Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp dầu khí hiện nay, việc khoan giếng thân nhỏ (Slimhole) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả khai thác. Theo ước tính, chi phí khoan chiếm khoảng 70% tổng chi phí vận hành, do đó việc tối ưu hóa quá trình khoan là rất cần thiết. Giếng khoan thân nhỏ với đường kính nhỏ hơn 6 inch được xem là giải pháp kinh tế, giúp giảm chi phí khoan tới 60% so với giếng khoan thông thường, đồng thời rút ngắn thời gian thi công và giảm thiểu tác động môi trường. Tuy nhiên, kỹ thuật khoan giếng thân nhỏ cũng đặt ra nhiều thách thức về mặt kỹ thuật, đặc biệt là trong quá trình vận chuyển mùn khoan trong khoang không vành xuyên (KKVX) giữa cần khoan và thành giếng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển mô hình tính toán thực nghiệm và mô phỏng quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan thân nhỏ, dựa trên các mô hình lý thuyết và phần mềm ANSYS Fluent. Nghiên cứu tập trung khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển mùn khoan như vận tốc tối thiểu (Vmin), lưu lượng tối thiểu (Qmin), góc nghiêng giếng, vận tốc quay cần khoan, và tính chất dung dịch khoan. Phạm vi nghiên cứu bao gồm giếng khoan thân nhỏ tại khu vực Carter Creek, Wyoming, Hoa Kỳ, với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng trong giai đoạn 2019-2020.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và vận hành giếng khoan thân nhỏ hiệu quả, giảm thiểu rủi ro tắc nghẽn mùn khoan, nâng cao năng suất khai thác và tiết kiệm chi phí. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần phát triển công nghệ khoan hiện đại, ứng dụng công nghệ mô phỏng CFD trong ngành dầu khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong mô hình hóa dòng chảy và vận chuyển mùn khoan:

  1. Lý thuyết dòng chảy Newton và phi Newton: Mô hình dòng chảy Newton biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và vận tốc cắt, phù hợp với dung dịch khoan có tính chất nhớt ổn định. Mô hình Bingham và Herschel-Bulkley được sử dụng để mô tả dòng chảy phi Newton, đặc biệt với dung dịch khoan có tính chất dẻo và có ứng suất giới hạn.

  2. Mô hình vận chuyển mùn khoan trong khoang không vành xuyên (KKVX): Các lực tác động lên hạt mùn khoan bao gồm trọng lực, lực nâng, lực kéo và lực Van der Waals. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển mùn khoan gồm vận tốc dòng chảy, góc nghiêng giếng, vận tốc quay cần khoan, tính chất hạt mùn và dung dịch khoan.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Vận tốc tối thiểu (Vmin) và lưu lượng tối thiểu (Qmin): Các thông số quan trọng để đảm bảo mùn khoan được vận chuyển hiệu quả, tránh tắc nghẽn.
  • Góc nghiêng giếng khoan: Ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển mùn khoan và hình thành lớp mùn tích tụ.
  • Tính chất dung dịch khoan: Ảnh hưởng đến lực ma sát, lực kéo và khả năng làm sạch giếng khoan.
  • Mô hình CFD (Computational Fluid Dynamics): Phương pháp tính toán dòng chảy và vận chuyển mùn khoan dựa trên giải các phương trình Navier-Stokes bằng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm từ giếng khoan thân nhỏ tại Carter Creek, Wyoming, Hoa Kỳ, và các thông số kỹ thuật của dung dịch khoan, cần khoan, cùng các điều kiện vận hành thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các trường hợp mô phỏng với các góc nghiêng giếng từ 0° đến 90°, vận tốc quay cần khoan từ 50 đến 150 vòng/phút, và các lưu lượng dung dịch khoan khác nhau.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình thực nghiệm dựa trên mô hình Larsen và Rubiandini để tính toán Vmin và Qmin, kết hợp với mô phỏng CFD trên phần mềm ANSYS Fluent để mô phỏng quá trình vận chuyển mùn khoan trong KKVX. Quá trình mô phỏng được thiết lập với mô hình dòng chảy phi Newton, mô hình đa pha gồm dung dịch khoan và mùn khoan, sử dụng mô hình k-ε cho mô phỏng dòng chảy xoáy.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2019 đến tháng 7/2020, bao gồm các bước khảo sát lý thuyết, thu thập dữ liệu thực nghiệm, xây dựng mô hình tính toán, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định vận tốc tối thiểu (Vmin) và lưu lượng tối thiểu (Qmin): Qua mô hình thực nghiệm Larsen và Rubiandini, Vmin dao động trong khoảng 1.2-1.8 m/s và Qmin từ 0.5-0.9 m³/phút tùy thuộc vào góc nghiêng giếng và vận tốc quay cần khoan. Vmin và Qmin tăng khi góc nghiêng giếng tăng, đặc biệt ở góc nghiêng 75° và 90%, tăng khoảng 20-30% so với giếng thẳng đứng.

  2. Ảnh hưởng của vận tốc quay cần khoan: Khi vận tốc quay tăng từ 50 đến 150 vòng/phút, khả năng vận chuyển mùn khoan được cải thiện rõ rệt, giảm tích tụ mùn trong KKVX khoảng 15-25%. Mô phỏng CFD cho thấy dòng chảy xoáy mạnh hơn, giúp làm sạch hiệu quả thành giếng.

  3. Ảnh hưởng của góc nghiêng giếng khoan: Mô phỏng cho thấy ở góc nghiêng lớn hơn 45°, mùn khoan có xu hướng tích tụ nhiều hơn ở thành giếng phía dưới, tạo thành các vùng tích tụ mùn không vận chuyển được (vùng D theo phân vùng của Airatovich). Ở góc nghiêng 90°, lớp mùn tích tụ dày hơn khoảng 35% so với giếng thẳng đứng.

  4. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng trên ANSYS Fluent tương đồng với kết quả thực nghiệm, sai số dưới 10% đối với các thông số Vmin và Qmin. Biểu đồ thể hiện sự phù hợp giữa mô hình lý thuyết và mô phỏng CFD, khẳng định tính khả thi của mô hình mô phỏng trong dự báo vận chuyển mùn khoan.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng Vmin và Qmin theo góc nghiêng giếng là do lực trọng lực và lực ma sát tăng lên khi mùn khoan có xu hướng lắng đọng nhiều hơn ở thành giếng phía dưới. Vận tốc quay cần khoan đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra dòng chảy xoáy, giúp phá vỡ lớp mùn tích tụ và tăng hiệu quả vận chuyển.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn phù hợp với các báo cáo của ngành về ảnh hưởng của góc nghiêng và vận tốc quay đến vận chuyển mùn khoan. Việc ứng dụng mô hình CFD giúp mô phỏng chi tiết dòng chảy đa pha và các lực tác động lên hạt mùn, cung cấp công cụ dự báo chính xác hơn so với các mô hình lý thuyết truyền thống.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các thông số vận hành tối ưu cho giếng khoan thân nhỏ, giảm thiểu rủi ro tắc nghẽn mùn khoan, nâng cao hiệu quả khoan và tiết kiệm chi phí.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vận tốc dòng chảy và vận tốc quay cần khoan: Đề xuất duy trì vận tốc dòng chảy trên mức Qmin và vận tốc quay cần khoan từ 100 vòng/phút trở lên để đảm bảo hiệu quả vận chuyển mùn khoan, giảm tích tụ mùn trong giếng. Thời gian thực hiện: ngay trong các chiến dịch khoan hiện tại. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành và thiết kế giếng khoan.

  2. Thiết kế giếng khoan với góc nghiêng phù hợp: Khuyến nghị hạn chế góc nghiêng giếng vượt quá 75° trong các giai đoạn khoan quan trọng để giảm thiểu tích tụ mùn khoan. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và lập kế hoạch khoan. Chủ thể thực hiện: đội ngũ thiết kế và quản lý dự án.

  3. Ứng dụng mô phỏng CFD trong thiết kế và vận hành: Khuyến khích sử dụng phần mềm ANSYS Fluent để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển mùn khoan, giúp dự báo và điều chỉnh các thông số vận hành phù hợp. Thời gian thực hiện: áp dụng trong các dự án khoan mới và cải tiến. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ sư công nghệ.

  4. Cải tiến tính chất dung dịch khoan: Đề xuất nghiên cứu và sử dụng dung dịch khoan có tính chất nhớt và tỷ trọng phù hợp, giảm lực ma sát và tăng khả năng vận chuyển mùn khoan. Thời gian thực hiện: nghiên cứu và thử nghiệm trong vòng 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà cung cấp dung dịch khoan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư khoan và vận hành giếng khoan: Nghiên cứu cung cấp các thông số vận hành tối ưu, giúp giảm thiểu rủi ro tắc nghẽn mùn khoan và nâng cao hiệu quả khoan.

  2. Nhà thiết kế giếng khoan và lập kế hoạch dự án: Tham khảo để thiết kế giếng khoan thân nhỏ với góc nghiêng và thông số kỹ thuật phù hợp, tối ưu chi phí và thời gian thi công.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ dầu khí: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng CFD ứng dụng trong nghiên cứu dòng chảy đa pha và vận chuyển mùn khoan.

  4. Các công ty cung cấp dịch vụ khoan và dung dịch khoan: Hỗ trợ trong việc phát triển sản phẩm dung dịch khoan và dịch vụ khoan thân nhỏ hiệu quả, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vận tốc tối thiểu (Vmin) là gì và tại sao quan trọng?
    Vmin là vận tốc dòng chảy tối thiểu cần thiết để vận chuyển mùn khoan hiệu quả, tránh tích tụ gây tắc nghẽn. Ví dụ, trong giếng khoan thân nhỏ, Vmin dao động khoảng 1.2-1.8 m/s tùy điều kiện vận hành.

  2. Góc nghiêng giếng khoan ảnh hưởng thế nào đến vận chuyển mùn khoan?
    Góc nghiêng lớn làm tăng khả năng tích tụ mùn khoan ở thành giếng phía dưới, gây khó khăn trong vận chuyển. Mô phỏng cho thấy góc nghiêng trên 75° làm tăng lớp mùn tích tụ lên 30-35%.

  3. Phần mềm ANSYS Fluent được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ANSYS Fluent mô phỏng dòng chảy đa pha và vận chuyển mùn khoan trong khoang không vành xuyên, giúp dự báo hiệu quả vận chuyển và tối ưu thông số vận hành.

  4. Làm sao để giảm thiểu tích tụ mùn khoan trong giếng thân nhỏ?
    Tăng vận tốc dòng chảy và vận tốc quay cần khoan, sử dụng dung dịch khoan có tính chất phù hợp, và hạn chế góc nghiêng giếng là các giải pháp hiệu quả.

  5. Tại sao dung dịch khoan có tính chất nhớt và tỷ trọng quan trọng?
    Tính chất này ảnh hưởng đến lực ma sát và lực kéo lên hạt mùn, từ đó quyết định khả năng vận chuyển mùn khoan và làm sạch giếng khoan, giảm thiểu rủi ro tắc nghẽn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tính toán thực nghiệm và mô phỏng CFD quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan thân nhỏ, với sai số dưới 10% so với thực nghiệm.
  • Xác định rõ các yếu tố ảnh hưởng chính như vận tốc dòng chảy, vận tốc quay cần khoan, góc nghiêng giếng và tính chất dung dịch khoan.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa thiết kế và vận hành giếng khoan thân nhỏ, góp phần giảm chi phí và nâng cao hiệu quả khai thác.
  • Đề xuất áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế và vận hành, đồng thời cải tiến dung dịch khoan để nâng cao hiệu quả vận chuyển mùn khoan.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế tại các giếng khoan khác nhau và phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp cho ngành dầu khí.

Hành động ngay hôm nay: Các kỹ sư và nhà quản lý dự án khoan nên áp dụng các kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình khoan thân nhỏ, đồng thời đầu tư vào công nghệ mô phỏng CFD để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong vận hành.