Bài giảng Cơ sở kỹ thuật dầu khí - Chương 1: Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí

Bài giảng được soạn bởi Bộ môn Khoan – Khai thác Dầu khí Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí Đại học Bách Khoa TP. HCM Tel: (08) 8647256 ext. 5767 GEOPET Giới thiệu CƠ SỞ KHOAN DẦU KHÍ GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  2 NỘI DUNG 1. Lịch sử khoan dầu khí 3. Tổ chức và nhân sự 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  3 MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, học viên sẽ:  Có các khái niệm cơ bản về quá trình phát triển của công nghệ khoan dầu khí,  Có thể mô tả các loại giàn khoan, phạm vi ứng dụng của chúng và các phương pháp khoan,  Có thể phân loại các công ty dầu khí và hệ thống tổ chức nhân sự phục vụ công tác khoan. GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  4 1. LỊCH SỬ KHOAN DẦU KHÍ GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  5 LỊCH SỬ KHOAN DẦU KHÍ  Dầu và khí đã được tìm thấy và sử dụng từ hàng ngàn năm trước đây.  6000 năm trước CN, asphalt đã được con người sử dụng làm chất chống thấm nước cho thuyền và sưởi ấm.  3000 năm trước CN, người Ai Cập đã sử dụng asphalt trong xây dựng kim tự tháp, bôi trơn trục bánh xe, phụ gia trong kỹ thuật ướp xác và trong điều chế thuốc.  500 năm trước CN, người Trung Quốc đã dùng khí thiên nhiên để nấu nướng. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  6 LỊCH SỬ KHOAN DẦU KHÍ  Trước thế kỷ 19, dầu khí được thu gom qua các mỏ lộ thiên hoặc những khu vực xuất hiện rò rỉ trên mặt đất.  Nhu cầu sử dụng dầu khí tăng rất cao vào giữa thế kỉ 19 đã thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật và thiết bị khoan dầu khí.  Giếng khoan dầu khí đầu tiên được ghi nhận trong lịch sử là giếng khoan của “Đại tá” Drake ở Pennsylvania vào năm 1859, sâu chưa tới 50m. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  7 GIẾNG KHOAN DẦU ĐẦU TIÊN Giếng khoan của “Đại tá” Drake tại Titusville, Pennsylvania năm 1859 đánh dấu sự khởi đầu của công nghiệp dầu khí. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  8 GIẾNG KHOAN DẦU ĐẦU TIÊN Các giếng khoan dầu khí đầu tiên Giếng của Philips 4000 bbl/d, tháng 10, 1861Giếng của Woodford 1500 bbl/d, tháng 7, 1862 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  9 GIẾNG KHOAN DẦU ĐẦU TIÊN “Rừng” giếng khoan ở Spindletop, 1903 Video Lịch sử khoan dầu khí 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  10 NHỮNG CẢI TIẾN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN  Các giếng khoan dầu khí đầu tiên được thực hiện bằng phương pháp khoan đập cáp (cable-tool).  1863, George Leschot (Pháp) phát minh phương pháp khoan rôto để khoan nham thạch rắn. Phương pháp này sau đó trở nên phổ biến trong khoan dầu khí.  1864, kỹ sư Floren (Pháp) hoàn thiện phương pháp tuần hoàn dung dịch trong giếng khoan.  1866, Mỹ cấp bằng sáng chế cho thiết bị khoan rôto (bằng choòng hai cánh) dùng để khoan nước. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  11 NHỮNG CẢI TIẾN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN  1899, kỹ sư Devi (Mỹ) phát minh phương pháp khoan bi để khoan nham thạch rắn.  1901, phương pháp khoan rôto có tuần hoàn dung dịch được sử dụng lần đầu tiên.  1903, trám giếng khoan bằng xi măng lần đầu tiên được thực hiện ở California.  1922, các kỹ sư Nga phát minh phương pháp khoan tuabin. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  12 NHỮNG CẢI TIẾN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN  1930, giếng khoan định hướng đầu tiên thành công ở California, Mỹ, khoan từ tháp trong đất liền tới mục tiêu dưới biển.  1940, động cơ đáy vận hành bằng điện được áp dụng.  Giữa thế kỷ 20 đến nay, công nghệ khoan dầu khí đã có những phát triển vượt bậc, ví dụ:  Công nghệ khoan ngang,  Công nghệ khoan giếng đường kính nhỏ,  Công nghệ khoan dưới cân bằng 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  13 LỊCH SỬ KHOAN DẦU KHÍ TẠI VIỆT NAM  Theo thống kê, đồng bằng sông Hồng ở cuối thập kỷ 50 và ở thềm lục địa Nam Việt Nam từ thập kỷ 60 đến nay đã có hơn 200 giếng khoan thăm dò (1200 m đến 5250 m), trong đó có 70 phát hiện dầu khí.  1980, Xí nghiệp Liên doanh dầu khí Vietsovpetro được thành lập.  Các phát hiện dầu khí tại Bạch Hổ (6/1986), Rồng (12/1994), Rạng Đông (8/1998) và Hồng Ngọc (10/1998) thuộc bồn trũng Cửu Long. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  14 LỊCH SỬ KHOAN DẦU KHÍ TẠI VIỆT NAM  Các phát hiện dầu khí tại Đại Hùng (10/1994), Lan Tây, Lan Đỏ (2005) thuộc bể Nam Côn Sơn.  Các phát hiện dầu khí tại Bunga Kekwa (7/1997) thuộc bồn trũng Malay - Thổ Chu.  Phát hiện và khai thác khí Tiền Hải C (1981) thuộc bồn trũng Sông Hồng. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  15 MỘT SỐ KỈ LỤC  Giếng khoan sâu nhất  Giếng khoan sâu nhất được thực hiện bởi các nhà khoa học Nga tại bán đảo Kola, Siberia. Giếng khoan phục vụ mục đích nghiên cứu địa chất, sâu 12.262 m và khoan từ năm 1970 đến 1994.  Giếng khoan dài nhất  Tháng 5 năm 2008, Maersk Oil Qatar đã khoan giếng BD-04A sâu 12.290 m (40.320 ft) tại Qatar. 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  16 MỘT SỐ KỈ LỤC  Giếng khoan ngang dài nhất  Giếng khoan BD-04A của Maersk Oil Qatar hiện cũng giữ kỉ lục giếng có đoạn ngang dài nhất, dài 10,903 m (35,770 ft). Toàn bộ đoạn ngang được thực hiện trong vỉa sản phẩm có bề dày chỉ 6,1 m (20 ft). 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  17 NHỮNG KHU VỰC KHOAN ĐẶC BIỆT Những khu vực khoan đặc biệt bao gồm:  Vùng cực  Vùng nước sâu và siêu sâu (hơn 1000 m nước) 1. Lịch sử khoan dầu khí GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  18 2. GIẾNG KHOAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  19 NỘI DUNG 2.1. Định nghĩa giếng khoan 2.2. Các yếu tố và thông số của giếng khoan 2.3. Phân loại giếng khoan 2.4. Các phương pháp khoan 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  20 ĐỊNH NGHĨA GIẾNG KHOAN  Định nghĩa Giếng khoan là công trình nhân tạo hình trụ thi công vào lòng đất theo các hướng thẳng đứng, xiên, cong, ngang, để đạt một mục đích nào đó.  Đặc điểm của giếng khoan dầu khí  Nhiệm vụ, mục đích, đối tượng thăm dò, khai thác  Phương pháp khai thác “Phương pháp khoan là phương pháp cho kết quả đánh giá chính xác nhất.” 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  21 CÁC YẾU TỐ CỦA GIẾNG KHOAN Các yếu tố của giếng khoan bao gồm: 1. Miệng giếng: tiết diện đầu tiên của giếng khoan cắt vào vỏ trái đất, được tính ngay từ đầu giếng hay sàn khoan tùy theo mục đích. 2. Thành giếng: toàn bộ bề mặt xung quanh giếng khoan. 3. Đáy giếng: tiết diện cuối cùng của giếng khoan. 4. Trục giếng: trục của thân giếng trong không gian. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  22 CÁC THÔNG SỐ CỦA GIẾNG KHOAN  Đường kính giếng  Đường kính thân lỗ khoan do choòng tạo ra  Đường kính giếng khoan sau khi chống ống  Chiều sâu giếng  Chiều sâu theo phương thẳng đứng (Total Vertical Depth)  Chiều sâu đo được hay chiều dài giếng khoan (Measured Depth) 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  23 CÁC THÔNG SỐ CỦA GIẾNG KHOAN  Vị trí thân giếng khoan trong không gian được xác định:  Góc nghiêng : góc hợp bởi đoạn trục giếng khoan với phương thẳng đứng.  Góc phương vị : góc hợp bởi phương bắc địa từ và hình chiếu của đoạn trục giếng khoan trên mặt phẳng nằm ngang (cùng chiều kim đồng hồ). 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  24 CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN  Được biểu diễn một cách tượng trưng qua các thành phần chính của giếng khoan. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  25 CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN  Các thành phần chính  Đường kính và loại choòng dùng thi công các đoạn giếng khoan.  Chiều sâu và đường kính của các đoạn giếng khoan.  Số lượng, chiều dài, đường kính và độ dày của các cột ống chống.  Phương pháp trám xi măng và chiều cao dâng vữa xi măng. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  26 CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN  Một số cấu trúc điển hình  Cấu trúc một cột ống: không có cột ống chống kỹ thuật, chỉ có một cột ống chống khai thác.  Cấu trúc hai cột ống: một cột ống chống kỹ thuật và một cột ống chống khai thác.  Cấu trúc ba cột ống: hai cột ống chống kỹ thuật và một cột ống chống khai thác.  Nhiều cột ống chống: do các nhiệm vụ về khai thác và sự phức tạp của địa tầng. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  27 CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN  Các cột ống chống 1. Ống định hướng (conductor) 2. Ống chống bề mặt (surface casing) 3. Ống chống trung gian (intermediate casing) 4. Ống chống khai thác (production casing)  Quy tắc thiết kế  Cấu trúc giếng đơn giản (ít cấp đường kính) và gọn nhẹ (đường kính của các đoạn giếng khoan nhỏ).  Đường kính ngoài của cột ống chống thường nhỏ hơn khoảng 20% so với đường kính giếng cùng cấp.  Kích thước dụng cụ phá đá nhỏ hơn khoảng 10-20% so với đường kính trong của cột ống chống trước, không nhỏ hơn 6/32”. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  28 CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN Loại ống chống Đường kính choòng khoan và ống chống (inches) Giếng thông thường Giếng thân nhỏ Dẫn hướng 36 (30) 26 (20) 26 (20) 26 (20) Bề mặt 26 (20) 17 ½ (13 3/8) 17 ½ (13 3/8) 12 ¼ (9 5/8) Trung gian 1 17 ½ (13 3/8) 12 ¼ (9 5/8) 12 ¼ (9 5/8) 8 ½ (7) Trung gian 2 12 ¼ (9 5/8) 8 ½ (7) Khai thác 7 7/8 (5 ½) 5 7/8 (4) 8 ½ (7) 6 1/8 (2 7/8 hoặc 3 ½) 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  29 CẤU TRÚC GIẾNG KHOAN  Vành đá xi măng  Cách ly tốt khoảng không vành xuyến giữa thành giếng và các cột ống chống (cách ly các tầng sản phẩm với các tầng khác).  Tăng độ ổn định của thành giếng khoan nói chung và giữ chặt và tăng độ bền cột ống chống trong thành hệ.  Bảo vệ cột ống chống khỏi bị rỉ do các chất ăn mòn trong thành hệ. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  30 PHÂN LOẠI GIẾNG KHOAN  Theo mục đích sử dụng  Giếng tìm kiếm (wildcat)  Giếng thăm dò (exploration)  Giếng thẩm lượng (appraisal)  Giếng khai thác (production, developing). Cấu trúc giếng khai thác phải đảm bảo tuổi thọ lâu dài theo đời sống của mỏ.  Giếng đặc biệt bao gồm: o Giếng khoan phục hồi, sửa chữa (reentry, workover) o Giếng khoan giải vây (relief) 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  31 PHÂN LOẠI GIẾNG KHOAN  Theo độ sâu mực nước  Ở vùng nước nông: mức nước dưới 60 m, hệ thống đầu giếng được đặt ngay dưới sàn khoan.  Ở vùng nước trung bình: mức nước từ 60 m đến 200 m, hệ thống đầu giếng được đặt ở đáy biển.  Ở vùng nước sâu: mức nước lớn hơn 200 m, hệ thống đầu giếng được đặt ở đáy biển.  Ở vùng nước siêu sâu: mức nước lớn hơn 1000 m. Video Thiết bị khoan nước sâu 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  32 PHÂN LOẠI GIẾNG KHOAN  Theo hình dạng của quĩ đạo giếng trong không gian  Giếng khoan thẳng đứng:  = 0o  Giếng khoan xiên (định hướng): 00 <  < 90o  Giếng khoan ngang:  = 900  Giếng ngang vươn xa  Theo đường kính  Giếng đường kính lớn  Giếng thông thường  Giếng thân nhỏ 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  33 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN Các phương pháp khoan dầu khí bao gồm:  Khoan đập cáp, đập cần: theo kiểu phá hủy đáy của choòng.  Khoan xoay: theo kiểu phá hủy đáy của choòng.  Khoan xoay bằng hệ thống bàn rôto.  Khoan xoay bằng topdrive.  Khoan xoay bằng động cơ: điện, thủy lực.  Khoan thổi khí (xoay, đập): theo phương pháp làm sạch đáy.  Khoan thủy động lực, cơ học: theo phương pháp truyền năng lượng đáy.  Khoan đặc biệt:  Tia thủy lực (bột mài)  Tia lửa điện  Tia nhiệt  Nhiệt – hóa học 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  34 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN  Khoan đập cáp  Quá trình phá hủy đất đá được thực hiện bằng tác động cơ học thông qua việc nâng thả bộ dụng cụ phá đá ở đáy giếng.  Không sử dụng dung dịch khoan mà dùng gàu múc mảnh cắt xen kẽ với quá trình khoan.  Chỉ khoan được những giếng nông, hiệu suất sử dụng năng lượng rất thấp.  Hiện nay vẫn được dùng để khoan các giếng đặt thuốc nổ (trong khảo sát địa chấn) và khoan giếng nước. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  35 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN  Khoan xoay  Đất đá đáy giếng bị phá hủy dưới tác động xoay của choòng khoan gắn ở đầu chuỗi cần khoan. Chuyển động của choòng được thực hiện bằng cách: • Truyền từ thiết bị bề mặt thông qua chuỗi cần khoan: khoan bằng bàn rôto, khoan bằng topdrive. • Truyền từ động cơ: điện, rãnh xoắn, mudmotor.  Dung dịch khoan dạng lỏng được dùng để vận chuyển mùn khoan. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  36 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN Hệ thống topdrive Bàn rôto 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  37 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN  Khoan thổi khí  Đất đá bị phá hủy bằng nguyên lý và thiết bị tương tự phương pháp khoan xoay.  Dòng khí nén cao áp được dùng để đưa mùn khoan lên bề mặt.  Chỉ ứng dụng ở khu vực đất đá có liên kết tốt và không thấm.  Khoan thủy động lực  Phá hủy hoặc hòa tan đất đá ở đáy giếng nhờ sử dụng động năng của dòng nước cao áp.  Sử dụng hiệu quả để khoan đất đá mềm, bở rời.  Đang nghiên cứu sử dụng cho tầng đất đá cứng, kiên cố. 2. Giếng khoan và các phương pháp khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  38 CẤU TRÚC GIÀN KHOAN 1. Giá xếp cần – Pipe Racks 2. Dốc tiếp khoan – Ramp 3. Tháp khoan – Derrick 4. Chuồng khỉ – Monkey board 5. Ròng rọc đỉnh – Crown block 6. Cáp khoan – Drill line 7. Khối ròng rọc động & móc treo – Block & hook 8. Quang treo /đầu nâng – Links & elevator 9. Cần chủ đạo – Kelly 10. Cấu trúc dưới – Substructure 11. Cụm đối áp – BOPs 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3. Các loại giàn khoan GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  39 3. TỔ CHỨC VÀ NHÂN SỰ GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  40 TỔ CHỨC Các công ty hoạt động trong lĩnh vực dầu khí được chia thành 3 loại: 1. Công ty điều hành (Operator)  Hoạt động trong lĩnh vực thăm dò, khai thác, chế biến và thương mại dầu khí.  Công ty quốc gia, công ty hợp nhất, công ty độc lập: Exxon - Mobil, BP, Amoco, Shell, Chevron, Total, ... 2. Công ty dịch vụ kỹ thuật (Service Company)  Sử dụng nhân lực, trang thiết bị, các kỹ năng và kinh nghiệm để khoan và khai thác dầu khí.  Mỗi công ty có thể cung cấp một hoặc nhiều loại dịch vụ kỹ thuật. 3. Công ty nhà thầu khoan (Drilling Contractor)  Sở hữu giàn khoan và có nhân lực để thực hiện công tác khoan. 4. Tổ chức và nhân sự GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  41 NHÂN SỰ TRONG CÔNG TÁC KHOAN 4. Tổ chức và nhân sự P. Kế toán P. Kỹ thuật P. Giám sát khoan Nhà thầu khoan Công ty điều hành P. Kế toán P. CN mỏ P. CN khai thác P. Giám sát khoan Giàn khác P. Khoan P. Địa chấtĐốc công Thợ khoan Đội khoan -Thợ tháp khoan -Thợ sàn khoan -Thợ phụ -Thợ điện -Thợ hàn -Thợ cơ khí Giếng khác Đại diện công ty Công ty dịch vụ Ống chống Trám xi măng Thử giếng Dung dịch khoan Khoan định hướng LWD/MWD Dịch vụ khác GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  42 NHÂN SỰ TRONG CÔNG TÁC KHOAN  Đốc công (toolpusher) là người chịu trách nhiệm về giàn khoan và công tác khoan nói chung. Đốc công là đại diện cao nhất của nhà thầu khoan tại giàn, chỉ huy đội khoan cũng như các nhóm thợ khác.  Trên các giàn khoan di động, đốc công có thể chia sẻ trách nhiệm với thuyền trưởng khi giàn khoan đang di chuyển. Nhà thầu khoan đôi khi cũng cử giám sát khoan (rig superintendent) tới hiện trường nhưng hầu hết trường hợp người này làm việc tại văn phòng của nhà thầu khoan. 4. Tổ chức và nhân sự GEOPET Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí  43 NHÂN SỰ TRONG CÔNG TÁC KHOAN  Thợ khoan (driller) là người báo cáo với đốc công về công tác khoan. Thợ khoan thường là người có kinh nghiệm điều khiển hệ thống tời và bàn rôto cũng như chỉ huy thợ sàn khoan (roughneck) và thợ tháp khoan (derrickman).  Thợ tháp khoan làm việc trên chuồng khỉ, có nhiệm vụ hướng chỉnh cần khoan khi nâng hạ. Thường thì thợ tháp khoan cũng chịu trách nhiệm giám sát hệ thống tuần hoàn dung dịch trong khi khoan.  Thợ sàn khoan, hay thợ bàn rôto, điều chỉnh phần dưới của cần khoan trong quá trình nâng hạ. Các thợ này dùng các kềm lớn để tháo hoặc siết chặt các đoạn cần khoan.  Thợ phụ (roustabout) hỗ trợ duy trì hoạt động của thiết bị và các nguồn cung cấp, giúp sửa chữa giàn khoan và làm các việc vặt. 4. Tổ chức và nhân sự KẾT THÚC