Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHOAN, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHOAN, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

Tải bản đầy đủ

trì bằng những piston thủy lực dưới sự điều khiển của các cảm biến, hoặc được duy trì bằng
khớp cầu, vòng tròn không đồng tâm.
Người ta thường cài đặt các chế độ hoạt động cho dụng cụ ở trên bề mặt, tuy nhiên để
điều chỉnh góc nghiêng, hướng đi của dụng cụ người ta sử dụng tín hiệu dạng xung đưa
xuống, dụng cụ có thể thay đổi góc lệch ngay tại lòng giếng bằng các thao tác điều chỉnh đó.
Đối với giếng khoan khai thác dầu khí, người ta thường cố gắng thiết kế sao cho đoạn thân
giếng tiếp xúc với vỉa sản phẩm là lớn nhất để tiến hành khai thác hiệu quả hơn. Đáp ứng
yêu cầu trên đòi hỏi cường độ cong và chiều sâu cắt xiên phải lớn.

Hình 3.1. Quỹ đạo giếng khoan do động cơ đáy thực hiện (màu xám) và quỹ đạo
giếng khoan do động cơ lái chỉnh xiên làm việc (màu đen)
Khác với các thiết bị dẫn hướng khác, hệ thống lái chỉnh xiên được tích
hợp hệ thống đo, khảo sát nhằm truyền các dữ liệu về góc phương vị, góc
nghiêng, mặt
Với thế hệ lái chỉnh xiên mới ứng dụng kết hợp công nghệ giữa Push-thebit và Pointthe-bit, cho phép làm việc với chiều sâu cắt xiên lớn hơn động cơ lái chỉnh xiên thông
thường. Ngoài việc tiếp cận tầng sản phẩm với chiều dài lớn, nó còn giúp tránh được những
khoảng thời gian ngừng khoan nhằm tiết kiệm chi phí giá thành. Quỹ đạo giếng của công

33

nghệ kết hợp Push-the-bit và Point-the-bit mượt hơn hẳn quỹ đạo của động cơ trục vít.
Ngoài ra công nghệ làm lệch này còn cho phép :
+ Đo góc lệch và góc phương vị trong thời gian thực tế trực tiếp gần choòng.
+ Đo trực tiếp mức độ rung và tải trọng lên bộ khoan cụ.
+ Đo trực tiếp tốc độ quay của choòng khoan.
+ Đo tia gamma trực tiếp gần choòng để kịp thời nắm bắt các thông số của giếng và
địa tầng khu vực khoan qua.
 Cấu tạo chung và nguyên tắc điều chỉnh hướng của hệ thống RSS

Hình 3.2. Cấu tạo chung hệ thống lái chỉnh xiên RSS
 Bộ phận điều khiển :
Bộ phận này bao gồm các cảm biến đo, bộ nhớ, bộ phận điều khiển phân bổ năng
lượng hoạt động cho thiết bị, máy phát điện hoặc pin…
 Bộ phận chỉnh hướng :
Chúng bao gồm các cơ cấu cánh định tâm hoặc khớp cầu hoặc vòng lệch nhằm chỉnh
hướng cho thiết bị. Bộ phận chỉnh hướng tuân theo các nguyên tắc sau:
 Nguyên tắc điều chỉnh Push – the – bit (kĩ thuật đẩy choòng khoan bằng tác động
lực bên ) :
Thiết bị chỉnh xiên này bao gồm các cánh định tâm có thể cụp ra cụp vào được điều
khiển một cách tự động. Khi cánh định tâm tỳ vào thành giếng khoan thì choòng sẽ di
chuyển về hướng đối diện. Lực tỳ của cách cánh sẽ được thiết lập sẵn ở trên bề mặt và có
thể thay đổi bằng cách gửi các xung lệnh điều khiển đến bộ phận điều khiển của thiết bị
RSS trong giếng khoan.
 Nguyên tắc điều chỉnh Point-the-bit .
34

Hay còn được gọi kỹ thuật lấy hướng choòng khoan bằng cách làm
lệch trục khuỷu nối. Thiết bị này sử dụng trục khuỷu được điều chỉnh
bằng vòng lệch tâm (Geo-pilot) hoặc bằng Piston thủy lực (Revolution).
Thiết bị của các công ty hoạt động theo nguyên tắc Point-the-bit:
Những ưu điểm và nhược điểm của công nghệ RSS
• Ưu điểm:
Do được tích hợp với các thiết bị điện tử nên hệ thống lái chỉnh xiên (RSS) cho phép
các kỹ sư khoan theo dõi và điều chỉnh hướng khoan một cách liên tục nên có các ưu việt
sau:
Cho phép khoan có cường độ góc cong lớn, thích hợp cho các giếng vươn xa, có độ rời
đáy lớn. - Chất lượng giếng tốt hơn, mượt hơn. Giúp giảm khả năng kẹt cần, dễ dàng lắp đặt
ống chống.
Toàn bộ cột cần khoan quay trong khi làm việc giúp tránh khả năng kẹt mút cột cần và
bộ khoan cụ.
Ít xảy ra sai số.
Có thể sử dụng trong các giếng có quỹ đạo phức tạp dạng 3D các kỹ sư khoan điểu
chỉnh hướng dễ hơn mà không cần phải đi điều chỉnh lại bộ khoan cụ. Như vậy năng suất
khoan cao hơn. Thời gian khoan được rút ngắn. Nâng cao tốc độ cơ học khoan.
• Nhược điểm:
Do có tích hợp các thiết bị điện tử phức tạp nên hệ thống lái chỉnh xiên khi bị hỏng rất
khó sửa chữa và thay thế. Khoảng nhiệt độ làm việc phụ thuộc vào thiết kế của nhà cung
cấp dịch vụ.
Giá thành cao hơn hẳn do phải đi thuê từ nước ngoài.
3.1.1.2. Đặc điểm của phương pháp khoan bằng động cơ Top Drive
Phương pháp khoan bằng động cơ Top drive hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự
như phương pháp khoan roto, chuyển động quay được tryền tới choòng khoan thông qua cột
cần khoan để phá hủy đất đá. Top drive là thiết bị ngoài việc là động cơ làm quay choòng
khoan thông qua cột cần khoan nó còn thực hiện chức năng như đầu xoay thủy lực thông
thường.
 Ưu điểm của phương pháp khoan bằng Top drive.
35

+ Không phải sử dụng cần chủ đạo nên có thể thao tác lắp bộ khoan cụ ở mọi độ cao.
+ Cho phép giảm thời gian tiếp cần do có thể tiếp cần dựng (ba cần đơn) trong quá
trình khoan.
+ Khắc phục sự cố kẹt bộ dụng cụ hiệu quả hơn so với khoan Roto vì động cơ Top
Drive có khả năng vừa quay vừa kéo bộ dụng cụ.
+ Lấy mẫu khoan dài.
 Nhược điểm của phương pháp khoan bằng Top drive.
+ Tiếp cần sát đáy dễ xẩy ra sự cố kẹt nhất là ở các tầng sập lở.
+ Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để khử mô men cản.
+ Phải gia cố kết cấu tháp do có lực xoắn phụ.
+ Phải có các ống mềm hoặc có cáp tải điện phụ trong tháp khoan.
+ Tăng đáng kể khối lượng trên cao.
+ Tăng giá thành thiết bị và nhất là phải chăm sóc bảo dưỡng nhiều hơn so với hệ
thống bàn Roto.
Qua những phân tích phía trên việc ta nên sử dụng phương pháp Top Drive kết hợp
với thiết bị lái chỉnh xiên RSS cho giếng 09 – 2/09 – KTN – 5X .
3.1.2. Phân chia khoảng khoan và cơ sở phân chia.
3.1.2.1. Cơ sở phân chia khoảng khoan
Ta biết rằng khoảng khoan là tất cả các địa tầng liền kề nhau mà đất đá ở tầng đó có
tính chất cơ – lý tương đồng ,có đặc điểm chất lưu, áp suất vỉa, áp suất vỡ vỉa hay dị thường
về áp suất,… thay đổi trong khoảng đủ nhỏ để ta có thể sử dụng cùng một chế độ khoan (n,
Q, dung dịch khoan, Gc ) để khoan qua. Việc phân chia khoảng khoan phụ thuộc vào các yếu
tố cơ bản sau :

- Tính chất cơ – lý của đất đá ta khoan qua.
- Độ sâu và hình dạng của thân giếng khoan.

36

3.1.2.2. Phân chia khoảng khoan.
Bảng 3.1. bảng phân chia khoảng khoan của giếng 09-2/09-KTN-5X
STT
1
2
3
4
5

Theo chiều sâu thằng đứng
m
94,5÷ 160
160÷ 750
750÷ 2096
2096÷3446,5
3446,5÷ 3461,5

Theo thân giếng khoan
94,5÷ 160
160÷ 750
750 ÷ 2516
2516÷ 4368
4368÷ 4389

Kết hợp với những phân tích tại mục 2.2.2ở phía trên cũng như theo kinh nghiệm
khoan các giếng lân cận giếng KTN-5X trước đó ta có :
+ Từ 94,5 ÷ 160m : là khoảng khoan ống chống định hướng,tính chất đất đá ở khu vực này
tương đối đồng nhất và ổn định.
+ Từ 160÷ 750m : là khoảng khoan ống chống dẫn hướng đất đá ở khu vực này đất đá khá
tương đồng thành phần chủ yếu từ cát và cát dăm có độ liên kết kém, xốp ngoài ra còn có
cuội xen lẫn các lớp mỏng sét, sét vôi.
+ Từ 750 ÷ 2096m : đoạn này là đoạn cát xiên sau khi chống ống dẫn hướng.
+ Từ 2096 ÷ 3446,5m : đoạn này là đoạn ổn định góc nghiêng , chuyển từ tầng Mioxen hạ
sang tần Oligoxen, đất đá ở đây chủ yếu có thành phần từ sét. Ta có thể điều chỉnh thông số
dung dịch phù hợp đển khoan đến nóc tầng móng. Sau đó ta tiến hành chống ống và chuẩn
bị để khoan công đoạn cuối vào tầng móng.
+ Từ 3446,5 ÷ 3461,5 m : đoạn này là khoan trong tầng móng , trong khoảng này đất đá đồng
nhất, do yêu cầu thiết kế nên khoan đến đây ta dừng lại – thân giếng đoạn này dùng để khai
thác nên ta phải dùng thông số chế độ khoan khác với các đoạn phía trên.
3.1.3. Lựa chọn phương pháp khoan cho từng khoảng khoan
Theo các tài liệu, những phân tích ở trên kết hợp với kinh nghiệm khoan các giếng lân
cận trước đó ta có :

-

Khoảng khoan từ 94,5 ÷ 160m : Đoạn này tiến hành khoan mở lỗ , đất đá mềm, bở rời,
đường kính lỗ khoan lớn đòi hỏi momen quay choòng lớn do đó ta chọn phương pháp khoan
bằng động cơ Top Drive.
37

-

Khoảng khoan từ 160 ÷ 750m : Đất đá mềm bở rời, độ cứng từ I – II theo độ khoan nên cần
momen quay choòng đủ lớn do đó ta dung phương pháp khoan bằng động cơ Top Drive.

-

Khoảng khoan từ 750 ÷ 2096m: Là đoạn ta tiến hành cắt xiên đòi hỏi tăng góc nghiêng nên
ta sử dụng phương pháp khoan bằng động cơ Top Driver kết hợp thiết bị chỉnh xiên AuTo
Trak.

-

Khoảng khoan từ 2096 ÷ 3446,5m : Là đoạn ổn định góc nghiêng của thân giếng, đất đá
cứng, mềm xen kẽ do đó ta sử dụng phương pháp khoan bằng động cơ Top Driver kết hợp
thiết bị chỉnh xiên AuTo Trak.

-

khoảng khoan từ 3446,5 ÷ 3461,5m : Đây là khoảng khoan trong tầng đất đá móng có độ
cứng lớn đòi momen nhỏ và số vòng quay lớn thích hợp với khoan bằng động cơ đáy. Tuy
nhiên đây là tầng đá móng nứt nẻ, với áp suát vỉa nhỏ gây tổn thất thuỷ lực rất lớn đồng thời
nhiệt độ vỉa tương đối cao. Do đó ta chọn phương pháp khoan bằng động cơ Top Drive để
khoan cho đoạn này.
bảng 3.2. Lựa chọn phương pháp khoan cho từng khoảng khoan
Khoảng khoan
(m)
94,5 ÷ 160
160 ÷750
750 ÷2096
2096 ÷ 3446,5
3446,5 ÷3461,5

Phương pháp khoan
Động cơ Top Drive
Động cơ Top Drive
Động cơ Top Drive kết hợp thiết bị AuTo Trak
Động cơ Top Drive kết hợp thiết bị AuTo Trak
Động cơ Top Drive

3.2. Lựa chọn thiết bị khoan.
3.2.1. Yêu cầu đối với thiết bị khoan
Do yêu cầu công tác khoan trên biển cũng như việc thiết kế xây dựng giàn khoan khai
thác sau này. Để đảm bảo hiệu ủa kinh tế cao, hệ số thu hồi sản phẩm lớn nhất, đồng thời để
các giếng khoan không trùng, chạm nhau khi thực hiện công tác khoan người ta phải thi
công giếng với dạng profile phù hợp với điều kiện kĩ thuật và công nghệ của giàn khoan
như :

- Yếu tố công nghệ: phương pháp khoan, chiều sâu tiến hành, . . .
-

Yếu tố kỹ thuật: các thiết bị hiện đang được dùng phổ biến, phù hợp với trình độ của cán bộ
nhân viên làm việc.

-

Yếu tố kinh tế: giảm tối đa chi phí về thời gian,nguyên vật liệu cho quá trình khoan . . .
38

- Phù hợp với điều kiện khoan khắc nhiệt ngoài biển.
3.2.2. Tháp khoan và các thiết bị nâng thả.
3.2.2.1. Tháp khoan
 Chức năng, nhiệm vụ của tháp khoan
Chịu toàn bộ tải trọng tĩnh và tải trọng động trong quá trình tời khoan thực hiện công
tác kéo thả cột cần khoan hoặc ống chống.
Treo giữ một phần trọng lượng của cột cần khoan khi khoan ở chế độ giảm tải.
Làm chỗ dựa tàm thời cho các cần dựng trong quá trình chuẩn bị thả cần, các thiết bị
khoan, thiết bị khai thác và thả các thiết bị đo vào giếng,..
 Yêu cầu kỹ thuật đối với tháp khoan.
Đảm bảo độ bền và làm việc ổn định với tải trọng lớn khi thực hiện công tác thả hoặc
cứu chữa sự cố trong quá trình khoan.
Có chiều cao hợp lý để giảm thời gian kéo thả cột cần khoan, ống chống.
Phải có trọng lượng và kích thước nhỏ gọn, có kết cấu đơn giản để tạo điều kiện thuận
lợi cho quá trình xây lắp cũng như công tác kéo thả trong quá trình khoan.
Khi chọn tháp khoan thì ta phải chọn theo hai dạng tiêu chuẩn là tải trọng thẳng đứng
và chiều cao của tháp khoan. Hai tiêu chuẩn này phụ thuộc vào chiều sâu của giếng.
Trong quá trình làm việc có 2 loại tati trọng tác dụng lên tháp :
+ Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên móc nâng của cột cần khoan,hay ống chống .
+ Tải trọng theo phương ngang của cần dựng và của gió.
Các tải trọng này được tính toán sao cho nhỏ hơn tải trọng làm việc của tháp. Chính vì
vậy khi chọn tháp để thi công một giếng khoan cụ thể ta phải tính được tải trọng tối đa của
cột cần hay ống chống tác dụng lên móc nâng.
• Tải trọng cực đại tác dụng lên móc nâng:

Qmax= Q× (1-

γd
γt

). K

Trong đó:
39

Qmax: là tải trọng lớn nhất của cột ống đặt lên móc nâng.
Q : trọng lượng của bộ khoan cụ hoặc ống chống tác dụng lên móc nâng ở điều kiện
không khí.
γd
γt

=1,26 (G/cm3)trọng lượng riêng của dung dịch.

= 7.85 T/m3

K : Hệ số kẹt mút ( k = 1,3 )
φ

Theo bảng trên thì trọng lượng của cột ống khai thác =245mm được thả tới chiều sâu
m là lớn nhất => Q= 305,497 T.
Thay số vào ta được: Qm= 333,4 T. Đây là cơ sở để chọn chiều cao tháp khoan.
Dựa vào tình hình thực tế, để thực hiện quá trình khoan giếng 09-2/09-KTN-5X Công
ty điều hành chung sử dụng giàn khoan PVDrilling đã sử dụng giàn PVD VI. Với các thông
số kỹ thuật của tháp khoan như sau:
Bảng 3.3. bảng thống số kỹ thuật tháp khoan.
Tên tháp

WCI /API STD 4F

Chiều cao

48.76m

Tải trọng móc nâng

680 T

Diện tích khung đỉnh

5.5m x 5.5m

Diện tích khung đáy

10.97m x 10.97m

40

Hình 3.3 Tháp khoan ở giàn khoan khai thác ngoài biển
3.2.2.2. Tời khoan
 Chức năng và nhiệm vụ của tời khoan:

-

Trong quá trình thực hiện thi công giếng khoan dầu khí thì tời khoan sẽ thực hiện các nhiệm
vụ chính sau:

-

Thực hiện công tác kéo thả cột cần khoan để tiến hành tháo, lắp cần khoan, thay choòng
khoan và bộ khoan cụ.

-

Tiến hành thả và treo giữ ống chống trong quá trình chống ống, trám xi măng.
41

-

Điều chỉnh tốc độ truyền tải cho choòng khoan trong quá trình phá huỷ đất đá (chủ yếu thực
hiện đối với quá trình khoan giảm tải cho choòng bằng cách treo một phần trọng lượng của
cột cần khoan trên móc nâng trong khi khoan đối với những giếng khoan có chiều sâu lớn.)

-

Ngoài ra, tời khoan còn thực hiện một số công tác phụ trợ trong quá trình xây lắp, trong quá
trình khoan và trong quá trình khai thác.
 Yêu cầu kỹ thuật đối với tời khoan.

-

Khi tính toán thiết kế lựa chọn tời khoan phải đảm bảo một số yêu cầu kỹ thuật chính như
sau:

-

Công suất của tời khoan phải đủ lớn, đáp ứng được yêu cầu của quá trình kéo thả cột cần
khoan và ống chống.

-

Phải có số tốc độ (k) cũng như việc bố trí các tốc độ trung gian một cách hợp lý để giảm
thời gian kéo thả.

-

Có công sơ đồ động học đơn giản và các tốc độ phải sử dụng tối đa công suất của động cơ
dẫn động.

-

Hệ thống phanh hãm của tời phải làm việc an toàn với độ tin cậy cao.

-

Phải thiết kế một tốc độ lớn nhất để thực hiện quá trình kéo thả móc nâng không tải.

-

Phải thuận lợi cho việc điều chỉnh được tốc độ truyền tải trọng cho choòng khoan trong quá
trình phá huỷ đất đá.
Giàn khoan PVD VI được trang bị tời khoan với số hiệu NOV/ADS-10T để thực hiện
các quá trình khoan với các thông số kỹ thuật sau:
Bảng 3.4. bảng thông số kỹ thuật của tang tời NOV/ADS-10T

Công suất tức thời

3200 hp

Công suất liên tục

2950 hp

Kích thước tang tời

0,914m x 1,803m

Số tốc tộ

3

Công suất động cơ

3450 hp
.

42

Hình 3.4. Tời khoan
3.2.2.3. Động cơ Top Driver.
Đây là loại thiết bị để tạo chuyển động quay cho cột cần khoan rất hiện đại. Động cơ
đượclắp trên đầu của cột cần khoan và được treo giữ bỏi móc nâng, trong quá trình làm việc
động cơ sẽ di chuyển lên xuống theo cần dẫn và được ổn định bởi hệ thống giá trượt dẫn
hướng được lắp dọc theo tháp khoan.
Để quay cột cần khoan và truyền chuyển động xuống choòng khoan thì trên động cơ
được bố trí các mô tơ dẫn động, với hệ thống truyền động này cho phép tăng công suất
truyền cho cột cần khoan mà không phụ thuộc vào các quy trình công nghệ khác nhau.
Trong quá trình khoan thì tốc độ và mô men quay được tạo ra tương đối ổng định, ít gây ra
rung động, va đập và đặc biệt có thể khử được mô men phản lực từ đáy, cho nên có thể hạn
chế được các sự cố trong quá trình khoan. Ngoài ra, đầu quay di động còn cho phép thực
hiện đồng thời quá trình vừa kéo vừa thả vừa quay cột cần.
Động cơ Top Driver NOV-TDS 8SA được trang bị cho giàn khoan PVDrilling có
thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 3.5. Thống số kỹ thuật động cơ di động Top Driver.
Sức nâng

680 T

Áp suất làm việc

7500 psi

Momen xoắn

62,250ft.lbs

Công suất lớn nhất

1150HP

Tốc độ quay lớn nhất

270 RPM

43