Nghiên cứu chuyển động thực tế của các loại chất lỏng khoan khi thi công giếng khoan dầu khí thềm lục địa Nam Việt Nam

Nội dung text: Nghiên cứu chuyển động thực tế của các loại chất lỏng khoan khi thi công giếng khoan dầu khí thềm lục địa Nam Việt Nam

1. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Số 55 (2016) 1-7 Nghiên cứu chuyển động thực tế của các loại chất lỏng khoan khi thi công giếng khoan dầu khí thềm lục địa Nam Việt Nam Phạm Đức Thiên* Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Xác định chế độ chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và khoảng không Nhận bài 25/5/2016 vành xuyến giếng khoan là điều quan trọng để tính toán tổn thất năng Chấp nhận 30/7/2016 lượng thủy lực, quyết định đến hiệu quả khoan. Nội dung nghiên cứu của Đăng online 30/8/2016 bài báo là xác định chế độ chảy của chất lỏng khoan trong khoảng không vành xuyến và trong cột cần khoan dựa trên số liệu khoan thực tế khi thi Từ khóa: công các giếng khoan bể Cửu Long, Nam Côn Sơn thềm lục địa Nam Việt Thủy lực Nam. Từ lý thuyết thủy lực đã nghiên cứu về dòng chảy chất lỏng khoan, Chất lỏng khoan tác giả phát triển và hoàn thiện thêm và lập chương trình tính toán mô Chế độ thủy lực khoan phỏng bằng phần mềm Matlab. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy Độ nhớt chất lỏng khoan hầu hết các giếng khoan tại các bể Cửu Long và bể Nam Côn Sơn chất lỏng khoan chảy tầng trong khoảng không vành xuyến và chảy rối trong cột cần khoan. Đồng thời, cũng từ phương pháp tính toán mô phỏng của bài báo này có thể kiểm nghiệm thông số thiết kế chế độ thủy lực khoan, giúp cho kỹ sư thiết kế chế độ khoan điều chỉnh thông số nhằm có lợi nhất cho thi công. © 2016 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Đặt vấn đề chế độ khoan cũng có các quan điểm khác nhau. Vậy, trên cơ sơ các thông số chế độ Tính toán thủy lực giếng khoan là vấn đề khoan của các giếng khoan đã thi công ta cần tính quan trọng quyết định hiệu quả khoan. Khi thi toán kiểm nghiệm chế độ chảy của dòng chất công giếng khoan các thông số chế độ được tính lỏng khoan trong cột cần và khoảng không vành toán thiết kế nhằm đạt hiệu quả khoan cao nhất, xuyến (KKVX), đồng thời cũng cần kiểm nghiệm tuy nhiên không phải lúc nào các thông số thiết chế độ chảy của chất lỏng khoan đối với các giếng kế phục vụ thi công khoan cũng là các thông số khoan đã thiết kế thông số để phục vụ thi công có lợi nhất. Hiện nay, tại các mỏ dầu khí thềm lục khoan hiệu quả. địa Nam Việt Nam, chúng ta đã khoan hàng trăm giếng khoan. Trong quá trình khoan, qua các thời 2. Tổng hợp thông số chế độ khoan thực tế kỳ khác nhau, phương pháp tính toán thiết kế 2.1. Thông số lưu biến chất lỏng khoan ___ *Tác giả liên hệ. Hiện nay, tại thềm lục địa Nam Việt Nam qua E-mail: phamducthien@humg.edu.vn số liệu báo cáo của (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, Trang 1
2. Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7) 2010) các loại chất lỏng khoan sử dụng đa dạng, Việt Nam, 2010), bao gồm: 34 giếng bể Nam Côn được đo và thể hiện dưới 2 thông số là ứng suất Sơn, 73 giếng bể Cửu Long, có thể tổng kết theo trượt ban đầu và độ nhớt dẻo, tức là được mô tả Bảng 3. dưới dạng chất lỏng Bingham (Bảng 1, Bảng 2). Dựa vào thông số thực tế trong Bảng 3, ta tính được vận tốc trung bình của chất lỏng khoan 2.2. Thông số chế độ khoan thực tế chảy trong cột cần và KKVX. Trong quá trình Bằng xem xét số liệu báo cáo về thông số chế khoan coi chất lỏng khoan không bị mất đi và độ thi công các giếng khoan bởi các nhà thầu khác cũng không được bổ sung từ vỉa, kết quả tính nhau từ năm 2003 đến 2010 (Tập đoàn Dầu khí toán thể hiện trong Bảng 4. Bảng 1. Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Nam Côn Sơn Độ nhớt KLR chất lỏng Ứng suất ban STT Loại chất lỏng khoan dẻo µ , , kg/m3 đầu  , Pa p y Pa.s 1 SW/GEL/PAC 1114 8,1 0,0120 2 SW/GUAR GUM 1084 6,7 0,0210 3 VISKOPOL 1042 4,8 0,0235 4 VISKOPOL/PRE.BENTONITE 1090 8,1 0,0440 5 SW/POLYMER 1078 7,2 0,0120 6 KCL/PHPA 1108 8,4 0,0160 7 PAC/CMC 1132 7,2 0,0190 8 GEL/VISKOPOL/PRE.BENTONITE 1120 9,1 0,0475 9 GEL/CMC 1048 5,7 0,0325 10 ANCO 2000 1132 7,4 0,0175 11 KCL/POLYMER 1084 6,0 0,0185 12 ULTRADRIL 1174 11,3 0,0305 Bảng 2. Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Cửu Long KLR chất lỏng , Ứng suất ban Độ nhớt µp, STT Loại chất lỏng khoan kg/m3 đầu y, Pa Pa.s 1 ULTRADRIL 1210 5,3 0,0315 2 SW HIVIS SWEEP 1042 1,0 0,0030 3 KCL/POLYMER/IDCAP D 1282 6,2 0,0235 4 KCL/IDCAP/MUD 1174 6,5 0,0180 5 SPUD MUD 1078 5,3 0,0080 6 SOBM 1234 8,1 0,0180 7 OLEFIN SOBM 1234 11,3 0,0175 8 SBM 1318 14,6 0,0200 9 NaCl/BRINE 1150 3,4 0,0060 10 RDIF 1150 8,6 0,0225 11 KCL/POLYMER 1108 6,9 0,0235 PREHYDRATED BENTONITE 12 1019 4,6 0,0175 HIVIS PIL 13 KCL/POLYMER/LCM 1108 8,4 0,0270 14 SW/GUA GUM/CMC 1150 10,3 0,0380 15 SW/GUA GUM/GEL/CMC 1090 6,7 0,0155 16 GEL/POLYMER 1090 4,8 0,0245 17 GEL/CMC 1078 5,5 0,0155 Trang 2
3. Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7) Bảng 3. Thông số thi công giếng khoan tại thềm lục địa Nam Việt Nam Cấp đường kính giếng Đường kính cần khoan Lưu lượng bơm inch mm inch mm gpm l/s 26 660,4 5 127 10001100 63,169,4 17 ½ 444,5 5 127 6931033 43,765,2 12 ¼ 311,15 5 127 628855 39,653,9 8 ½ 215,9 5 127 500606 31,538,2 6 152,4 3 ½ 88,9 230245 14,515,5 Bảng 4. Vận tốc trung bình của dòng chất lỏng chảy trong cột cần và KKVX Cấp đường Đường kính cần khoan, mm Vận tốc chất lỏng khoan, m/s kính giếng, Đường kính Đường kính Trong KKVX (v ) Trong cột cần (v ) mm ngoài trong a p 660,4 127 108,5 0,19 0,21 6,83 7,51 444,5 127 108,5 0,31 0,46 4,73 7,06 311,15 127 108,5 0,63 0,85 4,29 5,83 215,9 127 108,5 1,32  1,6 3,41 4,13 152,4 88,9 70,2 1,21 1,29 3,75 4,01 3. Phương pháp xác định chế độ chảy trong đó: ep- độ nhớt tương đương Newton Năm 1883 Reynolds nghiên cứu đưa ra số chảy trong cột cần; ea- độ nhớt tương đương Reynolds và số Reynolds giới hạn để xác định Newton chảy trong KKVX; vp- vận tốc chất lỏng chế độ chảy đối với chất lỏng Newton là 2320, trong cột cần; va- vận tốc chất lỏng trong KKVX; nếu dòng chảy có số Reynolds nhỏ hơn giá trị y - ứng suất trượt ban đầu; p- độ nhớt chất này ta có chảy tầng, lớn hơn ta có chảy rối. lỏng khoan; Dip - đường kính trong cột cần Chất lỏng khoan là chất lỏng phi Newton. khoan; Dop - đường kính ngoài cột cần khoan; Để ứng dụng xác định chế độ chảy theo Dh - đường kính giếng khoan. Reynolds ta phải tìm được độ nhớt chất lỏng Sau khi có độ nhớt tương đương Newton, phi Newton tương đương chất lỏng Newton. số Reynol được tính: Bằng nghiên cứu, theo (Phạm Đức Thiên, - Chảy trong cột cần: 2011) đã đưa ra được Phương trình xác định vp Dip Re p (3) độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng ep phi Newton. Theo đó, ta có Phương trình tính - Chảy trong khoảng không vành xuyến: toán độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng khoan (chất lỏng Bingham) chảy trong cột va Dt cần và KKVX giếng khoan. Re a (4)  - Chảy trong cột cần: ea trong đó: 2Dip y   (1) - khối lượng riêng chất lỏng khoan; Dt - e p p 3v p đường kính thủy lực KKVX, Dt = Dh - Dop. - Chảy trong KKVX: Kết quả tính được số Reynolds sẽ so sánh 3  3  với số Reynolds giới hạn để kết luận trạng thái  p y (2) ea 2 chảy. 2 Dh Dop 16 va Dh Dop Trang 3
4. Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7) Bảng 5. Trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong KKVX Loại chất lỏng v Độ nhớt tương Trạng thái a Số Reynolds khoan m/s đương Newton Pa.s chảy 0,19 0,21 0,08550,0834 13211497 Tầng 0,31 0,46 0,20140,0194 544839 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 0,55020,5452 235319 Tầng SW/GEL/PAC 1,32  1,6 2,29672,2934 5769 Tầng 1,21 1,29 4,49334,4915 1921 Tầng 0,19 0,21 0,01380,3056 352399 Tầng Chất lỏng khoan 0,31 0,46 0,73850,7112 145224 Tầng VISKOPOL/ 0,63 0,85 2,01741,999 6385 Tầng PRE,BENTONITE 1,32  1,6 8,42138409 1518 Tầng 1,21 1,29 16,475116,4687 56 Tầng 0,19 0,21 0,13530,1320 848961 Tầng 0,31 0,46 0,31890,3071 349538 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 0,87110,8632 151205 Tầng PAC/CMC 1,32  1,6 3,63653,6312 3744 Tầng 1,21 1,29 7,11447,1115 1213 Tầng 0,19 0,21 0,12460,1216 9201043 Tầng 0,31 0,46 0,29370,2829 379585 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 0,80240,7950 164223 Tầng ANCO2000 1,32  1,6 3,34943,3445 4048 Tầng 1,21 1,29 6,55276,5501 1314 Tầng 0,19 0,21 0,13180,1285 834945 Tầng 0,31 0,46 0,31050,2990 344529 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 0,84820,8405 148202 Tầng KCl/POLYMER 1,32  1,6 3,50803,5356 3647 Tầng 1,21 1,29 6,69276,9244 1213 Tầng 0,19 0,21 0,22430,2188 547619 Tầng 0,31 0,46 0,52870,5092 225347 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 1,44431,4311 97132 Tầng UTRADRIL 1,32  1,6 6,02896,0201 2429 Tầng 1,21 1,29 11,7949117901 89 Tầng 0,19 0,21 0,16740,1632 776880 Tầng Chất lỏng khoan 0,31 0,46 0,39440,3799 320493 Tầng KCL/POLYMER/ID 0,63 0,85 1,07751,0676 138188 Tầng CAP D 1,32  1,6 4,49784,4912 3441 Tầng 1,21 1,29 8,79948,7958 1112 Tầng 0,19 0,21 0,05700,0556 19172173 Tầng 0,31 0,46 0,13430,1293 7901217 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 0,36680,3634 341464 Tầng SPUD MUD 1,32  1,6 1,53121,5289 82100 Tầng 1,21 1,29 2,99552,9943 2830 Tầng 0,19 0,21 0,12460,1216 10031137 Tầng Chất lỏng khoan 0,31 0,46 0,29370,2829 414637 Tầng OLEFIN SOBM 0,63 0,85 0,80240,7950 178243 Tầng 1,32  1,6 3,34943,3445 4352 Tầng Trang 4
5. Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7) 1,21 1,29 6,55276,5501 1516 Tầng 0,19 0,21 0,16740,1632 671760 Tầng 0,31 0,46 0,39440,3799 276426 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 1,07751,0676 119163 Tầng KCL/POLYMER 1,32  1,6 4,49784,4912 2935 Tầng 1,21 1,29 8,79948,7958 1011 Tầng 0,19 0,21 0,12460,1213 829939 Tầng Chất lỏng khoan 0,31 0,46 0,29370,2829 342526 Tầng PREHYDRATED 0,63 0,85 0,80240,7950 147201 Tầng BENTONITE Tầng HIVIS PIL 1,32  1,6 3,34943,3445 3644 1,21 1,29 6,55276,5501 1213 Tầng 0,19 0,21 0,17450,1702 633717 Tầng 0,31 0,46 0,41120,3960 261402 Tầng Chất lỏng khoan 0,63 0,85 1,12331,1131 113154 Tầng GEL/POLYMER 1,32  1,6 4,68924,6823 2733 Tầng 1,21 1,29 9,17389,1701 910 Tầng Bảng 6. Trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần khoan Loại chất lỏng v Độ nhớt tương Trạng thái p Số Reynolds khoan m/s đương Newton Pa.s chảy 6,83 7,51 0,09780,0900 844210084 Rối 4,73 7,06 0,13590,0950 42088934 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,14860,1125 34906264 Rối SW/GEL/PAC 3,41 4,13 0,18380,1539 22423244 Rối 3,75 4,01 0,11310,1065 25932944 Rối 6,83 7,51 0,12980,0220 62347279 Rối Chất lỏng khoan 4,73 7,06 0,16790,1270 33226575 Rối VISKOPOL/ 4,29 5,83 0,18060,1445 28094771 Rối PRE,BENTONITE 3,41 4,13 0,21580,1859 18682628 Tầng, Rối 3,75 4,01 0,14510,1385 19772215 Tầng 6,83 7,51 0,09530,0883 880710441 Rối 4,73 7,06 0,12910,0928 45009347 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,14040,1083 37536610 Rối PAC/CMC 3,41 4,13 0,17170,1451 24393496 Rối 3,75 4,01 0,10890,1030 27383093 Rối 6,83 7,51 0,09590,0888 875010390 Rối 4,73 7,06 0,13070,0933 44619292 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,14230,1093 37046551 Rối ANCO2000 3,41 4,13 0,17450,1471 24013448 Rối 3,75 4,01 0,10990,1039 27133068 Rối 6,83 7,51 0,08200,0763 979111578 Rối 4,73 7,06 0,11030,0800 504610383 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,11970,0929 42177377 Rối KCl/POLYMER 3,41 4,13 0,14580,1236 27513931 Rối 3,75 4,01 0,09340,0881 30563447 Rối Chất lỏng khoan 6,83 7,51 0,08760,0825 1023311944 Rối UTRADRIL 4,73 7,06 0,11260,0858 551710830 Rối Trang 5
6. Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7) 4,29 5,83 0,12090,0973 46607870 Rối 3,41 4,13 0,14390,1243 31114361 Rối 3,75 4,01 0,09760,0934 32623649 Rối 6,83 7,51 0,08920,0832 1065512553 Rối Chất lỏng khoan 4,73 7,06 0,11830,0870 556111285 Rối KCL/POLYMER/ 4,29 5,83 0,12800,1004 46618075 Rối IDCAP D 3,41 4,13 0,15500,1321 30604349 Rối 3,75 4,01 0,10090,0959 33453765 Rối 6,83 7,51 0,06410,0590 1245714876 Rối 4,73 7,06 0,08910,0623 621313254 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,09740,0738 51549245 Rối SPUD MUD 3,41 4,13 0,12040,1008 33124794 Rối 3,75 4,01 0,07410,0699 38284344 Rối 6,83 7,51 0,13720,1263 66677959 Rối 4,73 7,06 0,19030,1333 33297093 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,20800,1577 27614950 Rối OLEFIN SOBM 3,41 4,13 0,25720,2154 17752567 Tầng, Rối 3,75 4,01 0,15850,1494 20492325 Tầng, Rối 6,83 7,51 0,09660,0900 850210036 Rối 4,73 7,06 0,12900,0942 44079011 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,13980,1091 36886424 Rối KCL/POLYMER 3,41 4,13 0,16990,1443 24133440 Rối 3,75 4,01 0,10960,1040 26612998 Rối 6,83 7,51 0,06620,0618 1140413434 Rối Chất lỏng khoan 4,73 7,06 0,08780,0646 595312078 Rối PREHYDRATED 4,29 5,83 0,09510,0746 49908644 Rối BENTONITE HIVIS PIL 3,41 4,13 0,11510,0981 32764656 Rối 3,75 4,01 0,07490,0712 35814030 Rối 6,83 7,51 0,07530,0707 1072212257 Rối 4,73 7,06 0,09790,0737 571411332 Rối Chất lỏng khoan 4,29 5,83 0,10540,0841 48128203 Rối GEL/POLYMER 3,41 4,13 0,12630,1086 31924499 Rối 3,75 4,01 0,08440,0805 34003811 Rối 4. Tính toán trạng thái chảy của chất lỏng toán mô phỏng được thực hiện bằng phần khoan trong cột cần và khoảng không mềm Matlab. vành xuyến giếng khoan theo số liệu khoan thực tế 4.2. Kết quả tính toán 4.1. Nguyên tắc tính toán Theo kết quả mô phỏng Bảng 5, Bảng 6 cho các loại chất lỏng khoan sử dụng cho các bể Dựa vào vận tốc trung bình của chất lỏng Nam Côn Sơn, bể Cửu Long tính lưu biến mô tả khoan trong cột cần và KKVX (Bảng 4), căn cứ dưới 2 thông số (chất lỏng Bingham) cho thấy vào đặc tính của các loại chất lỏng khoan (Bảng chất lỏng khoan chảy tầng trong KKVX, chảy rối 1), dựa vào các Phương trình (1), (2), (3) và (4) trong cột cần khoan. Đối với một số chất lỏng tính độ nhớt tương đương Newton, số có độ nhớt cao như: chất lỏng khoan Reynolds và so sánh với số Reynolds giới hạn VISKOPOL/PRE,BENTONITE; chất lỏng khoan để kết luận trạng thái chảy. Chương trình tính Trang 6
7. Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7) OLEFIN SOBM có trường hợp chảy tầng trong TÀI LIỆU THAM KHẢO cột cần khoan. Ebook team, 5. Kết luận Matlab toàn tập, Trong quá trình khoan các giếng khoan tại Phạm Đức Thiên (2011). Độ nhớt tương đương các bể Cửu Long và Nam Côn Sơn, chất lỏng Newton và phân biệt chế độ chảy của chất khoan thường chảy tầng trong KKVX và chảy lỏng phi Newton trong cột cần và khoảng rối trong cột cần. Với các thông số chế độ khoan không vành xuyến giếng khoan. Tạp chí thiết kế, từ phương pháp tính toán mô phỏng Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất. Số 33: 61- ta có thể kiểm nghiệm được chế độ chảy của 67. chất lỏng khoan trong cột cần và khoảng không Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (2010). Tổng hợp vành xuyến giếng khoan, từ đó có thể điều báo cáo các thông số thi công khoan các chỉnh thông số chế độ khoan phù hợp với yêu giếng khoan bể Nam Côn Sơn, bể Sông Hồng, cầu của công tác thi công giếng khoan. bể Cửu Long, bể Mã lai - Thổ chu. ABSTRACT Reseach of flow regime of drilling fluids in drill oil-wells in the continental shell of southern Vietnam Thien Duc Pham Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Determination of flow regime of drilling fluids within the pipe and annulus plays an important role in calculating the loss of hydraulic pressure, which is a parameter to govern the drilling effect. This paper determines the flow regime of drilling fluids in pipe and annulus on the basis of a data set collected from oil wells in the Cuu Long and Nam Con Son basins. A set of parameters is proposed in order to determine the regimes of drilling fluid flow. From the theory of hydraulic drilling fluid flow, the research is extended, developed, and improved. Then, numerical simulation program is provided by Matlab sofware. The results of simulating calculation show that: all drilling fluids is laminar flow in annulus and turbulent flow in pipe for drilling wells in Cuu Long, Nam Con Son basin. Furthermore, this method of simulating calculation can be used to test the designed hydraulic parameters, which in turn could assist drilling engineers to control drilling parameters to enhance drilling effectiveness. Trang 7