh càng tốt, nhưng vận tốc thả cũng phải giới hạn tuỳ theo áp suất dư mà nó gây lên đáy và thành giếng. Công việc thả cần tổ chức tốt để tránh xảy ra sự cố. Để tránh hiện tượng nới lỏng ren mupta các ống chống đầu tiên ta phải xiết chặt ren bằng khoá và hàn đính lại. Để đảm bảo độ kín của mối ren ta sử dụng một hỗn hợp đặc biệt để bôi vào đầu ren. Để tránh ống bị bóp méo do áp lực bên ngoài thì cứ thả ống xuống chiều sâu độ 200mét người ta lại đổ dung dịch khoan vào phía trong ống. Trong quá trình thả ống thường xuyên kiểm tra độ nhớt và trọng lượng riêng của dung dịch tràn lên miệng. Nếu thấy xuất hiện khí trong dung dịch thì ta phải lắp đầu bơm trám lên mupta trên cùng của ống chống và bơm ép dung dịch mới xuống để thay thế dung dịch đã bị nhiễm khí. Để kiểm tra việc thả ống chống sẽ phải dựa vào việc ghi chép và vào sổ chiều dài cột ống chống. Trong các bản ghi chép phải có đầy đủ số lượng ống đã thả và tổng chiều dài của cột ống. 5.3. Công tác trám xi măng giếng khoan. 5.3.1. Lựa chọn ximăng, dung dịch đệm và dung dịch ép * Dung dịch đệm: Đây là dung dịch di chuyển ở đầu cột xi măng có tác dụng loại bỏ dung dịch khoan đóng gen trên thành ống và cách ly dung dịch xi măng với dung dịch khoan. Dung dịch đệm thường dùng là nước kỹ thuật+CMCHV+FCL. Trong thực tế dung dịch đệm được bơm từ 5-7m3 trước khi bơm vữa xi măng. Ta sử dụng loại dung dịch đệm có tỷ trọng nhỏ γđ=1,03G/cm3. * Dung dịch ép Với mục đích vừa đảm bảo về mặt kỹ thuật mà vẫn tiết kiệm tối đa về mặt kinh tế, nên ta sẽ sử dụng dung dịch khoan trong chính khoảng khoan đó làm dung dịch ép. * Xi măng, vữa xi măng Với điều kiện địa chất tại vùng mỏ và kinh nghiệm thực tế người ta thường dùng hai loại xi măng đó là OWCL và OWC có trọng lượng riêng 2,7 và 2,9g/cm3, chịu được nhiệt độ khoảng 900C, khi được gia công hóa học có thể chịu được ở 1600C, phù hợp với điều kiện nhiệt độ và gradien áp suất của vỉa trong mỏ. Các thông số của vữa xi măng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình bơm trám. Hai thông số cơ bản và quan trọng nhất của vữa xi măng đó là trọng lượng riêng và thời gian đông kết ban đầu. Hai thông số này phụ thuộc vào điều kiện địa chất đất đá cần bơm trám. Trọng lượng riêng của dung dịch xi măng được qui định bởi giới hạn về áp suất vỡ vỉa của các hệ tầng đất đá thuộc khoảng trám. Căn cứ theo áp suất vỡ vỉa và tính chất của đất đá trong cột địa tầng của giếng БT19 và theo kinh nghiệm trám xi măng các giếng trước đó trong vùng mỏ ta lấy trọng lượng riêng vữa xi măng cho từng cột ống như sau: Bảng 5-1: các thông số vữa trám cho từng cột ống Cột ống Khoảng chiều sâu thả (m) Tên hợp chất Trọng lượng riêng các loại hợp chất (G/cm3) Thời gian bắt đầu ngưng kết (phút) Thời gian đông cứng (giờ) Từ Đến 762 0 120 Dung dịch đệm 1.03 - Vữa xi măng 1.45 115 36 Dung dịch ép 1.03 - 508 0 300 Dung dịch đệm 1.03 - Vữa xi măng 1.5 150 40 Dung dịch ép 1.03 - 340 0 1500 Dung dịch đệm 1.03 Vữa xi măng 1.53 175 42 Dung dịch ép 1.12 245 0 1300 Dung dịch đệm 1.03 Vữa xi măng 1.53  220 36 Dung dịch ép 1.12 1300 3250 Dung dịch đệm 1.03 Vữa xi măng 1.6  220  36 Dung dịch ép 1.2 194 2800 4670 Dung dịch đệm 1.03 Vữa xi măng 1.8  240  24 Dung dịch ép 1.6 5.4. Các phương pháp trám xi măng giếng khoan thông dụng 5.4.1. Phương pháp trám xi măng thuận một tầng hai nút * Phạm vi áp dụng: phương pháp trám này thường áp dụng với cột ống chống có chiều sâu không lớn, nhiệt độ đáy giếng không cao, lượng dung dịch trám xi măng cần không nhiều và áp suất của thiết bị bơm trám có thể đáp ứng được. Hình 5-1: Qui trình trám xi măng một tầng 2 nút. * Ưu điểm: Trang bị gọn nhẹ, đơn giản và có độ tin cậy cao. * Qui trình trám: Lỗ khoan sau khi được rửa sạch, các thiết bị được kiểm tra người ta bắt đầu khuấy trộn dung dịch xi măng và bơm vữa vào lỗ khoan. Trước khi bơm vữa xi măng phải thả nút trám dưới. khi đã bơm đủ lượng vữa xi măng cần thiết ta bắt đầu bơm dung dịch ép đẩy nút trám trên ra khỏi đầu trám vào ống. Dưới áp lực bơm ép nút trám dưới bị đẩy đến vòng dừng, tiếp tục bơm ép phá thủng màng cao su nút trám dưới, vữa xi măng qua đó ra ngoài ống chống, nút trên tiếp tục bị ép xuống cho đến khi chồng lên nút trám dưới. Tại thời điểm này áp suất trên áp kế tăng cao đột ngột báo hiệu kết thúc quá trình bơm trám. Giếng khoan lúc này cần được giữ yên tĩnh, các van trên đầu bơm trám được đóng lại. Lúc này mọi hoạt động khoan đều được dừng lại chờ cho xi măng đông kết. (Hình 5-1) 5.4.2. Trám xi măng phân tầng (trám hai tầng). Trong phương pháp trám xi măng phân tầng, hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp trám hai tầng đối với các ống chống mà phương pháp trám xi măng một tầng hai nút không thể thực hiện được hoặc thực hiện không đảm bảo yêu cầu. * Phạm vi áp dụng: phương pháp trám này được áp dụng đối với giếng khoan có độ sâu lớn, lượng dung dịch xi măng cần trám nhiều, nhiệt độ đáy giếng lớn. * Ưu điểm: phương pháp này cho phép rút ngắn thời gian bơm trám do giảm được thời gian ngưng kết, giảm được áp suất cực đại trong giai đoạn cuối của quá trình bơm trám. Phương pháp trám này được thực hiện thông qua một paker và một đầu nối chuyên dụng gọi là mupta trám phân tầng. trước khi thả mupta trám phân tầng ta phải thử độ nhạy mupta ở trên mặt. Sau khi thả ống chống xong ta bơm dung dịch xi măng phần thứ nhất, sau đó bơm dung dịch ép phần thứ nhất (có thể dùng dung dịch đệm để ngăn cách giữa chúng). Sau đó thả nút trám dưới, tiếp theo bơm luôn dung dịch xi măng trám phần trên, rồi bơm tiếp dung dịch ép phần trên. Nút dưới đẩy chất lỏng đi xuống đến một thời điểm nhất định nó sẽ tì lên đế của ống lót dưới. Do tác dụng của cột dung dịch và áp suất bơm ống lót dưới cắt đứt chốt định vị và dịch chuyển xuống phía dưới được giữ lại bởi gờ, lúc đó cửa sổ xung quanh mở ra và giai đoạn trám tầng 1 kết thúc, bắt đầu trám tầng 2. Phần dung dịch trám ở tầng 2 sẽ chui qua cửa sổ và dâng lên bên ngoài ống chống. Nút trám trên bị ép dần xuống đóng kín các cửa sổ trám, thời điểm đó áp suất ở đầu bơm trám tăng lên đột ngột và báo hiệu quá trình trám xi măng kết thúc. (Hình 5-2) Hình 5-2: Qui trình trám xi măng phân tầng. 5.4.3. Trám xi măng cột ống lửng: Phương pháp trám này được sử dụng để trám các cột ống chống lửng thông qua một đầu nối chuyển tiếp chuyên dụng từ cần khoan đến ống chống. Quy trình trám: Đầu tiên cột ống chống lửng phải được thử rò rồi nối với cần khoan thông qua đầu nối chuyên dụng bằng ren trái. Sau khi cột ống chống được thả vào lỗ khoan, người ta bắt đầu bơm dung dịch đệm vào bên trong cần khoan, tiếp tục bơm dung dịch xi măng và dung dịch ép để ép dung dịch xi măng qua van ngược vào đế ống chống. Sau đó thả viên bi thép (chú ý thời gian thả cần tính sao cho khi dung dịch xi măng dâng lên hết chiều cao cần trám thì viên bi sẽ tỳ lên ống lót). Dưới áp lực tỳ, chốt sẽ bị cắt đứt, ống lót di chuyển xuống dưới đế dừng. Lúc này lỗ thoát được mở ra, dung dịch ép qua lỗ thoát quét sạch phần xi măng dâng lên phía trên đầu nối. Khi đó áp suất giảm đột ngột báo hiệu quá trình trám kết thúc. Sau đó người ta tháo cần khoan ra bằng cách quay phải rồi kéo chúng lên một đoạn và tiến hành bơm tuần hoàn để rửa sạch xi măng trong cần khoan và xi măng thừa trong lỗ khoan. 5.5. Lựa chọn phương pháp trám xi măng cho các cột ống chống * Đối với ống chống định hướng 762mm và ống chống dẫn hướng 508mm cần phải trám cẩn thận nhằm đảm bảo độ ổn định để định hướng và lắp các thiết bị bề mặt, với chiều sâu trám xi măng nhỏ, lượng dung dịch xi măng không nhiều, nhiệt độ đáy ống chống khoảng 300C ta chọn phương pháp trám một tầng để trám cho hai cột ống chống này. Do đường kính trong ống chống quá lớn nên ta sử dụng đấu nối đặt biệt để nối đáy ống chống với cần khoan thực hiện phương pháp bơm trám xi măng trong cần. * Đối với ống chống trung gian thứ nhất 340mm: Chiều sâu cột ống 1500m, ta phải trám toàn bộ cột ống, nhiệt độ đáy giếng khoảng 600C. Như vậy để đảm bảo trám ống chống thuận lợi, đơn giản ta chọn phương pháp trám một tầng hai nút để trám xi măng cho ống chống này. * Đối với ống chống trung gian 245mm có chiều sâu chống ống là 3250m, trám xi măng từ chân ống chống đến 1400m, tức là trám qua chân ống chống trước đó 150m, nhiệt độ đáy ống chống từ 110-1170C. Như vậy với chiều sâu và nhiệt độ đáy lớn ta chọn phương pháp trám phân tầng (2tầng) để tiết kiệm thời gian bơm trám, đảm bảo các thiết bị trên giàn có thể thực hiện được việc nén dung dịch xi măng lên đến chiều cao tính toán. * Đối với ống chống lửng 194mm: chiều sâu chân ống chống là 4670m, ống được đặt từ độ sâu 28000m đến 4670m và được trám toàn bộ cột ống bằng phương pháp một tầng hai nút. 5.5. Thiết bị dụng cụ phục vụ cho công tác trám xi măng Để phục vụ cho quá trình bơm trám ta phải sử dụng nhiều loại thiết bị và dụng cụ khác nhau tùy thuộc vào phương pháp trám được áp dụng cho từng cột ống. Các thiết bị phục vụ cho quá trình bơm trám gồm có: 5.5.1. Hệ thống thiết bị trộn và bơm dung dịch Hệ thống này gồm có máy bơm ly tâm, máy trộn vữa xi măng, máy nén khí đưa xi măng từ bồn chứa ra bể trộn, máy bơm trám xi măng. Nguyên lý hoạt động: Máy bơm ly tâm hút nước từ thùng chứa vào máy trộn, bột xi măng khô được thổi qua buồng khí nén kết hợp với nước tạo thành vữa xi măng thô và được đưa tới máy trộn. Tại đây cánh quạt của máy trộn sẽ khuấy trộn vữa xi măng cho đều trước khi đưa vào giếng nhờ bơm piston cao áp. Khi bơm đủ lượng vữa xi măng vào giếng, ta bơm tiếp dung dịch ép vào để ép vữa xi măng lên đến chiều cao thiết kế. Sau đó đóng tất cả các van trên đầu bơm trám lại đợi cho vữa xi măng đông. 5.5.2. Đầu bơm trám Đầu bơm trám được lắp trên đầu ống chống, nó có thể tháo lắp được và có các đầu nối với bơm piston. Trước khi làm việc ta đặt các nút bơm trám vào vị trí thích hợp trong đó có các chốt giữ. Đầu bơm trám được sử dụng để bơm rửa trước khi trám, bơm vữa vào giếng rồi bơm dung dịch ép. 5.5.3. Nút trám xi măng (Hình 5-3: Nút trám) Nút bơm trám gồm hai loại: - Nút trám dưới (hình 5-3a) để ngăn cách dung dịch xi măng và dung dịch khoan, loại này rỗng, có một màng chắn mỏng bằng cao su và có thể bị phá hỏng dưới áp suất dư nhỏ. Khi tiếp xúc với vòng dừng, nút trám bị đánh thủng để cho vữa xi măng đi qua đó vào khoảng không vành xuyến. Việc sử dụng nút trám dưới là không bắt buộc, có thể thay thế bằng dung dịch đệm. - Nút trám trên (hình 5-3b) để ngăn cách dung dịch ép và vữa xi măng, nó có tác dụng làm kín và chịu được áp suất cao. Việc sử dụng nút trám trên là bắt buộc. Khi đã đẩy hết vữa xi măng nó sẽ nằm ngay trên nút trám dưới (hoặc trên vòng dừng). Cả hai loại đếu có cánh cao su, đường kính đo theo mép ngoài của cánh lớn hơn đường kính trong của ống chống từ 20-25mm. Các nút trám dùng trong phương pháp trám đặc biệt được làm bằng gang, có thể lắp các cánh cao su gờ cứng, khi đến vị trí cần thiết nó bịt ống lại làm tăng áp suất, cắt đứt các chốt giữ được tính theo thứ tự mở của chúng. 5.5.4. Vòng dừng. Chức năng của vòng dừng là làm chổ tựa cho nút trám xi măng. Vòng dừng bao giờ cũng được đặt trên đế ống chống từ 2 đến 3 ống. Khoảng thể tích bên trong ống chống giữ chân đế và vòng dừng là nơi chứa xi măng bị nhiễm bẩn (cốc xi măng). 5.5.5. Van ngược. Là một loại van một chiều được lắp trong khoảng từ vòng dừng đến đế ống chống, có tác dụng ngăn dung dịch chảy ngược vào trong ống chống. Trong phương pháp trám đặc biệt mupta chuyên dụng có thể thay thế Hình 5-4: Van ngược vòng dừng và van ngược (hình 5-4). 5.5.6. Chổi quét Là một vòng thép trên đó có lắp các chổi thép mềm. Chổi quét được lắp vào phía ngoài ống chống. Trong khi thả ống chống, chổi quét nạo lớp màng sét trên thành giếng khoan để tăng khả năng liên kết giữa đá xi măng với thành giếng khoan (hình 5-3). Hình 5-5: Chổi quét 5.5.7. Lồng định tâm Là các bản thép được hàn hai đầu vào ống thép và lắp bên ngoài ống chống bằng khóa. Các tấm thép bị uốn cong tạo ra khoảng hở giữa ống và thành giếng khoan. Giúp cho đá xi măng tạo thành có bề dày đồng đều nâng cao chất lượng trám. Lồng định tâm và chổi quét được bố trí gần nhau dọc theo cột ống chống với khoảng cách từ 50-70m (hình 5-6). Hình 5-6: Lồng định tâm 5.5.8. Các mupta đặc biệt Đây là những loại có chức năng ngăn cách khoảng không vành xuyến và đóng mở các cửa sổ trám hai tầng. Chúng có các đầu nối ren để lắp vào ống chống.Xem hình vẽ (hình 5-7) Hình 5-7: Múp ta trám phân tầng 5.6. Tính toán trám xi măng cho các cột ống chống. 5.6.1. Phương pháp tính toán. * Thể tích của vữa xi măng cần trám. Được tính theo công thức sau: Vvxm=0,785 (m3) (5-1) Trong đó: Vvxm- thể tích vữa xi măng cần để trám. K1- hệ số hao hụt xi măng vào khe nứt của đất đá. M- hệ số mở rộng thành giếng khoan. Dc- đường kính choòng khoan cho ống cần trám. Dtt- đường kính trong ống chống trước đó. Dt- đường kính trong ống chống cần trám. Dn- đường kính ngoài ống chống cần trám. L1- chiều dài thân giếng khoan được. L2- chiều dài ống chống trước đó từ đế ống trước đến chiều cao dâng vữa xi măng. h- chiều cao cốc xi măng. * Lượng xi măng khô cần thiết để điều chế vữa xi măng. Gxm= (tấn) (5-2) Trong đó: Gxm- lượng xi măng khô cần thiết. K2- hệ số hao hụt xi măng bột. K2=1,031,06. - trọng lượng riêng của bột xi măng. m- tỷ lệ nước và xi măng, m=0,45÷0,5 - trọng lượng riêng của vữa xi măng. * Lượng nước cần thiết để điều chế dung dịch xi măng. Vn=m.Gxm (m3) (5-3) * Thể tích dung dịch bơm ép. Vep=0,785. (m3) (5-4) Trong đó: - hệ số nén của dung dịch ép. Dtb- đường kính trong trung bình của cột ống chống. L- Chiều dài cột ống chống. h - Chiều cao đặt vòng dừng ( chiều cao cốc xi măng ). * Áp suất tối đa có thể đạt tới cuối thời kỳ bơm trám. Pmax=Pth+Pcl (5-5) Trong đó: Pth- áp suất tiêu thụ để thắng sức cản trong hệ thống tuần hoàn và được xác định theo công thức: Pth=0,02H+16 (at) (5-6) Pcl- áp suất sinh ra do sự chênh lệch giữa với và với . Áp suất này được tính theo công thức. Pcl= (at) (5-7) trong đó: Hxm- chiều cao cột dung dịch xi măng. H- chiều cao ống chống. - trọng lượng riêng của vữa xi măng. - trọng lượng riêng của dung dịch ép. - trọng lượng riêng của dung dịch khoan. Khi dung dịch ép có trọng lượng riêng bằng trọng lượng riêng của dung dịch khoan hoặc khi trám toàn bộ ống chống thì ta có Pcl được tính như sau: Pcl= (at) (5-8) * Thời gian trám xi măng với một máy bơm trám. T=ttr+t (5-9) Trong đó:t- thời gian giải phóng nút trám trên. t=15 phút. ttr- thời gian bơm dung dịch xi măng và dung dịch ép (phút) ttr= (phút) (5-10) q- lưu lượng bơm trám (l/phút). 5.6.2. Tính toán trám xi măng cho các cột ống 1. Tính toán trám xi măng cho ống 762mm Vì cột ống định hướng có đường kính lớn nên khi trám ta sử dụng đầu nối đặc biệt để nối đáy ống chống với cần khoan rồi thực hiện phương pháp bơm trám xi măng trong cần. * Thể tích của vữa xi măng cần trám là: Vvxm = 0,785.K1.(M2.Dc2 - Dn2).L1 Ta có: - Chiều dài cột ống chống: L1 = 120 Đường kính choòng khoan : Dc = 0,9144m Hệ số mở rộng thành: M = 1,2 Hệ số tiêu hao dung dịch : K1 = 1,1 Đường kính ngoài của ống chống : Dn=0,762m Thay vào công thức trêm ta được: Vvxm=0,785.1,1.(1,22.0,91442-0,7622).120 Vvxm= 64,59 (m3) * Lượng xi măng khô cần thiết để điều chế vữa xi măng. Với khoảng trám này ta sử dụng xi măng OWC có =2,9 Tấn/m3. Áp dụng công thức (5-2) với m=0,5 và ta tính được: Gxm== 79,51 tấn * Lượng nước cần thiết để điều chế dung dịch xi măng. Áp dụng công thức (5-3) ta có: Vn=0,5.79,51=39,755 (m3) * Thể tích dung dịch bơm ép. Áp dụng công thức (5-4) ta có: 1,04; Dtb=0,738m; L= 120m; h=0 Vep=0,785.1,04.0,7382(120-0) =53,35 (m3) * Áp suất tối đa có thể đạt tới cuối thời kỳ bơm trám. Áp dụng công thức (5-6) ta có Pth=0,02.120+16=18,4 (at) Áp dụng công thức (5-8) ta có Pcl=(at) Áp dụng công thức (5-5) ta tính được: Pmax= 23,44 (at). * Thời gian trám xi măng với một máy bơm trám. Với Pmax=23,44 at ta sẽ sử dụng máy bơm trám với đường kính xi lanh là 6inch có áp suất bơm cực đại là 408,16 at , lưu lượng bơm q=2375,93 vòng/phút. Theo công thức (5-9) ta có: T= (phút) 2. Tính toán trám xi măng cho ống 508mm * Thể tích của vữa xi măng cần trám : Ta có : K1=1,2 ; M=1,1 ; Dc=0,6604m ; Dn=0,508m ; L1=180m ; Dtt=0,7112m ; L2=120m ; Dt=0,47643m ; h=10m Thay vào công thức (5-1) ta được : Vvxm=70,84 m3 * Lượng xi măng khô cần thiết để điều chế vữa xi măng : Với khoảng này ta sử dụng xi măng OWCL có γbxm=2,7 Tấn/m3 Áp dụng công thức ( 5-2) với m=0,5 và γvxm=1,5 G/cm3 ta tính được : Gxm== 84,65 Tấn * Lượng nước cần thiết để điều chế dung dịch xi măng. Áp dụng công thức (5-4) ta có: Vn=0,5.84,65=42,325 (m3) * Thể tích dung dịch bơm ép. Áp dụng công thức (5-5) ta có: 1,04; Dtb=0,476m; L= 300m; h=10m Vep=0,785.1,04.0,4762(300-10) =53,64 (m3) * Áp suất tối đa có thể đạt tới cuối thời kỳ bơm trám. Áp dụng công thức (5-6) ta có Pth=0,02.300+16=22 (at) Vì ta sử dụng dung dịch bơm ép là dung dịch khoan ( nước biển ) nên ta có: Pcl=(at) Áp dụng công thức (5-5) ta tính được: Pmax= 35,63 (at). * Thời gian trám xi măng với một máy bơm trám. Theo công thức (5-19) ta có: T= (phút) 3. Tính toán trám xi măng cho ống 340mm * Thể tích của vữa xi măng cần trám. Ta có: K1=1,15; M=1,1; h=10m ; Dc= 0,4445m; Dn=0,340m; L1=1200; Dt=0,3156m ; L2=300; Dtt=0,47625m Thay vào công thức (5-1) ta tính được: Vvxm = 162,48 m3 * Lượng xi măng khô cần thiết để điều chế vữa xi măng. Đối với cột ống 340 do chiều sâu trám tương đối lớn (1500m) nên khi trám ta sẽ sử dụng hai loại xi măng để trám. Cụ thể là với 162,48m3 sẽ có 81,24 m3 dung dịch xi măng loại nhẹ OWCL và 81,24 m3 dung dịch xi măng loại nặng OWC. Ta có các thông số: - Hệ số hao hụt xi măng: K2=1,03 - Trọng lượng riêng của xi măng bột: γbxm(OWCL)=2,7 G/cm3 =2,7 T/m3 γbxm(OWC) = 2,9 G/cm3 =2,9 T/m3 - T ỷ lệ nước xi măng: m=0,5 Thay các thông số trên vào công thức (5-2) ta được: Gxm(OWCL)==96,14 Tấn Gxm(OWC)==99,05 Tấn * Lượng nước cần thiết để điều chế dung dịch xi măng. Áp dụng công thức (5-3) ta có: Vn = 0,5(96,14 + 99,05)=75,595 m3 * Thể tích dung dịch bơm ép. Ta sử dụng dung dịch khoan trước đo làm dung dịch ép. Áp dụng công thức (5-4) ta có: 1,04; Dtb=0,316m; L=1500m; h=10m Vep=0,785.1,03.0,3162(1500-10) =120,3 (m3) * Áp suất tối đa cuối thời kỳ bơm trám. Áp dụng công thức (5-6) ta có Pth=0,02.1500+16=46 (at) Ta có: γep=γdd=1,10 G/cm3 γvxm=1,53 G/cm3 Áp dụng công thức (5-8) ta có: Pcl==64,07 at Vậy Pmax= 46 + 64,07 =110,07 (at). * Thời gian trám xi măng với một máy bơm trám. Theo công thức (5-9) ta có: T= (phút) ♦ Tính toán tương tự cho cho các cột ống tiếp theo ta được kết quả tính toán thể hiện trong bảng sau: Bảng 5-4: Kết quả tính toán trám xi măng các cột ống chống. Tên cột ống Phương pháp trám Lượng vữa xi măng (m3) Lượng nước (m3) Lượng xi măng khô (tấn) Lượng dung dịch épm3 Áp suất bơm cực đại (at) Thời gian bơm trám OWCL OWC (phút) 762mm Một tầng 64,59 39,755 - 79,51 53,35 23,44 64,64 508mm Một tầng 70,84 42,325 84,65 - 53,64 35,63 67,39 340mm Một tầng 162,48 75,595 96,14 99,05 120,3 110,07 134,02 245mm Tầng một 68,73 41,205 45,83 36,58 51,15 126,36 65,46 Tầng hai 73,12 43,86 47,34 40,38 71,86 118,86 76,02 194mm Một tầng 29,61 17,78 17,75 17,81 45,97 109,2 46,81 5.7. Các biện pháp nâng cao chất lượng trám xi măng Để nâng cao chất lượng trám xi măng cần thực hiện những biện pháp sau: - Để tạo được sự liên kết tốt giữa xi măng và thành hệ đất đá cần loại bỏ hoàn toàn lớp vỏ sét trên thành giếng khoan bằng sự kết hợp giữa cơ học và hóa học. - Sử dung dung dịch đệm có tác dụng làm giảm lưu lượng cần thiết khi bơm trám mà vẫn đảm bảo làm sạch thành giếng. - Chính xác hóa tài liệu để cho ta dự đoán các đoạn thành giếng yếu để tiến hành gia cố cục bộ bằng cách đổ cầu xi măng trước khi thả ống chống. - Dung dịch bơm rửa phải được kiểm tra các thông số theo qui định. - Trước khi thả ống chống phải xác định đường kính để điều chỉnh thể tích vữa xi măng cho chính xác. - Các thông số nhiệt độ, độ khoáng hóa của chất lưu phải được xác định chính xác để có các công thức pha chế đúng, dung dịch pha chế phải có tỷ trọng đồng đều... 5.8. Kiểm tra chất lượng trám xi măng Khi trám xi măng xong các van ở đầu bơm trám đều được đóng lại giữ yên tĩnh chờ xi măng đông cứng. Quá trình đông rắn là quá trình tỏa nhiệt vì vậy thành lỗ khoan và ống chống đều được sấy nóng lên làm tăng áp lực ở đầu bơm trám. Khi đó cần giảm áp lực bằng cách nới các van ở đầu bơm trám. Kiểm tra chiều cao dâng vữa xi măng có hai cách: - Phương pháp điện nhiệt kế: sau thời gian đông cứng của dung dịch xi măng người ta thả nhiệt kế xuống giếng khoan để xác định chiều cao dâng vữa xi măng thực tế ngoài ống chống. Quá trình đông rắn xi măng là quá trình tỏa nhiệt, vì vậy muốn xác định rõ độ cao của dung dịch xi măng cần phải thả nhiệt kế xuống trước 24h kể từ lúc kết thúc bơm trám. Ranh giới của mực xi măng dâng lên ngoài ống chống được biểu thị bằng sự thay đổi nhiệt độ một cách đột ngột xem hình vẽ (5-6) Hình 5-6: Xác định chiều cao dâng vữa bằng nhiệt kế - Phương pháp phóng xạ: Trộn đồng vị phóng xạ () vào dung dịch xi măng khi khuấy trộn, sau đó dung dịch xi măng được bơm trám bình thường. Để kiểm tra chiều cao cột xi măng sau ống chống dùng dụng cụ thu gom chất phóng xạ thả xuống giếng khoan thu được một đường biểu thị cường độ của chất phóng xạ. Căn cứ vào đường đặc tính thu được so với đường chuẩn ta sẽ biết được chiều cao dâng vữa và sự đồng đều của vành đá xi măng sau ống chống. Chất lượng vành đá xi măng được xác định bởi mức độ cách ly ngoài ống chống. Cụ thể tiến hành: sau khi xác định được chiều cao của xi măng ngoài ống chống, người ta lắp các thiết bị miệng giếng, sau đó thả choòng mũi nhọn để xác định vị trí của xi măng trong ống và tiến hành khoan phá các nút trám và khoan phá cốc xi măng. Sau khi khoan phá xong người ta mới tiến hành thử độ kín của vành đá xi măng được trám. Chương 6: THIẾT KẾ CHẾ ĐỘ KHOAN Trước khi tiến hành thi công một giếng khoan nào đó thì bao giờ người ta cũng phải thiết kế chế độ khoan. Nó là tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu khoan. Các yếu tố này thường được gọi là thông số chế độ khoan, bao gồm 3 thông số chính: - Tải trọng đáy: Gc (tấn) - Tốc độ vòng quay của choòng: n (v/f), - Lưu lượng nước rửa: Q (l/s). Chế độ khoan nào đạt được các chỉ tiêu cao nhất về khối lượng và chất lượng được gọi là chế độ khoan tối ưu, ngoài ra còn có một số chế độ khoan đặc biệt, đó là chế độ khoan trong các trường hợp sập lở, mất dung dịch, khoan định hướng, khoan qua tầng sản phẩm,…. Xuất phát từ yêu cầu cơ bản là phải khoan giếng khoan với thời gian ngắn nhất, chất lượng cao và tiết kiệm vật tư. Trước khi lựa chọn chế độ khoan cần phải: Nghiên cứu cẩn thận các điều kiện địa chất của vùng sẽ khoan và tính chất cơ lý của đất đá. Dự kiến các đoạn có thể xảy ra hiện tượng phức tạp (sập lở, mất nước, phun dầu khí,…) và xác định áp lực của vỉa khai thác. Nghiên cứu khả năng cong tự nhiên của giếng khoan, các biện pháp phòng chống cong đã áp dụng, hiệu quả của các phương pháp đó. Tuỳ theo điều kiện địa chất mà: Chọn nước rửa, xác định các thông số của nó để khoan các tầng khác nhau. Chọn phương pháp khoan cho từng đoạn. Chọn loại choòng để khoan các tầng. Tuỳ theo phương pháp khoan, tính chất của đất đá, chất lượng nước rửa, kiểu choòng khoan đã chọn mà xác định Gc, Q và n. khi đó dù phương pháp khoan nào cũng cần phải thoả mãn các yêu cầu sau: Tận dụng tốt nhất khả năng của tổ hợp thiết bị khoan trên giàn. Chọn nước rửa có tỷ trọng, độ nhớt và ứng suất cắt tĩnh bé nhất nếu có thể. Lưu lượng nước rửa phải đủ rửa sạch đáy giếng khoan và đưa mùn khoan lên mặt đất. Vì vậy, việc lựa chọn chế độ khoan hợp lý phụ thuộc vào phương pháp khoan nên ta xét từng phương pháp khoan một. 6.1 Tính toán tải trọng lên choòng (Gc). 6.1.1. Phương pháp tính toán. Để xác định tải trọng đáy tác dụng lên choòng khoan ta cần xác định giá trị của mấy tải trọng sau: - Tải trọng nhỏ nhất đảm bảo cho choòng phá hủy đất đá trong miền phá hủy thể tích. G1 (6-1) Trong đó: - Giới hạn bền nén của đất đá. F- Diện tích tiếp xúc của răng choòng và đất đá ở đáy lỗ khoan. F= (6-2) Trong đó: - Hệ số phủ của răng, giá trị trung bình 1,052. k- Hệ số mòn của răng choòng. k=11,5 - Tải trọng làm việc định mức của choòng khoan.G2 G2=Gt.Dc (6-3) Gt- Tỷ tải trọng, tải trọng trên 1cm đường kính choòng. - Tải trọng lớn nhất cho phép tác dụng lên choòng.G3 Tải trọng G3 tra trong bảng (3-8) các thông số kỹ thuật của choòng. - Tải trọng chọn lọc ngoài thực tế G4 dựa vào tài liệu thống kê của các lỗ khoan gần đây cho năng suất cao. Để chọn G chúng ta cần lưu ý: G>G1; GG2; GG4; G<Gmax 6.1.2. Xác định tải trọng lên choòng trong từng khoảng khoan. 1. Khoảng khoan 80m-120m - Tải trọng nhỏ nhất để choòng phá hủy đất đá trong miền phá hủy thể tích được tính theo công thức (6-1): G1 Trong đó tra bảng ta tính được các thông số: + Giới hạn bền nén của đất đá trong khoảng này là=35kG/cm2 F- Diện tích tiếp xúc của răng choòng và đất đá ở đáy lỗ khoan. F= Trong đó: - Hệ số phủ của răng, chọn =1,5. k- Hệ số mòn của răng choòng. k=1,1 Dc= 91,44 cm. Thay vào công thức (6-1) ta được: G1 35.75,4=2639kg G12,639 (tấn) -Tải trọng làm việc định mức của choòng khoan G2 theo công thức (6-3): G2=Gt.Dc Tra bảng về tỷ tải trọng, tải trọng trên 1cm đường kính choòng ta được Gt=200kG/cm G2= 200.66,04=13208kg= 13,2 tấn - Tải trọng lớn nhất cho phép tác dụng lên choòng.G3 Tải trọng G3 tra trong bảng (3-8) các thông số kỹ thuật của choòng ta được G3=7,5 tấn. - Tải trọng chọn lọc ngoài thực tế G4 dựa vào tài liệu thống kê của các lỗ khoan gần đây cho năng suất cao ta thấy G4= 3-5 tấn. Để chọn G ta có điều kiện: G>2,7; G13,2 tấn; G3-5 tấn; G<4,54 tấn Vậy ta chọn G=36 tấn * Tính tương tự cho các khoảng khoan còn lại: 2. Khoảng khoan 120m-300m - Tải trọng nhỏ nhất để choòng phá hủy đất đá trong miền phá hủy thể tích được tính theo công thức (6-1): G154,5.30=1653kg=1,653 -Tải trọng làm việc định mức của choòng khoan G2 theo công thức (6-3) Tra bảng về tỷ tải trọng ta được: Gt=200 G/cm G2= 200.66,04=13208kg= 13,2 tấn - Tải trọng lớn nhất cho phép tác dụng lên choòng G3:tra bảng (3-8) ta được G3=4,54 tấn. - Tải trọng chọn lọc ngoài thực tế G4 dựa vào tài liệu thống kê của các lỗ khoan gần đây cho năng suất cao ta thấy G4= 3-5 tấn. Để chọn G ta có điều kiện: G>1,6553 tấn; G13,208 tấn; G3-5 tấn; G<4,54 tấn Vậy ta chọn G=24 tấn * Tính toán tương tự cho các khoảng còn lại ta có bảng tổng kết về tải trọng đáy như sau: Khoảng khoan (m) Tải trọng đáy ( tấn ) 80 – 120 3 – 6 120 – 300 2 – 4 300 – 1500 6 – 16 1500 – 2150 12 – 18 2150 – 2800 8 – 12 2800 – 3250 10 – 14 3250 – 4280 6 – 10 4280 – 4670 10 – 12 4670 – 5180 13 – 14 6.2. Xác định lưu lượng cho các khoảng khoan. 6.2.1. Phương pháp tính toán. 6.2.1.1. Tính toán lưu lượng cho khoan Turbine. - Lưu lượng bơm lớn nhất được tính theo công thức: Qmax= (l/s) (6-4) Trong đó: Ap-Hệ số tổn thất áp suất ở tua bin. Ap= (6-5) Pt- Áp suất tiêu thụ ở tua bin. A- Hệ số tổn thất áp suất không phụ thuộc chiều dài cần. A= abm+acn.lcn+ac+at (6-6) at- Hệ số tổn thất áp suất thực nghiệm. - Lưu lượng nhỏ nhất cho phép để nâng mùn khoan và rửa sạch đáy được tính theo công thức. Qmin= 0,785.103(D-D2).Vmin (l/s) (6-7) Lưu lượng ta chọn nằm trong khoảng Qmax > Q > Qmin Với lưu lượng Q đã chọn ta có thể xác định chiều sâu cho phép khoan với lưu lượng đó: Lcf= (m) (6-7) Nếu Lcf chưa đạt được chiều sâu thiết kế, chúng ta chọn lưu lượng bé hơn nhưng vẫn nằm trong khoảng Qmax > Q > Qmin, như thế chiều sâu Lcf sẽ tăng lên. 6.2.1.2. Tính toán lưu lượng cho khoan Top Driver. Chúng ta cần xác định Qmax ở đầu khoảng thiết kế, Qmin. Dựa vào đặc tính của máy bơm để chọn Q. Qmax > Q > Qmin (6-8) - Lưu lượng bơm lớn nhất được tính theo công thức: Qmax= (l/s) (6-9) Trong đó: N- Công suất động cơ bơm (HP). - Hiệu suất truyền từ động cơ đến bơm. γ- Trọng lượng riêng của dung dịch khoan. A- Hệ số tổn thất áp suất không phụ thuộc chiều dài cần. A= abm+acn.lcn+ac  (6-10) Trong đó: abm- Hệ số tổn thất áp suất bề mặt. acn- Hệ số tổn thất áp suất trong cần nặng. ac- Hệ số tổn thất áp suất ở lỗ thoát nước của choòng. ac= (6-11) F- Tổng diện tích các lỗ thoát nước của choòng. lcn- Chiều dài cần nặng. B- Hệ số tổn thất áp suất phụ thuộc chiều dài cần khoan. B=atc++avx  (6-12) Trong đó: atc- Hệ số tổn thất áp suất trong cần. adn- Hệ số tổn thất tại đầu nối. l- Chiều dài cần dựng. avx- Hệ số tổn thất áp suất ở khoảng không vành xuyến. L- Chiều dài cột cần. - Lưu lượng nhỏ nhất cho phép để nâng mùn khoan và rửa sạch đáy được tính theo công thức. Qmin= 0,785.103(D-D2).Vmin (l/s) (6-13) Trong đó: Dc- Đường kính choòng khoan. D- Đường kính cần khoan. Vmin- Vận tốc đi lên tối thiểu của dung dịch khoan ở không gian vành xuyến. Với lưu lượng Q đã chọn ta có thể xác định chiều sâu cho phép khoan với lưu lượng đó: Lcf= (m) (6-14) Nếu Lcf chưa đạt được chiều sâu thiết kế, chúng ta chọn lưu lượng bé hơn nhưng vẫn nằm trong khoảng Qmax > Q > Qmin, như thế chiều sâu Lcf sẽ tăng lên. 6.2.2. Xác định lưu lượng bơm cho từng khoảng khoan. 1. Khoảng khoan 80m-120m Khoảng khoan này ta sử dụng phương pháp khoan Top Diver nên ta áp dụng các công thức từ (6-8) đến (6-14) để tính. -Tính toán lưu lượng lớn nhất theo công thức (6-9) Ta có các thông số: + Công suất máy bơm ở tốc độ số VI là: N=480HP =0,89; L=120m; γ=1,03G/cm3. Tra bảng hệ số tổn thất áp suất ta có các thông số: + Hệ số tổn thất bề mặt (gồm tổn thất trong ống đừng, manhefon, ống nằm ngang, ống mềm, đầu thủy lực...): abm=40.10-5+210.10-5+100.10-5=350.10-5 + Hệ số tổn thất trong cần nặng: acn=2,24.10-5. + Hệ số tổn thất áp suất ở các lỗ thoát nước của choòng theo công thức (6-4): trong đó F tổng diện tích các lỗ thoát nước của choòng 660,4mm có 3 vòi phun thủy lực dv=20,6mm. F=3.=999.37 mm2 ac= A=350.10-5 + 2,24.10-5 + 1,2.10-6=352,34.10-5 + Hệ số tổn thất trong cần: atc= 1,48.10-5 + Hệ số tổn thất tại đầu nối adn=8,6.10-8 + Chiều dài cần dựng: l=28,2m + Hệ số tổn hao áp suất ở không gian vành xuyến: axv=0,008.10-5 B= 1,48.10-5+ + 0,008.10-5= 1,4883.10-5 Thay vào công thức 6-2 ta được: Qmax==83,99 (l/s) - Tính lưu lượng nhỏ nhất đảm bảo rửa sạch đáy và nâng mùn khoan lên được xác định theo công thức (6-13). Qmin= 0,785.103(D-D2).Vmin Trong đó: + Dc=914,4mm=0,9144m + D=127mm=0,127m + Vmin được xác định theo kinh nghiệm như sau: Đất đá từ bở rời đến cứng Vmin=0,10 0,8m/s;còn với đất đá sét Vmin=0,5 1m/s. Với khoảng khoan 80-120m là đất đá bở rời ta chọn Vmin=0,1m/s. Thay vào công thức trên ta được: Qmin= 0,785.103(0,91442-0,1272).0,20=64,3 (l/s) Lưu lượng Q lựa chọn phải thỏa mãn điều kiện: 64,3< Q < 83,99 (l/s) Kết hợp với kinh nghiệm thi công các giếng khoan trước ta chọn lưu lượng bơm cho khoảng 80-120m là: Q= 65 76 (l/s). - Chiều sâu khoan cho phép ứng với lưu lượng đã chọn theo (6-7): Lcf== Vậy lưu lượng đã chọn đảm bảo khoan đến chiều sâu thiết kế. * Tính toán tương tự như trên cho các khoảng khoan còn lại ta được kết quả như sau: Khoảng khoan ( m ) Lưu lượng (l/s) 80 – 120 65 – 76 120 – 300 55 – 65 300 – 1500 50 – 58 1500 – 2150 44 – 52 2159 – 2800 42 – 50 2800 – 3250 42 – 50 3250 – 4280 22 – 32 4280 – 4670 18 – 26 4670 – 5180 10 – 20 6.3. Tính toán tốc độ vòng quay của choòng. 6.3.1. Phương pháp tính toán. Để xác định số vòng quay hợp lý của choòng khoan ta cần căn cứ vào kinh nghiệm khoan trước đó tại vùng mỏ theo phương pháp thống kê, đồng thời phải tính đến sự hạn chế do độ bền của cột cần khoan và công suất truyền lực cho choòng khoan. Thông thường máy khoan có nhiều tốc độ, mỗi tốc độ ứng với một số vòng quay nhất định. Do đó, dựa vào công suất và số vòng quay ở mỗi tốc độ mà chúng ta có thể tính được chiều sâu chuyển tốc độ của máy khoan trên cơ sở lập phương trình cân bằng công suất: Công suất của Top Driver N = Nbm + Nkt + Nc (6-15) Trong đó: Nbm: Công suất tiêu thụ bề mặt Nbm = a1.n + a2.n2 (6-16) a1, a2: Các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào kiểu chuyền động của động cơ. n: Tốc độ quay của động cơ. (vòng/phút) Nkt: Công suất quay cột cần không tải Nkt = c.gd.Dc2.n1,7.L (6-17) c: Hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng. gd: Tỷ trọng của dung dịch khoan. Dc: Đường kính choòng khoan. L: Chiều dài thân giếng. Nc: Công suất tiêu thụ ở choòng Nc = 34,2.104.K.Gc.Dc.n (6-18) K: Hệ số phụ thuộc độ mòn của choòng. Gc: Tải trọng đáy. Thay các công thức (6-16), (6-17) và (6-18) vào công thức (6-15) ta tính được chiều sâu chuyển tốc độ: Nếu chiều chiều dài thân giếng khoan lớn hơn chiều sâu cho phép Lcf thì bắt buộc ta phải chuyển sang tốc độ quay nhỏ hơn. 6.3.2.Xác định tốc độ quay cho từng khoảng khoan. * Xác định tốc độ quay cho khoảng khoan từ 80 ¸ 120 m: Ta có các thông số: Công suất cực đại của động cơ: Nmax = 1500 (hP) Công suất tiêu thụ bề mặt: Nbm = a1.nmax + a2.nmax2 = 25.10-3.nmax + 0,12.10-3.nmax2 Công suất quay cột cần không tải: Nkt = c.gd.Dc2.nmax1,7.L Trong đó: c = 18,8.10-5 gd = 1,03 T/m3 Dc = 0,9144 m L = 120 m Thay vào công thức trên ta có: Nkt = 19,43. 10-3. nmax1,7 Nc: Công suất tiêu thụ ở choòng Nc = 34,2.10-4.K.Gc.Dc.nmax Trong đó: K = 1,1 Gc = 2,617Tấn = 2617 kG Dc = 0,9144 m Vậy ta có: Nc = 9,002 nmax - Tốc độ quay cực đại của choòng là nghiệm của phương trình: Nmax = Nbm + Nkt + Nc 1500 = 25.10-3.nmax + 0,12.10-3.nmax2 + 19,43. 103.nmax1,7 +9,002. nmax Giải phương trình trên ta được: nmax = 70,25 v/p Từ tốc độ quay nmax tìm được kết hợp với kinh nghiệm của các giếng khoan trước đó ta chọn tốc độ quay hợp lý của choòng khoan trong khoảng khoan này là: n = 50 ¸ 60 v/p. Căn cứ vào những công thức tính toán trên và dựa vào tài liệu trong quá trình thống kê, những số liệu tối ưu của giếng khoan ở xung quanh có điều kiện địa chất tương tự ta tính chọn được các tốc độ quay thích hợp cho các khoảng khoan như bảng sau: Bảng 6.3: Tốc độ quay cho từng khoảng khoan Khoảng khoan (m) Tốc độ vòng quay (vòng/phút) Từ Đến 80 120 50 ¸ 60 120 300 50 ¸ 60 300 1500 80 ¸ 100 1500 2150 80 ¸ 100 2150 2800 70 ¸ 90 2800 3250 90 ¸ 125 3250 4280 75÷90 4280 4670 65÷85 4670 5180 60÷70 Bảng 6-4: Các thông số chế độ khoan cho từng khoảng khoan. Khoảng khoan (mMD) Lưu lượng bơm (l/s) Tải trọng đáy (tấn) Số vòng quay (v/phút) Từ Đến 80 120 65÷ 76 3÷6 50÷60 120 300 50÷65 2÷4 50÷60 300 1500 50÷58 6÷16 80÷100 1500 2150 44÷52 12÷18 80÷100 2150 2800 42÷50 8÷12 70÷90 2800 3250 42÷ 50 10÷14 90÷125 3250 4280 22÷ 32 6÷10 75÷90 4280 4670 18÷ 26 10÷12 65÷85 4670 5280 10÷ 20 13÷14 60÷70 Chương 7: TÍNH TOÁN BỀN CHO ỐNG CHỐNG VÀ CỘT CẦN KHOAN Chương 8: BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG SỰ CỐ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG GIẾNG KHOAN Chương 9: AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG Chương 10: TỔ CHỨC THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH