BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM ĐỨC THIÊN

NGHIÊN CỨU DÒNG CHẤT LƯU TRONG GIẾNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHOAN

Chuyên ngành: Khoan và hoàn thiện giếng dầu khí

Mã số : 62.53.50.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2012

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Khoan khai thác, Khoa dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Cao Ngọc Lâm 2. PGS.TS Võ Xuân Minh Phản biện 1: TS Khiếu Hữu Bộ Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Minh Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Ngọ

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại Trường đại học Mỏ - Địa chất, Từ Liêm, Hà Nội

Vào hồi …..giờ … ngày … tháng… năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia Hà Nội

hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài

Khi thi công giếng khoan, có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hiệu quả khoan như sử dụng loại dụng cụ, thiết bị khoan, công nghệ kỹ thuật áp dụng, loại phương pháp khoan, loại dung dịch sử dụng,…trong đó có một khía cạnh ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khoan đó là quá trình tuần hoàn dung dịch để tách và vận chuyển mùn khoan làm sạch giếng.

Khi nghiên cứu sự tuần hoàn dung dịch cho ta biết được khả năng, mức độ làm sạch mùn khoan trên đáy giếng, đồng thời cho ta biết khả năng vận chuyển mùn khoan lên mặt. Nếu chế độ dòng chảy hợp lý sẽ làm sạch hạt mùn ở đáy một cách kịp thời và nâng hạt mùn lên mặt đất tốt nhất.

Vì lý do trên, việc nghiên cứu dòng chất lưu trong giếng để hiểu rõ bản chất quá trình vận chuyển mùn khoan và khả năng làm sạch đáy giếng có một ý nghĩa lớn để nâng cao hiệu quả khoan.

Chính vì vậy đề tài:"Nghiên cứu dòng chất lưu trong giếng để nâng cao hiệu quả khoan" là cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích nghiên cứu

Dòng chất lưu trong giếng khoan khi khoan được hiểu là dòng tuần hoàn dung dịch khoan, có thể là chất lỏng khoan, chất khí hoặc hỗn hợp dạng bọt. Như vậy, đề tài nêu trên là rất rộng, cho nên nội dung bản luận án này tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu dòng chất lỏng khoan với ba khía cạnh:

- Nghiên cứu các quy luật chuyển động của dòng chảy chất lỏng khoan trong khoảng không vành xuyến (KKVX) và cột cần khoan, gắn với chất lỏng khoan sử dụng tại bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long. - Nghiên cứu khả năng vận chuyển mùn khoan của dòng chất lỏng khoan trong KKVX của thân giếng đứng cũng như sự ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả vận chuyển mùn khoan, áp dụng trong khoan tại bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long. - Nghiên cứu tối ưu về thủy lực của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan để nâng cao hiệu quả làm sạch đáy giếng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu sự chuyển động của các loại chất lỏng khoan Newton và phi Newton chảy trong cột cần và KKVX.

- Nghiên cứu sự chuyển động của các loại chất lỏng khoan sử dụng trong các giếng khoan bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long.

- Nghiên cứu sự vận chuyển mùn khoan và các thông số ảnh hưởng đến vận chuyển mùn khoan trong KKVX của giếng thân đứng, áp dụng trong khoan tại bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long. - Nghiên cứu sự làm sạch đáy giếng trên cơ sở tối ưu thủy lực qua choòng khoan dựa trên chỉ tiêu là công suất thủy lực tối ưu và lực va đập đáy tối ưu. 4. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu sự chuyển động chất lỏng khoan chảy trong cột cần và KKVX giếng khoan, bao gồm: + Thiết lập biểu thức tổn thất áp suất ma sát của các loại chất lỏng khoan chảy tầng trong cột cần và KKVX để xác định độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng khoan phi Newton và chế độ chảy của chúng; + Sự chuyển động của chất lỏng khoan trong KKVX lệch tâm; + Tổn thất áp suất của chất lỏng khoan chảy tầng và rối trong cột cần và KKVX; + Tổng hợp các dữ liệu khoan thực tiễn để khẳng định trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX. - Nghiên cứu sự vận chuyển mùn khoan trong KKVX vùng thân giếng đứng dưới các khía cạnh: + Xác định bản chất của quá trình vận chuyển mùn khoan trong vùng thân giếng đứng; +Tính toán mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số: vận tốc chuyển động của chất lỏng khoan, tính lưu biến của chất lỏng khoan, khối lượng riêng chất lỏng khoan, khối lượng riêng hạt mùn, kích thước hạt mùn, tốc độ cơ học khoan đến hiệu quả vận chuyển mùn và tổn thất áp suất của dòng chất lỏng khoan chuyển động. - Nghiên cứu khả năng làm sạch đáy giếng của chất lỏng khoan, bao gồm: + Thiết lập các công thức về tối ưu công suất thủy lực, lực va chạm đáy của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan; + Tính toán mô phỏng quá trình tối ưu về công suất thủy lực và lực va chạm đáy khi cho các thông số thay đổi như lưu lượng, tính lưu biến, tốc độ cơ học khoan,… 5. Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện tốt nội dung nghiên cứu nêu trên, luận án đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

1. Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng một số giả thiết, các định luật, sử dụng toán học để nghiên cứu về sự chuyển động của các loại chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX và tối ưu hóa thủy lực qua lỗ phun choòng khoan.

2. Thu thập và xử lý thống kê các dữ liệu thực tế về thi công giếng khoan tại Việt Nam và một số nước trên thế giới.

3. Thiết lập tính toán và lập chương trình tính toán mô phỏng bằng phần mềm Matlab để:

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số vận tốc chất lỏng khoan, tính lưu biến, khối lượng riêng hạt mùn, khối lượng riêng chất lỏng khoan, kích thước hạt mùn, tốc độ cơ học khoan đến hiệu quả vận chuyển mùn và tổn thất áp suất ma sát;

- Nghiên cứu quá trình tối ưu làm sạch đáy giếng theo chỉ tiêu công suất thủy lực và lực va chạm đáy của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan. 6. Tài liệu cơ sở của luận án - Luận án được xây dựng trên cơ sở các tài liệu cơ bản về thủy lực, chất lỏng khoan, thủy lực khoan, vận chuyển mùn khoan, dòng chảy nhiều pha, dòng tia đã được xuất bản trong và ngoài nước. - Trong quá trình làm luận án, tác giả còn tham khảo rất nhiều tài liệu chất lỏng khoan, tính lưu biến chất lỏng khoan, vận chuyển mùn khoan giếng đứng, nghiêng, ngang, thủy lực choòng khoan,… đã công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước. - Các kiến thức và kinh nghiệm có được trong quá trình giảng dạy và nghiên cứu khoa học về lĩnh vực thủy lực tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất. 7. Các luận điểm bảo vệ

1. Trong quá trình khoan các giếng khoan bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long hầu hết các trường hợp chất lỏng khoan chảy tầng trong KKVX và chảy rối trong cột cần khoan.

2. Vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX hợp lý khi vận chuyển mùn khoan các giếng khoan bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long là 0,7 đến 1,3 m/s, giá trị giới hạn dưới của vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX không nên nhỏ hơn 0,4 m/s.

3. Trong quá trình khoan chỉ tiêu tối ưu công suất thủy lực chỉ áp dụng được ở chiều sâu nhỏ đến trung bình, còn chỉ tiêu tối ưu lực va đập đáy có thể áp dụng ở chiều sâu lớn. 8. Điểm mới về khoa học

1. Đưa ra một phương pháp toán học logic để thiết lập được biểu thức tổn thất áp suất do ma sát cho các loại chất lỏng khoan Newton, phi Newton chảy tầng trong cột cần và KKVX nếu ta biết được biểu thức mô tả chất lỏng khoan , từ đó có thể đưa chất lỏng khoan phi Newton thành chất lỏng Newton thông qua độ nhớt tương đương Newton, đồng nghĩa với việc xác định được chế độ chảy của chất lỏng khoan phi Newton một cách dễ dàng.

2. Khi nghiên cứu sự chuyển động của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX giếng khoan của các loại chất lỏng khoan khác nhau ứng dụng ở bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long, tác giả phát hiện hầu hết các trường hợp chất lỏng khoan chảy tầng trong KKVX (ngoại trừ nước và chất lỏng khoan có độ nhớt tương đương hoặc nhỏ hơn nước) và chảy rối trong cột cần khoan.

3. Đưa ra một mô hình và chương trình tính toán mô phỏng quá trình vận chuyển mùn khoan, từ đó có thể dễ dàng đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá tình vận chuyển mùn khoan.

4. Khi nghiên cứu tính toán mô phỏng gradient áp suất trong KKVX giếng khoan, tác giả phát hiện: trong quá trình vận chuyển mùn khoan các giếng khoan bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long khi tăng vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX đến 1,3 m/s làm gradient áp suất giảm và đặc biệt giảm nhanh ở giá trị nhỏ hơn 0,4 m/s. Giá trị vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX làm gradient áp suất có khoảng nhỏ hợp lý là từ 0,7 đến 1,3 m/s. Điều này khẳng định vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX hợp lý khi vận chuyển mùn khoan là 0,7 đến 1,3 m/s, giá trị giới hạn dưới của vận tốc va không nên nhỏ hơn 0,4 m/s. 5. Lần đầu tiên tính toán mô phỏng tối ưu thủy lực của dòng chất lỏng qua choòng khoan và đưa ra được điều kiện áp dụng các chỉ tiêu tối ưu, đó là: chỉ tiêu công suất tối ưu của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan chỉ áp dụng được chiều sâu nhỏ đến trung bình còn chỉ tiêu tối ưu lực va đập đáy có thể áp dụng được chiều sâu lớn. 9. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học:

- Luận án đã nghiên cứu logic và đầy đủ về toán học khi thiết lập công thức tổn thất áp suất ma sát của các loại chất lỏng khoan ở chế độ chảy tầng để đưa ra biểu thức xác định độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng khoan phi Newton, từ đó xác định chế độ chuyển động của chất lỏng phi Newton. - Đánh giá, minh họa sự ảnh hưởng của các yếu tố như vận tốc chất lỏng khoan, tính lưu biến chất lỏng khoan, khối lượng riêng chất lỏng khoan, khối lượng riêng hạt mùn, kích thước hạt mùn, tốc độ cơ học khoan đến hiệu quả vận chuyển mùn trong giếng thân đứng. - Đưa ra được điều kiện tối ưu thủy lực của dòng dung dịch qua lỗ phun choòng khoan, đồng thời đưa ra phạm vi áp dụng điều kiện tối ưu thủy lực qua choòng khoan. 2.Ý nghĩa thực tiễn: Là cơ sở cho các kỹ sư thiết kế chương trình thi công khoan. 10. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần Mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 150 trang, khổ giấy A4 cỡ chữ 13, font chữ Time New Roman, trong đó có 45 hình vẽ, 89 bảng biểu và phần phụ lục.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẤT LƯU TRONG QUÁ TRÌNH KHOAN

1.1.Giới thiệu Vận chuyển mùn khoan và làm sạch đáy giếng là vấn đề quan trọng và cốt lõi trong công nghệ khoan. Theo tiến trình phát triển công nghệ khoan được rất nhiều tác giả nghiên cứu và quan tâm, các nghiên cứu tập trung vào sự chuyển động của chất lỏng, hình thức vận chuyển mùn khoan, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận chuyển, tính toán dòng chất lỏng chảy qua lỗ phun chòong khoan làm sạch đáy giếng. Có nhiều mô hình toán học và thực nghiệm để xác định và làm sáng tỏ cơ chế thủy lực vận chuyển mùn khoan. Vấn đề thường gặp phải với hầu hết mô hình vận chuyển mùn khoan là sự không chính xác, thông thường so sánh với kết quả thực nghiệm hoặc kết quả tình huống khoan.Vì vậy, cần một mô hình toán học mới để khắc phục một số hạn chế của các mô hình thủy lực đang tồn tại. Dưới đây là tổng quan về sự nghiên cứu dòng chất lỏng khoan.

1.2. Tổng quan về các tài liệu nghiên cứu 1.2.1.Các nghiên cứu thực nghiệm Đề cập đến các tài liệu nghiên cứu theo các khía cạnh: Tính lưu biến của dung dịch; Lưu lượng dòng chảy trong KKVX; Kích thước hạt mùn khoan; Khối lượng riêng của dung dịch hoan; Độ nhớt; Tốc độ sinh mùn khoan; Độ nghiêng giếng khoan trong vận chuyển mùn và làm sạch đáy giếng. 1.2.2. Các nghiên cứu lý thuyết Đưa ra các mô hình vận chuyển mùn, bao gồm mô hình 2 lớp, mô hình 3 lớp trong các điều kiện giếng có độ nghiêng khác nhau 1.2.3. Các tài liệu về thủy lực chòong khoan Các tài liệu đưa cách tính toán các thông số thủy lực và tỷ lệ tiêu thụ công suất máy bơm cho choòng khoan. 1.3. Tổng kết và đánh giá Trên cơ sở tổng kết các tài liệu nghiên cứu về dòng chất lỏng khoan, ta có thể đưa ra một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu, đó là: - Phương pháp tổng quát đề xác định chế độ chảy của các loại chất lỏng khoan mà mô tả dưới các biểu thức tính lưu biến khác nhau; - Lý thuyết hóa và mô phỏng tổng quát các thông số ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển mùn khoan; - Nghiên cứu trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX có gắn với thông số thực tế khoan; - Tính toán gradient áp suất của dòng chất lỏng khoan vận chuyển hạt mùn trong KKVX; - Xác định khoảng vận tốc chất lỏng khoan vận chuyển hợp lý và vận tốc chất lỏng khoan tối thiểu khi vận chuyển mùn khoan; - Phát triển toán học để tìm điều kiện tối ưu thủy lực của dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun choòng khoan và điều kiện áp dụng nhằm làm tăng hiệu quả làm sạch đáy giếng.

CHƯƠNG 2

CHẤT LỎNG KHOAN VÀ SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG KHOAN TRONG CỘT CẦN VÀ KKVX GIẾNG KHOAN

2.1. Chất lỏng khoan và tính lưu biến 2.1.1. Tính lưu biến của chất lỏng khoan Tính lưu biến là sự mô tả quan hệ giữa ứng suất trượt và tỷ suất trượt của chất lỏng. Hầu hết chất lỏng khoan là chất lỏng phi Newton, tổng quá có thể mô tả sau đây. 2.1.1.1.Chất lỏng Newton

Chất lỏng Newton được xác định bởi mối quan hệ: = s

trong đó:- ứng suất trượt; s-tỷ suất trượt; -độ nhớt chất lỏng Newton. 2.1.1.2. Chất lỏng phi Newton 1- Chất lỏng Bingham Chất lỏng Bingham được xác định bởi mối quan hệ:

= y + ps trong đó: y-ứng suất ban đầu; p-độnhớt chất lỏng Bingham. 2- Chất lỏng Power Law Chất lỏng Power Law được xác định bởi mối quan hệ :

= ksn trong đó : k - hệ số đậm đặc(hệ số sệt ); n - chỉ số đặc tính chảy. 3- Chất lỏng Herschel Bulkley (yield power law) Chất lỏng Herschel Bulkley được xác định bằng mối quan hệ:

= y + ksn Viện dầu khí Mỹ (API) đã lựa chọn chất lỏng Power Law là mô hình chất lỏng tiêu chuẩn.

2.1.2. Các thông số lưu biến thực tế của chất lỏng khoan Theo kết quả thực nghiệm[57]:

Chất lỏng khoan gốc nước có τy = 2.2 Pa, k = 2.15 Pa.sn; n = 0.3858 Chất lỏng khoan gốc dầu có τy = 4.35 Pa, k = 4 Pa.sn; n = 0.3561

Theo nghiên cứu của Mojis [44] về chất lỏng khoan gốc nước với hai loại chính là: nước cộng sét với các phụ gia và nước biển cộng polymer và các phụ gia. Loại nước sét được dựa trên chất lỏng khoan nền (CLN), pha chế gồm 15g bentonite trong 350 ml nước (tương đương15lbm bentonite trong 1bbl nước) cộng thêm một lượng sút (NaOH) đủ để độ PH bằng 9. Hai loại muối được sử dụng là KCl và KF, hai loại polymer là Xanthan và PHPA, chất làm nặng là barite. Thông số và tính lưu biến của dung dịch khoan tương ứng với các thành phần được thể hiện trong bảng 2.1 [44]. Bảng 2.1: Tính lưu biến của một số chất lỏng khoan

Loại chất lỏng khoan KLR (kg/m3) τy (N/m

2) n k (Pa.sn)

CLN+KCl 1290 7,9033 0,48 1,612 CLN+KF 1171 9,74 0,3 2,71 KCl+PHPA 1200 1,62 0,74 0,06 KCl+Xanthan 1166 12,02 0,412 2,117 KF+PHPA 1166 0,91 0,763 0,03 KF+Xanthan 1172 13,172 0,478 1,491

Hiện nay, tại Việt Nam qua số liệu báo cáo [4], các loại chất lỏng khoan sử dụng đa dạng, được đo và thể hiện dưới 2 thông số là ứng suất trượt ban đầu và độ nhớt dẻo, tức là được mô tả dưới dạng chất lỏng khoan Bingham-Sevedov (bảng 2.2, 2.3). Bảng 2.2: Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Nam Côn Sơn STT Loại chất lỏng khoan KLR chất

lỏng, kg/m3 Ứng suất ban

đầu, N/m2 Độ nhớt dẻo,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.BENTO

NITE 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 2.3: Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Cửu Long STT Loại chất lỏng khoan KLR chất

lỏng kg/m3 Ứng suất ban

đầu N/m2 Độ nhớt dẻo, 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 12 PREHYDRATED/BENTONITE

HIVIS PIL 1019 4,6 0,0175

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 2.2.Tổn thất áp suất do ma sát trong cột cần và KKVX giếng khoan 2.2.1. Tổn thất áp suất do ma sát trong cột cần và KKVX khi chảy tầng

L

2

ipms 2

vD

lp

Re7,18

D2lg274,11

ip

9,0ip Re

25,21D

lg214,11

Để xác định mối quan hệ giữa tổn thất áp suất do ma sát với ứng suất trượt ( ) và bán kính ống (r) hay bán kính thuỷ lực, ta coi lực tác động độc lập lên chất lỏng khoan chuyển động.

Dòng chảy trong cột cần khoan và KKVX là dòng chảy tạo lớp chất lỏng khoan dạng ống trụ tròn xoay đồng tâm. Bằng công thức cân bằng lực, phát triển toán học xác định biểu thức tổn thất áp suất, kết quả được các biểu thức tính toán tổn thất áp suất do ma sát của các chất lỏng Newton, Bingham, Power law, Herschel Bulkley chảy tầng trong cột cần và KKVX giếng khoan. 2.2.2 Độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng khoan phi Newton Bằng cân bằng biểu thức tổn thất áp suất do ma sát giữa các chất lỏng phi Newton và chất lỏng Newton khi chảy tầng rút ra được các biểu thức độ nhớt tương đương Newton. 2.2.3. Phân biệt chế độ chảy của chất lỏng khoan phi Newton trong cột cần và KKVX Khi có độ nhớt tương đương Newton, ta có thể sử dụng tiêu chuẩn số Reynolds để phân biệt chế độ chảy. Các chất lỏng khoan chảy tầng khi số Reynolds tính theo độ nhớt tương đương nhỏ hơn 2320, chảy rối khi lớn hơn 2320. 2.2.4. Tổn thất áp suất do ma sát khi chảy tầng

Công thức Darcy-Weisbach xác định tổn thất áp suất do ma sát đối với ống tròn chất lỏng Newton:

trong đó: pms- là tổn thất áp suất do ma sát; – là hệ số ma sát; L- khối lượng riêng của chất lỏng.Khi chất lỏng chảy tầng = 64/Re. Khi tính toán cho chất lỏng khoan, ta thay thế các đại lương tương ứng cho từng loại. 2.2.5. Tổn thất áp suất do ma sát trong cột cần và KKVX khi chất lỏng khoan chảy rối Có nhiều tác giả đưa ra biểu thức xác định hệ số ma sát của Darcy-Weisbach, và có 2 biểu thức thường sử dụng đó là: Biểu thức Colơbruc[30]:

Biểu thức thay thế của Tomita [30]:

trong đó: - chiều cao mô nhám, = 0,05 mm [6]. Khi sử dụng cho từng loại chất lỏng khoan, ta thay thế các đại lượng trong công thức trên tương ứng. 2.2.6. Tổn thất áp suất khi KKVX lệch tâm 2.2.6.1. Đường kính thuỷ lực

- Khi dòng chảy tầng đường kính thủy Dea=Dh-Dop. - Khi dòng chảy rối qua KKVX gồm 2 vùng: vùng chảy tầng và

vùng chảy rối. Chiều cao vùng chảy tầng phụ thuộc vào độ lệch tâm và tỷ số bán kính lỗ khoan và cần khoan. Trong từng vùng ta thiết lập công thức tính đường kính thủy lực. 2.2.6.2. Tổn thất áp suất do ma sát Dựa vào biểu thức đường kính thủy lực để tính số Reynolds, từ đó ta tính được hệ số ma sát theo từng trường hợp. 2.3. Trang thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX giếng khoan 2.3.1. Thông số thực tế trong công tác khoan

Bằng xem xét số liệu báo cáo về thông số thi công các giếng khoan bởi các nhà thầu khác nhau từ 2003 đến 2010 [4], bao gồm: 34 giếng bể Nam Côn Sơn, 73 giếng bể Cửu Long, có thể tổng kết như sau: Bảng 2.4: Thông số thi công giếng khoan tại 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 10001100 63,169,4

17 ½ 444,5 5 127 6931033 43,765,2 12 ¼ 311,15 5 127 628855 39,653,9 8 ½ 215,9 5 127 500606 31,538,2 6 152,4 3 ½ 88,9 230245 14,515,5 Dựa vào thông số thực tế trong bảng 2.4, ta tính được vận tốc trung

bình của chất lỏng khoan chảy trong cột cần và KKVX. Bảng 2.5: Vận tốc trung bình của dòng dung dịch chảy trong cột cần và KKVX

Đường kính cần khoan, mm

Vận tốc chất lỏng khoan, m/s

Cấp đường kính giếng, mm

Đường kính ngoài

Đường kính trong

Trong KKVX (va)

Trong cột cần (vp)

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

1nn

n2ne

8n4

1n3k

vDRe

2.3.2. Xác định chế độ chảy của chất lỏng khoan khoan trong cột cần và KKVX Dựa vào vận tốc trung bình của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX (bảng 2.5), căn cứ vào đặc tính của các loại chất lỏng khoan (bảng 2.1 đến 2.3), dựa vào các công thức đã thiết lập ở phần trước tính độ nhớt tương đương Newton, số Reynolds và đồng thời tính toán so sánh số Reynolds của Dodge và Metzner để khẳng định chế độ chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và KKVX. Chương trình tính toán mô phỏng thể hiện trong phụ lục 2A Theo Dodge và Metzner, số Reynolds của chất lỏng khoan phi Newton được xác định[22]:

2.3.2.1. Chất lỏng khoan tính lưu biến có chỉ số chảy n<1 - Chất lỏng khoan chảy trong KKVX Bảng 2.7: Trạng thái chảy trong KKVX của chất lỏng khoan CLN+KCl Loại chất

lỏng khoan

va Độ nhớt tương đương Newton

Pa.s

Số Reynolds

Số Re theo Dodge và Metzner

Trạng thái chảy

0,19 0,21 0,5451-0,5175 240-279 125-145 Tầng 0,31 0,46 0,3566-0,2904 356-469 205-372 Tầng 0,63 0,85 0,2146-0,1837 697-1100 463-729 Tầng 1,32 1,6 0,1288-0,1165 1175-1575 1004-1345 Tầng

CLN+KCl

1,21 1,29 0,1139-0,1101 871-960 748-825 Tầng - Chất lỏng khoan chảy trong cột cần Bảng 2.14:Trạng thái chảy trong cột cần chất lỏng khoan CLN+KCl Loại chất

lỏng khoan

vp Độ nhớt tương đương Newton, Pa.s

Số Reynolds

Số Re theo Dodge và Metzner

Trạng thái chảy

6,83 7,51 0,0356-0,0339 26867-31037 13434-15518

Rối

4,73 7,06 0,0431-0,0350 15371-28255 7685-14127 Rối 4,29 5,83 0,0453-0,0386 13251-21121 6625-10561 Rối 3,41 4,13 0,0511-0,0462 9347-12507 4674-6253 Rối

CLN+KCl

3,75 4,01 0,0388-0,0374 8763-9703 4382-4852 Rối 2.3.2.2. Chất lỏng khoan sử dụng khoan tại bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long. Nhiều loại chất lỏng khoan được tính toán mô phỏng, dưới đây chỉ trích dẫn đơn cử.

- Chất lỏng khoan chảy trong KKVX

L

Ls

D

ps C

gd34v

Bảng 2.25: Trạng thái chảy trong KKVX của chất lỏng khoan SW/GEL/PAC Loại chất lỏng

khoan va Độ nhớt tương đương Newton

Pa.s Số Raynol Trạng thái

chảy

0,19 0,21 0,08550,0834 13211497 Tầng 0,31 0,46 0,20140,0194 544839 Tầng 0,63 0,85 0,55020,5452 235319 Tầng 1,32 1,6 2,29672,2934 5769 Tầng

Chất lỏng khoan SW/GEL/PAC

1,21 1,29 4,49334,4915 1921 Tầng - Chất lỏng khoan chảy trong cột cần khoan

Bảng 2.32: Trạng thái chảy trong cột cần của chất lỏng khoan SW/GEL/PAC Loại chất lỏng

khoan vp Độ nhớt tương

đương Newton Pa.s

Số Raynol Trạng thái chảy

6,83 7,51 0,09780,0900 844210084 Rối 4,73 7,06 0,13590,0950 42088934 Rối 4,29 5,83 0,14860,1125 34906264 Rối 3,41 4,13 0,18380,1539 22423244 Rối

Chất lỏng khoan

SW/GEL/PAC

3,75 4,01 0,11310,1065 25932944 Rối Theo kết quả mô phỏng từ bảng 2.4 đến bảng 2.19 cho chất lỏng

khoan tính lưu biến mô phỏng dưới 3 thông số, bảng 2.20 đến bảng 2.43 cho các loại chất lỏng khoan sử dụng cho bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long tính lưu biến mô tả dưới chất lỏng khoan Bingham, bảng 2.44 đến bảng 2.45, cho chất lỏng khoan là nước, cho thấy chất lỏng khoan chảy tầng trong KKVX, chảy rối trong cột cần khoan. Đối với nước và chất lỏng khoan có độ nhớt tương đương nước thì có thể chảy rối trong KKVX.

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN TRONG KKVX THÂN GIẾNG ĐỨNG

3.1.VËn tèc l¾ng vµ hÖ sè c¶n h¹t mïn khoan 3.1.1. Vận tốc lắng

Vận tốc lắng là vận tốc rơi của hạt trong môi trường chất lỏng khoan tĩnh. Lực tác động lên hạt cầu rơi với vận tốc vs trong chất lỏng khoan tĩnh vô hạn gồm lực cản, trọng lực và lực đẩy nổi. Bằng phương trình cân bằng lực lên hạt, ta có:

3.1.2 Hệ số cản 3.1.2.1. Chất lỏng khoan Newton Được xác định theo 3 vùng, CD xác định theo công thức của Shah

cosv1v1

cosvvR

as

a

tt

cosgAA1Gradp ahdms

a

3.1.2.2.Chất lỏng khoan phi Newton Được xác định theo 3 vùng, CD xác định theo công thức của Meyer

3.2. Đặc điểm vận chuyển mùn khoan giếng thân đứng Vận chuyển mùn khoan giếng đứng dựa vào vận tốc lắng của hạt, được thể hiên qua tỷ số vận tải theo công thức:

trong đó: vt- vận tốc vận tải, vs- vận tốc lắng của hạt, va-vận tốc trung bình của chất lỏng khoan trong KKVX, - góc nghiêng giếng. 3.3. Ph¸t triÓn c«ng thøc to¸n, đặt lực tác động lên đoạn dòng chảy trong KKVX, ta được:

3.4. TÝnh to¸n m« pháng sù ¶nh h­ëng cña c¸c th«ng sè ®Õn hiÖu qu¶ vËn chuyÓn mïn khoan 3.4.1. Thuật toán tính toán mô phỏng

Bước 1: Nhập giá trị các đại lượng va, L,s, n, k, dp, Bước 2: Tính hệ số cản, số Reynolds hạt, vận tốc lắng bằng

phương pháp lặp nhiều lần đến khi cho giá trị đúng. 1- Giả thiết giá trị Rep thuộc một trong ba vùng lắng; 2- Tính hệ số cản CD tương ứng theo vùng lắng; 3- Tính vận tốc lắng ; 4- Tính lại Rep ; Lặp lại từ 2 đến 4 cho đến khi số Reynolds hạt sau và trước xấp xỉ nhau thì kết quả là cuối cùng.

Bước 3: Tính vận tốc vận tải ; Bước 4: Tính tỷ số vận tải ;

3.4.2. Nguyên tắc tính toán mô phỏng Quá trình tính toán mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab.Sự tính toán mô phỏng được thể hiện dựa trên trường hợp dữ liệu cơ sở trong bảng 3.1 (CLN+2%KCl).

Khi chạy chương trình tính toán mô phỏng, các thông số: vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX, tính lưu biến của chất lỏng khoan, khối lượng riêng mùn khoan, khối lượng riêng chất lỏng khoan, kích thước hạt mùn lần lượt được thay đổi, các thông số còn lại theo giá trị dữ liệu cơ sở. Kết quả chạy chương trình thể hiện phần dưới.

0

0.1

0.2

0.3

0.40.5

0.6

0.7

0.8

0.91

900 1000 1100 1200 1300 1400

Khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3

Tỷ s

ố vậ

n tả

i mùn

kho

an R

t

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200

Khối lượng riêng hạt mùn, kg/m3

Tỷ s

ố vậ

n tả

i mùn

kho

an R

t

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Kích thước hạt mùn, mm

Tỷ s

ố vậ

n tả

i mùn

kho

an R

t

Bảng 3.1: Thông số dữ liệu cơ sở Các thông số Giá trị Ứng suất trượt ban đầu y 7,18 N/m2 Chỉ số chảy chất lỏng khoan n 0,32 Hệ số đậm đặc chất lỏng khoan k 1,37 Pa.sn Đường kính lỗ khoan 311,15 mm Đường kính ngoài cột cần khoan 127 mm Khối lượng riêng mùn khoan 2600 kg/m3 Khối lượng riêng chất lỏng khoan 1100 kg/m3

Kích thước hạt mùn trung bình 5mm Tốc độ cơ học khoan 0,005556m/s (20 m/h)

3.4.3. Kết quả và thảo luận Bảng 3.4a: Tính lưu biến của các chất lỏng khoan

Thông số CLCS Chất lỏng khoan A

Chất lỏng khoan B

Chất lỏng khoan C

y (N/m2) 7,18 7,18 7,18 7,18 n 0,32 0,32 0,32 0,32

k (Pa.sn) 1,37 0,5 1,0 2,5 L(kg/m3) 1100 1100 1100 1100 tdN (Ns/m2) 0,5327 0,1944 0,3889 0,9721

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Vân tốc chất lỏng trong KKVX Va, m/s

Tỷ s

ố vậ

n tả

i mùn

kho

an R

t

Hình 3.3: Hiệu quả vận chuyển mùn theo va giếng đứng

Hình 3.8: Hiệu quả vận chuyển mùn theo KLR hạt mùn giếng đứng ở va=0,7 m/s

Hình 3.6: Hiệu quả vận chuyển mùn theo KLR chất lỏng giếng đứng với va=0,7m/s

Hình 3.10:Hiệu quả vận chuyển mùn theo kích thước hạt mùn giếng đứng, va=0,7m/s

11000

11500

12000

12500

13000

13500

14000

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8

Vận tốc chất lỏng trong KKVX Va, m/s

Gra

dien

t áp

suất

tron

g KK

VX, P

a/m

11000

11500

12000

12500

13000

13500

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Vận tốc chất lỏng trong KKVX Va, m/s

Gra

dien

t áp

suất

tron

g K

KVX

, Pa/

m

CLCS Chất lỏng A Chất lỏng B Chất lỏng C

Như vậy, qua sự tính toán mô phỏng hiệu quả vận chuyển mùn

khoan khi cho các thông số thay đổi, ta nhận thấy: Vận tốc va , độ nhớt, chỉ số dòng chảy n, KLR của chất lỏng khoan tăng làm hiệu quả vận chuyển mùn khoan tăng; ngược lại KLR hạt, kích thước hạt, tốc độ cơ học tăng làm giảm hiệu quả vận chuyển mùn. 3.5.Tính toán mô phỏng gradient áp suất trong KKVX 3.5.1. Thuật toán tính toán mô phỏng

Bước 1: Nhập các đại lượng Bước 2: Tính độ nhớt tương đương Newton trong KKVX ; Bước 3: Tính tiết diện KKVX; Bước 4: Tính toán tổng nồng độ mùn khoan; Bước 5: Tính khối lượng riêng hiệu dụng; Bước 6: Tính chu vi ướt ; Bước 7: Tính số Reynolds; Bước 8: Tính hệ số ma sát theo công thức; Bước 9: Tính ứng suất trượt ma sát; Bước 10: Tính gradient áp suất trong KKVX;

3.5.2. Nguyên tắc tính toán mô phỏng Quá trình tính toán mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm

Matlab, dựa trên trường hợp dữ liệu cơ sở trong bảng 3.1 khi cho các thông số thay đổi lần lượt. Kết quả chạy chương trình thể hiện phần dưới. 3.5.3. Kết quả và thảo luận - Gradient áp suất trong KKVX theo vận tốc chất lỏng khoan - Gradient áp suất trong KKVX theo tính lưu biến chất lỏng - Gradient áp suất trong KKVX theo khối lượng riêng chất lỏng

Hình 3.12:Gradient áp suất trong KKVX giếng đứng khi va thay đổi

Hình 3.14:Gradp trong KKVX theo tính lưu biến CL khoan giếng đứng khi

vathay đổi

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Vận tốc chất lỏng trong KKVX, m/s

Gra

dien

t áp

suất

tron

g K

KV

X,

Pa/m

KLR chất lỏng 950 kg/m3 KLR chất lỏng 1100 kg/m3 KLR chất lỏng 1300 kg/m3

10000

10200

10400

10600

10800

11000

11200

11400

11600

1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200

KLR hạt mùn khoan, kg/m3

Gra

dien

t áp

suất

tron

g K

KV

X,

Pa/

m

10000

11000

12000

13000

14000

15000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Vận tốc chất lỏng trong KKVX, m/s

Gra

dien

t áp

suất

tron

g K

KV

X, P

a/m

KLR hạt mùn, 2200 kg/m3 KLR hạt mùn, 2600 kg/m3 KLR hạt mùn, 3000 kg/m3

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Vận tốc chất lỏng trong KKVX, m/s

Gra

dien

t áp

suất

tron

g K

KVX

, P

a/m

Tại tốc độ cơ học 0,002778 m/s Tại tốc độ cơ học 0,005556 m/sTại tốc độ cơ học 0,008333 m/s

- Gradient áp suất trong KKVX theo khối lượng riêng hạt mùn - Gradient áp suất trong KKVX theo kích thước hạt mùn - Gradient áp suất trong KKVX theo tốc độ cơ học khoan

Từ kết quả mô phỏng trên ta nhận thấy, có một sồ điểm chung đó

là: ở khoảng vận tốc va nhỏ, khi giá trị va tăng dần thì tổn thất áp suất giảm, tiếp tục tăng va đến khoảng 1,3 m/s thì gradp đạt min, nếu tiếp tục tăng va thì gradp tăng, khoảng vận tốc va làm giá trị gradient áp suất nhỏ hợp lý là khoảng 0,7 đến 1,3 m/s. Đây là khoảng vận tốc hợp lý để vận chuyển mùn khoan trong KKVX.

Điều này được giải thích như sau: khi ở tốc độ cơ học không đổi, tức lượng sinh mùn không đổi. Khi tăng va làm giảm KLR hiệu dụng của chất lỏng khoan, đồng thời làm tăng ứng suất ma sát. Ở giá tri va nhỏ sự tăng ứng suất ma sát nhỏ hơn sự giảm KLR hiệu dụng chất

Hình 3.19: Gradp trong KKVX theo KLR hạt giếng đứng ở va=0,7 m/s

Hình 3.20: Gradp trong KKVX theo KLR hạt giếng đứng theo va

Hình 3.22:Gradient áp suất trong KKVX theo tốc độ cơ học giếng đứng

Hình3.17:Gradp trongKKVX theo KLR chất lỏng giếng đứng khi va thay đổi

lỏng khoan dẫn đến gradp giảm, nếu tiếp tục tăng va, sự tăng và giảm này cân bằng nhau thì gradp nhỏ nhất, giá trị nhỏ nhất của gradp diễn ra tại lân cận va= 1,3 m/s. Nếu tiếp tục tăng va thì ứng suất ma sát tăng nhiều hơn so với sự giảm KLR chất lỏng khoan, dẫn đến gradp tăng. Khoảng vận tốc va phía trước điểm gradp nhỏ nhất lựa chọn để khoan là hợp lý. Khoảng vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX này là từ 0,7 đến 1,3 m/s như trên các hình vẽ đã thể hiện. Một khía cạnh khác nữa là khi tăng vân tốc va đến 0,4m/s làm cho gradp giảm với cường độ nhanh và khi va >0,4m/s sự giảm gradp chậm lại. Điều đó đồng nghĩa với khi giảm va đến 0,4 m/s thì sự tăng gradp rất nhanh. Như vậy, trong khoan không nên sử dụng tuần hoàn chất lỏng có giá trị va nhỏ hơn 0,4 m/s. 3.5.3.4. Gradient áp suất của một số chất lỏng khoan sử dụng ở bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long

Để khẳng định các quy luật thay đổi gradient áp suất theo vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX, ta tính toán mô phỏng gradp khi va thay đổi cho một số chất lỏng khoan sử dụng để khoan các giếng khoan các sử dụng ở bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long, mà được mô ta tính lưu biến theo mẫu chất lỏng khoan Bingham.

Nguyên tắc tính toán mô phỏng cũng dựa theo thông số dữ liệu cơ sở, nhưng các thông số lưu biến chất lỏng khoan thay thế tương ứng của từng loại chất lỏng khoan như thể hiện trong bảng 2.2, 2.3.

Kết quả tính toán mô phỏng trong bảng và các hình vẽ dưới. Bảng 3.25. Gradient áp suất trong KKVX giếng đứng của một số chất lỏng khoan

Gradp, Pa/m va, m/s VISKOPOL/

PRE.BENTONITE KCL/POLYMER ULTRADRIL KCL/POLYMER/

IDCAP D GEL/POLYMER

0,1 13530 13438 14446 15049 13462 0,3 12113 11970 13113 13809 11981 0,5 11909 11724 12902 13627 11725 0,7 11904 11679 12879 13618 11673 0,9 11969 11703 12923 13671 11692 1,1 12068 11762 13000 13753 11747 1,3 12188 11840 13097 13854 11823 1,5 12321 11931 13209 13967 11914 1,7 12466 12032 13331 14090 12015

Qua bảng và hình vẽ, ta thấy quy luật thay đổi gradp của chất lỏng khoan có tính lưu biến là chất lỏng khoan Bingham tương tự như các

10000

10500

11000

11500

12000

12500

13000

13500

14000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Vận tốc chất lỏng trong KKVX, m/s

Gra

dien

t áp

suất

tron

g K

KVX,

Pa

/m

9000

9250

9500

9750

10000

10250

10500

10750

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Vận tốc chất lỏng trong KKVX, m/s

Gra

dien

t áp

suất

tron

g KK

VX,

Pa

/mChất lỏng CS Chất lỏng A Chất lỏng C

chất lỏng khoan đã mô phỏng phần trên. Điều này làm khẳng định vững chắc quy luật thay đổi gradp theo vận tốc va.

3.5.3.5.Gradient áp suất trong KKVX theo vận tốc chất lỏng khoan khi không vận tải hạt mùn.

Để làm rõ hơn các quy luật vận chuyển mùn khoan, ta tính toán mô phỏng gradp khi va thay đổi trong trường hợp chất lỏng khoan không mang hạt. Kết quả tính toán mô phỏng cho ta thấy, gradient áp suất tăng khi va tăng trong tất cả các khoảng giá trị va. Điều này khẳng định đúng quy luật ma sát là tổn thất áp suất ma sát tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và đã được chứng minh trong nhiều tài liệu thủy lực. Qua đây, ta khẳng định các công thức thiết lập để tính toán sự ảnh hưởng của các thông số đến hiệu quả vận chuyển mùn khoan là đáng tin cậy và hợp quy luật. Từ đó ta thấy, quy luật tổn thất áp suất ma sát giữa dòng chất lỏng khoan mang hạt mùn và không mang hạt mùn là khác nhau. Chất lỏng khoan mang hạt mùn khi va tăng từ giá trị nhỏ, làm gradp giảm, nếu tiếp tục tăng va thì gradp giảm đến một giá trị nào đó và bắt đầu tăng theo va. Còn chất lỏng khoan không mang hạt thì gradp luôn tăng khi va tăng.

CHƯƠNG 4

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ LÀM SẠCH ĐÁY GIẾNG CỦA DÒNG CHẤT LỎNG KHOAN

Hình 3.28:Gradp trong KKVX giếng đứng theo tính lưu biến khi va thay đổi chất lỏng

khoan không mang hạt

Hình 3.23:Gradient áp suất trong KKVX theo va giếng đứng chất lỏng khoan

VISKOPOL/PRE.BENTONITE

2d

2t

2

c CgA2Qp

bmstu p1

1p

bctu p1

p

4.1. Nghiên cứu điều kiện tối ưu để tăng hiệu quả làm sạch đáy của dòng chất lỏng khoan 4.1. 1. Giảm áp qua lỗ phun của choòng khoan: Bằng viết phương trình cân bằng năng lượng, ta có biểu thức:

trong đó: pc- giảm áp qua choòng khoan, Q- lưu lượng chất lỏng, At- tổng tiết diên lỗ phun, Cd- hệ số. 4.1.2. Tối ưu thuỷ lực choòng khoan. 4.1.2.1. Công suất thuỷ lực của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan lớn nhất, vận tốc chất lỏng và đường kính lỗ phun tối ưu

Công suất thuỷ lực của dòng chất lỏng qua choòng được mô tả Hc = (pb – pdc – pms).Q

Để đơn giản và có thể xác định công suất thuỷ lực lớn nhất của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan, áp suất tổn thất ma sát pms được mô tả như sau: Q.Cpms trong đó:C - hằng số, - số mũ dòng chảy.

Từ đó, ta có: 1dcbc CQQpQpH

Từ công thức trên, ta thấy công suất thuỷ lực của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan phụ thuộc nhiều vào Q và là hàm số của lưu lượng Q. Đạo hàm công thức trên theo Q và cho bằng 0, ta có giá trị công suất thuỷ lực của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan lớn nhất. Sau khi đạo hàm ta, có được điều kiện tối ưu công suất thủy lưc theo các đại lượng:

- Theo áp suất do ma sát trong hệ thống:

- Theo giảm áp qua choòng khoan

Theo tài liệu đã xuất bản [1] nghiên cứu về tối ưu công suất thủy lực của dòng chất lỏng khoan qua chòong khoan, khi biết trước công suất thủy lực của dòng chất lỏng khoan qua chòong, khẳng định:

pbtu= 3pms Mặt khác, theo nghiên cứu trong chương 2, chương 3, ta có công thức xác định tổng tổn thất áp suất ma sát:

mspmsams ppp

2v

DL

2v

DDLp

2p

ip

Lp

2a

oph

hdams

5

ip2

Lp

oph22

op2h

2hd

a2

ms DL8

DDDDL8Qp

5ip

2L

poph

22op

2h

2hd

a

mstutu

DL8

DDDDL8

pQ

.nA2d tu

ntu

bdctu p1

g2Cv

2pp btu

mstu

trong đó: pmsa là tổn thất áp suất trong KKVX, pmsp là tổn thất áp suất trong cột cần. Theo công thức Darcy-Weibach, tổn thất áp suất trên chiều dài L thân giếng:

trong đó: a- hệ số ma sát trong KKVX, xác định theo chế độ chảy tầng; p- hệ số ma sát trong cột cần, xác định theo chảy rối.

Thay va, vp theo lưu lượng, được:

Khi áp suất ma sát đạt tối ưu thì lưu lượng cũng đạt tối ưu.Do vậy,

ta có:

Khi Qtu, pctu được tính toán, ta có:

ctu2d

2ctu

tu pgC2Q

A

Atu là tổng diện tích vòi phun choòng khoan tối ưu. Nếu choòng khoan có n vòi phun thì:

Vận tốc tối ưu qua lỗ phun choòng khoan:

4.1.2.2 Phản lực dòng tia va đập đáy lớn nhất Lực va đập thuỷ lực trên đáy bởi dòng chất lỏng khoan qua lỗ phun chòong khoan được xác định theo định luật 2 Newton hoặc theo

phản lực dòng tia [6]: 2b CQQHBF

trong đó: B - hệ số. Sau khi đạo hàm ta sẽ có được điều kiện tối ưu lực va đập đáy theo

các đại lượng: - Theo tổn thất áp suất ma sát thì :

21pp btuctu

- Theo giảm áp suất qua choòng thì:

Cũng theo tài liệu đã xuất bản [1] nghiên cứu về tối ưu lực va đập

đáy của dòng chất lỏng khoan, khi biết trước công suất thủy lực chòong, khẳng định: pbtu= 2pms

Lưu lượng, áp suất ma sát, đường kính lỗ phun, vận tốc qua lỗ phun tối ưu cũng được xác định như phần trên. 4.2. Tính toán mô phỏng tối ưu thủy lực qua choòng khoan 4.2.1. Thuật toán tính toán mô phỏng

Bước 1: Nhập các đại lượng; Bước 2: Tính tiết diện KKVX, tính lưu lượng bơm, tính vận tốc

chất lỏng khoan trong cần khoan; Bước 3: Tính toán tổng nồng độ mùn khoan; Bước 4: Tính độ nhớt tương đương Newton trong KKVX và cột

cần khoan; Bước 5: Tính khối lượng riêng hiệu dụng; Bước 6: Tính chu vi ướt theo công thức; Bước 7: Tính số Reynold trong KKVX và trong cột cần; Bước 8: Tính hệ số ma sát trong KKVX và cột cần ; Bước 9: Tính áp suất ma sát ; Bước 10: Tính áp suất bơm tối ưu ; Bước 11:Tính áp suất ma sát tối ưu ; Bước 12: Tính áp suất tối ưu qua chòong khoan; Bước 13: Tính lưu lượng bơm tối ưu ; Bước 14:Tính tổng tiết diện lỗ phun chòong khoan tối ưu; Bước 15: Tính đường kính lõ phun chòong khoan tối ưu; Bước 16: Tính vận tốc chất lỏng tối ưu qua lỗ phun chòong khoan;

4.2.2. Nguyên tắc tính toán mô phỏng Sự mô phỏng được thực hiện dựa trên trường hợp dữ liệu cơ sở

trong bảng 3.1. Khi chạy chương trình tính toán mô phỏng, các thông số được thay đổi. Quá trình mô phỏng tính cho choòng khoan loại 3 lỗ phun. Kết quả chạy chương trình thể hiện phần dưới. 4.2.3. Kết quả và thảo luận 4.2.3.1. Thông số tối ưu theo công suất thủy lực

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Chiều sâu giếng khoan, m

Áp

suất

, MP

a

Tổn thất áp suất do ma sát Áp suất bơm tối ưuTổn thất áp suất do ma sát tối ưu Giảm áp suất qua chòong khoan tối ưu

Hình 4.7. Các thông số tối ưu công suất thủy lực theo chiều sâu giếng

khoan tại va = 1,3 m/s 4.2.3.2. Thông số tối ưu theo lực va đập đáy

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Chiều sâu giếng khoan, m

Áp

suất

, MPa

Tổn thất áp suất do ma sát Áp suất bơm tối ưuTổn thất áp suất do ma sát tối ưu Giảm áp suất qua chòong khoan tối ưu

Hình 4.12. Các thông số tối ưu lực va đập đáy của dòng chất lỏng

theo chiều sâu giếng khoan tại va=1,3 m/s 4.2.3.3. Nhận xét và đánh giá

Qua kết quả tính toán mô phỏng, ta có một số nhận xét: - Theo chiều sâu các giá trị tối ưu như áp suất bơm tối ưu, áp suất ma sát tối ưu, áp suất choòng khoan tối ưu, lưu lượng bơm tối ưu đều tăng theo chiều sâu giếng khoan. - Theo chiều độ sâu cường độ tăng của áp suất máy bơm tối ưu là cao nhất và cường độ này giảm dần tiếp theo là áp suất tối ưu qua choòng khoan và tổn thất áp suất ma sát tối ưu trong các giá trị lưu lượng khác nhau.

- Áp suất bơm tối ưu theo chỉ tiêu tối ưu công suất thủy lực lớn hơn nhiều so với áp suất bơm tối ưu theo chỉ tiêu tối ưu lực va đập đáy ở cùng chiều sâu và lưu lượng bơm. - Áp suất bơm tối ưu, áp suất ma sát tối ưu tăng khi lưu lượng tăng. Từ các nhận xét trên, đồng thời từ số liệu các bảng ta nhận thấy giá trị áp suất bơm tối ưu là rất lớn, đặc biết là ở chiều sâu giêng lớn. Vấn đề đặt ra là có thể áp dụng điều kiện tối ưu thủy lực choòng khoan được khi nào.

Theo thông số máy bơm của hãng Sunnda Corporation [3 ] thì áp suất máy bơm lớn nhất là 5000 PSI (tương đương 350 at, tức khoảng 35 triệu N/m2).

So sánh thông số áp suât máy bơm và các thông số áp suất tối ưu, ta thấy khi tối ưu công suất thủy lực qua choòng khoan với vận tốc va đến 1,3m/s thì chỉ đến độ sâu 2500m (bảng 4.5, pbtu= 35099000 N/m2 tương đương pbmax), áp suất bơm tối ưu đạt đến giá trị áp suất bơm lớn nhất. Còn theo chỉ tiêu tối ưu lực va đập đáy với vận tốc va đến 1,3m/s thì đến độ sâu 3500m (bảng 4.15, pbtu= 34875000 N/m2 nhỏ hơn một chút so với pbmax), áp suất bơm tối ưu đạt đến giá trị áp suất bơm lớn nhất. Như vậy, theo chỉ tiêu công suất tối ưu qua choòng khoan chỉ áp dụng được chiều sâu nhỏ đến trung bình còn theo tối ưu lực va đập đáy có thể áp dụng được chiều sâu lớn hơn.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN

Với kết quả nghiên cứu về dòng chất lưu trong giếng với hai khía cạnh nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan trong thân giếng đứng và hiệu quả làm sạch đáy giếng, tác giả có một số kết luận sau:

1. Ta có thể đưa ra một phương pháp toán học logic để thiết lập được biểu thức tổn thất áp suất do ma sát cho các loại chất lỏng khoan Newton, phi Newton chảy tầng trong cột cần và KKVX nếu ta biết được biểu thức mô tả chất lỏng khoan , từ đó có thể đưa chất lỏng khoan phi Newton thành chất lỏng khoan Newton thông qua độ nhớt tương đương Newton, đồng nghĩa với việc xác định được chế độ chảy của chất lỏng khoan phi Newton một cách dễ dàng. 2. Trong quá trình khoan các giếng khoan bề Nam Côn Sơn và bể Cửu Long hầu hết các trường hợp chất lỏng khoan chảy tầng trong KKVX (ngoại trừ nước và chất lỏng khoan có độ nhớt tương đương hoặc nhỏ hơn nước) và chảy rối trong cột cần.

3. Hiệu quả vận chuyển mùn khoan trong KKVX tăng khi vận tốc dòng chảy, khối lượng riêng chất lỏng khoan tăng. Hiệu quả vận chuyển giảm khi độ nhớt chất lỏng khoan, kích thước hạt mùn, KLR hạt mùn, vận tốc cơ học khoan tăng.

4. Các thông số chính tác động đến vận chuyển mùn khoan là vận tốc của chất lỏng khoan trong KKVX và tính lưu biến của chất lỏng khoan vận chuyển. Tuy nhiên hiệu quả vận chuyển cũng ảnh hưởng bởi sự thay đổi tình thế khoan, như khối lượng riêng hạt mùn, kích thước hạt mùn, vị trí của cột cần khoan trong KKVX . 5. Quy luật tổn thất áp suất ma sát của dòng chất lỏng khoan khi vận chuyển mùn và không vận chuyển mùn là khác nhau. Chất lỏng khoan mang hạt mùn khi va tăng từ giá trị nhỏ, làm gradp giảm, nếu tiếp tục tăng va thì gradp giảm đến một giá trị nào đó và bắt đầu tăng theo va. Còn chất lỏng khoan không mang hạt thì gradp luôn tăng khi va tăng. 6. Trong quá trình vận chuyển mùn khoan các giếng khoan bề Nam Côn Sơn và bể Cửu Long khi tăng vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX đến 1,3 m/s làm gradient áp suất giảm và đặc biệt giảm nhanh ở giá trị nhỏ hơn 0,4 m/s. Giá trị vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX làm gradient áp suất có khoảng nhỏ hợp lý là từ 0,7 đến 1,3 m/s. Điều này khẳng định vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX hợp lý khi vận chuyển mùn khoan là 0,7 đến 1,3 m/s, giá trị giới hạn dưới của vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX không nên nhỏ hơn 0,4 m/s.

7. Với các thông số của hệ thống tuần hoàn được xác lập, loại dung dịch khoan sử dụng đã biết ta có thể tìm được điều kiện tối ưu thủy lực choòng khoan với 3 thông số: công suất thủy lực lớn nhất; lực va chạm đáy lớn nhất; vận tốc và đường kính lỗ phun choòng khoan tối ưu.

8. Áp suất bơm tối ưu theo chỉ tiêu tối ưu công suất thủy lực của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan lớn hơn nhiều so với theo chỉ tiêu tối ưu lực va đập đáy. Theo chỉ tiêu công suất tối ưu của dòng chất lỏng khoan qua choòng khoan chỉ áp dụng được chiều sâu nhỏ đến trung bình còn theo tối ưu lực va đập đáy có thể áp dụng được chiều sâu lớn. 2. KIẾN NGHỊ Trên cơ sở kết quả đã nghiên cứu, tác giả kiến nghị: - Tiếp tục phát triển hoàn thiện chương trình, thuật toán mô phỏng; - Xây dựng phần mềm mô phỏng có giao diên với người sử dụng.

CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN

QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN

1. Phạm Đức Thiên (2009), Ứng dụng các kết quả nghiên cứu xác

định hệ số ma sát để tính tổn thất áp suất của dòng chất lỏng khoan chảy qua khoảng không vành xuyến. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất, số 27 tháng 07-2009. Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.

2. Phạm Đức Thiên (2010), Ảnh hưởng độ nghiêng giếng khoan đến sự hình thành lớp trong vận chuyển mùn khoan và vận tốc chống trượt lớp mùn. Tuyển tập Báo cáo Hội nghi khoa học lần thứ 19, quyển 5 Dầu khí, ngày 11/11/2010. Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.

3. Phạm Đức Thiên (2011), Độ nhớt tương đương Newton và phân biệt chế độ chảy của chất lỏng phi Newton trong cột cần và khoảng không vành xuyến giếng khoan. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất, số 33 tháng 01- 2011. Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.

4. Phạm Đức Thiên (2011), Tối ưu hóa thủy lực qua choòng khoan. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ-Địa chất số 34 tháng 04/2011. Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.

5. Phạm Đức Thiên (2011), Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận chuyển mùn khoan trong giếng đứng và gần đứng. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất, số chuyên đê kỷ niệm 45 thành lập Bộ môn Khoan khai thác số 34 tháng 04 -2011. Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.