CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN, LỊCH SỬ CÁC NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN VÀ HỆ THỐNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu tổng quan quá trình vận chuyển mùn khoan lịch sử các nghiên cứu Trong quá trình khoan định hướng hoặc khoan ngang, làm sạch và vận chuyển mùn khoan là vấn đề thường xuyên và tốn kém, là yếu tố quan trọng để đánh giá một chương trình khoan tốt. Việc loại bỏ mùn khoan kém hiệu quả có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực dẫn đến việc kéo dài thời gian khoan và làm tăng chi phí khoan. Một số hậu quả liên quan đến việc vận chuyển mùn khoan kém là: + Tốc độ khoan cơ học chậm + Tăng mô-men xoắn (làm tăng yêu cầu công suất khoan) + Nguy cơ kẹt cần khoan và bộ khoan cụ + Khó khăn trong việc kéo thả ống chống + Khó khăn trong việc bơm trám xi măng + Khó khăn trong công tác logging….
Sự hình thành những ổ tích tụ mùn khoan xuất hiện khi góc nghiêng tăng dần từ thẳng đứng sang nằm ngang và đồng thời tốc độ dòng chảy không đủ để làm sạch hoàn toàn. Vấn đề vận chuyển mùn khoan kém là vấn đề phổ biến trong khoan định hướng và khoan ngang như minh họa trong hình 1.1 - Minh họa về sự hình thành những ổ lắng đọng mùn khoan trong giếng khoan Page | 20 định hướng Làm sạch và vận chuyển mùn khoan là một quá trình phức tạp, được kiểm soát bởi nhiều thông số khác nhau.1, những thông số này có thể được phân chia thành 3 nhóm chính: thông số về dung dịch, thông số về hạt mùn khoan và thông số chung về vận hành giếng. Thông số dung dịch Tính chất lòng giếng và các Thông số hạt mùn khoan khoan thông số khoan Tỷ trọng dung dịch Mật độ các hạt mùn Góc nghiêng Tính lưu biến Kích thước các hạt mùn Sự quay cần khoan Loại dung dịch Hình dạng hạt mùn Tốc độ khoan cơ học (ROP) Sự lắng đọng của hạt mùn Độ lệch tâm Độ rỗng của những ổ lắng Tốc độ dòng chảy đọng Góc nằm Độ sâu giếng Độ thấm của các ổ lắng Đường kính lòng giếng và đọng mùn khoan đường kính ống chống Bảng 1.1 - Những thông số tác động lên việc làm sạch và vận chuyển mùn khoan Trong vòng 30 năm trở lại đây, đã có rất nhiều nghiên cứu và báo cáo khoa học được công bố nhằm thảo luận và giải quyết vấn đề này. Các nghiên cứu hướng trọng tâm đến nhiều thông số khác nhau có tác động lên quá trình vận chuyển mùn khoan nhằm thiết lập, xây dựng các mô hình tương quan cho các mục đích dự đoán có thể được sử dụng trong hoạt động khoan.
Ngày nay, người ta phân loại thành hai phương pháp chính: là phương pháp thực nghiệm hoặc mô hình cơ học (lý thuyết). Peden et al. (1990) và Larsen et al. (1993) [2] phát triển các mô hình thực nghiệm, Gavignet và Sobey (1989), Kamp and Rivero (1999) sử dụng phương pháp cơ học phát triển một mô hình 2 lớp.
Sau đó, Rubiandini (1999) [3] dựa vào mô hình vận tốc trượt thẳng đứng (VSV- vertical slip-velocity) của Moore, mô hình thực nghiệm của Larsen và Peden để phát triển mô hình của riêng mình nhằm xác định vận tốc Page | 21 tối dòng chảy tối thiểu trong các giếng khoan thẳng và giếng khoan ngang. Những công trình này chủ yếu là nghiên cứu định tính và thực nghiệm, và một số công trình về các mô hình và hiệu chỉnh khác. Nghiên cứu trong luận văn này tập trung chủ yếu vào những mô hình thực nghiệm cho giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang. Mục tiêu của luận án này là: 1 Tổng quan về đề tài và lịch sử phát triển, hệ thống các phương pháp nghiên cứu; bản chất của quá trình vận chuyển mùn khoan; 2 Tổng quan cơ sở lý thuyết của việc vận chuyển mùn khoan và các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển mùn khoan.và làm sạch giếng; 3 Khảo sát đánh giá và phân tích mô hình thực nghiệm của Larsen và Rubiandini; 4 Tính toán, phân tích và đánh giá các mô hình thực nghiệm áp dụng vào giếng khoan thực tế.; 5 Giới thiệu một số giải pháp đề nghị trong việc ứng dụng mô hình hình học của hệ thống hydroclean và một số mô hình khác để tăng lưu lượng dòng chảy trong quá trình vận chuyển mùn khoan; 1.2 Hệ thống các phương pháp nghiên cứu Tổng quan tài liệu này bao gồm các nghiên cứu và phân tích về vận chuyển mùn khoan cho giếng khoan thẳng, giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang trong vòng 30 năm trở lại đây.
Hầu hết tất cả những nghiên cứu về vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang được bắt đầu từ những năm thập niên 80 của thế kỷ trước. Tuy nhiên nhưng phương trình và mô hình hiện có để giải quyết những thách thức về việc vận chuyển mùn khoan và làm sạch giếng đều không hiệu quả. Vì vậy những mô hình và công nghệ mới đã được phát triển trong những năm gần đây. -Trên thế giới: Từ đầu những năm 1980, nghiên cứu về vận chuyển mùn khoan đã tập trung vào những giếng khoan định hướng và những nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành (Tomren, 1979, Zarrough, 1991 và Iyoho, 1980) [7].
Một số bài báo tổng hợp việc vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang (Pilehvari et al. 1999, Azar et al. 1997, Kelessidis et al. 2002, Nazari et al.
2010, Kamyab et al. 2012, Wang et al. 2013 and Shah et al. Một số nghiên cứu tập trung vào việc xác định vận tốc lắng đọng tới hạn (critical deposition velocity – CDV) ở trên mà không có hình Page | 22 dạng ổ lắng cố định (Zarrough 1991, Brown et al.
1989, Ford et al. 1990, Peden et al. 1990, Larsen 1990, Jalukar 1993, Hemphill et al. 1996, Mirhaj et al.
2007, Duan et al. 2009, Ranjbar 2010, Ozbayoglu et al. 2010, Agwu 2012, Bizhani 2013, Corredor 2013). Do giới hạn của tốc độ bơm, vận tốc của dung dịch trong khoảng không vành xuyến thường thấp hơn CDV.
Kết quả là hình thành nên những đụn lắng đọng chất rắn trong những giếng khoan có độ lệch cao. Một trong những mục tiêu chính của những nghiên cứu về vận chuyển mùn khoan là để đánh giá sự tập trung của các hạt mùn khoan dọc theo thân giếng trong khi cần khoan đang chạy trong giếng (run in the hole – RIH) trong những điều kiện nhất định. Khi RIH chấm dứt, nghiên cứu tập trung vào việc dự đoán thời gian để đưa mùn khoan lên bề mặt. Tomren (1979) va Iyoho (1980) [7] đã tiến hành những kiểm tra thực nghiệm để thu thập dữ liệu về sự tích tụ mùn khoan và chiều cao của những đụn lắng đọng (bedding) tại những góc lệch khác nhau.
Becker (1982) nghiên cứu ảnh hưởng của trọng lượng dung dịch và kích thước lòng giếng tác động lên sự tích tụ của mùn khoan và chiều cao của những ụ lắng đọng. Parker (1987) đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc rửa lòng giếng (hole washout) và kích thước hạt lên sự tích tụ của mùn khoan. Sifferman và cộng sự (1992) đã tiến hành những kiểm tra thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của những thông số khác nhau tác động lên việc làm sạch giếng trong những giếng định hướng có độ lệch từ 45 o đến 90o. Hareland và cộng sự (1993) nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch gốc dầu tác động lên sự tích tụ của mùn khoan.
Bassal (1995) và Eddy (1996) tiến hành những nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của sự quay cần khoan đối với quá trình vận chuyển mùn khoan và làm sạch giếng. Yu và cộng sự (2007) xác định sự tích tụ mùn khoan bằng cách mô phỏng điều kiện đáy giếng. Ahmed và cộng sự (2010) nghiên cứu ảnh hưởng của các thiết bị cơ khí tác động lên sự tích tụ mùn khoan. Vieira (2002) đã tiến hành những kiểm tra thực nghiệm để thu thập thập dữ liệu về sự tích tụ mùn khoan và chiều cao của những đụn lắng đọng cho dung dịch ngậm khí.
Mendez (2002) nghiên cứu sự tích tụ mùn khoan và tốc độ tới hạn của dung dịch (fluid critical velocity) trong điều kiện dòng chảy khí-lỏng (gas-liquid flow conditions) trong giếng khoan ngang. Ngoài ra Mendez còn nghiên cứu ảnh hưởng của sự quay của cột cần Page | 23 khoan. Naganawa và cộng sự (2002) thực hiện thí nghiệm liên quan đến hơn 300 điều kiện dòng chảy khác nhau với dung dịch ngậm khí để thu thập dự liệu về sự tích tụ của vật chất rắn. Pereira (2003) nghiên cứu sự tích tụ của mùn khoan và tốc độ tới hạn của dung dịch trong điều kiện dòng chảy khí lỏng trong giếng định hướng có góc nghiêng từ 30o đến 60o.
Osgouei (2010) xác định sự tích tụ mùn khoan với dung dịch ngậm khí trong giếng khoan ngang. Zhou (2004) sử dụng một mô hình tuần hoàn (Flow Loop) nhiệt độ cao và áp suất cao để thu thập dữ liệu tích tụ mùn khoan với dung dịch ngậm khí trong khoảng không vành xuyến của giếng khoan ngang. Okpobiri (1982) trình bày một phương pháp hiệu chỉnh bán thực nghiệm để xác định tổn thất áp suất do ma sát và thể tích dòng chảy yêu cầu tối thiểu khi vật chất rắn được chuyển lên bề mặt bằng dung dịch bọt foam. Martins và cộng sự (2001), Ozbayoglu (2002) and Capo et al.
(2006) thu thập dữ liệu vệ sự tích tụ của mùn khoan và chiều cao của những ổ lắng đọng với dung dịch bọt foam. Chen và cộng sự (2007), Duan (2008) và Xu (2010) thu thập dữ liệu vệ sự tích tụ của mùn khoan và chiều cao của những đụn lắng đọng với dung dịch bọt trong điều kiện đáy giếng mô phỏng. Sanchez và cộng sự (1997), Adari (2000), Valluri và cộng sự (2006) và Khan (2008) tiến hành những bài kiểm tra sự bào mòn của mùn khoan để ước tính thời gian làm sạch giếng. Sapru (2001) nghiên cứu ảnh hưởng của sự qauay của cột cần khoan đến độ bào mòn của những ổ lắng đọng mùn khoan.
Martins và cộng sự (2002) và Lourenco (2006) đã đánh giá thời gian trở lại của hạt mùn rắn trong quá trình khoan với dung dịnh ngậm khí với một cơ sở thử nghiệm toàn diện và Nguyen (2007) đã nghiên cứu hiệu quả làm sạch giếng với một dung dịch bề mặt đặc biệt. Li và cộng sự (1999 đến 2013) và Walker cùng cộng sự (2000, 2001) đã tiến hành một chương trình nghiên cứu toàn diện trong hơn một thập kỷ liên quan đến vấn đề làm sạch giếng cho những ứng dụng CT. Hơn 10000 bài kiểm tra về sự phân bố của hạt mùn rắn và làm sạch giếng đã được thu thập tại những điều kiện dòng chảy khác nhau.
