Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở khoan (Mã môn học: KKT19MH33) là tài liệu học tập chuyên môn nghề thuộc chương trình đào tạo ngành Khoan Khai thác dầu khí và ngành Vận hành thiết bị khai thác dầu khí ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề. Tài liệu được ban hành kèm theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (PVMTC), Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, do ThS. Phạm Thị Nụ làm Chủ biên cùng tác giả Hoàng Trọng Quang tham gia biên soạn.

Trong tiến trình đào tạo, môn học được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành môn Địa chất cơ sở (Mã môn học: KKT19MH31) và các môn kỹ thuật cơ sở như An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11), Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ12). Môn học là tiền đề trực tiếp trước khi sinh viên tiếp cận môn Cơ sở khai thác cùng hệ thống mô đun kỹ thuật chuyên sâu về giàn khoan.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình được xác định cụ thể theo 3 chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1): Trình bày hệ thống khái niệm, thuật ngữ chuyên ngành khoan, thiết bị, dụng cụ, các công đoạn thi công giếng khoan và công tác phụ trợ.
  • Kỹ năng (B1): Xây dựng và mô tả được quy trình kỹ thuật thi công một giếng khoan dầu khí hoàn chỉnh.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành tác phong làm việc khoa học, kỷ luật và năng lực phối hợp làm việc nhóm.

Về cấu trúc, giáo trình được thiết kế với khối lượng 3 tín chỉ (45 giờ giảng dạy trực tiếp gồm 42 giờ lý thuyết, 3 giờ kiểm tra; hoặc phân bổ 60 giờ theo chương trình đào tạo mở rộng), chia làm 4 chương logic:

  • Chương 1: Khái niệm về khoan dầu khí.
  • Chương 2: Quy trình cơ bản thi công giếng khoan.
  • Chương 3: Giàn khoan và các hệ thống chính trên giàn khoan.
  • Chương 4: Khoan định hướng.

Điểm đặc thù của giáo trình là sự kết hợp giữa lý thuyết cơ sở công nghệ khoan với hệ thống sơ đồ kỹ thuật chi tiết (25 hình vẽ kỹ thuật, danh mục bảng biểu quy chuẩn), phản ánh trực tiếp quy trình vận hành khoan thăm dò và khai thác trên các mỏ dầu khí thực tế tại Việt Nam.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

  • Chương 1: Khái niệm về khoan dầu khí (3 giờ): Cung cấp định nghĩa dầu thô, khí thiên nhiên theo Luật Dầu khí; đặc trưng địa hóa của dầu thô Việt Nam; các thông số hình học của giếng khoan như chiều sâu thẳng đứng (TVD), chiều dài đo dọc trục (MD), góc nghiêng ($\alpha$), góc phương vị ($\varphi$). Phân tích cấu trúc giếng khoan dạng ống lồng và so sánh nguyên lý cơ học của các phương pháp khoan: khoan đập (đập cáp, đập cần), khoan xoay (bàn quay Rôto, động cơ treo Top Drive, động cơ đáy) và phương pháp khoan thủy động lực bằng tia nước cao áp (áp suất từ $20\text{--}200\text{ MPa}$, có thể pha $5\text{--}15%$ cát thạch anh).
  • Chương 2: Quy trình cơ bản thi công giếng khoan (15 giờ): Phân tích các bước thiết lập chương trình khoan dựa trên phân tích áp suất vỉa, áp suất vỡ vỉa và hệ tọa độ phẳng UTM. Trình bày chi tiết chu kỳ công nghệ thi công: khoan mở lỗ lớp mặt, khoan đoạn trung gian, khoan đến tầng mục tiêu; quy trình thao tác tiếp cần, tháo cần (cần đơn, cần đôi, cần ba); công nghệ chống ống (chống suốt, chống lửng); công nghệ trám xi măng 1 tầng sử dụng 2 nút trám và trám phân tầng sử dụng khớp nối chuyên dụng (Mupta).
  • Chương 3: Giàn khoan và các hệ thống chính trên giàn khoan (19 giờ): Phân loại công trình khoan đất liền và công trình khoan biển (giàn cố định chân đế thép, giàn tự nâng Jack-up, giàn bán tiềm thủy Semi-submersible theo các mức độ sâu nước $<50\text{--}60\text{ m}$, $60\text{--}200\text{ m}$, $>200\text{ m}$). Đi sâu vào cấu tạo và nguyên lý của 5 hệ thống thiết bị chính:
    1. Hệ thống nâng hạ (tháp khoan chữ A hoặc 4 chân, tời khoan, cụm ròng rọc tĩnh, ròng rọc động, móc nâng, dây cáp khoan).
    2. Hệ thống quay cần (bàn Rôto, trục Kelly, đầu xoay thủy lực Swivel hoặc Top Drive).
    3. Hệ thống tuần hoàn dung dịch (máy bơm bùn, đường ống cao áp, máng dẫn, sàng rung tách mùn khoan).
    4. Hệ thống phát lực (cụm động cơ diesel - điện).
    5. Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (cần khoan drill pipe, cần nặng drill collar, khớp nối, dụng cụ ổn định stabilizer, choòng khoan 3 chóp xoay roller cone bit, choòng kim cương PDC).
  • Chương 4: Khoan định hướng (8 giờ): Định nghĩa và phạm vi ứng dụng của khoan định hướng đối với các địa hình phức tạp hoặc mỏ ngoài khơi. Phân tích các dạng quỹ đạo giếng khoan: quỹ đạo hình chữ J, chữ J kéo dài, chữ S, chữ S cải biên; cấu trúc bộ khoan cụ đáy (BHA); các nguyên lý điều khiển góc nghiêng giếng khoan; phân loại giếng ngang theo bán kính cong.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các khối kiến thức lý thuyết nền móng bao gồm:

                          KIẾN THỨC NỀN TẢNG

  1. Đặc tính lưu chất và địa chất dầu khí:

    • Căn cứ theo Luật Dầu khí, làm rõ khái niệm dầu thô, khí thiên nhiên, khí đồng hành, condensate.
    • Nhận diện đặc điểm dầu thô Việt Nam: Tỷ trọng nhẹ ($0{,}83\text{--}0{,}85$), hàm lượng lưu huỳnh thấp ($0{,}03\text{--}0{,}09%$), hàm lượng paraffin cao ($15\text{--}27%$), nhiệt độ đông đặc cao ($22\text{--}30^\circ\text{C}$).
    • Phân loại khí theo tỷ trọng và thành phần: Khí béo ($>150\text{ g/m}^3$), khí gầy ($<50\text{ g/m}^3$), khí khô ($C_2^+ < 10%$), khí ẩm ($C_2^+ > 10%$).

  2. Cơ học đất đá và chế độ khoan:

    • 3 chế độ khoan vận hành: Chế độ khoan tối ưu (tốc độ cơ học cực đại), chế độ khoan hợp lý (hiệu quả kinh tế cao nhất), chế độ khoan đặc biệt (duy trì độ thẳng, bảo vệ thành hệ).
    • 3 thông số điều khiển chế độ khoan Rôto: Tải trọng tác dụng lên choòng (WOB), tốc độ quay của bàn xoay/choòng (RPM), lưu lượng và áp suất bơm dung dịch rửa ($Q$, $P$).

  3. Nguyên lý thiết kế cấu trúc giếng khoan dạng ống lồng:

    • Tiêu chuẩn đường kính giếng giảm dần theo chiều sâu (từ đường kính mở lỗ $20''\text{--}36''$ đến đường kính hoàn thiện đáy $5\text{ }7/8''$ hoặc $8\text{ }1/2''$, giới hạn khai thác tối thiểu $4\text{ }1/2''$).
    • Quy chuẩn 4 cấp cột ống chống:
      • Ống định hướng (Conductor casing): Đường kính $18''\text{--}36''$, chiều sâu thả $<50\text{ m}$ (biển) hoặc $\approx 10\text{ m}$ (đất liền).
      • Ống bề mặt/dẫn hướng (Surface casing): Chiều sâu $70\text{--}400\text{ m}$ (có thể đến $800\text{--}1000\text{ m}$), trám xi măng toàn bộ.
      • Ống kỹ thuật/trung gian (Intermediate casing): Đường kính $7''\text{--}13\text{ }3/8''$, độ sâu $500\text{--}3000\text{ m}$.
      • Ống khai thác (Production casing): Đường kính $4\text{ }1/2''\text{--}9\text{ }5/8''$, thả suốt hoặc chống lửng (đoạn chồng lấn tối thiểu $50\text{--}150\text{ m}$).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills):

    • Xây dựng sơ đồ công nghệ thi công giếng khoan từ khâu mở lỗ, hạ bộ khoan cụ, tiếp cần, doa giếng đến tháo cần.
    • Tính toán và lựa chọn kích thước choòng khoan tương thích với các cấp ống chống (ví dụ: giếng mở lỗ bằng choòng $17\text{ }1/2''$ chống ống $13\text{ }3/8''$; giai đoạn tiếp theo sử dụng choòng $12\text{ }1/4''$ chống ống $9\text{ }5/8''$; khoan mục tiêu dùng choòng $8\text{ }1/2''$ hoặc $8\text{ }3/4''$).
    • Vận hành quy trình trám xi măng 1 tầng 2 nút (nút cao su dưới tự chọc thủng, nút gang trên ép vữa) và phân tầng với Mupta.

  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills):

    • Phân tích và xử lý các hiện tượng bất thường trong giếng khoan: mất dung dịch, xâm nhập lưu chất vỉa (kích giếng), sét trương nở gây co hẹp thành giếng.
    • Phân tích sai lệch quỹ đạo không gian của giếng khoan dựa trên đo đạc góc nghiêng ($\alpha$) và góc phương vị ($\varphi$).

  • Năng lực ứng dụng thực hành (Practical competencies):

    • Điều chỉnh cấu hình bộ khoan cụ BHA theo 3 nguyên lý hình học trong khoan định hướng:
      • Nguyên lý điểm tựa (Fulcrum principle): Đặt stabilizer ngay sát trên choòng khoan kết hợp cần nặng uốn cong để tăng góc nghiêng.
      • Nguyên lý con lắc (Pendulum principle): Đặt stabilizer cách xa choòng khoan để tạo trọng lực kéo choòng về phương thẳng đứng, giảm góc nghiêng.
      • Nguyên lý ổn định (Stabilization principle): Bố trí nhiều stabilizer cách đều nhau để triệt tiêu lực uốn, giữ ổn định góc nghiêng và phương vị.
                   CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN GÓC BHA
                   
  1. Nguyên lý Điểm tựa             2. Nguyên lý Con lắc            3. Nguyên lý Ổn định
     (TĂNG GÓC NGHIÊNG)               (GIẢM GÓC NGHIÊNG)               (GIỮ ỔN ĐỊNH GÓC)

Phương pháp giảng dạy và học tập

Căn cứ Mục 8 của giáo trình môn học, phương pháp giảng dạy và học tập được triển khai theo định hướng tích cực hóa người học, cụ thể hóa cho từng loại hình hoạt động:

                            PHƯƠNG PHÁP ĐÀO TẠO

  • Phương pháp đối với giảng viên:

    • Giảng dạy lý thuyết: Áp dụng phương pháp nêu vấn đề, hướng dẫn sinh viên khai thác tài liệu chuyên ngành, phân tích các bài tập tình huống thực tế tại khoan trường.
    • Tổ chức thảo luận và bài tập: Chia lớp thành các nhóm nhỏ (2–3 sinh viên), giao chủ đề kỹ thuật trước buổi học để sinh viên chuẩn bị nội dung và báo cáo.
    • Cơ sở vật chất phục vụ: Giảng đường tiêu chuẩn trang bị máy tính, máy chiếu (projector), bảng viết, hệ thống giáo trình, giáo án và mô hình học cụ.

  • Yêu cầu đối với người học:

    • Chuẩn bị bài: Đọc trước nội dung bài học theo danh mục tài liệu được cung cấp (thư viện, website).
    • Chuyên cần: Bắt buộc tham dự tối thiểu $70%$ tổng thời lượng lý thuyết của môn học. Sinh viên vắng $>30%$ số tiết lý thuyết không đủ điều kiện dự thi và phải học lại môn học.
    • Tự học và làm việc nhóm: Nhóm trưởng phân công thành viên nghiên cứu từng phần của chủ đề, tổ chức thảo luận nội bộ, ghi chép và tổng hợp thành báo cáo chung của nhóm.
    • Tham gia đầy đủ các đợt kiểm tra thường xuyên, định kỳ và thi kết thúc môn học.

  • Phương thức kiểm tra và đánh giá: Áp dụng theo Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội:

Loại hình kiểm tra Hình thức tổ chức Thời điểm đánh giá Chuẩn đầu ra đánh giá Trọng số điểm
Kiểm tra thường xuyên Vấn đáp / Quan sát theo bảng kiểm Sau 5 giờ học A1, B1, C1 40% (kết hợp với Định kỳ)
Kiểm tra định kỳ Tự luận / Trắc nghiệm trên giấy Sau 15 giờ học A1, B1, C1 Hệ số 2 trong điểm quá trình
Thi kết thúc môn học Trắc nghiệm trên máy tính / Tự luận Sau 45 giờ học A1, B1, C1 60% tổng điểm môn học

Quy tắc tính điểm: Điểm đánh giá thành phần và điểm kết thúc môn học chấm theo thang điểm 10 (từ 0 đến 10), làm tròn đến một chữ số thập phân. Điểm tổng kết môn học là tổng điểm thành phần nhân với trọng số tương ứng.

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình phản ánh các số liệu thực tế của ngành công nghiệp dầu khí trong nước và quốc tế:

  • Dữ liệu thực tế ngành Dầu khí Việt Nam:
    • Ghi nhận mốc lịch sử dòng khí thiên nhiên đầu tiên khai thác ngày 19/4/1981 tại mỏ Tiền Hải C (Thái Bình) và tấn dầu thô thương mại đầu tiên khai thác ngày 26/6/1986 tại mỏ Bạch Hổ (thềm lục địa phía Nam).
    • Cập nhật số liệu phân tích hóa lý dầu thô Việt Nam: hàm lượng kim loại nặng cực thấp (Niken: $1{,}05\text{--}4{,}9\text{ ppm}$, Vanadi: $<1\text{ ppm}$), hợp chất nitơ từ $0{,}05\text{--}0{,}032%$, thuộc nhóm dầu nhẹ, ngọt, sạch nhưng có nhiệt độ đông đặc cao do chứa nhiều paraffin.
                      HỆ THỐNG THAM CHIẾU DẦU KHÍ QUỐC TẾ

  • Hệ thống thương mại và tiêu chuẩn quốc tế:

    • Trình bày hệ thống dầu thô chuẩn dùng định giá toàn cầu: Brent (Biển Bắc), WTI (Bắc Mỹ), Dubai (Trung Đông/Châu Á - Thái Bình Dương), Tapis (Malaysia), Minas (Indonesia) và Giỏ dầu OPEC (Arab Light, Bonny Light, Fateh, Isthmus, Minas, Saharan Blend, Tia Juana Light).
    • Quy chuẩn đơn vị đo lường: 1 thùng dầu ($1\text{ barrel}$) tương đương $158{,}97\text{ lít}$; $1\text{ tấn}$ dao động $7\text{--}8\text{ thùng}$; $1\text{ m}^3\text{ khí} = 35{,}3\text{ ft}^3$; các đơn vị quy mô công nghiệp BCF ($1\text{ tỷ ft}^3 \approx 28\text{ triệu m}^3$) và TCF ($1000\text{ BCF} \approx 28\text{ tỷ m}^3$).
    • Ứng dụng hệ tọa độ trắc địa phẳng UTM (Universal Transverse Mercator) thay thế cho phép chiếu Gauss để giảm sai số định vị vệ tinh giếng khoan ngoài khơi.

  • Thông số kỹ thuật chuyên sâu:

    • Trích dẫn dữ liệu kỹ thuật thực tế từ giếng khoan sâu nhất thế giới $SG-3$ trên bán đảo Kola (độ sâu $12.261\text{ m}$, đường kính ống chống $215\text{ mm}$).
    • Cập nhật quy chuẩn vận tốc dâng của vữa xi măng trong khoảng không vành xuyến: tối thiểu $1{,}5\text{ m/s}$ đối với ống định hướng, dẫn hướng, trung gian và tối thiểu $1{,}8\text{ m/s}$ đối với ống khai thác.
    • Phân loại chi tiết giếng ngang theo bán kính cong và các dạng hình học quỹ đạo phức tạp (chữ J kéo dài, chữ S cải biên) tại Chương 4.

Đối tượng sử dụng giáo trình

                       ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG GIÁO TRÌNH

  • Sinh viên chuyên ngành (Tài liệu bắt buộc):

    • Sinh viên hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề thuộc 2 ngành: Khoan Khai thác dầu khí và Vận hành thiết bị khai thác dầu khí.
    • Yêu cầu điều kiện tiên quyết: Đã tích lũy các học phần đại cương và kỹ thuật cơ sở, đặc biệt là học phần Địa chất cơ sở (KKT19MH31), nắm vững kiến thức về bản đồ địa chất và cột địa tầng.

  • Người học và giảng viên ngành liên quan (Tài liệu tham khảo):

    • Giảng viên và học viên chuyên ngành Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí và Vận hành thiết bị chế biến dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí để nắm rõ nguồn gốc nguyên liệu đầu vào và các hệ thống van, thiết bị cơ khí đầu giếng.

  • Mục đích sử dụng của giảng viên:

    • Làm khung tham chiếu xây dựng giáo án bài giảng lý thuyết (42 giờ) và hệ thống câu hỏi trắc nghiệm, bài tập tình huống cho 3 đợt đánh giá thành phần theo Thông tư 09/2017/TT-LĐTBXH.

  • Mục đích tự học và tra cứu:

    • Cung cấp tài liệu tra cứu các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn về kích cỡ ống chống, đường kính choòng khoan, nguyên lý ròng rọc cơ khí và các phương pháp bơm trám xi măng phục vụ giai đoạn thực tập sản xuất (KKT19MĐ46).

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Giáo trình là tài liệu học tập bắt buộc cho học viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề ngành Khoan Khai thác dầu khí và Vận hành thiết bị khai thác dầu khí; đồng thời là tài liệu tham khảo cho các ngành sửa chữa, vận hành thiết bị chế biến dầu khí.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần hoàn thành môn Địa chất cơ sở (KKT19MH31) cùng các học phần kỹ thuật nền tảng gồm Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11), Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ12) và An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01).

3. Điểm khác biệt cốt lõi về mặt nội dung của giáo trình là gì?

Tài liệu tập trung trực tiếp vào quy trình thi công cơ học tại giếng khoan (khoan lớp mặt, trung gian, mục tiêu; quy trình tiếp cần, tháo cần; công nghệ thả ống chống suốt/lửng; trám xi măng 1 tầng/phân tầng) và mô tả chi tiết 5 hệ thống thiết bị thực tế trên giàn khoan biển/đất liền.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học cần đọc trước nội dung từng chương theo mục tiêu kiến thức đã nêu ở đầu mỗi chương, làm việc nhóm 2–3 người để giải quyết các câu hỏi thảo luận cuối chương (như so sánh Top Drive với động cơ đáy, tính toán đường kính ống chống) và đảm bảo tham gia tối thiểu $70%$ số giờ lý thuyết trên lớp.

5. Có những tài liệu bổ trợ nào được liên kết cùng giáo trình?

Các tài liệu tham khảo chính thức được nêu trong giáo trình gồm:

  • Sách Cơ sở khoan và khai thác dầu khí – Tác giả Lê Phước Hảo (NXB Đại học Quốc gia TP.HCM).
  • Sách Kỹ thuật khoan dầu khí – Tác giả Nguyen (NXB Giáo dục, 1995).
  • Danh mục 7 mô đun chuyên sâu tiếp nối trong chương trình khung (từ KKT19MĐ37 đến KKT19MĐ46).

Kết luận

Giáo trình Cơ sở khoan (KKT19MH33) do Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về công nghệ xây dựng giếng khoan dầu khí, từ nền tảng phân loại lưu chất, cấu trúc hình học giếng, thiết bị giàn khoan đến kỹ thuật khoan định hướng.

                     LỘ TRÌNH ĐÀO TẠO TIẾP NỐI

Nội dung giáo trình là gạch nối trực tiếp giữa lý thuyết địa chất cơ sở và các mô đun kỹ năng vận hành chuyên biệt (KKT19MĐ37 đến KKT19MĐ44), chuẩn bị năng lực nghề nghiệp cho sinh viên trước khi tham gia học phần Thực tập sản xuất (KKT19MĐ46) tại các công trình dầu khí thực tế.