Tổng quan nghiên cứu

Mỏ Sư Tử Vàng, thuộc bồn trũng Cửu Long, là một trong những khu vực có trữ lượng dầu khí thương mại lớn nằm trong tầng đá móng granite nứt nẻ với độ bền nén và độ mài mòn cao. Theo báo cáo địa chất, tầng đá móng tại đây có độ mài mòn cấp 5 theo phân loại của Spivak, mức cao nhất, gây nhiều thách thức trong công tác khoan khai thác. Từ năm 2000 đến 2009, đã thi công hơn 12 giếng khoan trong tầng đá móng này với đường kính thân giếng 8-1/2”, sử dụng choòng khoan 3 chóp xoay răng cắm. Tuy nhiên, tỷ lệ hư hỏng choòng khoan, đặc biệt là hiện tượng rụng chóp và mòn răng, rất cao, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất khoan và chi phí khai thác.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá thực trạng làm việc của choòng khoan trong tầng đá móng mỏ Sư Tử Vàng, nghiên cứu cơ sở lý thuyết về chế độ làm việc của choòng nhằm phòng tránh sự cố, đồng thời đề xuất chế độ công nghệ khoan hợp lý để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thân giếng khoan đường kính 8-1/2” trong tầng đá móng granite nứt nẻ tại mỏ Sư Tử Vàng, với dữ liệu thu thập từ các giếng khoan SV-7P, SV-8PI, SV-9PI trong giai đoạn 2005-2009.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa lựa chọn choòng khoan và chế độ công nghệ khoan, góp phần nâng cao vận tốc cơ học khoan (ROP), kéo dài tuổi thọ choòng khoan, giảm tỷ lệ sự cố và chi phí khoan trên mỗi mét khoan, từ đó tăng hiệu quả khai thác dầu khí tại mỏ Sư Tử Vàng và các khu vực có điều kiện địa chất tương tự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: nguyên lý phá hủy đất đá của choòng khoan 3 chóp xoay và cơ chế hoạt động của các thiết bị khoan định hướng. Nguyên lý phá hủy chủ yếu là cơ chế đập vỡ (crushing) do lực nén dọc trục tác dụng lên răng cắm, phù hợp với tầng đá móng granite có độ cứng và mài mòn cao. Cơ chế này được minh chứng qua quan sát mùn khoan có kích thước nhỏ, góc cạnh xù xì đặc trưng của phá hủy đập vỡ.

Ngoài ra, mô hình cơ chế phá hủy đất đá theo Maurer được áp dụng để phân tích sự hình thành nêm phá hủy dưới răng cắm và ảnh hưởng của chênh áp thủy tĩnh đến hiệu quả phá hủy. Lý thuyết về cấu tạo choòng khoan 3 chóp xoay răng cắm, bao gồm hệ thống răng cắm, trục xoay và ổ bi – vòng đệm làm kín, cũng được nghiên cứu chi tiết nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất làm việc của choòng.

Các khái niệm chính bao gồm: độ bền nén không có giới hạn (UCS), vận tốc cơ học khoan (ROP), tải trọng lên choòng (WOB), độ lệch trục chóp xoay (cones offset), và các loại hư hỏng choòng khoan theo tiêu chuẩn IADC như thủng chóp, vỡ răng, mẻ răng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ báo cáo sử dụng choòng khoan, báo cáo hiệu suất khoan, báo cáo chi phí khoan và dung dịch khoan của các giếng SV-7P, SV-8PI, SV-9PI tại mỏ Sư Tử Vàng trong giai đoạn 2005-2009. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 12 choòng khoan 3 chóp xoay răng cắm được sử dụng trong các giếng khoan thân 8-1/2”.

Phương pháp phân tích bao gồm tổng hợp và thống kê dữ liệu thực tế, phân tích hư hỏng choòng khoan theo tiêu chuẩn IADC, mô phỏng tính toán độ bền nén UCS dựa trên log địa vật lý (shear sonic log, gamma ray), và đánh giá hiệu suất khoan qua các chỉ số ROP, WOB, mô-men xoắn (TRQ), áp suất đứng ống (SPP).

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 11 năm 2009, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng tính toán, đánh giá thực trạng và đề xuất giải pháp công nghệ khoan hợp lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ hư hỏng choòng khoan cao: Tỷ lệ choòng khoan bị rụng chóp hoặc hư hỏng nghiêm trọng chiếm khoảng 30-40% tổng số choòng sử dụng trong tầng đá móng mỏ Sư Tử Vàng, đặc biệt là các choòng có răng cắm không phù hợp với độ mài mòn cao của đá granite.

  2. Hiệu suất khoan cải thiện khi sử dụng choòng phù hợp: Choòng khoan PowerDrive Exceed kết hợp với ống bơm dung dịch Vortex tại giếng SV-9PI đạt vận tốc khoan trung bình 12 m/h, cao hơn 15% so với choòng GF45 sử dụng tại giếng SV-7P với vận tốc 10.4 m/h.

  3. Tải trọng lên choòng và tuổi thọ ổ bi có mối quan hệ nghịch đảo: Khi tải trọng lên choòng vượt quá 25.000 lb, tuổi thọ ổ bi giảm trung bình 20%, dẫn đến tăng chi phí thay thế choòng và thời gian dừng khoan.

  4. Ứng dụng bộ thiết bị tạo rung AG-itator giảm điểm kẹt tải trọng: Sử dụng AG-itator trong các giếng khoan có góc nghiêng lớn giúp giảm 30% thời gian khoan trượt, tăng khả năng truyền tải trọng lên choòng, cải thiện hiệu quả khoan định hướng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tỷ lệ hư hỏng cao là do đặc tính địa chất tầng đá móng granite nứt nẻ với độ mài mòn cấp 5, gây mòn nhanh răng cắm và thủng chóp xoay. So sánh với các nghiên cứu trong ngành dầu khí, kết quả này phù hợp với báo cáo của các công ty dịch vụ khoan quốc tế, cho thấy việc lựa chọn choòng khoan có thành phần hạt cắt tungsten carbide với hàm lượng cobalt phù hợp là yếu tố quyết định tuổi thọ.

Việc sử dụng choòng khoan PowerDrive Exceed kết hợp với dung dịch khoan Vortex tạo ra áp suất thủy lực nén ép ổ bi cân bằng, giảm ma sát và tăng tuổi thọ choòng, đồng thời nâng cao vận tốc khoan. Các biểu đồ so sánh ROP và chi phí/mét khoan giữa các loại choòng cho thấy sự khác biệt rõ rệt, minh chứng cho hiệu quả của giải pháp công nghệ đề xuất.

Bộ thiết bị AG-itator giúp giải quyết điểm kẹt tải trọng trong khoan định hướng, đặc biệt với thân giếng có góc nghiêng lớn hoặc nằm ngang, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp của mỏ Sư Tử Vàng. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu về thiết bị tạo rung trong khoan định hướng tại các mỏ dầu khí khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lựa chọn choòng khoan phù hợp: Ưu tiên sử dụng choòng khoan 3 chóp xoay răng cắm có thành phần hạt cắt tungsten carbide với hàm lượng cobalt từ 10-15% để tăng độ bền mài mòn, giảm tỷ lệ hư hỏng. Chủ thể thực hiện: Công ty dịch vụ khoan, thời gian áp dụng: ngay trong các chiến dịch khoan tiếp theo.

  2. Áp dụng công nghệ khoan kết hợp dung dịch Vortex: Sử dụng dung dịch khoan có khả năng tạo áp suất thủy lực nén ép ổ bi cân bằng, giảm ma sát và tăng tuổi thọ choòng khoan. Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật khoan, thời gian: 6 tháng tới.

  3. Sử dụng bộ thiết bị tạo rung AG-itator cho thân giếng góc nghiêng lớn: Giảm điểm kẹt tải trọng, tăng hiệu quả truyền tải trọng lên choòng, nâng cao khả năng chỉnh xiên. Chủ thể thực hiện: Công ty dịch vụ khoan, thời gian: áp dụng trong các giếng khoan có góc nghiêng trên 60 độ.

  4. Tối ưu tải trọng lên choòng (WOB): Thiết lập giới hạn tải trọng tối đa không vượt quá 25.000 lb để bảo vệ tuổi thọ ổ bi, tránh hư hỏng sớm. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư khoan, thời gian: áp dụng trong quá trình vận hành khoan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư khoan và kỹ thuật viên công trường: Nắm bắt kiến thức về lựa chọn choòng khoan và chế độ công nghệ khoan hợp lý, áp dụng trực tiếp trong công tác khoan tại mỏ Sư Tử Vàng và các mỏ có điều kiện tương tự.

  2. Nhà quản lý dự án dầu khí: Đánh giá hiệu quả kinh tế của các giải pháp khoan, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và lựa chọn công nghệ phù hợp nhằm giảm chi phí và rủi ro.

  3. Các công ty dịch vụ khoan: Cập nhật công nghệ mới về choòng khoan và thiết bị khoan định hướng, nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật phức tạp.

  4. Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật khoan dầu khí: Tham khảo tài liệu nghiên cứu thực tiễn, làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về công nghệ khoan trong tầng đá móng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao choòng khoan 3 chóp xoay răng cắm dễ bị hư hỏng trong tầng đá móng?
    Do tầng đá móng granite có độ bền nén và độ mài mòn rất cao (cấp 5), gây mòn nhanh răng cắm và thủng chóp xoay, làm giảm tuổi thọ choòng.

  2. Làm thế nào để tăng tuổi thọ choòng khoan trong điều kiện đá móng cứng?
    Sử dụng choòng khoan có thành phần hạt cắt tungsten carbide với hàm lượng cobalt phù hợp, kết hợp dung dịch khoan tạo áp suất thủy lực cân bằng ổ bi và áp dụng thiết bị tạo rung AG-itator.

  3. Tải trọng lên choòng (WOB) ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất khoan?
    WOB quá thấp làm giảm hiệu quả phá hủy đá, WOB quá cao gây hư hỏng ổ bi và giảm tuổi thọ choòng. Cần duy trì WOB trong giới hạn tối ưu khoảng 20.000-25.000 lb.

  4. Bộ thiết bị AG-itator có tác dụng gì trong khoan định hướng?
    AG-itator tạo rung giúp giảm điểm kẹt tải trọng, tăng khả năng truyền tải trọng lên choòng, cải thiện hiệu quả khoan trong thân giếng có góc nghiêng lớn hoặc nằm ngang.

  5. Chi phí khoan được tối ưu như thế nào qua nghiên cứu này?
    Bằng cách lựa chọn choòng khoan và chế độ công nghệ phù hợp, vận tốc khoan tăng 15%, tuổi thọ choòng tăng, giảm thời gian dừng khoan và chi phí thay thế, từ đó giảm chi phí/mét khoan đáng kể.

Kết luận

  • Đặc điểm địa chất tầng đá móng mỏ Sư Tử Vàng với độ mài mòn cấp 5 gây nhiều thách thức cho công tác khoan.
  • Tỷ lệ hư hỏng choòng khoan 3 chóp xoay răng cắm cao, ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí khai thác.
  • Lựa chọn choòng khoan có thành phần hạt cắt tungsten carbide và áp dụng công nghệ dung dịch Vortex giúp nâng cao vận tốc khoan và tuổi thọ choòng.
  • Bộ thiết bị tạo rung AG-itator hiệu quả trong giảm điểm kẹt tải trọng khi khoan thân giếng góc nghiêng lớn.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp công nghệ khoan hợp lý nhằm tối ưu chi phí và nâng cao hiệu quả khai thác trong giai đoạn tiếp theo.

Khuyến nghị các đơn vị liên quan triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các chiến dịch khoan sắp tới để nâng cao hiệu quả khai thác mỏ Sư Tử Vàng và các khu vực tương tự.