Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun Thí nghiệm dung dịch khoan (Mã mô đun: KKT19MĐ37) được ban hành kèm theo Quyết định số 191/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Tài liệu do ThS. Phạm Thị Nụ làm chủ biên cùng tác giả Phạm Hữu Tài tham gia biên soạn, lưu hành nội bộ phục vụ đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ Trung cấp và Cao đẳng.

Trong chương trình đào tạo chuyên môn ngành nghề, mô đun có vị trí trung gian mang tính bản lề: được bố trí giảng dạy sau các môn học cơ sở gồm Địa chất cơ sở (KKT19MH31) và Cơ sở khoan (KKT19MH33); đồng thời cung cấp nền tảng lý thuyết lẫn thực nghiệm trực tiếp trước khi người học tiếp cận các mô đun công nghệ chuyên sâu như Hệ thống nâng hạ (KKT19MĐ40), Hệ thống tuần hoàn dung dịch (KKT19MĐ41), Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (KKT19MĐ42), Hệ thống chống ống và trám xi măng (KKT19MĐ43) và Hệ thống kiểm soát giếng khoan (KKT19MĐ44).

Mục tiêu học tập của mô đun tập trung vào ba trụ cột:

  • Kiến thức: Trình bày chính xác các phương pháp tuần hoàn, chức năng, phân loại hệ dung dịch khoan, các thông số kỹ thuật và các nhóm hóa phẩm gia công xử lý.
  • Kỹ năng: Đo đạc, xác định thành thạo các chỉ tiêu hóa lý, lưu biến của dung dịch khoan trong thi công giếng; vận hành chuẩn xác thiết bị, dụng cụ và hóa chất chuyên dụng trong phòng thí nghiệm.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tuân thủ tuyệt đối quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy (PCCC), nội quy phòng thí nghiệm và quy trình vận hành thiết bị điện.

Cấu trúc giáo trình có tổng thời lượng 75 giờ (tương đương 3 tín chỉ), bao gồm 14 giờ lý thuyết, 58 giờ thực hành - thí nghiệm và 3 giờ kiểm tra. Nội dung được biên soạn dựa trên sự kết hợp giữa tiêu chuẩn công nghiệp quốc tế và tài liệu kỹ thuật thực tế từ các đơn vị sản xuất như Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, Tổng công ty Hóa chất và Dịch vụ Dầu khí (DMC), M-I SWACO.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình triển khai cấu trúc nội dung qua 4 bài học chuyên đề theo tiến trình logic từ nguyên lý thủy lực, tính chất hóa lý đến phương pháp kiểm chuẩn thực nghiệm:

  • Bài 1: Các phương pháp tuần hoàn dung dịch (2 giờ lý thuyết): Giới thiệu lịch sử phát triển dung dịch khoan từ thế kỷ XIX (sử dụng nước lã, oxit sắt, barite, NaOH, tinh bột, CMC, dung dịch vôi, thạch cao đến khoan thổi khí). Phân tích sơ đồ nguyên lý, đặc tính dòng chảy và phạm vi ứng dụng của 3 phương thức:
    • Tuần hoàn thuận: Dung dịch đi trong lòng cần khoan xuống đáy và đi lên theo khoảng không vành xuyến.
    • Tuần hoàn nghịch: Dung dịch đi xuống qua khoảng không vành xuyến và đi lên trong lòng cần khoan (áp dụng khi cần thu hồi mẫu mùn nhanh ở địa tầng phong hóa, thay thế hệ dung dịch hoặc bơm ép chống phun).
    • Tuần hoàn cục bộ: Dung dịch đi thuận kết hợp bộ thu lắng mùn trên chuỗi cần khoan (áp dụng khi không thể rửa toàn bộ giếng hoặc xử lý sự cố rơi rớt thiết bị).
  • Bài 2: Các chức năng của dung dịch khoan (3 giờ lý thuyết): Trình bày chi tiết 9 chức năng kỹ thuật trong công nghệ khoan xoay: Rửa sạch đáy và vận chuyển mùn khoan lên bề mặt; Trấn áp áp suất địa tầng; Gia cố thành giếng bằng lớp vỏ bùn (filter cake); Làm mát và bôi trơn bộ dụng cụ khoan; Giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng khi ngừng tuần hoàn; Tác động hóa lý hỗ trợ phá hủy đất đá; Truyền năng lượng thủy lực cho động cơ đáy (turbin khoan); Giảm tải trọng tác dụng lên móc nâng nhờ lực đẩy Ác-si-mét; Truyền thông tin địa chất từ đáy giếng lên bề mặt qua mẫu mùn và tín hiệu carota.
  • Bài 3: Các loại dung dịch khoan được sử dụng (6 giờ: 5h lý thuyết, 1h kiểm tra): Phân loại dung dịch theo chất lỏng nền (gốc nước, gốc dầu, nhũ tương, chất rửa khí/bọt) và phân loại 9 hệ theo quy chuẩn của Viện Dầu khí Mỹ (API) cùng Hiệp hội các Nhà thầu Khoan Quốc tế (IADC):
    1. Hệ không phân tán (dung dịch tự tạo, hồ sét bentonite API).
    2. Hệ phân tán (xử lý lignosulfonat, lignit, tanin, KCl, phèn nhôm kali AKK).
    3. Hệ dung dịch xử lý bằng hợp chất Canxi (vôi tôi $\text{Ca(OH)}_2$, thạch cao $\text{CaSO}_4$, $\text{CaCl}_2$).
    4. Hệ dung dịch Polime.
    5. Hệ dung dịch có hàm lượng pha rắn thấp.
    6. Hệ dung dịch muối.
    7. Dung dịch gốc dầu mỏ (pha phân tán oxit bitum hoặc sét kỵ nước).
    8. Dung dịch gốc dầu tổng hợp.
    9. Hệ không khí, sương bọt và khí. Phần này cũng phân tích các hiện tượng phức tạp trong thi công: trương nở sét, mất cân bằng áp suất, mất dung dịch, hiện tượng kick (dầu khí, nước xâm nhập), kẹt dụng cụ khoan và sập lở thành giếng.
  • Bài 4: Các thông số của dung dịch khoan và cách xác định (64 giờ: 4h lý thuyết, 58h thực hành, 2h kiểm tra): Chiếm khối lượng lớn nhất của giáo trình, tập trung hướng dẫn quy chuẩn và thao tác đo đạc 12 thông số kỹ thuật cốt lõi kèm theo nguyên lý sử dụng thiết bị đo và danh mục hóa phẩm phụ gia.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp các mô hình lý thuyết và công thức tính toán thủy lực - hóa lý chuẩn xác:

  • Phương trình vận tốc thủy lực và lắng hạt mùn:
    • Vận tốc đi lên của dung dịch: $V = \frac{Q}{S}$ (m/s).
    • Vận tốc trượt lắng của hạt mùn khoan: $U = \frac{g \cdot (\rho_d - d)}{18\mu}$ (m/s), trong đó $g$ là gia tốc trọng trường, $\rho_d$ là trọng lượng riêng của đất đá, $d$ là trọng lượng riêng của dung dịch, $\mu$ là độ nhớt dung dịch.
    • Tốc độ di chuyển thực của hạt mùn: $C = V - U$ (m/s).
  • Phương trình áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch:
    • Công thức hệ mét: $P = P_0 + \frac{\gamma \cdot H}{10}\ (\text{kG/cm}^2)$.
    • Công thức hệ đo lường mỏ (Oilfield Units): $P = P_0 + 0{,}052 \cdot \gamma \cdot H\ (\text{psi})$, trong đó $\gamma$ tính bằng ppg, $H$ tính bằng ft.
  • Quan hệ công suất thủy lực truyền cho tuốc bin khoan: $\frac{N_1}{N_2} = \left(\frac{Q_1}{Q_2}\right)^3$ và công suất máy bơm $N_b = p \cdot Q$.
  • Lực đẩy Ác-si-mét giảm tải móc nâng: $F = V \cdot d$.
  • Khoáng vật học và hóa lý chất keo: Phân loại khoáng sét Kaolinite (cấu trúc phiến 1:1, trương nở kém), Hydromica (cấu trúc phiến 2:1, trương nở trung bình) và Montmorillonite (cấu trúc phiến 2:1, trương nở mạnh gấp 10–12 lần thể tích). Cơ chế hydrat hóa, sự phân cực điện tích trên các mặt tứ diện silicat / bát diện aluminat, sự chuyển hóa giữa nhũ tương dầu trong nước (O/W) và nhũ tương nước trong dầu (W/O).
Đặc tính Kaolinite Hydromica Montmorillonite
Dạng lớp tinh thể 1:1 2:1 2:1
Cấu trúc / Hình dạng hạt Phiến / Tấm lục giác Phiến / Tấm phẳng Phiến / Kết bông
Kích thước hạt ($\mu\text{m}$) $0{,}5$ $0{,}5$ $2 - 0{,}1$
Diện tích bề mặt $\text{BET}-\text{N}_2\ (\text{m}^2/\text{g})$ $15 - 25$ $50 - 110$ $30 - 80$
Diện tích bề mặt $\text{BET}-\text{H}_2\text{O}\ (\text{m}^2/\text{g})$ — — $200 - 800$
Cation trao đổi (meq/100g) $3 - 15$ $10 - 40$ $80 - 150$
Độ nhớt trong nước Thấp Thấp Cao
Ảnh hưởng của muối Làm kết bông Làm kết bông Làm kết bông

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng thao tác thiết bị phòng thí nghiệm chuyên dụng: Vận hành Cân tỷ trọng dung dịch (Mud Balance), Phễu đo độ nhớt biểu kiến Marsh Funnel, Máy đo lưu biến xoay (Rheometer/Reometer), Thiết bị đo độ thải nước và độ dày vỏ bùn chuẩn API (Filter Press sử dụng khí nén, bình $\text{CO}_2$ tạo áp hoặc bộ Six Units Filter Press), Dụng cụ xác định hàm lượng cát (Sand Content Kit), Bộ dụng cụ đo tỷ lệ chất rắn - pha dầu - pha nước (Retort Kit), cân tiểu ly, đồng hồ bấm giây và bơm áp suất nhỏ.
  • Kỹ năng phân tích và đo lường: Xác định tỷ trọng, độ nhớt phễu, ứng suất trượt tĩnh ($\theta_0, \theta_{10}$ / độ bền Gel), độ ổn định dung dịch ($C$), ứng lực cắt động (YP), độ lắng ngày đêm ($L - %$), hàm lượng pha keo, hàm lượng khoáng hóa, nồng độ ion $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$ và hàm lượng kiềm/pH.
  • Kỹ năng pha chế và gia công hóa học: Xử lý, phối trộn các loại phụ gia và hóa phẩm công nghiệp bao gồm Bentonite API, bentonite nội địa, $\text{CaCO}_3$, $\text{KCl}$, $\text{NaOH}$, $\text{NaHCO}_3$, vôi sống $\text{CaO}$, vôi tôi $\text{Ca(OH)}_2$, phèn nhôm kali (AKK), bột Barite, phụ gia giảm thoát nước Carboxymethyl Cellulose (CMC) và bitum.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp sư phạm

Giáo trình thiết kế theo định hướng dạy học tích cực, kết hợp các phương pháp:

  • Thuyết trình ngắn và giảng dạy nêu vấn đề (Problem-based learning) đối với phần lý thuyết tuần hoàn và phân loại hệ dung dịch.
  • Hướng dẫn đọc tài liệu kỹ thuật, diễn trình thao tác mẫu đối với kỹ thuật đo nghiệm.
  • Bài tập tình huống gắn với các sự cố thực địa (tính toán áp suất thủy tĩnh, phân tích nguyên nhân kẹt cần, mất dung dịch, trương nở sét).

Tổ chức bài tập và thực hành

Thời lượng thực hành chiếm tỷ trọng lớn trong mô đun (58/75 giờ, tương đương 77,3%). Quá trình học tập được tổ chức theo các nhóm nhỏ từ 8 đến 10 học viên:

  • Nhóm trưởng phân công thành viên tìm hiểu nội dung bài học, chuẩn bị hóa chất, thiết bị trước khi tiến hành thí nghiệm.
  • Học viên trực tiếp vận hành từng thiết bị đo, ghi nhận số liệu thực nghiệm, tính toán sai số, thảo luận nhóm và lập báo cáo kết quả thí nghiệm theo biểu mẫu kỹ thuật.

Phương pháp và hình thức đánh giá

Thực hiện theo Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, áp dụng thang điểm 10 quy đổi sang thang điểm chữ và thang điểm 4:

  1. Trọng số điểm môn học:
    • Điểm kiểm tra thường xuyên và kiểm tra định kỳ (Đánh giá quá trình): Chiếm trọng số 40%.
    • Điểm thi kết thúc mô đun: Chiếm trọng số 60%.
  2. Kế hoạch kiểm tra chi tiết:
    • Kiểm tra thường xuyên: 01 cột điểm sau 5 giờ học lý thuyết (hình thức: hỏi miệng/trắc nghiệm/bài viết ngắn; đánh giá chuẩn đầu ra A1, A2, C1, C2).
    • Kiểm tra định kỳ lý thuyết: 01 cột điểm sau 15 giờ (hình thức: tự luận/trắc nghiệm; đánh giá chuẩn A3, A4, C1, C2).
    • Kiểm tra định kỳ thực hành: 02 cột điểm sau 73 giờ (hình thức: thao tác thực hành, báo cáo thí nghiệm; đánh giá chuẩn A5, B1, B2, C1, C2).
    • Thi kết thúc mô đun: 01 bài thi sau 75 giờ (hình thức: tự luận kết hợp trắc nghiệm hoặc kiểm tra thao tác thực hành; tổng hợp toàn bộ chuẩn đầu ra A1–A5, B1–B2, C1–C3).

Quy định tự học và điều kiện tham gia

  • Học viên phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước khi đến lớp.
  • Quy định chuyên cần: Tham dự tối thiểu 70% số tiết giảng lý thuyết và bắt buộc 100% số tiết thực hành thí nghiệm. Học viên vắng quá 30% lý thuyết hoặc vắng bất kỳ buổi thực hành nào (>0%) đều không đủ điều kiện dự thi và phải học lại mô đun.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp tiêu chuẩn công nghiệp quốc tế: Giáo trình áp dụng hệ thống phân loại 9 hệ dung dịch khoan và quy chuẩn kiểm tra tính chất lưu biến, độ lọc theo tiêu chuẩn kỹ thuật của Viện Dầu khí Mỹ (API) và Hiệp hội các Nhà thầu Khoan Quốc tế (IADC).
  • Gắn kết trực tiếp với thực tiễn sản xuất tại thềm lục địa Việt Nam: Nội dung kỹ thuật đúc kết kinh nghiệm xử lý hóa phẩm tại các doanh nghiệp dầu khí chuyên ngành như Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, DMC, M-I SWACO. Điển hình là việc đưa vào giáo trình các hệ dung dịch đặc thù đã ứng dụng thành công tại mỏ Bạch Hổ và các mỏ lân cận, như hệ phân tán Lignosulfonat – Phèn nhôm Kali (AKK) dùng cho giếng khoan định hướng qua tầng sét hoạt tính cao.
  • Tính ứng dụng kỹ thuật và xử lý sự cố mỏ: Bên cạnh các chỉ tiêu phòng thí nghiệm, tài liệu tích hợp quy trình xác định độ nhớt biểu kiến và kiểm soát tỷ trọng tại công trường giàn khoan; đồng thời mô tả phương pháp đo đạc khắc phục sự cố phức tạp gồm: xác định chiều sâu mất dung dịch bằng nhiệt kế, tính toán vị trí kẹt bộ dụng cụ khoan, ứng dụng vật liệu thô bịt kín khe nứt địa tầng.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Học sinh, sinh viên: Phục vụ cho học viên theo học trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo chuyên ngành kỹ thuật dầu khí, địa chất công trình.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ sở gồm: Địa chất cơ sở (KKT19MH31), Cơ sở khoan (KKT19MH33), An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11) và Vẽ kỹ thuật (CK19MH01).
  • Giảng viên: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính thức, xây dựng giáo án lý thuyết, bài tập tình huống và thiết kế các bài thực hành định lượng tại phòng thí nghiệm chuyên môn hóa.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu tham khảo tại hiện trường cho kỹ thuật viên trạm dung dịch, kỹ sư kiểm soát dung dịch khoan (Mud Engineer) trong việc tra cứu phương pháp thử nghiệm mẫu bùn khoan, bảo dưỡng thiết bị đo và lựa chọn hệ hóa phẩm phụ gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ đào tạo học sinh, sinh viên hệ Trung cấp và Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí theo chương trình đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí; đồng thời làm tài liệu tham khảo cho nhân sự kỹ thuật tại các trạm dung dịch khoan mỏ.

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

Người học phải học xong môn Địa chất cơ sở (KKT19MH31) và môn Cơ sở khoan (KKT19MH33), đồng thời nắm vững kiến thức an toàn lao động, phòng chống cháy nổ và hóa học đại cương về các hợp chất vô cơ, polyme, khoáng vật sét.

3. Cấu trúc thời lượng của mô đun có điểm gì đặc thù?

Mô đun có cấu trúc thiên về thực hành kỹ năng với 58 giờ thực hành thí nghiệm trên tổng số 75 giờ đào tạo (chiếm 77,3% tổng thời lượng), tập trung huấn luyện đo đạc trực tiếp trên các thiết bị đo nghiệm dung dịch khoan chuẩn API.

4. Quy định đánh giá và điều kiện hoàn thành mô đun như thế nào?

Kết quả môn học gồm điểm quá trình (40%) và điểm thi kết thúc (60%). Người học bắt buộc phải tham gia tối thiểu 70% số giờ lý thuyết và 100% số giờ thực hành; vắng bất kỳ buổi thực hành nào (>0%) sẽ phải học lại toàn bộ mô đun.

5. Giáo trình được xây dựng dựa trên các tài liệu tham khảo chính nào?

Giáo trình trích dẫn và kế thừa dữ liệu từ các tài liệu học thuật chuyên ngành gồm:

  • Trần Đình Kiên, Giáo trình dung dịch khoan và vữa trám, NXB Giao thông vận tải.
  • TS. Lê Phước Hảo (2006), Cơ sở khoan và khai thác dầu khí, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
  • Nguyen (1995), Kỹ thuật khoan dầu khí, NXB Giáo dục.
  • Các tài liệu kỹ thuật về hệ dung dịch khoan của Vietsovpetro, DMC, M-I SWACO.

Kết luận

Giáo trình mô đun Thí nghiệm dung dịch khoan (KKT19MĐ37) cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về nguyên lý thủy lực, hóa lý dung dịch khoan và quy trình thực nghiệm xác định các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn API/IADC. Lộ trình học tập được thiết kế mạch lạc từ lý thuyết tuần hoàn - chức năng (Bài 1, Bài 2), phân loại hệ chất lỏng và nhận diện sự cố địa tầng (Bài 3), đến rèn luyện kỹ năng thực hành thao tác trên thiết bị đo chuyên dụng (Bài 4). Kết hợp cùng các tài liệu tham khảo chuyên ngành và điều kiện thực hành tại phòng thí nghiệm dung dịch khoan, giáo trình đảm bảo chuẩn đầu ra về năng lực chuyên môn và an toàn lao động cho kỹ thuật viên nghề Khoan khai thác dầu khí.