Bài giảng Dung dịch khoan và xi măng - ThS. Đỗ Hữu Minh Triết

Chia sẻ: Bạch Khinh Dạ Lưu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Dung dịch khoan và xi măng - ThS. Đỗ Hữu Minh Triết có nội dung trình bày về định nghĩa, chức năng, các thông số cơ bản, phân loại của: dung dịch khoan, thủy lực khoan, xi măng, các phương pháp trám xi măng,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Dung dịch khoan và xi măng - ThS. Đỗ Hữu Minh Triết

Dung dịch Khoan và Xi măng Trình bày: ThS. ĐỖ HỮU MINH TRIẾT Bộ môn Khoan – Khai thác Dầu khí Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí Đại học Bách Khoa TP. HCM Email: dhmtriet@hcmut.edu.vn NỘI DUNG 1. Dung dịch khoan 2. Thủy lực khoan 3. Xi măng 4. Các phương pháp trám xi măng Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
1. DUNG DỊCH KHOAN Dung dịch khoan và xi măng GEOPET Nội dung 1. Định nghĩa 2. Chức năng 3. Các phương pháp rửa lỗ khoan 4. Dung dịch sét 5. Các thông số cơ bản của dung dịch khoan 6. Phân loại dung dịch khoan 7. Làm sạch dung dịch khoan Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐỊNH NGHĨA Định nghĩa Dung dịch khoan là bất kì dung dịch nào được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt vào cần khoan, đi qua choòng khoan và quay lại bề mặt bằng khoảng không vành xuyến trong công tác khoan. Dung dịch khoan có thể là chất lỏng hoặc khí Dung dịch khoan là không khí Dung dịch khoan dạng bọt Dung dịch khoan là nước Dung dịch khoan gốc dầu Dung dịch khoan gốc polyme tổng hợp (olefin và este) Dung dịch khoan và xi măng GEOPET HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
CHỨC NĂNG CƠ BẢN 1. Rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng 2. Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn 3. Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ 4. Giữ ổn định thành lỗ khoan 5. Truyền thông tin địa chất lên bề mặt Dung dịch khoan và xi măng GEOPET CÁC CHỨC NĂNG KHÁC Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá Truyền năng lượng cho turbin khoan Là môi trường trung gian để truyền tín hiệu điều khiển Ngoài ra, dung dịch khoan còn hỗ trợ đảm bảo tính chính xác cho công tác đánh giá vỉa, kiểm soát sự ăn mòn thiết bị, hỗ trợ qui trình trám ximăng và hoàn thiện giếng… Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
TÍNH CHẤT - CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN Chức năng Tính chất lý/hóa Vận chuyển mùn khoan lên bề mặt Ứng suất trượt tĩnh, Độ nhớt biểu kiến, Lưu lượng, Độ bền gel Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng Ứng suất trượt tĩnh, Độ bền gel tuần hoàn Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ Tỉ trọng, Lưu lượng Giữ ổn định thành lỗ khoan Tỉ trọng, Tính trơ với sét Truyền năng lượng cho turbin khoan Lưu lượng, Tỉ trọng, Độ nhớt Dung dịch khoan và xi măng GEOPET CÁC YẾU TỐ KHÁC Dung dịch khoan cần phải được lựa chọn và thiết kế để có tính chất lý hóa phục vụ các chức năng nêu trên. Ngoài ra, cần chú ý đến: Ảnh hưởng đến môi trường của dung dịch khoan Giá thành của dung dịch khoan Khả năng vận chuyển Ảnh hưởng của dung dịch khoan đến giai đoạn khai thác Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN Tùy đặc điểm của quá trình khoan và yêu cầu kỹ thuật, thiết bị, dung dịch khoan có thể tuần hoàn trong giếng để rửa lỗ khoan theo các phương pháp sau: Phương pháp rửa thuận Phương pháp rửa nghịch Phương pháp rửa cục bộ Dung dịch khoan và xi măng GEOPET CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN 1 1 2 1 2 2 Cần khoan 1 1 Ống lắng 3 Thành 2 lấy mẫu giếng mùn khoan khoan 2 2 Rửa thuận Rửa nghịch Rửa cục bộ 1 Đường dung dịch vào 2 Đường dung dịch ra 3 Mùn khoan vào ống lắng Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
DUNG DỊCH SÉT Dung dịch - Là một hệ đồng thể gồm 2 hay nhiều thành phần vật chất. - Vật chất bị phân chia thành những phần tử riêng biệt được gọi là chất hòa tan. Chất chứa các phân tử bị phân chia gọi là môi trường hòa tan. - Hệ đồng thể được gọi là dung dịch khi đường kính φ của hạt hòa tan nhỏ hơn 10-6 mm. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET DUNG DỊCH SÉT Hệ phân tán - Là hệ bao gồm 2 hay nhiều pha (tướng) mà một trong những pha đó bị phân chia thành những phần tử rất nhỏ (chất phân tán) trong những pha khác (môi trường phân tán). - Hệ được gọi là hệ phân tán khi đường kính φ của chất phân tán lớn hơn 10-6 mm. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
DUNG DỊCH SÉT Đá phiến sét chưa phong hóa Đá sét tầng chắn Dung dịch khoan và xi măng GEOPET DUNG DỊCH SÉT Khi trộn sét vào nước ta được hệ phân tán bao gồm: − Pha phân tán là sét − Môi trường phân tán là nước Sét trong tự nhiên không đồng nhất, do đó không thể tạo hệ phân tán đồng nhất của sét trong nước. “Dung dịch sét” là tên gọi do thói quen. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA DUNG DỊCH SÉT Bao gồm các thông số sau: Trọng lượng riêng (γ) Độ nhớt (µ) Ứng suất trượt tĩnh (τ) Độ thải nước (B) Hàm lượng hạt rắn (Π) Độ ổn định (C) Độ lắng ngày đêm (O) Độ pH Dung dịch khoan và xi măng GEOPET TRỌNG LƯỢNG RIÊNG Khối lượng riêng, g/cm3 (lbm/gal): ρ = m/V Trọng lượng riêng, G/cm3 (lbf/gal): γ = F/V = mg/V = ρg Khi điều chế và sử dụng dung dịch, thường dùng ρ và được xác định bằng phù kế. Điều kiện khoan bình thường, ρ = 1,05 - 1,25 g/cm3. Thường dùng γ khi xác định áp suất thủy tĩnh và được đo bằng cân. Phù kế Tỉ trọng kế dạng cân Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
TRỌNG LƯỢNG RIÊNG Đổi đơn vị đo khối lượng riêng Tỉ trọng (S.G) psi/ft ppg Tỉ trọng (S.G) 1.0 0.433 8.33 psi/ft 2.31 1.0 19.23 ppg 0.12 0.052 1.0 Ví dụ: Dung dịch có khối lượng riêng 12 ppg tương đương với 12x0.052 = 0.624 psi/ft. Dung dịch có tỉ trọng 1.4 S.G tương đương với 1.4x0.433 = 0.606 psi/ft. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET TRỌNG LƯỢNG RIÊNG Khi γ giảm Thành giếng sập lở Thành hệ trương nở Chất lưu từ vỉa xâm nhập vào giếng Vận tốc cơ học tăng do giải phóng nhanh mùn khoan Khi γ tăng Mất dung dịch khoan vào thành hệ Vận tốc cơ học giảm Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
TRỌNG LƯỢNG RIÊNG Khối lượng riêng của một số thành phần dung dịch thông thường. Đơn vị Vật liệu g/cm3 lb/gal lb/ft3 lb/bbl Nước 1,0 8,33 62,4 350 Dầu 0,8 6,66 50 280 Barite 4,3 35,8 268 1500 Sét 2,5 20,8 156 874 Muối 2,2 18,3 137 770 Dung dịch khoan và xi măng GEOPET TRỌNG LƯỢNG RIÊNG Khi dung dịch khoan tuần hoàn, áp suất đáy giếng sẽ cao hơn áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch. Tỉ trọng dung dịch tuần hoàn tương đương ECD là thông số áp suất tính theo tỉ trọng dung dịch: Pd ECD = ρ + 0.052 × D Trong đó: ECD: equivalent circulating density, ppg ρ: khối lượng riêng của dung dịch, ppg Pd: tổn thất áp suất do ma sát trong vành xuyến, psi D: độ sâu tính toán, ft Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐỘ NHỚT Độ nhớt: một đặc tính của lưu chất, thể hiện khả năng chống lại sự dịch chuyển tương đối giữa các phần tử của lưu chất. Phân loại theo đặc tính độ nhớt, chất lỏng gồm: Chất lỏng Newton: trong dung dịch không chứa các phần tử lớn hơn kích thước phân tử, ví dụ: nước, dung dịch muối, dầu, glycerine,… Độ nhớt là hệ số góc của đường đặc tính ổn định. Chất lỏng phi Newton: trong dung dịch chứa đáng kể các phân tử kích thước lớn hơn phân tử. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ĐỘ NHỚT Chất lỏng phi Newton bao gồm: Chất lỏng Bingham: đặc trưng bằng ứng suất trượt tới hạn (yield- point) - ứng suất tối thiểu để chất lỏng bắt đầu xuất hiện biến dạng. Khi ứng suất vượt quá ứng suất trượt tới hạn, chất lỏng tuân theo mô hình Newton. Ví dụ: dung dịch sét có hàm lượng hạt rắn cao. Chất lỏng theo mô hình hàm mũ: quan hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt tuân theo quy luật hàm mũ. Dung dịch khoan, tùy theo hàm lượng hạt rắn, thể hiện đặc tính trung gian giữa chất lỏng dẻo Bingham và chất lỏng theo mô hình hàm mũ. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐỘ NHỚT Các mô hình chất lỏng Bi ngham d ẻo ất l ỏng Ch g l ý tưởn m ũ h hàm Độ nhớt dẻo hìn Mô Dd khoan điển hình Ứng suất trượt tới hạn Ứng suất trượt ew ton t lỏ ng N Chấ Độ nhớt Tốc độ trượt Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ĐỘ NHỚT Độ nhớt thực: là tỉ số giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt. τ µ = γ& Trong cần khoan: tiết diện nhỏ, tốc độ dung dịch cao: Î độ nhớt thấp Î ít hao tốn công suất bơm Trong khoảng không vành xuyến: tiết diện lớn, tốc độ dung dịch thấp: Î độ nhớt cao Î khả năng nâng mùn khoan cao Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐO ĐỘ NHỚT Đo độ nhớt bằng nhớt kế Marsh Độ nhớt theo nhớt kế Marsh là chỉ số chảy loãng của dung dịch biểu thị bằng thời gian (đo bằng giây) chảy hết 946 cm3 dung dịch qua phểu có dung tích 1500 cm3 và đường kính trong lỗ phễu là 4,75 mm. Nhớt kế Marsh Mặt cắt nhớt kế Marsh Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ĐO ĐỘ NHỚT Đo độ nhớt bằng nhớt kế rôto Nhớt kế Fann Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ỨNG SUẤT TRƯỢT TĨNH Là đại lượng đặc trưng cho độ bền cấu trúc (hay tính lưu biến) của dung dịch khi để nó yên tĩnh sau một thời gian. Độ bền cấu trúc của dung dịch được đo bằng một lực tối thiểu cần đặt vào một đơn vị diện tích vật thể nhúng trong dung dịch để làm nó chuyển động. Tính độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh khi đo bằng máy Fann: • Độ nhớt dẻo (plastic viscosity), cp µp(cp) = θ600 - θ300 • Ứng suất trượt tới hạn (yield-point), lb/100ft2 τy (lb/100 sqft) = θ300 - µp • Độ nhớt biểu kiến (apparent viscosity) µa (cp) = 0,5.θ600 với θ300, θ600: số đo tương ứng với số vòng quay 300 và 600 vòng/phút của nhớt kế Fann. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ỨNG SUẤT TRƯỢT TĨNH Dung dịch sét bình thường: τ = 15-40 mG/cm2. Để pha chế chất làm nặng, dung dịch phải có τ = 30-50 mG/cm2. Để chống mất nước, dung dịch phải có: τ = 100 - 120 mG/cm2. Nếu ứng suất trượt tĩnh quá lớn: − Ngăn cản quá trình tách mùn khoan và khí ra khỏi dung dịch − Cần tăng áp suất để tái tuần hoàn dung dịch sau khi thay choòng − Khi nâng cần khoan, dễ xảy ra hiện tượng sụt áp cột dung dịch tại choòng, có thể gây hiện tượng xâm nhập nếu cột áp chênh lệch lớn − Tương tự, khi hạ cần khoan, có thể gây vỡ vỉa và thất thoát dung dịch. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐỘ THẢI NƯỚC API Là lượng nước tính bằng cm3 thoát ra từ dung dịch khoan khi thấm lọc qua thiết bị (giấy) lọc có đường kính 75 mm sau khoảng thời gian 30 phút và dưới áp suất 100 psi. Giá trị độ thải nước của dung dịch khoan bình thường khoảng 10-25 cm3/30ph. Thực tế để giảm thời gian thí nghiệm, đôi khi người ta nhân đôi thể tích thấm lọc đo sau 7,5 phút để được độ thải nước API. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ĐỘ THẢI NƯỚC API Dung dịch khoan có độ thải nước lớn Trương nở và sập lở thành giếng Mất nước rửa Tăng độ dày lớp vỏ bùn nên dễ kẹt bộ khoan cụ Tăng tốc độ cơ học khoan do nhanh chóng cân bằng áp suất giữ hạt mùn khoan ở đáy giếng. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐỘ THẢI NƯỚC API Cấu tạo thiết bị đo độ thải nước Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ĐỘ DÀY VỎ SÉT (k) Là bề dày lớp vỏ sét bám trên thành giếng (hay trên thiết bị lọc) khi nước từ dung dịch khoan thấm vào đất đá thành hệ. Trị số k càng nhỏ tức là lớp vỏ sét càng mỏng và chặt sít, càng có tác dụng ngăn cản sự lưu thông của chất lưu giữa vỉa với giếng và ngược lại, như vậy thành giếng càng ổn định hơn. Ở điều kiện khoan bình thường k = 1 - 2 mm. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
HÀM LƯỢNG HẠT RẮN Định nghĩa: Hàm lượng hạt rắn và các phần tử chưa tan (quy ước gọi là hàm lượng cát) là thể tích cặn thu được khi để dung dịch pha loãng bằng nước lã theo tỉ lệ 9:1 ở trạng thái yên tĩnh sau 1 phút, tính bằng % theo thể tích dung dịch. Dung dịch có hàm lượng cát lớn thì mức độ làm mòn dụng cụ khoan và các chi tiết của máy bơm lớn; dễ gây kẹt dụng cụ khoan do hình thành vỏ sét dày. Giá trị hàm lượng cát của dung dịch sét bình thường nhỏ hơn 4% là đạt yêu cầu. Hàm lượng cát xác định bằng bình lắng. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET HÀM LƯỢNG HẠT RẮN Bộ dụng cụ đo hàm lượng cát Bình rửa Phễu Bình đo có thang chia Rây lọc Hộp nhựa Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐỘ ỔN ĐỊNH Là đại lượng đặc trưng cho khả năng giữ dung dịch ở trạng thái keo. Có thể hiểu độ ổn định là hiệu số tỷ trọng của hai phần dung dịch dưới và trên trong cùng một cốc, sau khi để chúng yên tĩnh một ngày đêm. Giá trị độ ổn định càng nhỏ thì chứng tỏ dung dịch được giữ vững ở trạng thái keo (dung dịch ổn định). • Dung dịch sét bình thường: C ≤ 0,02 (g/cm3) • Sét nặng: C ≤ 0,06 (g/cm3) Dung dịch sét ổn định có khả năng giữ ở trạng thái lơ lửng những hạt mùn khoan và những hạt chất làm nặng. Dung dịch kém ổn định dễ dẫn đến sự cố kẹt dụng cụ khoan. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ĐỘ LẮNG NGÀY ĐÊM Đặc trưng cho mức độ bảo toàn tỉ trọng đồng đều của dung dịch khoan. Độ lắng ngày đêm: lượng nước tách ra trên bề mặt của dung dịch khi giữ yên 100 cm3 dung dịch sau 24 giờ. Độ lắng ngày đêm lớn chứng tỏ dung dịch sét không ổn định, mức độ phân tán của sét thấp và sét không thể làm nước rửa trong những điều kiện khoan phức tạp. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET
ĐỘ pH Đại lượng biểu thị nồng độ ion hiđro [H+] trong dung dịch (đơn vị là mol/l) và được tính bằng biểu thức pH = - log[H+]. Thang đo độ pH từ 0 - 14. Dung dịch có độ pH nhỏ hơn 7 là dung dịch axít, bằng 7 là trung tính và lớn hơn 7 có tính kiềm. Dung dịch sét thường có độ pH = 8,5 - 9,5; dung dịch vôi: 11 - 12. Độ pH được đo bằng giấy quỳ hoặc máy đo độ pH. Dung dịch khoan và xi măng GEOPET ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄM BẨN Ảnh hưởng của sự nhiễm bẩn đối với tính chất dung dịch Dung dịch khoan và xi măng GEOPET