Xem mẫu
- Dung dịch Khoan và Xi măng
Trình bày: ThS. ĐỖ HỮU MINH TRIẾT
Bộ môn Khoan – Khai thác Dầu khí
Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí
Đại học Bách Khoa TP. HCM
Email: dhmtriet@hcmut.edu.vn
NỘI DUNG
1. Dung dịch khoan
2. Thủy lực khoan
3. Xi măng
4. Các phương pháp trám xi măng
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- 1. DUNG DỊCH KHOAN
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
Nội dung
1. Định nghĩa
2. Chức năng
3. Các phương pháp rửa lỗ khoan
4. Dung dịch sét
5. Các thông số cơ bản của dung
dịch khoan
6. Phân loại dung dịch khoan
7. Làm sạch dung dịch khoan
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐỊNH NGHĨA
Định nghĩa
Dung dịch khoan là bất kì dung dịch nào được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt
vào cần khoan, đi qua choòng khoan và quay lại bề mặt bằng khoảng không
vành xuyến trong công tác khoan.
Dung dịch khoan có thể là chất lỏng hoặc khí
Dung dịch khoan là không khí
Dung dịch khoan dạng bọt
Dung dịch khoan là nước
Dung dịch khoan gốc dầu
Dung dịch khoan gốc polyme tổng hợp (olefin và este)
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- CHỨC NĂNG CƠ BẢN
1. Rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng
2. Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn
3. Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ
4. Giữ ổn định thành lỗ khoan
5. Truyền thông tin địa chất lên bề mặt
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
CÁC CHỨC NĂNG KHÁC
Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá
Truyền năng lượng cho turbin khoan
Là môi trường trung gian để truyền tín hiệu điều khiển
Ngoài ra, dung dịch khoan còn hỗ trợ đảm bảo tính chính
xác cho công tác đánh giá vỉa, kiểm soát sự ăn mòn thiết
bị, hỗ trợ qui trình trám ximăng và hoàn thiện giếng…
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- TÍNH CHẤT - CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN
Chức năng Tính chất lý/hóa
Vận chuyển mùn khoan lên bề mặt Ứng suất trượt tĩnh, Độ nhớt biểu
kiến, Lưu lượng, Độ bền gel
Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng Ứng suất trượt tĩnh, Độ bền gel
tuần hoàn
Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ Tỉ trọng, Lưu lượng
Giữ ổn định thành lỗ khoan Tỉ trọng, Tính trơ với sét
Truyền năng lượng cho turbin khoan Lưu lượng, Tỉ trọng, Độ nhớt
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
CÁC YẾU TỐ KHÁC
Dung dịch khoan cần phải được lựa chọn và thiết kế để có
tính chất lý hóa phục vụ các chức năng nêu trên. Ngoài ra,
cần chú ý đến:
Ảnh hưởng đến môi trường của dung dịch khoan
Giá thành của dung dịch khoan
Khả năng vận chuyển
Ảnh hưởng của dung dịch khoan đến giai đoạn khai thác
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN
Tùy đặc điểm của quá trình khoan và yêu cầu kỹ thuật, thiết
bị, dung dịch khoan có thể tuần hoàn trong giếng để rửa lỗ
khoan theo các phương pháp sau:
Phương pháp rửa thuận
Phương pháp rửa nghịch
Phương pháp rửa cục bộ
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN
1 1
2 1 2
2
Cần
khoan
1
1
Ống lắng 3
Thành 2 lấy mẫu
giếng mùn
khoan khoan
2 2
Rửa thuận Rửa nghịch Rửa cục bộ
1 Đường dung dịch vào 2 Đường dung dịch ra 3 Mùn khoan vào ống lắng
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- DUNG DỊCH SÉT
Dung dịch
- Là một hệ đồng thể gồm 2 hay nhiều thành phần vật chất.
- Vật chất bị phân chia thành những phần tử riêng biệt được gọi là
chất hòa tan. Chất chứa các phân tử bị phân chia gọi là môi
trường hòa tan.
- Hệ đồng thể được gọi là dung dịch khi đường kính φ của hạt hòa
tan nhỏ hơn 10-6 mm.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
DUNG DỊCH SÉT
Hệ phân tán
- Là hệ bao gồm 2 hay nhiều pha (tướng) mà một trong những pha
đó bị phân chia thành những phần tử rất nhỏ (chất phân tán) trong
những pha khác (môi trường phân tán).
- Hệ được gọi là hệ phân tán khi đường kính φ của chất phân tán lớn
hơn 10-6 mm.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- DUNG DỊCH SÉT
Đá phiến sét chưa phong hóa Đá sét tầng chắn
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
DUNG DỊCH SÉT
Khi trộn sét vào nước ta
được hệ phân tán bao
gồm:
− Pha phân tán là sét
− Môi trường phân tán
là nước
Sét trong tự nhiên không
đồng nhất, do đó không
thể tạo hệ phân tán đồng
nhất của sét trong nước.
“Dung dịch sét” là tên gọi
do thói quen.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA DUNG DỊCH SÉT
Bao gồm các thông số sau:
Trọng lượng riêng (γ)
Độ nhớt (µ)
Ứng suất trượt tĩnh (τ)
Độ thải nước (B)
Hàm lượng hạt rắn (Π)
Độ ổn định (C)
Độ lắng ngày đêm (O)
Độ pH
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
TRỌNG LƯỢNG RIÊNG
Khối lượng riêng, g/cm3 (lbm/gal): ρ = m/V
Trọng lượng riêng, G/cm3 (lbf/gal): γ = F/V = mg/V = ρg
Khi điều chế và sử dụng dung dịch, thường dùng ρ và được xác định
bằng phù kế. Điều kiện khoan bình thường, ρ = 1,05 - 1,25 g/cm3.
Thường dùng γ khi xác định áp suất thủy tĩnh và được đo bằng cân.
Phù kế
Tỉ trọng kế dạng cân
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- TRỌNG LƯỢNG RIÊNG
Đổi đơn vị đo khối lượng riêng
Tỉ trọng (S.G) psi/ft ppg
Tỉ trọng (S.G) 1.0 0.433 8.33
psi/ft 2.31 1.0 19.23
ppg 0.12 0.052 1.0
Ví dụ:
Dung dịch có khối lượng riêng 12 ppg tương đương với 12x0.052 = 0.624 psi/ft.
Dung dịch có tỉ trọng 1.4 S.G tương đương với 1.4x0.433 = 0.606 psi/ft.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
TRỌNG LƯỢNG RIÊNG
Khi γ giảm
Thành giếng sập lở
Thành hệ trương nở
Chất lưu từ vỉa xâm nhập vào giếng
Vận tốc cơ học tăng do giải phóng nhanh mùn khoan
Khi γ tăng
Mất dung dịch khoan vào thành hệ
Vận tốc cơ học giảm
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- TRỌNG LƯỢNG RIÊNG
Khối lượng riêng của một số thành phần dung dịch thông thường.
Đơn vị
Vật liệu
g/cm3 lb/gal lb/ft3 lb/bbl
Nước 1,0 8,33 62,4 350
Dầu 0,8 6,66 50 280
Barite 4,3 35,8 268 1500
Sét 2,5 20,8 156 874
Muối 2,2 18,3 137 770
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
TRỌNG LƯỢNG RIÊNG
Khi dung dịch khoan tuần hoàn, áp suất đáy giếng sẽ cao hơn áp suất
thủy tĩnh của cột dung dịch.
Tỉ trọng dung dịch tuần hoàn tương đương ECD là thông số áp suất
tính theo tỉ trọng dung dịch:
Pd
ECD = ρ +
0.052 × D
Trong đó:
ECD: equivalent circulating density, ppg
ρ: khối lượng riêng của dung dịch, ppg
Pd: tổn thất áp suất do ma sát trong vành xuyến, psi
D: độ sâu tính toán, ft
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐỘ NHỚT
Độ nhớt: một đặc tính của lưu chất, thể hiện khả năng chống lại sự
dịch chuyển tương đối giữa các phần tử của lưu chất.
Phân loại theo đặc tính độ nhớt, chất lỏng gồm:
Chất lỏng Newton: trong dung dịch không chứa các phần tử lớn
hơn kích thước phân tử, ví dụ: nước, dung dịch muối, dầu,
glycerine,… Độ nhớt là hệ số góc của đường đặc tính ổn định.
Chất lỏng phi Newton: trong dung dịch chứa đáng kể các phân
tử kích thước lớn hơn phân tử.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ĐỘ NHỚT
Chất lỏng phi Newton bao gồm:
Chất lỏng Bingham: đặc trưng bằng ứng suất trượt tới hạn (yield-
point) - ứng suất tối thiểu để chất lỏng bắt đầu xuất hiện biến dạng.
Khi ứng suất vượt quá ứng suất trượt tới hạn, chất lỏng tuân theo mô
hình Newton. Ví dụ: dung dịch sét có hàm lượng hạt rắn cao.
Chất lỏng theo mô hình hàm mũ: quan hệ giữa ứng suất trượt và
tốc độ trượt tuân theo quy luật hàm mũ.
Dung dịch khoan, tùy theo hàm lượng hạt rắn, thể hiện đặc tính trung
gian giữa chất lỏng dẻo Bingham và chất lỏng theo mô hình hàm mũ.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐỘ NHỚT
Các mô hình chất lỏng
Bi ngham
d ẻo
ất l ỏng
Ch g
l ý tưởn
m ũ
h hàm
Độ nhớt dẻo hìn
Mô
Dd khoan điển hình
Ứng suất trượt tới hạn
Ứng suất trượt
ew ton
t lỏ ng N
Chấ
Độ nhớt
Tốc độ trượt
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ĐỘ NHỚT
Độ nhớt thực: là tỉ số giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt.
τ
µ =
γ&
Trong cần khoan: tiết diện nhỏ, tốc độ dung dịch cao:
Î độ nhớt thấp
Î ít hao tốn công suất bơm
Trong khoảng không vành xuyến: tiết diện lớn, tốc độ dung dịch thấp:
Î độ nhớt cao
Î khả năng nâng mùn khoan cao
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐO ĐỘ NHỚT
Đo độ nhớt bằng nhớt kế Marsh
Độ nhớt theo nhớt kế Marsh là chỉ số chảy
loãng của dung dịch biểu thị bằng thời gian
(đo bằng giây) chảy hết 946 cm3 dung dịch
qua phểu có dung tích 1500 cm3 và đường
kính trong lỗ phễu là 4,75 mm.
Nhớt kế Marsh Mặt cắt nhớt kế Marsh
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ĐO ĐỘ NHỚT
Đo độ nhớt bằng nhớt kế rôto
Nhớt kế Fann
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ỨNG SUẤT TRƯỢT TĨNH
Là đại lượng đặc trưng cho độ bền cấu trúc (hay tính lưu biến) của
dung dịch khi để nó yên tĩnh sau một thời gian.
Độ bền cấu trúc của dung dịch được đo bằng một lực tối thiểu cần đặt
vào một đơn vị diện tích vật thể nhúng trong dung dịch để làm nó
chuyển động.
Tính độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh khi đo bằng máy Fann:
• Độ nhớt dẻo (plastic viscosity), cp µp(cp) = θ600 - θ300
• Ứng suất trượt tới hạn (yield-point), lb/100ft2 τy (lb/100 sqft) = θ300 - µp
• Độ nhớt biểu kiến (apparent viscosity) µa (cp) = 0,5.θ600
với θ300, θ600: số đo tương ứng với số vòng quay 300 và 600 vòng/phút
của nhớt kế Fann.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ỨNG SUẤT TRƯỢT TĨNH
Dung dịch sét bình thường: τ = 15-40 mG/cm2.
Để pha chế chất làm nặng, dung dịch phải có τ = 30-50 mG/cm2.
Để chống mất nước, dung dịch phải có: τ = 100 - 120 mG/cm2.
Nếu ứng suất trượt tĩnh quá lớn:
− Ngăn cản quá trình tách mùn khoan và khí ra khỏi dung dịch
− Cần tăng áp suất để tái tuần hoàn dung dịch sau khi thay choòng
− Khi nâng cần khoan, dễ xảy ra hiện tượng sụt áp cột dung dịch tại
choòng, có thể gây hiện tượng xâm nhập nếu cột áp chênh lệch lớn
− Tương tự, khi hạ cần khoan, có thể gây vỡ vỉa và thất thoát dung dịch.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐỘ THẢI NƯỚC API
Là lượng nước tính bằng cm3 thoát ra từ dung dịch khoan khi thấm lọc
qua thiết bị (giấy) lọc có đường kính 75 mm sau khoảng thời gian 30
phút và dưới áp suất 100 psi.
Giá trị độ thải nước của dung dịch khoan bình thường khoảng 10-25
cm3/30ph.
Thực tế để giảm thời gian thí nghiệm, đôi khi người ta nhân đôi thể
tích thấm lọc đo sau 7,5 phút để được độ thải nước API.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ĐỘ THẢI NƯỚC API
Dung dịch khoan có độ thải nước lớn
Trương nở và sập lở thành giếng
Mất nước rửa
Tăng độ dày lớp vỏ bùn nên dễ kẹt bộ
khoan cụ
Tăng tốc độ cơ học khoan do nhanh
chóng cân bằng áp suất giữ hạt mùn
khoan ở đáy giếng.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐỘ THẢI NƯỚC API
Cấu tạo thiết bị đo độ thải nước
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ĐỘ DÀY VỎ SÉT (k)
Là bề dày lớp vỏ sét bám trên thành giếng (hay trên thiết bị lọc) khi
nước từ dung dịch khoan thấm vào đất đá thành hệ.
Trị số k càng nhỏ tức là lớp vỏ sét càng mỏng và chặt sít, càng có tác
dụng ngăn cản sự lưu thông của chất lưu giữa vỉa với giếng và ngược
lại, như vậy thành giếng càng ổn định hơn. Ở điều kiện khoan bình
thường k = 1 - 2 mm.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- HÀM LƯỢNG HẠT RẮN
Định nghĩa: Hàm lượng hạt rắn và các phần tử chưa tan (quy ước gọi
là hàm lượng cát) là thể tích cặn thu được khi để dung dịch pha loãng
bằng nước lã theo tỉ lệ 9:1 ở trạng thái yên tĩnh sau 1 phút, tính bằng
% theo thể tích dung dịch.
Dung dịch có hàm lượng cát lớn thì mức độ làm mòn dụng cụ khoan
và các chi tiết của máy bơm lớn; dễ gây kẹt dụng cụ khoan do hình
thành vỏ sét dày.
Giá trị hàm lượng cát của dung dịch sét bình thường nhỏ hơn 4% là
đạt yêu cầu.
Hàm lượng cát xác định bằng bình lắng.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
HÀM LƯỢNG HẠT RẮN
Bộ dụng cụ đo hàm lượng cát
Bình rửa
Phễu
Bình đo có thang chia
Rây lọc
Hộp nhựa
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐỘ ỔN ĐỊNH
Là đại lượng đặc trưng cho khả năng giữ dung dịch ở trạng thái keo.
Có thể hiểu độ ổn định là hiệu số tỷ trọng của hai phần dung dịch dưới
và trên trong cùng một cốc, sau khi để chúng yên tĩnh một ngày đêm.
Giá trị độ ổn định càng nhỏ thì chứng tỏ dung dịch được giữ vững ở
trạng thái keo (dung dịch ổn định).
• Dung dịch sét bình thường: C ≤ 0,02 (g/cm3)
• Sét nặng: C ≤ 0,06 (g/cm3)
Dung dịch sét ổn định có khả năng giữ ở trạng thái lơ lửng những hạt
mùn khoan và những hạt chất làm nặng.
Dung dịch kém ổn định dễ dẫn đến sự cố kẹt dụng cụ khoan.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ĐỘ LẮNG NGÀY ĐÊM
Đặc trưng cho mức độ bảo toàn tỉ trọng
đồng đều của dung dịch khoan.
Độ lắng ngày đêm: lượng nước tách ra
trên bề mặt của dung dịch khi giữ yên 100
cm3 dung dịch sau 24 giờ.
Độ lắng ngày đêm lớn chứng tỏ dung dịch
sét không ổn định, mức độ phân tán của
sét thấp và sét không thể làm nước rửa
trong những điều kiện khoan phức tạp.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
- ĐỘ pH
Đại lượng biểu thị nồng độ ion hiđro [H+] trong dung dịch (đơn vị là
mol/l) và được tính bằng biểu thức pH = - log[H+].
Thang đo độ pH từ 0 - 14. Dung dịch có độ pH nhỏ hơn 7 là dung dịch
axít, bằng 7 là trung tính và lớn hơn 7 có tính kiềm.
Dung dịch sét thường có độ pH = 8,5 - 9,5; dung dịch vôi: 11 - 12. Độ
pH được đo bằng giấy quỳ hoặc máy đo độ pH.
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄM BẨN
Ảnh hưởng của sự nhiễm bẩn đối với tính chất dung dịch
Dung dịch khoan và xi măng
GEOPET
nguon tai.lieu . vn