Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Số 55 (2016) 1-7<br />
<br />
Nghiên cứu chuyển động thực tế của các loại chất lỏng khoan khi<br />
thi công giếng khoan dầu khí thềm lục địa Nam Việt Nam<br />
Phạm Đức Thiên*<br />
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam<br />
<br />
THÔNG TIN BÀI BÁO<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
<br />
Quá trình:<br />
Nhận bài 25/5/2016<br />
Chấp nhận 30/7/2016<br />
Đăng online 30/8/2016<br />
<br />
Xác định chế độ chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và khoảng không<br />
vành xuyến giếng khoan là điều quan trọng để tính toán tổn thất năng<br />
lượng thủy lực, quyết định đến hiệu quả khoan. Nội dung nghiên cứu của<br />
bài báo là xác định chế độ chảy của chất lỏng khoan trong khoảng không<br />
vành xuyến và trong cột cần khoan dựa trên số liệu khoan thực tế khi thi<br />
công các giếng khoan bể Cửu Long, Nam Côn Sơn thềm lục địa Nam Việt<br />
Nam. Từ lý thuyết thủy lực đã nghiên cứu về dòng chảy chất lỏng khoan,<br />
tác giả phát triển và hoàn thiện thêm và lập chương trình tính toán mô<br />
phỏng bằng phần mềm Matlab. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy<br />
hầu hết các giếng khoan tại các bể Cửu Long và bể Nam Côn Sơn chất<br />
lỏng khoan chảy tầng trong khoảng không vành xuyến và chảy rối trong<br />
cột cần khoan. Đồng thời, cũng từ phương pháp tính toán mô phỏng của<br />
bài báo này có thể kiểm nghiệm thông số thiết kế chế độ thủy lực khoan,<br />
giúp cho kỹ sư thiết kế chế độ khoan điều chỉnh thông số nhằm có lợi<br />
nhất cho thi công.<br />
<br />
Từ khóa:<br />
Thủy lực<br />
Chất lỏng khoan<br />
Chế độ thủy lực khoan<br />
Độ nhớt chất lỏng khoan<br />
<br />
© 2016 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.<br />
<br />
1. Đặt vấn đề<br />
Tính toán thủy lực giếng khoan là vấn đề<br />
quan trọng quyết định hiệu quả khoan. Khi thi<br />
công giếng khoan các thông số chế độ được tính<br />
toán thiết kế nhằm đạt hiệu quả khoan cao nhất,<br />
tuy nhiên không phải lúc nào các thông số thiết<br />
kế phục vụ thi công khoan cũng là các thông số<br />
có lợi nhất. Hiện nay, tại các mỏ dầu khí thềm lục<br />
địa Nam Việt Nam, chúng ta đã khoan hàng trăm<br />
giếng khoan. Trong quá trình khoan, qua các thời<br />
kỳ khác nhau, phương pháp tính toán thiết kế<br />
____________________<br />
*Tác giả liên hệ.<br />
E-mail: phamducthien@humg.edu.vn<br />
<br />
chế độ khoan cũng có các quan điểm khác nhau.<br />
Vậy, trên cơ sơ các thông số chế độ<br />
khoan của các giếng khoan đã thi công ta cần tính<br />
toán kiểm nghiệm chế độ chảy của dòng chất<br />
lỏng khoan trong cột cần và khoảng không vành<br />
xuyến (KKVX), đồng thời cũng cần kiểm nghiệm<br />
chế độ chảy của chất lỏng khoan đối với các giếng<br />
khoan đã thiết kế thông số để phục vụ thi công<br />
khoan hiệu quả.<br />
2. Tổng hợp thông số chế độ khoan thực tế<br />
2.1. Thông số lưu biến chất lỏng khoan<br />
Hiện nay, tại thềm lục địa Nam Việt Nam qua<br />
số liệu báo cáo của (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam,<br />
Trang 1<br />
<br />
Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)<br />
<br />
2010) các loại chất lỏng khoan sử dụng đa dạng,<br />
được đo và thể hiện dưới 2 thông số là ứng suất<br />
trượt ban đầu và độ nhớt dẻo, tức là được mô tả<br />
dưới dạng chất lỏng Bingham (Bảng 1, Bảng 2).<br />
2.2. Thông số chế độ khoan thực tế<br />
Bằng xem xét số liệu báo cáo về thông số chế<br />
độ thi công các giếng khoan bởi các nhà thầu khác<br />
nhau từ năm 2003 đến 2010 (Tập đoàn Dầu khí<br />
<br />
Việt Nam, 2010), bao gồm: 34 giếng bể Nam Côn<br />
Sơn, 73 giếng bể Cửu Long, có thể tổng kết theo<br />
Bảng 3.<br />
Dựa vào thông số thực tế trong Bảng 3, ta<br />
tính được vận tốc trung bình của chất lỏng khoan<br />
chảy trong cột cần và KKVX. Trong quá trình<br />
khoan coi chất lỏng khoan không bị mất đi và<br />
cũng không được bổ sung từ vỉa, kết quả tính<br />
toán thể hiện trong Bảng 4.<br />
<br />
Bảng 1. Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Nam Côn Sơn<br />
STT<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
<br />
Loại chất lỏng khoan<br />
<br />
KLR chất lỏng<br />
, kg/m3<br />
<br />
Ứng suất ban<br />
đầu y, Pa<br />
<br />
1114<br />
1084<br />
1042<br />
1090<br />
1078<br />
1108<br />
1132<br />
1120<br />
1048<br />
1132<br />
1084<br />
1174<br />
<br />
8,1<br />
6,7<br />
4,8<br />
8,1<br />
7,2<br />
8,4<br />
7,2<br />
9,1<br />
5,7<br />
7,4<br />
6,0<br />
11,3<br />
<br />
SW/GEL/PAC<br />
SW/GUAR GUM<br />
VISKOPOL<br />
VISKOPOL/PRE.BENTONITE<br />
SW/POLYMER<br />
KCL/PHPA<br />
PAC/CMC<br />
GEL/VISKOPOL/PRE.BENTONITE<br />
GEL/CMC<br />
ANCO 2000<br />
KCL/POLYMER<br />
ULTRADRIL<br />
<br />
Độ nhớt<br />
dẻo µp,<br />
Pa.s<br />
0,0120<br />
0,0210<br />
0,0235<br />
0,0440<br />
0,0120<br />
0,0160<br />
0,0190<br />
0,0475<br />
0,0325<br />
0,0175<br />
0,0185<br />
0,0305<br />
<br />
Bảng 2. Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Cửu Long<br />
STT<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
15<br />
16<br />
17<br />
<br />
Trang 2<br />
<br />
Loại chất lỏng khoan<br />
ULTRADRIL<br />
SW HIVIS SWEEP<br />
KCL/POLYMER/IDCAP D<br />
KCL/IDCAP/MUD<br />
SPUD MUD<br />
SOBM<br />
OLEFIN SOBM<br />
SBM<br />
NaCl/BRINE<br />
RDIF<br />
KCL/POLYMER<br />
PREHYDRATED BENTONITE<br />
HIVIS PIL<br />
KCL/POLYMER/LCM<br />
SW/GUA GUM/CMC<br />
SW/GUA GUM/GEL/CMC<br />
GEL/POLYMER<br />
GEL/CMC<br />
<br />
KLR chất lỏng ,<br />
kg/m3<br />
1210<br />
1042<br />
1282<br />
1174<br />
1078<br />
1234<br />
1234<br />
1318<br />
1150<br />
1150<br />
1108<br />
<br />
Ứng suất ban<br />
đầu y, Pa<br />
5,3<br />
1,0<br />
6,2<br />
6,5<br />
5,3<br />
8,1<br />
11,3<br />
14,6<br />
3,4<br />
8,6<br />
6,9<br />
<br />
Độ nhớt µp,<br />
Pa.s<br />
0,0315<br />
0,0030<br />
0,0235<br />
0,0180<br />
0,0080<br />
0,0180<br />
0,0175<br />
0,0200<br />
0,0060<br />
0,0225<br />
0,0235<br />
<br />
1019<br />
<br />
4,6<br />
<br />
0,0175<br />
<br />
1108<br />
1150<br />
1090<br />
1090<br />
1078<br />
<br />
8,4<br />
10,3<br />
6,7<br />
4,8<br />
5,5<br />
<br />
0,0270<br />
0,0380<br />
0,0155<br />
0,0245<br />
0,0155<br />
<br />
Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)<br />
<br />
Bảng 3. Thông số thi công giếng khoan tại thềm lục địa Nam Việt Nam<br />
Cấp đường kính giếng<br />
inch<br />
mm<br />
26<br />
660,4<br />
17 ½<br />
444,5<br />
12 ¼<br />
311,15<br />
8½<br />
215,9<br />
6<br />
152,4<br />
<br />
Đường kính cần khoan<br />
inch<br />
mm<br />
5<br />
127<br />
5<br />
127<br />
5<br />
127<br />
5<br />
127<br />
3½<br />
88,9<br />
<br />
Lưu lượng bơm<br />
gpm<br />
l/s<br />
10001100<br />
63,169,4<br />
6931033<br />
43,765,2<br />
628855<br />
39,653,9<br />
500606<br />
31,538,2<br />
230245<br />
14,515,5<br />
<br />
Bảng 4. Vận tốc trung bình của dòng chất lỏng chảy trong cột cần và KKVX<br />
Cấp đường<br />
kính giếng,<br />
mm<br />
660,4<br />
444,5<br />
311,15<br />
215,9<br />
152,4<br />
<br />
Đường kính cần khoan, mm<br />
Đường kính<br />
Đường kính<br />
ngoài<br />
trong<br />
127<br />
108,5<br />
127<br />
108,5<br />
127<br />
108,5<br />
127<br />
108,5<br />
88,9<br />
70,2<br />
<br />
3. Phương pháp xác định chế độ chảy<br />
Năm 1883 Reynolds nghiên cứu đưa ra số<br />
Reynolds và số Reynolds giới hạn để xác định<br />
chế độ chảy đối với chất lỏng Newton là 2320,<br />
nếu dòng chảy có số Reynolds nhỏ hơn giá trị<br />
này ta có chảy tầng, lớn hơn ta có chảy rối.<br />
Chất lỏng khoan là chất lỏng phi Newton.<br />
Để ứng dụng xác định chế độ chảy theo<br />
Reynolds ta phải tìm được độ nhớt chất lỏng<br />
phi Newton tương đương chất lỏng Newton.<br />
Bằng nghiên cứu, theo (Phạm Đức Thiên,<br />
2011) đã đưa ra được Phương trình xác định<br />
độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng<br />
phi Newton. Theo đó, ta có Phương trình tính<br />
toán độ nhớt tương đương Newton của chất<br />
lỏng khoan (chất lỏng Bingham) chảy trong cột<br />
cần và KKVX giếng khoan.<br />
- Chảy trong cột cần:<br />
2D <br />
(1)<br />
e p p ip y<br />
3v p<br />
- Chảy trong KKVX:<br />
p<br />
y<br />
3<br />
3<br />
ea <br />
<br />
2<br />
2 Dh Dop 16 va Dh Dop <br />
<br />
(2)<br />
<br />
Vận tốc chất lỏng khoan, m/s<br />
Trong KKVX (va)<br />
<br />
Trong cột cần (vp)<br />
<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
<br />
6,83 7,51<br />
4,73 7,06<br />
4,29 5,83<br />
3,41 4,13<br />
3,75 4,01<br />
<br />
trong đó: ep- độ nhớt tương đương Newton<br />
chảy trong cột cần; ea- độ nhớt tương đương<br />
Newton chảy trong KKVX; vp- vận tốc chất lỏng<br />
trong cột cần; va- vận tốc chất lỏng trong KKVX;<br />
y - ứng suất trượt ban đầu; p- độ nhớt chất<br />
lỏng khoan; Dip - đường kính trong cột cần<br />
khoan; Dop - đường kính ngoài cột cần khoan;<br />
Dh - đường kính giếng khoan.<br />
Sau khi có độ nhớt tương đương Newton,<br />
số Reynol được tính:<br />
- Chảy trong cột cần:<br />
v p Dip<br />
Re p <br />
(3)<br />
ep<br />
- Chảy trong khoảng không vành xuyến:<br />
Re a <br />
<br />
va Dt<br />
ea<br />
<br />
(4)<br />
<br />
trong đó:<br />
- khối lượng riêng chất lỏng khoan; Dt đường kính thủy lực KKVX, Dt = Dh - Dop.<br />
Kết quả tính được số Reynolds sẽ so sánh<br />
với số Reynolds giới hạn để kết luận trạng thái<br />
chảy.<br />
<br />
Trang 3<br />
<br />
Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)<br />
<br />
Bảng 5. Trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong KKVX<br />
Loại chất lỏng<br />
khoan<br />
Chất lỏng khoan<br />
SW/GEL/PAC<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
VISKOPOL/<br />
PRE,BENTONITE<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
PAC/CMC<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
ANCO2000<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
KCl/POLYMER<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
UTRADRIL<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
KCL/POLYMER/ID<br />
CAP D<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
SPUD MUD<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
OLEFIN SOBM<br />
<br />
Trang 4<br />
<br />
va<br />
m/s<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
<br />
Độ nhớt tương<br />
đương Newton Pa.s<br />
0,08550,0834<br />
0,20140,0194<br />
0,55020,5452<br />
2,29672,2934<br />
4,49334,4915<br />
0,01380,3056<br />
0,73850,7112<br />
2,01741,999<br />
8,42138409<br />
16,475116,4687<br />
0,13530,1320<br />
0,31890,3071<br />
0,87110,8632<br />
3,63653,6312<br />
7,11447,1115<br />
0,12460,1216<br />
0,29370,2829<br />
0,80240,7950<br />
3,34943,3445<br />
6,55276,5501<br />
0,13180,1285<br />
0,31050,2990<br />
0,84820,8405<br />
3,50803,5356<br />
6,69276,9244<br />
0,22430,2188<br />
0,52870,5092<br />
1,44431,4311<br />
6,02896,0201<br />
11,7949117901<br />
0,16740,1632<br />
0,39440,3799<br />
1,07751,0676<br />
4,49784,4912<br />
8,79948,7958<br />
0,05700,0556<br />
0,13430,1293<br />
0,36680,3634<br />
1,53121,5289<br />
2,99552,9943<br />
0,12460,1216<br />
0,29370,2829<br />
0,80240,7950<br />
3,34943,3445<br />
<br />
Số Reynolds<br />
13211497<br />
544839<br />
235319<br />
5769<br />
1921<br />
352399<br />
145224<br />
6385<br />
1518<br />
56<br />
848961<br />
349538<br />
151205<br />
3744<br />
1213<br />
9201043<br />
379585<br />
164223<br />
4048<br />
1314<br />
834945<br />
344529<br />
148202<br />
3647<br />
1213<br />
547619<br />
225347<br />
97132<br />
2429<br />
89<br />
776880<br />
320493<br />
138188<br />
3441<br />
1112<br />
19172173<br />
7901217<br />
341464<br />
82100<br />
2830<br />
10031137<br />
414637<br />
178243<br />
4352<br />
<br />
Trạng thái<br />
chảy<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
<br />
Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
KCL/POLYMER<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
PREHYDRATED<br />
BENTONITE<br />
HIVIS PIL<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
GEL/POLYMER<br />
<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
0,19 0,21<br />
0,31 0,46<br />
0,63 0,85<br />
1,32 1,6<br />
1,21 1,29<br />
<br />
6,55276,5501<br />
0,16740,1632<br />
0,39440,3799<br />
1,07751,0676<br />
4,49784,4912<br />
8,79948,7958<br />
0,12460,1213<br />
0,29370,2829<br />
0,80240,7950<br />
3,34943,3445<br />
6,55276,5501<br />
0,17450,1702<br />
0,41120,3960<br />
1,12331,1131<br />
4,68924,6823<br />
9,17389,1701<br />
<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
Tầng<br />
<br />
1516<br />
671760<br />
276426<br />
119163<br />
2935<br />
1011<br />
829939<br />
342526<br />
147201<br />
3644<br />
1213<br />
633717<br />
261402<br />
113154<br />
2733<br />
910<br />
<br />
Bảng 6. Trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần khoan<br />
Loại chất lỏng<br />
khoan<br />
Chất lỏng khoan<br />
SW/GEL/PAC<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
VISKOPOL/<br />
PRE,BENTONITE<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
PAC/CMC<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
ANCO2000<br />
<br />
Chất lỏng khoan<br />
KCl/POLYMER<br />
Chất lỏng khoan<br />
UTRADRIL<br />
<br />
vp<br />
m/s<br />
6,83 7,51<br />
4,73 7,06<br />
4,29 5,83<br />
3,41 4,13<br />
3,75 4,01<br />
6,83 7,51<br />
4,73 7,06<br />
4,29 5,83<br />
3,41 4,13<br />
3,75 4,01<br />
6,83 7,51<br />
4,73 7,06<br />
4,29 5,83<br />
3,41 4,13<br />
3,75 4,01<br />
6,83 7,51<br />
4,73 7,06<br />
4,29 5,83<br />
3,41 4,13<br />
3,75 4,01<br />
6,83 7,51<br />
4,73 7,06<br />
4,29 5,83<br />
3,41 4,13<br />
3,75 4,01<br />
6,83 7,51<br />
4,73 7,06<br />
<br />
Độ nhớt tương<br />
đương Newton Pa.s<br />
0,09780,0900<br />
0,13590,0950<br />
0,14860,1125<br />
0,18380,1539<br />
0,11310,1065<br />
0,12980,0220<br />
0,16790,1270<br />
0,18060,1445<br />
0,21580,1859<br />
0,14510,1385<br />
0,09530,0883<br />
0,12910,0928<br />
0,14040,1083<br />
0,17170,1451<br />
0,10890,1030<br />
0,09590,0888<br />
0,13070,0933<br />
0,14230,1093<br />
0,17450,1471<br />
0,10990,1039<br />
0,08200,0763<br />
0,11030,0800<br />
0,11970,0929<br />
0,14580,1236<br />
0,09340,0881<br />
0,08760,0825<br />
0,11260,0858<br />
<br />
Số Reynolds<br />
844210084<br />
42088934<br />
34906264<br />
22423244<br />
25932944<br />
62347279<br />
33226575<br />
28094771<br />
18682628<br />
19772215<br />
880710441<br />
45009347<br />
37536610<br />
24393496<br />
27383093<br />
875010390<br />
44619292<br />
37046551<br />
24013448<br />
27133068<br />
979111578<br />
504610383<br />
42177377<br />
27513931<br />
30563447<br />
1023311944<br />
551710830<br />
<br />
Trạng thái<br />
chảy<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Tầng, Rối<br />
Tầng<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Rối<br />
Trang 5<br />
<br />