Công nghệ khoan giếng dầu khí

Email In

Một trong những hướng ứng dụng có triển vọng nhất là sử dụng cần khoan gieng hợp kim nhẹ (HKN), chế tạo từ hợp kim nhôm đặc biệt, chúng có nhiều tính chất cơ-lý ưu việt, khác với với cần khoan chế tạo từ thép.

Những ưu điểm chính đó là:

— khối lượng riêng thấp;
— độ nhẹ của cần khoan trong dung dịch có mật độ khác nhau;
— độ bền đơn vị cao;
— trị số modun đàn hồi dọc và modun trượt thấp;
— độ giảm rung;
— độ chống ăn mòn cao trong môi trường ăn mòn, đặc biệt trong Н2S và СО2;
— tính chất không nhiễm từ;
— dễ khoan phá (phá hủy bằng choòng, mũi phay).

Nhờ những tính ưu việt của hợp kim nhôm mà chúng được sử dụng làm bộ khoan cụ HKN rất có hiệu quả trong thành phần cột cần khoan để khoan các giếng dầu và khí.

Độ bền chống ăn mòn
Bằng tổ hợp các thí nghiệm trong phòng và trong giếng khoan đã xác định tính chống ăn mòn rất tốt của hợp kim nhôm trong các môi trường ăn mòn khác nhau với các chỉ số pH khác nhau của dung dịch khoan. Hiện nay đang mở rộng phạm vi cho phép sử dụng cột cần khoan HKN trong các dung dịch có độ pH khác nhau. Nếu như trước đây phạm vi này trong phạm vi đến 6,5-9,5 thì ngày nay nó tăng đến trị số 4,5-11,0. Trong giới hạn này sự hao mòn do ăn mòn của hợp kim nhôm không lớn và thực tế không ảnh hưởng đến đặc tính bền của ống.

Tính ưu việt của hợp kim nhôm là hoàn toàn không có tổn thất do ăn mòn khi sử dụng trong môi trường hoàn toàn bão hòa H2S và CO2.

Có thể sẽ có câu hỏi, cái gì xảy ra trong môi trường ăn mòn với đầu nối bằng thép vặn trên các đầu cần nhôm. Đầu nối thép trong môi trường H2S và CO2 tất nhiên xảy ra ăn mòn, nhưng thực tế cho thấy sử dụng cần khoan HKN trong những điều kiện như thế thì đầu nối thép bị ăn mòn rất ít so với ống thép. Hiện nay khó đưa ra chứng cứ của hiện tượng này, song có thể giả thiết rằng ống nhôm đã đảm nhận vai trò anôt bảo vệ (protecto) đối với đầu nối thép, nhờ đó giảm cường độ ăn mòn.

Tính không nhiễm từ
Hợp kim nhôm không có tính nhiễm từ, nhờ đó có thể tiến hành các dạng đo carota giếng khoan bên trong cột cần khoan. Điều này đặc quan trong để kiểm tra hoạt động của hệ thống đo từ xa khi tiến hành điều chỉnh profin thân giếng khoan ngang.

Những tính chất này cho phép sử dụng ống nhôm thành dày không đầu nối làm thân vỏ không nhiễm từ cho hệ thống đo kiểm tra từ xa các thông số ở đáy. Thay thế vỏ thép không nhiễm từ bằng ống nhôm sẽ giảm nhiều chi phí và nâng cao độ tin cậy vận hành của hệ thống, đặc biệt khi thi công các giếng khoan ngang.

Khối lượng riêng thấp
Đây là thông số chính thể hiện trọng lượng một mét cần, trọng lượng bản thân cột cần nói chung và trạng thái biến dạng-ứng suất.
Sự hạn chế chủ yếu khi khoan thân giếng sâu và dài là tải trọng kéo của cột cần khi nâng từ đáy giếng và momen quay quay cột cần khi khoan. Tải trọng kéo là do trọng lượng bản thân của cột cần khoan và lực kháng của cột cần khi dịch chuyển (ma sát). Momen quay quay cột cần khoan được tạo ra do các lực kháng (ma sát). Các thông số này phụ thuộc trực tiếp vào trọng lượng đơn vị của vật liệu chế tạo ống và thể hiện trọng lượng bản thân cột cần, tạo ra lực ép vào thành giếng và nhân với hệ số ma sát để xác định lực lực ma sát.

Trọng lượng của cột cần khoan HKN kể cả trọng lượng của đầu nối bằng thép, trong không khí nhẹ hơn cần khoan bằng thép có kích thước tương tự gần 2,5 lần và độ bền giảm khoảng 1,5-1,8 lần. Sự khác nhau này cho ta giá trị trạng thái biến dạng của cột cần khoan thấp nhất khi sử dụng bộ khoan cụ cần khoan HKN.

Ví dụ, tính toán giá trị các thông số chế độ khoan giếng ở chiều sâu 8 000 m sử dụng bộ khoan cụ hỗn hợp gồm cần thép với cần khoan HKN. Tại vị trí xem xét, momen quay cột cần khoan bằng thép với tần số 80 vg/phút là 23,2 kNm, còn đối với cần nhôm là 12,2 kNm. Như vậy, tải trọng lên móc khi nâng cột cần thép từ đáy lên là 2 650 kN, còn cần bằng nhôm – 1 104 kN, có nghĩa là các chỉ tiêu chịu tải chủ yếu khi sử dụng cột cần nhôm thấp hơn gần hai lần.

Thường có sự nhầm lẫn rằng với cột cần bằng thép có độ bền cao, khi dùng lực để cứu chữa sự cố chúng ta có thể tác động một tải trọng kéo và momen quay lớn tại tiết diện bị kẹt. Thực ra điều đó không hoàn toàn như vậy. Như trên đã chứng minh, hệ số dự trữ bền chủ yếu của cần khoan hình thành bởi trọng lượng bản thân cột cần và lực sức kháng. Ngoài ra, khi bị kẹt thì cần khoan có thể xem như là một thanh bị giữ chặt, và do đó lực kháng tăng lên phụ thuộc vào trọng lượng bản thân sẽ rất lớn. Tính toán cho thấy rằng, rằng ở chiều sâu (chiều dài) 3000 – 3500 m, cột cần thép có ưu điểm khi tăng tải trọng kéo và momen quay đến tiết diện bị kẹt, còn khi chiều sâu (chiều dài) lớn hơn thì ưu thế này chuyển qua cột cần khoan HKN

Độ nhẹ hơn trong dung dịch khoan.
Như trên cho thấy, hiệu quả chính khi sử dụng cần khoan HKN có liên quan đến trọng lượng riêng của HKN, nó quyết định trọng lượng của cột cần khoan. Trọng lượng bản thân của cột cần khoan giảm nhiều do độ nổi của hợp kim (lực đẩy) cao, và được xác định theo tỉ lệ giữa tỉ trọng dung dịch khoan với mật độ quy đổi của vật liệu ống. Ví dụ, với tỉ trong của dung dịch khoan là 1 200 kg/m3, hệ số giảm nhẹ cột cần khoan HKN là 0,56, còn đối với cột cần thép trong điều kiện như trên sẽ là 0,85.

Độ bền đơn vị cao

Độ bền của cần khoan bằng thép cao hơn cần khoan nhôm, nhưng nếu ta biết rằng hệ số dữ trữ bền bằng tải trọng chia cho trọng lượng bản thân của cột cần, thì ta thấy sử dụng cột cần bằng HKN trở nên hiệu quả hơn. Để xem xét, ta đưa ra khái niệm độ bền đơn vị, đặc trưng giữa thông số giới hạn chảy đối với trọng lượng một mét dài có tính đến độ giảm nhẹ trong dung dịch khoan. Độ bền đơn vị có ý nghĩa vật lý đặc trung chiều dài cùng kích thước của cột cần khoan trong dung dịch có tỉ trọng khác nhau, ở đó, với trọng lượng bản thân của cột cần không kể lực kháng, ứng suất kéo đạt đến giới hạn chảy.

Modun đàn hồi dọc và trượt.
Các thông số chung đặc trưng tính chất cơ-lý của vật liệu là tính dẻo, mức độ ứng suất tác động và sức kháng của kim loại dưới tác động của tải trọng uốn thay đổi dấu. Với các thông số này thì hợp kim nhôm có giá trị thấp hơn hai lần so với thép tương ứng, ứng suất xuất hiện trong cần khoan HKN thấp hơn so với trong cần khoan bằng thép, còn các thông số sử dụng – cao hơn. Điều đó chứng minh bằng các công thức chính, đặc trưng ảnh hưởng của trị số modun đàn hồi dọc và trượt đến các điều kiện tạo tải lên cột cần khoan.

Tính chất giảm rung
Ta biết rằng, dao động dọc, xoắn, và ngang phát sinh ra khi choòng khoan làm việc trên đáy, lan tỏa dưới dạng sóng theo cần khoan. Do đó có một phần chuyển lên bề mặt và trong môi trường xung quanh giếng khoan, một phần lan tỏa, cũng như tác động ngược từ các nguồn khác nhau và quay về choòng khoan, tại đây chúng kết hợp với dao động ban đầu. Trong trường hợp này tương quan pha của dao động trực tiếp và phản xạ có thể thay đổi từ sự tương thịch theo pha (cộng hưởng) đến đối pha (chống cộng hưởng). Cần khoan nhôm là phần tử có tính hấp thu sóng, khác với ống thép có tính đàn hồi cao. Ví dụ, với bề dày thành 10 mm mức độ phân tán năng lượng dao động do ma sát trong trong vật liệu ống, ở cần khoan nhôm 20% cao hơn cần thép. Tính chất đàn hồi mạnh nhất thể hiện trong cần nhôm dày hơn – đến 50% so với ống thép. Điều đó cho phép giảm rất nhiều biên độ tất cả các dạng dao động và triệt tiêu những ảnh hưởng xấu trong quá trình khoan.

 

Khoan phá.
Khi thi công giếng khoan, khoan cần phải tiến hành đạt cầu xi măng và thả cột ống lửng bằng cột cần khoan. Với thao tác này thường vữa xi măng dâng cao trên đuôi cột cần khoan và khi vữa ximăng đông kết làm kẹt cần. Công việc rút cần khoan khỏi khối xi măng tương đối không dễ dàng, tốn thời gian dài và đôi khi xảy ra sự cố. Thông thưởng để khắc phục chúng phải khoan phá phần ồng thép bị kẹt bằng choòng chuyên dụng. Khi sử dụng cột cần khoan bằng nhôm ở phần dưới cột cần khoan thì khi tiến hành trám xi măng sẽ đơn giản, có nghĩa là ống nhôm dễ bị khoan phá bằng choong chóp xoay thông thường với vận tốc 15-20 m/h. Kinh nghiệm thực tế sử dụng cần khoan HKN cho thấy rằng, hiệu quả cao nhất thể hiện khi chiều sâu khoan giếng thân thẳng đứng trên 3 000 m và với tất cả chiều dài các giếng khoan ngang.

Cần khoan HKN nên dùng để khoan các giếng khi trong thi công có một trong những mặt hạn chế dưới đây:

- hạn chế về tải trọng nâng của thiết bị khoan;
- cần phải giảm giá trị tải trọng kéo, momen quay và độ phức tạp khi tác dụng tải trọng dọc lên chông khoan khi khoan các giếng ngang;
- dung dịch có độ ăn mòn cao, đặc biệt khi có H2S và CO2 trong dung dịch;
- khó vận chuyển cần khoan đến các vị trí khoan xa.

 


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn: