Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ KHOAN

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ KHOAN

Tải bản đầy đủ

-

Nghiên cứu chi tiết về các điều kiện địa chất, khoảng khoan đang nghiên cứu, lựa chọn
thông số chế độ khoan tối ưu cho khoảng khoan đó.

-

Nghiên cứu khả năng cong tự nhiên của giếng khoan để có các biện pháp phòng chống và
điều khiển quỹ đạo của giếng theo đúng yêu cầu thiết kế.
Trên quan điểm như vậy cùng với kinh nghiệm khi khoan các giếng khoan trước đây
của mỏ Kình Ngư Trắng ta tiến hành lựa chọn thông số chế độ khoan phù hợp nhất với điều
kiện địa chất và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của giếng khoan.

4.2 Tính toán thông số chế độ khoan.
Do giếng 09-2/09-KTN-5X sử dụng phương pháp khoan bằng động cơ Top Drive kết
hợp với thiết bị lái chỉnh xiên, mà việc khoan bằng động cơ Top Drive cũng hoạt động theo
nguyên lý truyền chuyển động tới bộ khoan cụ như phương pháp khoan bằng động cơ Roto
do đó ta có thể áp dụng các công thức tính toán các thông số chế độ khoan trong phương
pháp khoan bằng bàn Roto vào phương pháp khoan bằng động cơ Top Drive
4.2.1. Tính toán lưu lượng nước rửa Q.
a. Phương pháp tính toán.
Để tính toán được lưu lượng dung dịch trong phương pháp này ta dựa vào :

- Lưu lượng lớn nhất cho phép khoan ở chiều sâu L được tính theo công thức:
(4.1 )

-

Lưu lượng nhỏ nhất cho phép được tính theo công thức:
– d2).Vmin.103 ,l/s (4.2)
Từ hai công thức trên ta chọn lưu lượng máy bơm khoan Q thỏa mãn điều kiện:
Qmin< Q < Qmax.

Để chọn Q ta phải thoả mãn biểu thức trên đồng thời phải dựa trên đặc tính kỹ thuật
của máy bơm. Khi chọn Q chúng ta tính toán chiều sâu cho phép khoan với lưu lượng đã
chọn trên,thoả mãn :
Lcf = (( 7,5.N.ηb – A.γ ). )) / (B.γ. )
Trong đó :
ηb :Hiệu suất của máy bơm (mã lực )
γ : Tỷ trọng của dung dịch (g/)
67

A : hệ số tổn thất áp suất không phụ thuộc vào chiều dài cần khoan.
B : Hệ số tổn thất áp suất ở hệ thống tuần hoàn phụ thuộc vào chiều dài cần khoan
Nếu Lcf chưa đạt được chiều sâu thiết kế, chúng ta lựa chọn lưu lượng Q bé hơn nhưng
vẫn phải nằm trong giới hạn Qmin< Q < Qmax.
b.Tính toán lưu lượng nước rửa cho từng khoảng khoan
 Tính toán lưu lượng cho khoảng khoan từ 160÷ 750 m
Khoảng khoan này sử dụng phương pháp khoan Top Drive. Áp dụng công thức tính
Qmax ở trên ta có :
Công suất mát bơm NOV 14-P-220 là : N = 1150 HP.
Hiệu suất máy bơm là : ηb = 0,9.
Chiều dài cột cần khoan trong đoạn này là : L = 750m
Trọng lượng riêng của dung dịch trong đoạn này là : γ = 1.08 G/.
Tra bảng về tổn thất áp suất ta có các thông số sau :
Hệ số tổn thất áp suất ở bề mặt ( gồm tổn thất ở ống đứng,ống nằm ngang, ống mềm, đầu
thuỷ lực,..) là : abm = 350.
Hệ số tổn thất áp suất trong cần nặng : acn = 2,24.
Chiều dài cần nặng là : lcn = 56.4m
Hệ số tổn thất ở các tiết diện thoát nước của choòng khoan 660,4mm là :
ac =
Trong đó : F là tổng tiết diện các lỗ thoát nước ()
F = 1.63 () = 1051,6108 ()
Khi đó ta có :
ac = 1,085.
Hệ số tổn thất áp suất ở cần khoan là : atc = 1.48
Hệ số tổn thất áp suất ở đầu nối : adn = 2,2.
Chiều dài cần dựng là : l = 28.2 m
Hệ số tổn hao áp suất ở khoảng không vành xuyến : avx = 0,08.
68

Khi đó ta có hệ số tổn thất áp suất không phụ thuộc vào chiều dài cột ống được tính
theo công thức :
A = abm + acl . lcn +ac
= 350. + 2,24.. 56,4 + 1,085. = 4,77.
Hệ số tổn thất áp suất phụ thuộc vào chiều dài cột cần là :
B = atc + + avx
= 1,48. + + 0,08. = 1,63.
Thay số vào ta tính được lưu lượng bơm cực đại là :
Qmax = = 75,05 (l/s)

Lưu lượng nhỏ nhất đảm bảo rửa sạch đáy và nâng mùn khoan lên trên bề mặt được
tính theo công thức (4.2) :
– d2).Vmin.103 ,l/s (4.2)
Trong đó :
Đường kính giếng khoan ở đoạn này là :
D = 660,4.1,3 (mm) = 0,85852 (m).
Đường kính cần khoan dung trong khoảng này là :
d = 0,1397 (m)
Vmin = 0,1 (m/s)
Thay các thông số trên vào biểu thức (4.2) ta được :
Qmin = .( – ) = 56,32(l/s).
Vậy lưu lượng Q lựa chọn cho khoảng khoan này phải thoả mãn :
56,32 (l/s) < Q < 75,05 (l/s).
Kết hợp với kinh nghiệm thi công các giếng khoan lân cận trước đó cũng như đặc
điểm đất đá tại tầng trầm tích đệ tứ nếu Q lớn sẽ dễ gây sập lở thành giếng tạo lên các phức
tạp sự cố trong cong tác khoan , do đó ta chọn lưu lượng khoan trong khoảng này là trong
khoảng từ : 56( l/s) < Q < 65 (l/s).
69

Tính toán tương tự cho các khoảng khoan khác ta được lưu lượng bơm cho từng
khoảng như bảng dưới đây :
Bảng 4.1. Lưu lượng dung dịch cho các khoảng khoan của giếng 09-2/09-KTN-3X
Khoảng Khoan (m)

Lưu Lượng
Q(l/s)
70 ÷ 75
56 ÷ 65
45 ÷ 50
36 ÷ 42
30 ÷ 40

94.5÷ 160
160÷ 750
750 ÷ 2096
2096÷ 3446,5
3446,5÷ 3461,5

4.2.2. Tính toán tải trọng tác dụng lên choòng khoan
a. Phương pháp tính toán
Để tính được tải trọng đáy tối ưu ta phải đi xác định một số tải trọng sau:
* Xác định tải trọng nhỏ nhất để choòng phá huỷ đất đá.
G1 = F.σ

(4.3)

Trong đó:
σ: Giới hạn bền nén của đất đá. (kG/mm2)
F: Diện tích tiếp xúc của răng choòng với đất đá ở đáy lỗ khoan
F=

n t .D c .K
2
(mm2)

(4.4)

nt: Hệ số phủ của răng choòng. nt = 1,05 ÷ 2
K: Hệ số mòn của choòng. K = 1÷ 1,5
Dc: Đường kính choòng khoan. (mm)
* Xác định tải trọng làm việc định mức của choòng khoan G2:
G2 = G T . D c

(4.5)

Trong đó:
Dc: Đường kính của choòng (cm)
70

GT: Tải trọng riêng (kG/1cm đường kính choòng).
* Xác định tải trọng cho phép lớn nhất tác động lên choòng G 3: Tải trọng này có trong
bảng thống kê các thông số kỹ thuật của choòng.
* Xác định tải trọng thống kê thu được từ ngoài thực tế G4 (tải trọng thống kê).
* Tải trọng đảm bảo cho mô men của tuabin đạt giá trị cực đại GM:
GM = (0,8 ÷ 0,9). Gf

(4.6)

Gf: Tải trọng hãm của tuabin.
* Tải trọng đảm bảo cho công suất của tuabin đạt giá trị cực đại GN:
GN = (0,6 ÷ 0,7). Gf

(4.7)

Tải trọng đáy Gc đặt lên choòng khoan để phá huỷ đất đá phải được tính chọn sao cho:
* Đối với khoan bằng động cơ Top Drive:
G1< Gc< G3
G2≈ Gc≈ G4
b . Xác định tải trọng đáy cho từng khoảng khoan (Gc)
* Xác định tải trọng đáy cho khoảng khoan từ 94,5÷ 160m:
- Tải trọng nhỏ nhất để choòng phá huỷ đất đá trong miền phá huỷ thể tích được tính
theo công thức:
G1 = F.σ

(4.3)

Tra bảng ta tính chọn được các thông số:
Giới hạn bền nén của đất đá ở tầng Neogen, Đệ tứ :
σ = 10 kG/mm2
Diện tích tiếp xúc của răng choòng với đất đá ở đáy lỗ khoan:
F=

n t .D c .K
2
(4.4)

Hệ số phủ của răng choòng: nt = 1,5
Hệ số mòn của choòng: K = 1,1
Đường kính choòng khoan: Dc = 914,4 mm
71

Thay các thông số trên vào công thức tính F ta được:
F==754,38mm2=7,5438cm2
Vậy ta tính được tải trọng: G1 = 50.7,5438 = 377,19 kG = 0,37719 Tấn
- Tải trọng làm việc định mức của choòng khoan G2:
G2 = G T . D c
Tra bảng ta có:
Tải trọng riêng: GT = 200 kG/cm
Đường kính choòng: Dc = 914.4 mm
Vậy ta tính được tải trọng làm việc định mức của choòng:
G2 = 200. 91,44= 18280 kG = 18,280 Tấn
- Tải trọng cho phép tác động lên choòng: G3 = 23 Tấn
- Tải trọng thống kê: G4 = 5 Tấn
Tải trọng đáy cho khoảng khoan từ 94÷ 160m phải thoả mãn điều kiện:
G1< Gc< G3
G2≈ Gc≈ G4
Tuy nhiên, khoảng khoan này sử dụng choòng khoan có đường kính lớn nên yêu cầu
về công suất phá huỷ đất đá lớn. Do đó, để đảm bảo cho động cơ khoan đủ công suất để
quay cột cần khoan và phá huỷ đất đá ta chọn tải trọng đáy cho khoảng khoan này là: G c =
2.5÷ 5 T.
* Tương tự như trên, ta tính được tải trọng đáy cho các khoảng khoan khác, kết quả
tính toán này được thể hiện trong bảng sau:

72

Bảng 4.2. Tải trọng lên choòng cho các khoảng khoan
Khoảng Khoan (m)

Tải trọng lên choòng
Gc (T)
2,5 ÷ 5
2,5 ÷ 7,5
5 ÷ 12,5
10 ÷ 15
18 ÷ 20

94,5÷ 160
160÷ 750
750 ÷ 2096
2096÷ 3446,5
3446,5÷ 3461,5
4.2.3. Xác định tốc độ vòng quay n.
a. Phương pháp tính toán

 Xác định tốc độ quay cho phương pháp khoan bằng động cơ Top Drive:
Để xác định tốc độ quay cho phương pháp khoan Top Driver ta phải căn cứ vào các
yếu tố sau :

- Tính chất cơ lý của đất đá ( phá hủy dẻo hay phá hủy mòn )
- Độ cứng vững của cột cần
- Số tốc độ quay của bộ phận tạo quay
- Kinh nghiệm các giếng khoan trước đó
Ta có :

- Tốc độ quay cực đại khi khoan có thể được tính dựa theo công thức cân bằng công
suất:
Nmax = Nbm + Nkt + Nc(4.8)
Trong đó:
Nmax: Công suất cực đại của động cơ Top Drive (HP) .
Nbm: Công suất tiêu thụ bề mặt (HP).
Nbm = a1.nmax + a2.nmax2
a1, a2: Các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào kiểu truyền động của động cơ. Với kiểu
truyền động qua hộp giảm tốc hai động cơ:
a1 = 25.10-3
a2 = 0,12.10-3
73

nmax: Tốc độ quay cực đại của động cơ. (vòng/phút)
Nkt: Công suất quay cột cần không tải (HP).
Nkt = c.γd.Dc2.nmax1,7.L

(4.9)

c: Hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng.
Bảng 4.3. Hệ số độ cong C của giếng khoan.
STT
1
2
3
4
5
6

Góc
3
6
10
17

Hệ số C
18,8.
22,6 ÷ 28,8.
30,8 ÷ 34,3.
35,2 ÷ 40,3.
41,5 ÷ 46,6.
47,5 ÷ 52,2.



16°
25°
°

γd: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan. (T/m3)
Dc: Đường kính choòng khoan. (m)
L: Chiều dài thân giếng. (m)
Nc: Công suất tiêu thụ ở choòng (mã lực)
Nc = 34,2.10-4.K.Gc.Dc.nmax

(4.10)

K: Hệ số mòn của choòng. K = 1÷ 1,5
Gc: Tải trọng đáy. (T)
- Từ tốc độ quay nmax tìm được kết hợp với kinh nghiệm của các giếng khoan trước đó,
và giá trị n tối ưu khi sử dụng choòng chóp xoay ( đối với choòng chóp xoay giá trị này
thường lấy n 60 nhằm tăng tuổi thọ cho choòng). Ta chọn tốc độ quay hợp lý của choòng
khoan (n) cho các khoảng khoan sao cho tốc độ quay này vẫn thoả mãn điều kiện: n ≤ nmax
và thử giá trị Lcf cho các khoảng khoan.
Chiều dài cho phép chuyển tốc độ :
Lcf = (m) (4.11)
Nếu chiều sâu lỗ khoan lớn hơn chiều sâu cho hpép thì chúng ta chuyển sang sang
chọn tốc độ vòng quay lớn hơn.
b.Xác định tốc độ vòng quay cho từng khoảng khoan.
74

Xác định tốc độ quay cho khoảng khoan từ 160 – 750m
Khoảng này khoan bằng phương pháp khoan TopDrive. Do vậy áp dụng các công thức
tính n cho phương pháp này ta có:
Đầu quay Top Driver NOV-TDS 8SA, công suất cực đại của động cơ: Nmax = 1150
(mã lực)
Công suất tiêu thụ bề mặt. Áp dụng công thức (4.11)
Nbm =25.10-3.nmax +0,12.10-3.n2max
Thay các giá trị sau vào công thức (4.11) ta có:
Vì vậy chọn:

c = 52,2.10-5

γ = 1.08 T/m3
Dc = 0,66 m
L = 750 m
Nkt = 52,2.10-5.1,08.0,662.n1,7max.750 = 0,184.n1,7max
Nc: Công suất tiêu thụ của choòng áp dụng công thức (4.11)
K=1
G = 5 tấn = 5000 kg
Dc = 0,66 m
Nc = 34,2.10-4.1.5000.0,66.nmax = 11,286.nmax
Tốc độ quay cực đại của choòng là nghiệm của phương trình:
Nmax = Nbm + Nkt + Nc
1150 = 25.10-3.nmax + 0,12.10-3.n2max +0,184n1,7max + 11,286.nmax
1150 = 0,12.10-3.n2max + 0,184n1,7max + 11,311 nmax
Giải phương trình ta được nmax = 75,86 (v/ph)
Từ tốc độ quay nmax tính được kết hợp với kinh nghiệm khoan của các giếng trước đó
và giá trị tối ưu khi khoan bằng choòng chóp xoay n ≥ 60 (v/ph) ta chọn tốc độ quay hợp lý
của choòng trong khoảng khoan này là:
n = 60 – 75 (v/ph)
Chiều dài cho phép chuyển tốc độ:
75

1150 − ( 25.10 −3.75 + 0,12.10 −3.75 2 + 34,2.10 −4.1.7000.0,66.75)
18,8.10 −5.1,05.0,66 2.751,7

Lcf =

= 793 (m)

Từ đây ta thấy Lcf lớn hơn chiều sâu lỗ khoan ở đoạn này là 750m.
Tính toán tương tự cho các khoảng khoan ta có bảng 4.5.
Bảng 4.4: Tốc độ quay của choòng khoan ở các khoảng khác nhau:
Khoảng khoan (m)

Tốc độ vòng quay
(v/ph)

Từ

Đến

94,5

160

50 ÷ 65

160

750

60 ÷ 75

750

2096

70 ÷ 80

2096

3446,5

60 ÷ 80

3446,5

3461,5

50 ÷ 60

76

CHƯƠNG 5: DUNG DỊCH KHOAN
5.1.Chức năng của dung dịch khoan
Dung dịch khoan là một yếu đặc biệt quan trọng trong quá trình thi công các giếng
khoan, nó góp phần nâng cao hiệu quả thi công giếng khoan và giảm các phức tạp trong
khoan một cách đáng kể khi được sử dụng một cách hợp lý. Dung dịch khoan có các chức
năng như sau:
 Nâng mùn khoan lên mặt đất:
Như chúng ta đã biết, trong công nghệ khoan, quá trình phá huỷ đất đá bằng mũi
khoan là quá trình đầu tiên. Khi phá huỷ đất đá, các mảnh đất đá có kích thước khác nhau
(gọi là mùn khoan) được răng mũi khoan tạo ra ngày càng nhiều và tích tụ trên đáy giếng.
Nếu mùn khoan không được tách kịp thời ra khỏi đáy giếng và vận chuyển lên bề mặt thì
mũi khoan không thể tiếp tục thực hiện quá trình phá huỷ đất đá,nghĩa là, công nghệ khoan
phải huỷ bỏ. Chính vì vậy, việc tách và vận chuyển mùn khoan từ đáy giếng lên bề mặt là
nhiệm vụ và chức năng quan trọng và chủ yếu nhất của dung dịch khoan. Như vậy, chức
năng cơ bản,chủ yếu của “Hệ thống tuần hoàn dung dịch khoan” là phải đảm bảo đưa được
dung dịch khoan xuống đến đáy lỗ khoan để tách và vận chuyển mùn khoan lên bề mặt.
 Giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn dung dịch:
Trong quá trình khoan, do sự cố và hiện tượng phức tạp có thể xẩy ra hoặc phải ngừng
khoan để thực hiện các công đoạn kỹ thuật,công nghệ như: tháo lắp cần khoan, ống chống…
Trong những trường hợp này, phải ngừng tuần hoàn dung dịch khoan. Khi ngừng tuần hoàn
dung dịch khoan, các hạt mùn khoan do trọng lượng bản thân của nó, mà lắng chìm xuống
đáy lỗ khoan,gây nên hiện tượng kẹt bó bộ dụng cụ đáy với các mức độ nặng nhẹ khác
nhau, nhiều khi không cứu chữa được,phải huỷ bỏ lỗ khoan. Chính vì vậy, dung dịch khoan
phải có chức năng giữ hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn.
 Làm mát và bôi trơn bộ dụng cụ:
Thời gian làm việc của choòng ở đáy giếng (gọi là độ bền của choòng ) phụ thuộc vào
độ bền mòn của răng và ổ tựa của các chóp xoay. Trong quá trình phá vỡ đất đá ở đáy giếng,
do ma sát giữa răng và đất đá,mà choòng bị đốt nóng. Điều này đã làm cho răng mũi khoan
và ổ tựa của chóp bị mài mòn rất nhanh chóng, làm giảm thời gian làm việc của choòng,
làm giảm hiệu quả của công nghệ khoan giếng. Để khắc phục hiện tượng này, cần phải đưa
77