Nghiên cứu chuyển động thực tế của các loại chất lỏng khoan khi thi công giếng khoan dầu khí thềm lục địa Nam Việt Nam

Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Số 55 (2016) 1-7

Nghiên cứu chuyển động thực tế của các loại chất lỏng khoan khi
thi công giếng khoan dầu khí thềm lục địa Nam Việt Nam
Phạm Đức Thiên*
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam

THÔNG TIN BÀI BÁO

TÓM TẮT

Quá trình:
Nhận bài 25/5/2016
Chấp nhận 30/7/2016
Đăng online 30/8/2016

Xác định chế độ chảy của chất lỏng khoan trong cột cần và khoảng không
vành xuyến giếng khoan là điều quan trọng để tính toán tổn thất năng
lượng thủy lực, quyết định đến hiệu quả khoan. Nội dung nghiên cứu của
bài báo là xác định chế độ chảy của chất lỏng khoan trong khoảng không
vành xuyến và trong cột cần khoan dựa trên số liệu khoan thực tế khi thi
công các giếng khoan bể Cửu Long, Nam Côn Sơn thềm lục địa Nam Việt
Nam. Từ lý thuyết thủy lực đã nghiên cứu về dòng chảy chất lỏng khoan,
tác giả phát triển và hoàn thiện thêm và lập chương trình tính toán mô
phỏng bằng phần mềm Matlab. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy
hầu hết các giếng khoan tại các bể Cửu Long và bể Nam Côn Sơn chất
lỏng khoan chảy tầng trong khoảng không vành xuyến và chảy rối trong
cột cần khoan. Đồng thời, cũng từ phương pháp tính toán mô phỏng của
bài báo này có thể kiểm nghiệm thông số thiết kế chế độ thủy lực khoan,
giúp cho kỹ sư thiết kế chế độ khoan điều chỉnh thông số nhằm có lợi
nhất cho thi công.

Từ khóa:
Thủy lực
Chất lỏng khoan
Chế độ thủy lực khoan
Độ nhớt chất lỏng khoan

© 2016 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.

1. Đặt vấn đề
Tính toán thủy lực giếng khoan là vấn đề
quan trọng quyết định hiệu quả khoan. Khi thi
công giếng khoan các thông số chế độ được tính
toán thiết kế nhằm đạt hiệu quả khoan cao nhất,
tuy nhiên không phải lúc nào các thông số thiết
kế phục vụ thi công khoan cũng là các thông số
có lợi nhất. Hiện nay, tại các mỏ dầu khí thềm lục
địa Nam Việt Nam, chúng ta đã khoan hàng trăm
giếng khoan. Trong quá trình khoan, qua các thời
kỳ khác nhau, phương pháp tính toán thiết kế
____________________
*Tác giả liên hệ.
E-mail: phamducthien@humg.edu.vn

chế độ khoan cũng có các quan điểm khác nhau.
Vậy, trên cơ sơ các thông số chế độ
khoan của các giếng khoan đã thi công ta cần tính
toán kiểm nghiệm chế độ chảy của dòng chất
lỏng khoan trong cột cần và khoảng không vành
xuyến (KKVX), đồng thời cũng cần kiểm nghiệm
chế độ chảy của chất lỏng khoan đối với các giếng
khoan đã thiết kế thông số để phục vụ thi công
khoan hiệu quả.
2. Tổng hợp thông số chế độ khoan thực tế
2.1. Thông số lưu biến chất lỏng khoan
Hiện nay, tại thềm lục địa Nam Việt Nam qua
số liệu báo cáo của (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam,
Trang 1

Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)

2010) 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 Bingham (Bảng 1, Bảng 2).
2.2. Thông số chế độ khoan thực tế
Bằng xem xét số liệu báo cáo về thông số chế
độ thi công các giếng khoan bởi các nhà thầu khác
nhau từ năm 2003 đến 2010 (Tập đoàn Dầu khí

Việt Nam, 2010), bao gồm: 34 giếng bể Nam Côn
Sơn, 73 giếng bể Cửu Long, có thể tổng kết theo
Bảng 3.
Dựa vào thông số thực tế trong Bảng 3, ta
tính được vận tốc trung bình của chất lỏng khoan
chảy trong cột cần và KKVX. Trong quá trình
khoan coi chất lỏng khoan không bị mất đi và
cũng không được bổ sung từ vỉa, kết quả tính
toán thể hiện trong Bảng 4.

Bảng 1. Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Nam Côn Sơn
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Loại chất lỏng khoan

KLR chất lỏng
, kg/m3

Ứng suất ban
đầu y, Pa

1114
1084
1042
1090
1078
1108
1132
1120
1048
1132
1084
1174

8,1
6,7
4,8
8,1
7,2
8,4
7,2
9,1
5,7
7,4
6,0
11,3

SW/GEL/PAC
SW/GUAR GUM
VISKOPOL
VISKOPOL/PRE.BENTONITE
SW/POLYMER
KCL/PHPA
PAC/CMC
GEL/VISKOPOL/PRE.BENTONITE
GEL/CMC
ANCO 2000
KCL/POLYMER
ULTRADRIL

Độ nhớt
dẻo µp,
Pa.s
0,0120
0,0210
0,0235
0,0440
0,0120
0,0160
0,0190
0,0475
0,0325
0,0175
0,0185
0,0305

Bảng 2. Thông số lưu biến chất lỏng khoan bể Cửu Long
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

Trang 2

Loại chất lỏng khoan
ULTRADRIL
SW HIVIS SWEEP
KCL/POLYMER/IDCAP D
KCL/IDCAP/MUD
SPUD MUD
SOBM
OLEFIN SOBM
SBM
NaCl/BRINE
RDIF
KCL/POLYMER
PREHYDRATED BENTONITE
HIVIS PIL
KCL/POLYMER/LCM
SW/GUA GUM/CMC
SW/GUA GUM/GEL/CMC
GEL/POLYMER
GEL/CMC

KLR chất lỏng ,
kg/m3
1210
1042
1282
1174
1078
1234
1234
1318
1150
1150
1108

Ứng suất ban
đầu y, Pa
5,3
1,0
6,2
6,5
5,3
8,1
11,3
14,6
3,4
8,6
6,9

Độ nhớt µp,
Pa.s
0,0315
0,0030
0,0235
0,0180
0,0080
0,0180
0,0175
0,0200
0,0060
0,0225
0,0235

1019

4,6

0,0175

1108
1150
1090
1090
1078

8,4
10,3
6,7
4,8
5,5

0,0270
0,0380
0,0155
0,0245
0,0155

Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)

Bảng 3. Thông số thi công giếng khoan tại thềm lục địa Nam Việt Nam
Cấp đường kính giếng
inch
mm
26
660,4
17 ½
444,5
12 ¼
311,15
8½
215,9
6
152,4

Đường kính cần khoan
inch
mm
5
127
5
127
5
127
5
127
3½
88,9

Lưu lượng bơm
gpm
l/s
10001100
63,169,4
6931033
43,765,2
628855
39,653,9
500606
31,538,2
230245
14,515,5

Bảng 4. Vận tốc trung bình của dòng chất lỏng chảy trong cột cần và KKVX
Cấp đường
kính giếng,
mm
660,4
444,5
311,15
215,9
152,4

Đường kính cần khoan, mm
Đường kính
Đường kính
ngoài
trong
127
108,5
127
108,5
127
108,5
127
108,5
88,9
70,2

3. Phương pháp xác định chế độ chảy
Năm 1883 Reynolds nghiên cứu đưa ra số
Reynolds và số Reynolds giới hạn để xác định
chế độ chảy đối với chất lỏng Newton là 2320,
nếu dòng chảy có số Reynolds nhỏ hơn giá trị
này ta có chảy tầng, lớn hơn ta có chảy rối.
Chất lỏng khoan là chất lỏng phi Newton.
Để ứng dụng xác định chế độ chảy theo
Reynolds ta phải tìm được độ nhớt chất lỏng
phi Newton tương đương chất lỏng Newton.
Bằng nghiên cứu, theo (Phạm Đức Thiên,
2011) đã đưa ra được Phương trình xác định
độ nhớt tương đương Newton của chất lỏng
phi Newton. Theo đó, ta có Phương trình tính
toán độ nhớt tương đương Newton của chất
lỏng khoan (chất lỏng Bingham) chảy trong cột
cần và KKVX giếng khoan.
- Chảy trong cột cần:
2D 
(1)
e p   p  ip y
3v p
- Chảy trong KKVX:
p
y
3
3
ea 

2
2 Dh  Dop  16 va Dh  Dop 

(2)

Vận tốc chất lỏng khoan, m/s
Trong KKVX (va)

Trong cột cần (vp)

0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29

6,83 7,51
4,73 7,06
4,29 5,83
3,41 4,13
3,75 4,01

trong đó: ep- độ nhớt tương đương Newton
chảy trong cột cần; ea- độ nhớt tương đương
Newton chảy trong KKVX; vp- vận tốc chất lỏng
trong cột cần; va- vận tốc chất lỏng trong KKVX;
y - ứng suất trượt ban đầu; p- độ nhớt chất
lỏng khoan; Dip - đường kính trong cột cần
khoan; Dop - đường kính ngoài cột cần khoan;
Dh - đường kính giếng khoan.
Sau khi có độ nhớt tương đương Newton,
số Reynol được tính:
- Chảy trong cột cần:
v p Dip
Re p 
(3)
ep
- Chảy trong khoảng không vành xuyến:
Re a 

va Dt
 ea

(4)

trong đó:
 - khối lượng riêng chất lỏng khoan; Dt đường kính thủy lực KKVX, Dt = Dh - Dop.
Kết quả tính được số Reynolds sẽ so sánh
với số Reynolds giới hạn để kết luận trạng thái
chảy.

Trang 3

Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)

Bảng 5. Trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong KKVX
Loại chất lỏng
khoan
Chất lỏng khoan
SW/GEL/PAC

Chất lỏng khoan
VISKOPOL/
PRE,BENTONITE

Chất lỏng khoan
PAC/CMC

Chất lỏng khoan
ANCO2000

Chất lỏng khoan
KCl/POLYMER

Chất lỏng khoan
UTRADRIL

Chất lỏng khoan
KCL/POLYMER/ID
CAP D

Chất lỏng khoan
SPUD MUD

Chất lỏng khoan
OLEFIN SOBM

Trang 4

va
m/s
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6

Độ nhớt tương
đương Newton Pa.s
0,08550,0834
0,20140,0194
0,55020,5452
2,29672,2934
4,49334,4915
0,01380,3056
0,73850,7112
2,01741,999
8,42138409
16,475116,4687
0,13530,1320
0,31890,3071
0,87110,8632
3,63653,6312
7,11447,1115
0,12460,1216
0,29370,2829
0,80240,7950
3,34943,3445
6,55276,5501
0,13180,1285
0,31050,2990
0,84820,8405
3,50803,5356
6,69276,9244
0,22430,2188
0,52870,5092
1,44431,4311
6,02896,0201
11,7949117901
0,16740,1632
0,39440,3799
1,07751,0676
4,49784,4912
8,79948,7958
0,05700,0556
0,13430,1293
0,36680,3634
1,53121,5289
2,99552,9943
0,12460,1216
0,29370,2829
0,80240,7950
3,34943,3445

Số Reynolds
13211497
544839
235319
5769
1921
352399
145224
6385
1518
56
848961
349538
151205
3744
1213
9201043
379585
164223
4048
1314
834945
344529
148202
3647
1213
547619
225347
97132
2429
89
776880
320493
138188
3441
1112
19172173
7901217
341464
82100
2830
10031137
414637
178243
4352

Trạng thái
chảy
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng

Phạm Đức Thiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (1-7)

Chất lỏng khoan
KCL/POLYMER

Chất lỏng khoan
PREHYDRATED
BENTONITE
HIVIS PIL

Chất lỏng khoan
GEL/POLYMER

1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29
0,19 0,21
0,31 0,46
0,63 0,85
1,32  1,6
1,21 1,29

6,55276,5501
0,16740,1632
0,39440,3799
1,07751,0676
4,49784,4912
8,79948,7958
0,12460,1213
0,29370,2829
0,80240,7950
3,34943,3445
6,55276,5501
0,17450,1702
0,41120,3960
1,12331,1131
4,68924,6823
9,17389,1701

Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng
Tầng

1516
671760
276426
119163
2935
1011
829939
342526
147201
3644
1213
633717
261402
113154
2733
910

Bảng 6. Trạng thái chảy của chất lỏng khoan trong cột cần khoan
Loại chất lỏng
khoan
Chất lỏng khoan
SW/GEL/PAC

Chất lỏng khoan
VISKOPOL/
PRE,BENTONITE

Chất lỏng khoan
PAC/CMC

Chất lỏng khoan
ANCO2000

Chất lỏng khoan
KCl/POLYMER
Chất lỏng khoan
UTRADRIL

vp
m/s
6,83 7,51
4,73 7,06
4,29 5,83
3,41 4,13
3,75 4,01
6,83 7,51
4,73 7,06
4,29 5,83
3,41 4,13
3,75 4,01
6,83 7,51
4,73 7,06
4,29 5,83
3,41 4,13
3,75 4,01
6,83 7,51
4,73 7,06
4,29 5,83
3,41 4,13
3,75 4,01
6,83 7,51
4,73 7,06
4,29 5,83
3,41 4,13
3,75 4,01
6,83 7,51
4,73 7,06

Độ nhớt tương
đương Newton Pa.s
0,09780,0900
0,13590,0950
0,14860,1125
0,18380,1539
0,11310,1065
0,12980,0220
0,16790,1270
0,18060,1445
0,21580,1859
0,14510,1385
0,09530,0883
0,12910,0928
0,14040,1083
0,17170,1451
0,10890,1030
0,09590,0888
0,13070,0933
0,14230,1093
0,17450,1471
0,10990,1039
0,08200,0763
0,11030,0800
0,11970,0929
0,14580,1236
0,09340,0881
0,08760,0825
0,11260,0858

Số Reynolds
844210084
42088934
34906264
22423244
25932944
62347279
33226575
28094771
18682628
19772215
880710441
45009347
37536610
24393496
27383093
875010390
44619292
37046551
24013448
27133068
979111578
504610383
42177377
27513931
30563447
1023311944
551710830

Trạng thái
chảy
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Tầng, Rối
Tầng
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Rối
Trang 5