Tổng quan nghiên cứu
Trong ngành kỹ thuật dầu khí, việc lựa chọn tỷ trọng dung dịch khoan hợp lý đóng vai trò then chốt trong thiết kế và thi công giếng khoan, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định thành giếng, hiệu quả khoan và chi phí vận hành. Theo báo cáo của ngành, các phức tạp về mất ổn định thành giếng chiếm tới 44% thời gian phi sản xuất trong công đoạn khoan 8.5” qua địa tầng Zubair, với chiều dày trung bình khoảng 350m. Tại khu vực Nam Côn Sơn, các giếng khoan có góc nghiêng lớn gặp nhiều sự cố như bó hẹp thành, sập lở, kẹt thiết bị, làm tăng chi phí và thời gian thi công. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình địa cơ (Geomechanical Model) để lựa chọn tỷ trọng dung dịch khoan tối ưu cho giếng khoan TN-X thuộc Lô 12/11, nhằm nâng cao độ ổn định thành giếng, giảm thiểu sự cố và tối ưu chi phí. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi khu vực Nam Côn Sơn, với dữ liệu thu thập từ các giếng khoan lân cận và giếng TN-X trong giai đoạn 2019-2020. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc hệ thống hóa cơ sở lý thuyết, ứng dụng mô hình địa cơ để tính toán tỷ trọng dung dịch phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả thi công và bảo vệ chất lượng vỉa chứa dầu khí.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết ứng suất tại chỗ và tiêu chuẩn phá hủy đất đá. Mô hình địa cơ xây dựng dựa trên ba thành phần ứng suất chính gồm ứng suất đứng (Sv), ứng suất ngang lớn nhất (SH) và ứng suất ngang nhỏ nhất (Sh), cùng với áp suất lỗ rỗng (Pp). Các tiêu chuẩn phá hủy được áp dụng gồm Mohr-Coulomb, Mogi-Coulomb và Lade cải tiến để đánh giá độ ổn định thành giếng. Ba khái niệm trọng tâm bao gồm: cửa sổ dung dịch khoan (mud weight window), độ ổn định thành giếng (wellbore stability), và ảnh hưởng của quỹ đạo giếng khoan đến ứng suất tập trung trên thành giếng. Ngoài ra, các thông số cơ lý như độ bền nén đơn trục (UCS), góc nội ma sát (φ), Young’s modulus và Poisson’s ratio cũng được sử dụng để mô phỏng tính chất đất đá.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa vật lý từ các giếng khoan lân cận, dữ liệu hình ảnh thành giếng, kết quả thử nghiệm mẫu lõi trong phòng thí nghiệm, và các phép thử vỉa như LOT, mini-frac. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 7 giếng khoan trong khu vực Nam Côn Sơn, trong đó có các giếng có góc nghiêng lớn và giếng TN-X với đa thân khoan. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các giếng có phức tạp về ổn định thành giếng. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng cách xây dựng mô hình địa cơ 1-D, sử dụng phần mềm Excel để tính toán tỷ trọng dung dịch tối thiểu và phần mềm WellCheck để kiểm tra độ ổn định thành giếng theo tiêu chuẩn Mohr-Coulomb và Lade. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2019 đến tháng 6/2020, bao gồm các bước tổng hợp lý thuyết, xây dựng mô hình, tính toán và đề xuất giải pháp.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Tỷ trọng dung dịch khoan hiện tại chưa tối ưu: Tại LD Việt – Nga Vietsovpetro, tỷ trọng dung dịch được lựa chọn chủ yếu dựa trên kinh nghiệm thi công các giếng lân cận, không tính đến chế độ ứng suất tại chỗ và tính chất cơ lý của đất đá. Kết quả mô hình địa cơ cho thấy tỷ trọng dung dịch hiện tại không đủ để duy trì độ ổn định thành giếng, đặc biệt với các giếng có góc nghiêng lớn, dẫn đến hiện tượng bó hẹp thành và sập lở.
Ảnh hưởng của quỹ đạo giếng đến độ ổn định: Phân tích cho thấy tỷ trọng dung dịch tối thiểu biến thiên theo góc nghiêng và góc phương vị của thân giếng. Ví dụ, giếng W-3 với góc nghiêng lên tới 82° gặp nhiều sự cố mất ổn định, trong khi giếng có góc nghiêng nhỏ hơn 40° ít gặp phức tạp. Tỷ trọng dung dịch cần thiết để ngăn chặn sập lở thành giếng có thể tăng lên đến 13.6 ppg trong trường hợp giếng vươn xa, cao hơn nhiều so với tỷ trọng thiết kế ban đầu.
Cửa sổ dung dịch khoan hẹp: Mô hình địa cơ cho thấy cửa sổ dung dịch khoan an toàn tại khu vực Nam Côn Sơn rất hẹp, đặc biệt khi tính đến sự phá hủy theo thế nằm của các tập đất đá yếu. Việc sử dụng tỷ trọng dung dịch quá cao có thể gây mất dung dịch và nhiễm bẩn vỉa, trong khi tỷ trọng thấp gây sập lở thành giếng.
Độ tin cậy của mô hình địa cơ: Việc sử dụng phần mềm WellCheck cùng với dữ liệu thực tế giúp kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình, nâng cao độ chính xác trong dự báo tỷ trọng dung dịch tối ưu. Phân tích độ nhạy cho thấy các thông số như góc nghiêng, góc phương vị và tính chất cơ lý đất đá ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của các sự cố mất ổn định thành giếng là do lựa chọn tỷ trọng dung dịch chưa phù hợp với điều kiện ứng suất tại chỗ và đặc tính cơ lý của đất đá. So với các nghiên cứu trên thế giới, việc áp dụng mô hình địa cơ giúp dự báo chính xác hơn các giới hạn an toàn, từ đó giảm thiểu các sự cố khoan. Kết quả nghiên cứu cũng khẳng định tầm quan trọng của việc tính đến quỹ đạo giếng trong thiết kế tỷ trọng dung dịch, đặc biệt với các giếng khoan vươn xa hoặc có góc nghiêng lớn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cửa sổ dung dịch biến thiên theo góc nghiêng và phương vị, cùng bảng so sánh tỷ trọng dung dịch thực tế và dự báo, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và hiệu quả của mô hình.
Đề xuất và khuyến nghị
Áp dụng mô hình địa cơ trong thiết kế tỷ trọng dung dịch: Các đơn vị khoan nên tích hợp kết quả mô hình địa cơ vào quy trình thiết kế tỷ trọng dung dịch để đảm bảo độ ổn định thành giếng, giảm thiểu sự cố khoan. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án khoan tiếp theo tại khu vực Nam Côn Sơn.
Tối ưu hóa quỹ đạo giếng khoan: Điều chỉnh quỹ đạo giếng khoan sao cho góc nghiêng và góc phương vị phù hợp với đặc tính ứng suất tại chỗ, nhằm mở rộng cửa sổ dung dịch khoan an toàn. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế giếng và chuyên gia địa cơ.
Sử dụng phần mềm kiểm tra độ ổn định WellCheck: Đưa phần mềm WellCheck vào sử dụng thường xuyên để đánh giá và hiệu chỉnh mô hình địa cơ, nâng cao độ tin cậy trong dự báo tỷ trọng dung dịch. Thời gian triển khai trong vòng 6 tháng tới.
Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo về mô hình địa cơ và ứng dụng trong khoan giếng cho cán bộ kỹ thuật và quản lý dự án, nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng áp dụng khoa học công nghệ mới.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Kỹ sư khoan và thiết kế giếng: Giúp hiểu rõ cơ sở khoa học trong lựa chọn tỷ trọng dung dịch, tối ưu quỹ đạo giếng, giảm thiểu sự cố khoan.
Chuyên gia địa cơ và địa chất: Cung cấp phương pháp xây dựng và hiệu chỉnh mô hình địa cơ, đánh giá độ ổn định thành giếng dựa trên dữ liệu thực tế.
Quản lý dự án dầu khí: Hỗ trợ ra quyết định về chiến lược khoan, phân bổ nguồn lực và kiểm soát chi phí dựa trên phân tích khoa học.
Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật dầu khí: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình địa cơ trong thực tiễn khoan giếng, kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
Câu hỏi thường gặp
Mô hình địa cơ là gì và tại sao quan trọng trong khoan giếng?
Mô hình địa cơ là mô hình mô phỏng ứng suất và tính chất cơ lý của đất đá tại khu vực khoan, giúp dự báo độ ổn định thành giếng. Nó quan trọng vì giúp lựa chọn tỷ trọng dung dịch phù hợp, giảm thiểu sự cố khoan như sập lở, mất dung dịch.Tỷ trọng dung dịch ảnh hưởng thế nào đến quá trình khoan?
Tỷ trọng dung dịch quá thấp gây sập lở thành giếng, quá cao gây mất dung dịch và nhiễm bẩn vỉa. Lựa chọn tỷ trọng hợp lý giúp duy trì áp suất cân bằng, bảo vệ thành giếng và vỉa chứa.Phần mềm WellCheck có vai trò gì trong nghiên cứu?
WellCheck dùng để kiểm tra độ ổn định thành giếng dựa trên mô hình địa cơ và tiêu chuẩn phá hủy, giúp đánh giá chính xác cửa sổ dung dịch khoan và đề xuất tỷ trọng tối ưu.Làm thế nào để tối ưu quỹ đạo giếng khoan dựa trên mô hình địa cơ?
Bằng cách phân tích ứng suất tại chỗ và tính chất đất đá, điều chỉnh góc nghiêng và phương vị giếng để giảm ứng suất tập trung, mở rộng cửa sổ dung dịch và giảm rủi ro mất ổn định thành giếng.Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
Có, phương pháp xây dựng và ứng dụng mô hình địa cơ có thể được điều chỉnh phù hợp với đặc điểm địa chất từng khu vực, giúp nâng cao hiệu quả khoan và khai thác.
Kết luận
- Ứng dụng mô hình địa cơ giúp lựa chọn tỷ trọng dung dịch khoan tối ưu, giảm thiểu sự cố mất ổn định thành giếng.
- Tỷ trọng dung dịch cần được điều chỉnh theo quỹ đạo giếng, đặc biệt với giếng có góc nghiêng lớn.
- Phần mềm WellCheck là công cụ hiệu quả để kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình địa cơ trong thực tế.
- Việc tối ưu quỹ đạo giếng khoan góp phần mở rộng cửa sổ dung dịch, nâng cao hiệu quả thi công và bảo vệ vỉa chứa.
- Đề xuất triển khai áp dụng mô hình địa cơ và đào tạo chuyên môn nhằm nâng cao năng lực kỹ thuật trong ngành khoan dầu khí.
Hành động tiếp theo là áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án khoan tiếp theo tại Nam Côn Sơn và mở rộng nghiên cứu cho các khu vực khác nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong thi công giếng khoan.