Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 7: KIỂM TOÁN THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

CHƯƠNG 7: KIỂM TOÁN THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

Tải bản đầy đủ

Poc Pdt[n2] (7.4)
Trong đó:
[P]đn : lực kéo cho phép mà tại giá trị này đầu nối ống chống bị biến dạng (N).
pt : trọng lương 1m chiều dài cột ống chống (kg/m).
lt : Chiều dài của đoạn ống chống có cùng chiều dài và mác thép (m).
[P]oc : Lực kéo cho phép mà tại giá trị này thân ống chống biến dạng (N).
Pdn : Áp suất dư ngoài (at).
Pdt : Áp suất dư trong (at)
Poc : Áp suất dư trong cho phép mà tại giá trị này ống chống đạt giá trị bền của vật
liệu (at).
n1 : hệ số dự phòng đối với áp suất dư ngoài ; n1 = 1,3.
n2 : hệ số dự phòng đối với áp suất dư trong; n2= 1,3.
Mặt khác, trong thực tế nhằm đảm bảo cho quá trình thả ống diễn ra nhanh chóng và
thuận lợi, đối với mỗi cột ống chống người ta thường chỉ sử dụng một loại mác thép với độ
dày và độ bền phù hợp. Tuy nhiên, để đảm bảo về độ bên kéo thì đoạn trên cũng nên chọn
ống chống có bề dày lớn. Đồng thời, với mục đích giảm nguy cơ gây sự cố cho ống chống
do mài mòn của cột cần khoan thì đoạn dưới cùng của ống chống cũng nên chọn ống chống
có bề dày lớn.
7.1.2 Lựa chọn các cột ống chống.
Theo kinh nghiệm của các giếng khoan trước đây của vùng mỏ và với khả năng cung
cấp ống chống của Xí Nghiệp, ta có thể chọn mác thép cho các cột ống chống như sau:
 Ống định hướng.
Ống này có đường kính là 762mm. Ống này có chiều sâu nhỏ (160m) nên áp lực dư
bên trong và bên ngoài tác dụng lên ống chống này không lớn. Theo kinh nghiệm của các
giếngkhoan trước ta chọn mác thép X-56, bề dày của ống chống là 25,4mm(1 inch), trọng
lượng của một mét ống chống là 310 (ppf). Các đoạn ống chống được nối với nhau bằng ren
Lynx SaII & ST-2 và gia cố thêm bằng các mối hàn.
 Cột ống dẫn hướng.

114

Chiều sâu đặt đế ống chống là 750m, đường kính ống chống là 508mm, tương tự như
ống định hướng ta chọn ống dẫn hướng có mác thép là X-56, bề dày của ống chống là
15,875mm(0,625 inch), trọng lượng một mét ống chống là 133(ppf). Các đoạn ống chống
được nối với nhau bằng ren Leopard SDIF.
 Cột ống trung gian.
Ống có đường kính 340mm, chân đế ống đặt tại chiều sâu 2516m, ống chống này sử
dụng mác thép N-80, bề dày ống là 12,192mm(0,48 inch), trọng lượng một mét cột ống
chống là 68(ppf). Các đoạn ống chống được nối với nhau bằng đầu nối kiểu BTC.
 Cột ống Khai thác. Chân ống đặt tại chiều sâu 4368 m, đường kính ống chống là
245mm, ống này sử dụng mác thép P-110, bề dày của ống là 11,99mm(0,472 inch).
Trọng lượng của một mét cột ống là 47(ppf). Các đoạn ống chống được nối bằng
kiểu đầu nối JFE bear. Tổng hợp các thông số kỹ thuật của ống chống thi công cho
giến giếng KTN-5X.
Các thông số

Đơn vị

Đặc điểm
Định
hướng
762
X-56

Dẫn hướng

Trung gian

Khai thác

508
X-56

340
N-80

245
P-110

kG/m

465

199,5

102

70,5

Bề dày

mm

25,4

15,876

12,192

11,989

Ứng suất
bóp méo

MPa

11,41

10,15

15,82

37,1

Ứng suất nổ
ống

Mpa

21,2

21,42

35,14

66,08

T

2132

1039,5

700,2

671,85

ống chống

mm

Mác thép
Trọng lượng
/ 1 m cột
ống

Tải trọng
kéo đứt

Bảng 7.1.Thông số kỹ thuật của các ống chống trong giếng KTN-5X
Đầu nối ứng với các ống chống phía trên

115

Bảng. 7.2 thông số kỹ thuật của các đầu nối ống chống trong giếng KTN-5X
Các thông
số

Đơn vị

Đặc điểm
Lynx SA

Leopard
SDIF

BTC

JFE Bear

mm

807,72

546,1

365,125

266,319

mm

698,5

476,25

MPa

11,41

MPa

24,5

T

1440

Loại đầu nối
Đường kính
ngoài
Đường kính
trong
Ứng suất
bóp méo
Ứng suất
gây nổ
Tải trọng
kéo đứt

225,095
15,82

37,1

23,1

35,14

66,08

963

713.25

671,85

7.1.3 Phương pháp kiểm toán.
a. Kiểm toán cho cột ống trung gian.
Đối với các cột ống trung gian ta tính toán chúng theo tải trọng kéo cho phép và kiểm
tra lại theo ứng suất dư trong và dư ngoài.
Khi tính toán chúng ta xem rằng tai thời điểm cuối cùng của quá trình trám xi măng,
lực kéo căng của ống chống đạt tới già trị cực đại, lực kéo căng sinh ra do trọng lượng bản
thân của cột ống chống ở trạng thái treo và lực phụ sinh ra trong thời điểm kết thúc bơm
trám, nút trám trên tỳ lên nút trám dưới ở vòng dừng.
Tại một thời điểm nào đó ở chiều sâu z của ống lực kéo căng có giá trị:
Qz= Q’ + Qph (7.5)
Trong đó:
Q’: Lực kéo căng do trọng lượng bản thân cột ống (T).
Qph: Tải trọng phụ sinh ra trong gian đoạn cuối của quá trình bơm trám(T)

Qph = (Pth + Pd)

0,785.d 2 tr
4

(7.6)

Pth: Tổn thất áp suất do sự tuần hoàn của dung dịch (at).
Pth = 0,02H+ 16at

(7.7)
116

Pd: áp suất dư sinh ra khi nút trám hai tỳ lên vòng dừng,
H: chiều sâu cột chống ống. (m)
Để cột ống chống đảm bảo độ bền thì

Qz ≤ Qcf =

Pd
n1

(7.8)

Trong đó:
Qcf : tải trọng kéo cho phép của ống chống (T).
Pd: Ứng lực tới hạn đứt mối nối ren (T)
n1: hệ số dự trữ bền đối với tải trọng kéo. n1 = 1,7
Ứng lực kéo của cột ống chống có giá trị bé nhất ở phần dưới cùng của cột ống chống,
tăng dần theo chiều dài của ống và đạt tới giá trị cực đại ở phần trên cùng (hình 7.1). Do cột
ống chống này ta chọn là cùng một loại thép do vậy chiều dài của ống chống là tăng dần từ
dưới lên.

Hình 7.1 Sơ đồ ứng suất kéo của cột ống
Do sau khi chống cột ống chống này, giếng khoan vẫn tiếp tục làm việc và cột cần
khoan sẽ quay xung quanh cột ống chống nên có thể xảy ra hiện tượng tháo ren và mài mòn
phía dưới cột ống chống. Do đó phần dưới cùng của cột ống chống trung gian phải chọn một
đoạn có chiều dài 1a = 70m có bề dày thành lớn nhất. Trọng lượng của đoạn ống này sẽ là:
Qa= la.pa (7.9)
117

Đoạn ống chống tiếp đó sẽ là đoạn có bề dày thành bé nhất. Chiều dài đoạn ống này sẽ
giới hạn bằng độ bền của chúng. Gọi l1 là chiều dài đoạn ống đó ta có :

l1.q1 + la.qa + Qph = Qcf =

Pd
n1

Qcf1 − (Qa + Q ph )

hay:

q1

l1 =

(m)

(7.10)

Trong đó:q1 va qa là trọng lượng của 1 mét ống của các đoạn tương ứng (kG/m).
Cứ như vậy ta tính được chiều dài đoạn ống tiếp theo ở phía trên sẽ là:
QcfII − (Qa + Q ph + l1q1)

QcfII − QcfI

q2

q2

l2 =

=

(m)

(7.11)

Qcfn − Qcfn−1
q

ln =

(m)

(7.12)

Mặt cắt của cột ống chống sẽ có dạng như hình (7.2)

Hình 7.2 Trắc diện cột ống theo tải trọng kéo
Khi nào tính được tổng chiều dài các đoạn từ 1q + l1 + l2 +... bằng chiều dài của cột ống
chống theo thiết kế thì kết thúc.
Sau khi tính toán ống theo tải trọng kéo cho phép của ống, chúng ta tiến hành kiểm tra
độ bền của ống chống đối với áp suất dư bên ngoài và bên trong.
118

Nếu sau khi thả ống trung gian và tiếp tục khoan với dung dịch nặng hơn dung dịch đã
khoan thì áp suất bên trong thực tế sẽ tính theo công thức:

Pdt =

γ na − γ nh
10

.Hx

(7.13)

Trong đó
γna và γnh : Trọng lượng riêng của dung dịch nặng và dung dịch nhẹ (G/.
Hx: KHỏng cách từ cột ống chống đến đoạn ống kiểm tra , lức là đoạn ống có thành bề
dày bé nhất (m).
Kiểm tra hệ số dự trữ bền với áp suất dư bên trong:

n3 =

PT
Pdt

(7.14)

PT - Áp suất tới hạn bên trong của ống (at).
Pdt - Áp suất dư trong (at).
Chúng ta cần phải tính áp suất cực đại xuất hiện tại thời diểm cuối của quá trình bơm
trám.
Px= 0,1 (Hx – h) (γdx – γd) + (0,02H + 16) (7.15)
Trong đó:
Hx: Chiều cao trám (m).
h: Chiều cao cốc xi măng (m).
γdx và γd rọng lượng riêng dung dịch xi măng trám và dung dịch khoan (G/
Khi đó hệ thống dự trữ bền:

n3 =

PT
Px

≥ 1,3 (7.16)

Chiều cao cho phép hạ mức chất lỏng trong ống được xác định.

H0 =

10 Pbm
γ d .n2

119

(7.17)

Áp suất bên ngoài được tính như sau:

Pn =

H x (γ na − γ nh )
10

(7.18)

Hệ số dự trữ bóp méo ống:

n2 =

Pbm
Pn

≥ 1,3 (7.19)

Trong đó:Pbm: Ứng suất tới hạn bên ngoài bóp méo ống chống (MPa)
b. Tính toán cột ống chống khai thác
Trong thời gian thả cũng như trong suốt quá trình làm việc, ống chống khai thác chịu
những ứng lực chủ yếu sau:
- Lực kéo do trọng lượng bản thân cột ống và tải trọng phụ
- Áp suất bên ngoài do cột thủy tĩnh bên ngoài cột ống
- Áp lực bên trong
Áp lực bên ngoài lớn nhất trong trường hợp bên trong không có dung dịch. Tính toán
cột ống chống khai thác theo ứng suất bóp méo và kiểm tra ứng lực kéo tới hạn và áp suất
dư bên trong của ống.
Thông số ban đầu:
Đường kính ống: (D) mm
Chiều dài ống: (l) m
Trọng lượng riêng của dung dịch γd (G/cm3)
Chiều cao hạ thấp mức chất lỏng trong ống (H0) m
Khi tính toán luôn coi mực chất lỏng trong ống chống luôn đầy, còn bên trong thì chỉ
có từng phần hoặc hoàn toàn không có. Ta thấy áp suất bên ngoài có giá trị lớn nhất ở phần
dưới và giảm dần tới miệng. Do đó đoạn trên ta chọn được ống có chiều dày nhỏ nhất và
tăng dần từ trên mặt xuống đáy lỗ khoan.
Trong mọi trường hợp thì ống chống cũng phải thỏa mãn điều kiện:
Hth (Z) ≤ Hcf (Z)

(7.20)

Hth (Z), Hcf (Z): Chiều sâu thực tế và chiều sâu cho phép thả ống.
120

Khi bên trong ống chống không có chất lỏng. Chiều sâu cho phép thả đối với đoạn ống
thứ n được xác định như sau:

Hcf =

n
10 Pbm
γ n .n2

(7.21)

Trường hợp chất lỏng trong ống chỉ hạ xuống một phần (hình 7.3) thì vùng bên trong
có chất lỏng là H0 ≤ Z ≤ L. Khi đó:
H cfn

=

n
10 Pbm
− H 0 .γ t .n2
n2 .( γ n − γ t )

(7.22)

Trong đó:
γn và γt: Trọng lượng riêng của dung dịch ở trong và ngoài cột ống.

Hình 7.3 Hạ thấp mực chất lỏng trong giếng
Cả hai trường hợp trên trắc diện cột ống chống sẽ có dạng như hình (7.4) và chiều dài
của mỗi đoạn sẽ là:
l1 = H1cf
l2 = H2cf - H1cf
H cfn−1

ln = Hncf –

(7.23)

121

Hình 7.4 Trắc diện cột ống theo áp suất ngoài
Sau khi tính toán cột ống theo áp suất bên ngoài, tiến hành kiểm tra độ bền kéo ở mối
nối ren phía trên và dưới của mỗi đoạn. Nếu đoạn này hệ số dự trữ bền với tải trọng kéo n 1
quá thấp dưới giới hạn cho phép thì chuyển sang tính toán cột ống từ đó trở lên theo tải
trọng kéo cho phép ở mối nối. Phương pháp kiểm tra như sau:
Đối với đoạn thứ l1, kiểm tra độ bền kéo ở đầu nối phía trên và phía dưới.

Đầu nối trên:

Pd1
Qth

≥ n1

(7.24)

Trong đó:
Pd1

: Lực kéo căng của mối nối ren đoạn ống thứ nhất (T)

Qth: Trọng lượng thực tế của cột ống chống đã chọn theo áp suất bóp méo (T).
Qth = Q + Qph(7.25)
Q: Trọng lượng bản thân của cột ống đã chọn (T)
Qph: Tải trọng phụ xác định theo công thức (7.2)
Nếu hệ số dự trữ bền phần trên không thỏa mãn, tiếp tục kiểm tra đầu nối dưới của
đoạn ống l1:
Pd1
(Qth − Q1 )

Q1: Trọng lượng cột ống l1(T)
122

≥ n1 (7.26)

Nếu vẫn không thỏa mãn thì kiểm tra đoạn ống thứ l2
Đầu nối trên:
Pd2
(Qth − Q1 )

≥ n1 (7.27)

Đầu nối dưới:
Pd2
(Qth − Q1 − Q2 )

≥ n1

(7.28)

Nếu vẫn chưa thỏa mãn thì tiếp tục kiểm tra đến đoạn thứ i:
Khi đoạn ống thứ i thỏa mãn điều kiện của n 1 thì từ đó trở lên tiếp tục tính toán ống
theo tải trọng kéo cho phép giống như tính toán cột ống trung gian. Sau khi kiểm tra tải
trọng kéo xong ta tiến hành kiểm tra phần trên của cột ống với áp suất dư trong.
PT1
H .γ t
Pv −
10

≥ n1

(7.29)

7.1.4 Kiểm toán độ bền cho các cột ống chống
Cột ống dẫn hướng là cột ống có chiều sâu nhỏ vì vậy ứng suất bóp méo và ứng suất
nổ ống là rất nhỏ. Vì vậy theo kinh nghiệm người ta thấy với mác thép và chiều dày đã chọn
là đảm bảo cho giếng hoạt động bình thường trong quá trình khoan và khai thác.
 Cột ống trung gian (340 mm)
* Theo trắc diện thông thường cột ống trung gian ta thấy phần đế ống chống do khoan
phá xi măng sẽ chiều nhiều áp suất nhất. Vì vậy ta sẽ tính ống này từ dưới lên. Và tính theo
tải trọng kéo và kiểm tra theo ứng suất bóp méo ống và ứng suất nổ ống.
Theo công thức (7.7) ta có:
Chiều sâu thả của cột ống : H = 2520 m;
Khi đó : Q’ = 2520 .102 = 257,04(tấn)
Pth = 0,02.2520 + 16 = 66,4 (at)
Pd = 20 at
123

Dtr = 31,56 (cm) = 0,3156 (m)
Theo công thức (7.6) ta có: Qph = (66,4 + 20).(0,785.0,31562) = 6,75 (tấn)
Pd = 1556.0,45 = 700,2 (tấn)
n1 = 1,7
Qcf = = 411.88 (tấn)
Vậy theo công thức (7.5) ta có:
Qz = 257,04 + 6,75 = 263,79 (tấn)
Theo công thức (7.8) ta thấy Q z = 263,79 (tấn) < Qcf = 411,88 (tấn) thỏa mãn. Hay nói
cách khác cột chống ống chống đảm bảo độ bền kéo. Do cột ống chống này ta chọn cùng
một loại thép cho lên bề dày của ống sẽ tăng dần từ dưới lên. Chọn khoảng chiều dài l a –
70m với bề dày lớn nhất của mác thép N-80.
Lại có qa = 102kg/m do vậy theo công thức (7.9) ta có:
Trọng lượng đoạn ống có chiều dài la là :
Qa = 70.102 = 7,14(tấn).
Đoạn ống tiếp theo là đoạn ta chọn có bề dày nhỏ nhất tức là với chiều dài chọn là 9,65
mm và q1 = 78,56 kg/m. Gọi l1 là chiều dài của đoạn ống này.
QIcf = 366 (tấn)
366 − (7,14 + 6,75)
(0,07856)

Theo công thức (7.10) ta có: l1 =

= 4482 (m)

Từ đó ta có la + l1 = 4482 + 70 = 4552 (m) > H = 2520 m.
Vậy thỏa với theo N-80 và chiều dày chọn là 9,65 mm là thỏa mãn an toàn kéo cho
đoạn thứ 2.
Khi đó chiều dài của đoạn thứ hai sẽ là: l1 = H – la = 2520 – 70 = 2450 (m)
Ta thấy sau khi thả cột ống chống trung gian và tiếp tục khoan với dung dịch khoan có
tỷ trọng nặng hơn dung dịch khoan trước đó ở cột ống chống, thì áp suất bên trong thực tế
sẽ tính bằng công thức (7.13).
Kiểm độ bền của ống đối với áp suất dư ngoài và dư trong (gây nổ) ống.
Ta có: γxm = 1,896 G/cm3
124