Bài giảng Cơ sở kỹ thuật dầu khí - Chương 8: Khoan định hướng

KHOAN ĐỊNH HƯỚNG GEOPET 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 Khoan định hướng  2 NỘI DUNG 1. Các ứng dụng của khoan định hướng 2. Các dạng quỹ đạo giếng khoan định hướng 3. Kỹ thuật định hướng GEOPET Khoan định hướng  3 1. CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG GEOPET Khoan định hướng  4 GIỚI THIỆU  Khoan định hướng hiện nay đã trở thành một công nghệ rất quan trọng trong khai thác dầu khí.  Yếu tố quan trọng nhất của khoan định hướng là cho phép khai thác và phát triển mỏ ở những khu vực trước đây không thể khai thác được hoặc không khai thác có hiệu quả. Khoan định hướng là sự kết hợp giữa khoa học chính xác và “nghệ thuật” trong việc chỉnh hướng giếng khoan theo một quỹ đạo đã thiết lập trước đó nhằm đạt được mục tiêu đề ra. GEOPET Khoan định hướng  5 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN  Ở giai đoạn ban đầu của ngành công nghiệp dầu khí, hầu hết giếng khoan là giếng thẳng đứng.  1929, một số phương pháp đo góc nghiêng của giếng khoan được giới thiệu trong quá trình khoan phát triển mỏ Seminole, Oklahoma, USA.  1930, giếng khoan định hướng có kiểm soát đầu tiên được thực hiện ở Huntington Beach, California, USA, từ một giàn khoan trên đất liền tới một tầng chứa dưới đáy biển.  1934, giếng khoan định hướng được dùng để hủy một giếng đang phun ở Conroe, Texas, USA.  Từ đó đến nay, nhiều kỹ thuật và công nghệ mới ra đời giúp kiểm soát quỹ đạo giếng khoan định hướng. 5.1. Introduction GEOPET Khoan định hướng  6 CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG Giếng khoan định hướng có rất nhiều ứng dụng. Về cơ bản, các ứng dụng bao gồm:  Khoan ở những vùng không thể tiếp cận bằng giếng thẳng đứng, ví dụ: khu dân cư, khu bảo tồn,  Sửa chữa hoặc hủy giếng khác,  Khoan cắt xiên,  Khoan phát triển mỏ,  Khoan ngang. 5.2. Directional Drilling Applications GEOPET Khoan định hướng  7 CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG Khoan cắt xiênKhu vực khoan không thể tiếp cận Khoan dưới vòm muối Khoan qua đứt gãy GEOPET Khoan định hướng  8 CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG Khoan đa nhánh Khoan từ giàn trên đất liền Khoan phát triển mỏ ngoài khơi Khoan qua nhiều tầng sản phẩm GEOPET Khoan định hướng  9 CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG Khoan giải vây Đới áp suất cao Khoan ngang GEOPET Khoan định hướng  10 2. CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO GIẾNG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG GEOPET Khoan định hướng  11 Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:  chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng khoan H0;  khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A;  chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc nghiêng) Hv;  bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;  bán kính cong của đoạn giảm góc nghiêng R2. DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ S - 5 ĐOẠN GEOPET Khoan định hướng  12 Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:  chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng khoan H0;  khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A;  chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc nghiêng) Hv;  bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;  bán kính cong của đoạn giảm góc nghiêng R2;  góc nghiêng 1; DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ S - 4 ĐOẠN GEOPET Khoan định hướng  13 Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:  chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng khoan H0;  khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A;  chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc nghiêng) Hv;  bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;  góc nghiêng 1; DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ S - 3 ĐOẠN GEOPET Khoan định hướng  14 Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm:  chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng khoan H0;  khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A;  chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc nghiêng) Hv;  bán kính cong của đoạn cắt xiên R. DẠNG QUỸ ĐẠO TIẾP TUYẾN GEOPET Khoan định hướng  15 Các giá trị ban đầu để tính toán quỹ đạo gồm:  chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng khoan H0;  khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A;  chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc nghiêng) Hv;  bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;  bán kính cong của đoạn cắt xiên lằn hai R2  góc nghiêng 1. DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ J GEOPET Khoan định hướng  16 CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO GIẾNG NGANG TT Loại giếng ngang Bán kính cong R, ft Góc nghiêng 0/100 ft Chiều dài đoạn giếng ngang, ft 1 Bán kính cong lớn 1000 - 3000 2 - 6 > 6000 2 Bán kính cong vừa 300 - 800 6 - 20 1000 - 6000 3 Bán kính cong nhỏ 20 - 40 20 - 50 200 - 1000 4 Bán kính cong cực nhỏ 10 - 20 45 - 60 100 - 200 GEOPET Khoan định hướng  17 3. KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG GEOPET Khoan định hướng  18  Các nguyên lý tác dụng lực trong khoan định hướng  Các dụng cụ định hướng  BHA trong khoan định hướng KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG GEOPET Khoan định hướng  19 CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC Lực âm (lực con lắc) Lực dương (lực tăng góc) GEOPET Khoan định hướng  20 CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC Nguyên lý điểm tựa Nguyên lý điểm tựa được sử dụng để tăng góc nghiêng với cấu trúc bộ khoan cụ gồm:  Choòng khoan,  Thiết bị ổn định đặt gần choòng,  40 - 120’ cần nặng,  Bộ cần khoan thường. GEOPET Khoan định hướng  21 CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC Nguyên lý con lắc Nguyên lý con lắc được sử dụng để khoan giếng thẳng đứng và đoạn giảm góc. Chiều dài đoạn cần nặng từ choòng đến định tâm đầu tiên ở bộ cần khoan là không quá bé để uốn cong quá nhiều về phía thành dưới của giếng. GEOPET Khoan định hướng  22 CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC Nguyên lý ổn định Nguyên lý ổn định được sử dụng để ổn định góc nghiêng và hướng. Nếu có ba thiết bị định tâm được lắp cách nhau bởi những đoạn cần nặng ngắn, cứng cáp sẽ chỉnh quỹ đạo giếng thẳng, tức là giữ góc nghiêng và hướng không đổi. Bộ khoan cụ như trên dùng để khoan đoạn ổn định góc. GEOPET Khoan định hướng  23 CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG Máng xiên  Đặt máng xiên bằng bộ khoan cụ,  Tăng tải trọng lên choòng, cắt chốt chịu lực để giải phóng choòng khoan,  Khoan với tốc độ chậm,  Kéo bộ khoan cụ và máng xiên lên,  Thả dụng cụ khoan doa để doa đoạn tăng góc này. Có 3 loại  Máng xiên kéo thả thông thường,  Máng xiên tuần hoàn,  Máng xiên đặt cố định trong giếng. GEOPET Khoan định hướng  24 CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG Choòng thủy lực Kỹ thuật phun tia sử dụng choòng thủy lực để khoan cắt xiên trong đất đá mềm. GEOPET Khoan định hướng  25 CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG Ưu điểm của choòng thủy lực  Kỹ thuật đơn giản và rẻ tiền để làm lệch hướng giếng khoan trong đất đá mềm.  Không cần trang bị các thiết bị đắt tiền ngoại trừ choòng thủy lực.  Độ gập của quỹ đạo có thể kiểm soát từ bề mặt nhờ thay đổi số lượng mét khoan trên đơn vị thời gian.  Dụng cụ đo nằm gần choòng khoan và do vậy chiều sâu quan trắc gần với chiều sâu của giếng.  Định hướng bộ khoan cụ (tool face) rất dễ dàng.  Có thể được sử dụng cùng bộ khoan cụ để khoan rôto và khoan đoạn tăng góc. GEOPET Khoan định hướng  26 CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG Nhược điểm của choòng thủy lực  Do chỉ khoan được trong thành hệ mềm nên kỹ thuật phun tia chỉ được sử dụng để cắt xiên ở chiều sâu nhỏ.  Thường xảy ra độ gập lớn: việc thay đổi góc nghiêng thường đột ngột, do vậy trong thực tế thường sử dụng choòng thủy lực nhỏ, sau đó doa tiếp đạt đường kính yêu cầu nhằm giảm độ gập. GEOPET Khoan định hướng  27 CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG Đầu nối cong và động cơ đáy  Nguyên lý làm việc tựa như tác động của máng đổi hướng: đẩy choòng khoan về hướng lệch mong muốn. Đầu nối cong làm lệch tâm tải trọng (tạo bởi cột cần nặng) lên choòng khoan, gây nên mômen uốn tại điểm tựa (tức là tại đầu nối cong) lên đáy giếng. GEOPET Khoan định hướng  28 CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG  Phản lực của đất đá có khuynh hướng đẩy choòng khoan vào phía trục của giếng khoan. Lực ở bên thành này phụ thuộc vào:  Tải trọng lên choòng  Khoảng cách giữa choòng khoan và đầu nối cong  Phản lực của đất đá  Đường kính giếng  Độ cứng vững của bộ khoan cụ tại điểm làm lệch hướng. Đầu nối cong GEOPET Khoan định hướng  29 ĐỘNG CƠ ĐÁY Động cơ đáy có 2 loại chủ yếu:  Động cơ turbin  Động cơ thể tích (PDM) Động cơ turbin Động cơ thể tích GEOPET Khoan định hướng  30 ĐỘNG CƠ ĐÁY Động cơ turbin  Ưu điểm • Có thể vận hành ở nhiệt độ cao hơn động cơ thể tích. • Quỹ đạo cong đều, liên tục, tạo đường kính cần thiết trong điều kiện tốt. • Dễ điều khiển độ gập so với các dụng cụ lệch hướng khác. • Sử dụng được trong nhiều thành hệ. • Do cột cần khoan không quay nên có thể sử dụng dụng cụ lái chỉnh xiên (steering tool) để đo đạc và định hướng trong khi khoan.  Nhược điểm • Mômen đảo chiều (reactive) làm thay đổi hướng của dụng cụ khi bắt đầu khoan. • Động cơ đắt tiền, đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên. GEOPET Khoan định hướng  31 ĐỘNG CƠ ĐÁY F1 - lực tác dụng lên cánh hướng dòng của roto F2 - Lực tác dụng lên rãnh dẫn hướng của stato Cấu tạo động cơ turbin GEOPET Khoan định hướng  32 ĐỘNG CƠ ĐÁY Động cơ thể tích (PDM)  Động cơ gọi là loại thể tích vì rôto bằng thép cách ly các thể tích làm việc của xy lanh cố định trong stato bằng cao su. Chất lỏng dịch chuyển xuống dưới nhờ áp lực đẩy của bơm sẽ tác động một mômen lên rôto.  Dễ dàng điều chỉnh áp suất (không đổi) của bơm để đạt tải trọng lên choòng và mômen xoắn không đổi  Tuổi thọ của choòng cao hơn vì vận tốc quay nhỏ hơn. GEOPET Khoan định hướng  33 ĐỘNG CƠ ĐÁY Rôto của động cơ đáy có thể cấu tạo ít hoặc nhiều rãnh xoắn:  1-2 rãnh xoắn: tốc độ quay cao, mômen xoắn nhỏ,  Nhiều rãnh xoắn: tốc độ quay nhỏ, mômen xoắn cao. GEOPET Khoan định hướng  34 BỘ ĐỊNH TÂM Định tâm cánh hàn Định tâm cánh đúc GEOPET Khoan định hướng  35 BỘ KHOAN CỤ TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG Định tâm Động cơ đáy Đầu nối cong Định tâm GEOPET Khoan định hướng  36 BỘ KHOAN CỤ TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG Bộ khoan cụ giảm góc Bộ khoan cụ ổn định gócBộ khoan cụ tăng góc GEOPET Khoan định hướng  37 GIÁM SÁT QUỸ ĐẠO GIẾNG  Các phương pháp tính toán giám sát quỹ đạo  Phương pháp tiếp tuyến  Phương pháp tiếp tuyến cân bằng  Phương pháp góc trung bình  Phương pháp bán kính cong  Phương pháp độ cong cực tiểu...  Các phương pháp giám sát quỹ đạo  Mục đích  Phương pháp giám sát GEOPET Khoan định hướng  38 MỤC ĐÍCH GIÁM SÁT QUỸ ĐẠO GIẾNG  Giám sát quỹ đạo để đạt mục tiêu đặt ra.  Xác định vị trí các khuỷu cong (dog legs) để có biện pháp đề phòng và khắc phục sự cố trong quá trình thi công giếng hay vận hành về sau. Các khuỷu cong thường gây ma sát lớn, dễ gãy bộ cần khoan, kẹt cần, cản trở việc hạ cột ống chống  Xác định độ gập tối đa cho phép mà bộ khoan cụ có thể hoạt động tốt, không gây sự cố. GEOPET Khoan định hướng  39 PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT QUỸ ĐẠO GIẾNG Nguyên tắc chung là sử dụng các dụng cụ để đo góc nghiêng, góc phương vị và chiều dài khoan được tại các điểm cách đều nhau (thường lấy 100ft) trên quỹ đạo giếng. Các số liệu thực tế này cho phép dựng lại quỹ đạo thực của giếng và so sánh với quỹ đạo thiết kế từ đó có biện pháp hiệu chỉnh quỹ đạo thích hợp để đạt mục tiêu dự kiến. KẾT THÚC