Phân Tích Tensors Căng Thẳng Tại Chỗ và Ứng Dụng Trong Hoạt Động Dầu Khí

• Tác giả: Do Quang Khanh
• Người hướng dẫn: Professor Yang, Hyung-Sik
• Trường học: Chonnam National University
• Chuyên ngành: Energy and Resources Engineering
• Đề tài: Phân Tích Tensors Căng Thẳng Tại Chỗ và Ứng Dụng Trong Hoạt Động Dầu Khí
• Loại tài liệu: doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Gwangju

• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Project philosophy and purposes
• 1.2. Outline of thesis
• 2. CHAPTER 2: IN-SITU STRESS TENSOR AND ITS RELATING CONCEPTS
• 2.1. In-situ stress tensor
• 2.2. State of in-situ stress
• 2.3. Pore pressure and effective stress
• 2.4. Frictional limits to stress
• 2.5. Stresses and rock failure
• 3. CHAPTER 3: STRESS AND FAILURE ANALYSIS FOR WELLBORES
• 3.1. Stress and failure analysis for a vertical cylindrical wellbore
• 3.2. Stresses around a vertical cylindrical wellbore
• 3.3. Failure analysis for a vertical wellbore
• 3.4. Stress and failure analysis for an arbitrarily deviated wellbore
• 3.5. Stresses around an arbitrarily deviated wellbore
• 3.6. Failure analysis for an arbitrary deviated wellbore
• 4. CHAPTER 4: METHODS FOR DETERMINING IN-SITU STRESS
• 4.1. In-situ stress measurements in drilling boreholes
• 4.2. Hydraulic fracturing methods
• 4.3. Drilling induced tensile fractures methods
• 4.4. Earth focal mechanism (FMS)
• 4.5. New integrated method for determining ISS using petroleum exploration data
• 4.6. Determining the orientations of horizontal stresses
• 4.7. Determining the vertical stress
• 4.8. Determining the minimum horizontal stress magnitude
• 4.9. Constraining the maximum horizontal stress magnitude
• 4.10. Determining pore pressure
• 5. CHAPTER 5: MODEL DEVELOPMENT FOR FAILURE ANALYSIS OF WELLBORE (FAOWB)
• 5.1. Structures of the FAoWB software packages
• 5.2. Validation of the results of the packages FAOWB
• 5.3. Case 1: Cross-checking Barton’s study (1998) on compressive failure and breakout width analysis at the KTB wellbore, Germany
• 5.4. Case 2: Cross-checking Meyer’s study (2002) on the well stability at the Swan Lake field, South Australia
• 6. CHAPTER 6: CASE STUDIES AND IMPLICATIONS
• 6.1. Geological framework of the main studied area
• 6.2. The White Tiger (Bach Ho) field, Centre of the Cuu Long basin, Vietnam
• 6.3. Statement of problem
• 6.4. In-situ stress determination techniques
• 6.5. In-situ stress tensor at the White Tiger field
• 6.6. Summary of results
• 6.7. The X field, Northern of the Cuu Long basin, Vietnam
• 6.8. Statement of problem
• 6.9. In-situ stress determination techniques
• 6.10. In-situ stress tensor at the X field
• 6.11. Summary of results
• 7. CHAPTER 7: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• Reference
• Abstract in Korean
• Acknowledgements
• LIST OF FIGURES AND TABLES
• List of figures and tables
• Nomenclature of symbols
• Abstract

I. Tổng Quan Tensor Căng Thẳng Tại Chỗ Dầu Khí 55 ký tự

Kiến thức về tensor căng thẳng tại chỗ đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các bài toán khoa học và kỹ thuật trong địa chất, địa vật lý, khai thác mỏ và phát triển dầu khí. Việc xác định ứng suất địa chất bằng dữ liệu thăm dò dầu khí ngày càng tăng trên toàn thế giới. Phương pháp tích hợp mới để xác định tensor ứng suất bằng dữ liệu dầu khí được chấp nhận rộng rãi. Luận án này phát triển và ứng dụng phương pháp tích hợp mới này để xác định tensor căng thẳng tại chỗ. Phương pháp này liên quan đến nhiều khía cạnh, trong đó việc giới hạn liên quan đến độ lớn của ứng suất kiến tạo là một thách thức lớn. Nó cũng đòi hỏi sự tích hợp và sửa đổi nhiều kỹ thuật để nghiên cứu các vấn đề cụ thể bằng cách sử dụng các tập dữ liệu có sẵn. Theo Doctor Dissertation của Do Quang Khanh (2013), "Knowledge of the in-situ stress tensor has an importance for petroleum activities..." nhấn mạnh vai trò then chốt của ứng suất địa chất trong hoạt động dầu khí.

1.1. Vai Trò Của Tensor Căng Thẳng Trong Địa Cơ Học

Ứng dụng của tensor căng thẳng trải rộng trên nhiều lĩnh vực, bao gồm kiến tạo mảng, dự đoán động đất, ổn định công trình ngầm và khai thác tài nguyên. Hiểu biết về ứng suất địa chất giúp dự đoán và ngăn ngừa các sự cố như sập hầm, trượt lở, và nứt vỡ thủy lực. Bên cạnh đó, phân tích ứng suất cũng hỗ trợ việc tối ưu hóa quá trình khai thác dầu khí và lưu trữ khí đốt dưới lòng đất. Mô hình ứng suất đóng vai trò quan trọng trong dự đoán hiệu quả khai thác và tính an toàn của các giếng khoan dầu khí.

1.2. Tầm Quan Trọng Trong Hoạt Động Dầu Khí Hiện Đại

Sự gia tăng chất lượng và việc sử dụng các công cụ ghi ảnh giếng khoan, cùng với thông tin địa cơ học mà chúng mang lại, đã thúc đẩy sự quan tâm đến việc xác định tensor ứng suất. Ngày nay, các hiện tượng nứt vỡ do ứng suất (breakouts) và/hoặc nứt vỡ kéo do ứng suất (induced tensile fractures) từ các công cụ ghi ảnh giếng khoan được nhận diện và sử dụng để xác định căng thẳng tại chỗ. Ngoài ra, sự gia tăng của các giếng khoan nghiêng cung cấp cả kỹ thuật mới để giới hạn tensor ứng suất và nhu cầu ngày càng tăng đối với các giải pháp cho các vấn đề liên quan đến ứng suất địa chất, chẳng hạn như ổn định giếng khoan và kích thích nứt vỡ.

II. Thách Thức Đo Lường Ứng Suất Tại Chỗ Dầu Khí 58 ký tự

Việc xác định tensor căng thẳng tại chỗ trong hoạt động dầu khí đối mặt với nhiều thách thức. Các phương pháp đo lường trực tiếp như nứt vỡ thủy lực và overcoring có chi phí cao và giới hạn về độ sâu. Các phương pháp gián tiếp như phân tích breakouts và nứt vỡ kéo dựa vào giả định về tính đồng nhất và đẳng hướng của đá. Việc tích hợp các dữ liệu khác nhau (địa vật lý, địa cơ học, địa chất) để xây dựng mô hình ứng suất toàn diện cũng là một nhiệm vụ phức tạp. Theo luận án, "The constraining related to the magnitude of the maximum horizontal stress the most challenge." nhấn mạnh khó khăn trong xác định chính xác ứng suất kiến tạo.

2.1. Hạn Chế Của Các Phương Pháp Đo Ứng Suất Truyền Thống

Các phương pháp đo lường ứng suất địa chất truyền thống như nứt vỡ thủy lực (hydraulic fracturing) và overcoring có những hạn chế nhất định. Nứt vỡ thủy lực đòi hỏi phải tạo ra các vết nứt nhân tạo, có thể ảnh hưởng đến tính chất của đá. Overcoring chỉ đo được ứng suất trong một vùng nhỏ xung quanh giếng khoan. Cả hai phương pháp đều tốn kém và khó thực hiện ở độ sâu lớn.

2.2. Độ Tin Cậy Dữ Liệu Breakout và Tensile Fracture

Việc sử dụng dữ liệu breakout và drilling-induced tensile fractures (DITFs) để xác định hướng ứng suất phụ thuộc vào chất lượng của dữ liệu ghi ảnh giếng khoan. Các yếu tố như sự hiện diện của các vết nứt tự nhiên, sự thay đổi của lithology, và sự không đồng nhất của đá có thể gây khó khăn trong việc phân tích và diễn giải dữ liệu. Cần có các quy trình kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

2.3. Sai Số Trong Mô Hình Hóa Ứng Suất Địa Cơ Học

Việc xây dựng mô hình địa cơ học chính xác đòi hỏi phải có kiến thức chi tiết về các tính chất cơ học của đá, bao gồm độ bền, độ đàn hồi và độ thấm. Các thông số này thường được ước tính từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, có thể không phản ánh đầy đủ điều kiện ứng suất và nhiệt độ thực tế dưới lòng đất. Sai số trong ước tính các thông số địa cơ học có thể dẫn đến sai số trong mô hình hóa ứng suất.

III. Phương Pháp Xác Định Tensor Ứng Suất Tại Chỗ Tích Hợp 60 ký tự

Phương pháp xác định tensor ứng suất tích hợp kết hợp các kỹ thuật khác nhau để tận dụng tối đa dữ liệu có sẵn. Nó bao gồm phân tích hình ảnh giếng khoan, dữ liệu địa vật lý, dữ liệu áp suất vỉa, và dữ liệu nứt vỡ thủy lực. Phương pháp này cũng sử dụng các giải pháp số trị và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô hình hóa ứng suất xung quanh giếng khoan. Mục tiêu là xây dựng một mô hình địa cơ học đáng tin cậy, có thể dự đoán ứng suất và độ ổn định của giếng khoan. Luận án của Do Quang Khanh đã "formulate and apply the new integrated method for determining the tensor of based on new and existing techniques from available petroleum" nhằm cải thiện độ chính xác và tin cậy.

3.1. Phân Tích Hình Ảnh Giếng Khoan Breakout DITFs

Phân tích breakouts (vết nứt do nén ép) và drilling-induced tensile fractures (DITFs) (vết nứt do kéo) là một phương pháp quan trọng để xác định hướng ứng suất tối đa và tối thiểu. Breakouts hình thành theo hướng ứng suất tối thiểu, trong khi DITFs hình thành theo hướng ứng suất tối đa. Phân tích thống kê các hướng breakout và DITF có thể cung cấp thông tin về hướng ứng suất chủ đạo trong khu vực.

3.2. Sử Dụng Dữ Liệu Địa Vật Lý Density Log Sonic Log

Dữ liệu địa vật lý, chẳng hạn như density log (đo mật độ) và sonic log (đo vận tốc sóng âm), có thể được sử dụng để ước tính ứng suất thẳng đứng (overburden stress). Density log được sử dụng để tính toán trọng lượng của các lớp đá phía trên. Sonic log có thể được sử dụng để ước tính các tính chất cơ học của đá, chẳng hạn như mô đun Young và hệ số Poisson, cần thiết cho mô hình hóa ứng suất.

3.3. Tích Hợp Dữ Liệu Áp Suất Vỉa và Nứt Vỡ Thủy Lực

Dữ liệu áp suất vỉa (pore pressure) và nứt vỡ thủy lực (hydraulic fracturing) cung cấp thông tin quan trọng về độ lớn ứng suất tối thiểu. Áp suất vỉa làm giảm ứng suất hiệu dụng trên đá, trong khi áp suất cần thiết để tạo ra một vết nứt trong quá trình nứt vỡ thủy lực có thể được sử dụng để ước tính độ lớn ứng suất tối thiểu.

IV. Ứng Dụng Tensor Căng Thẳng Trong Thiết Kế Giếng Khoan 59 ký tự

Việc hiểu rõ tensor căng thẳng tại chỗ là rất quan trọng trong thiết kế giếng khoan an toàn và hiệu quả. Phân tích ứng suất giúp dự đoán nguy cơ mất ổn định giếng khoan (wellbore instability), bao gồm sập giếng (wellbore collapse) và nứt giếng (wellbore fracturing). Dựa trên mô hình ứng suất, các kỹ sư có thể chọn quỹ đạo giếng khoan tối ưu, điều chỉnh trọng lượng dung dịch khoan (mud weight) và áp dụng các biện pháp kiểm soát khác để giảm thiểu rủi ro. Theo luận án, "with advanced knowledge of the in-situ stress tensors ... we could choose the optimum drilling trajectories..." cho thấy tầm quan trọng của ứng dụng này.

4.1. Dự Đoán và Ngăn Ngừa Mất Ổn Định Giếng Khoan

Phân tích ổn định giếng khoan dựa trên tensor ứng suất giúp dự đoán các vùng có nguy cơ cao bị sập giếng hoặc nứt giếng. Bằng cách xác định các yếu tố như ứng suất tiếp tuyến tối đa và tối thiểu trên thành giếng khoan, các kỹ sư có thể đưa ra các biện pháp phòng ngừa để tăng cường độ ổn định của giếng.

4.2. Tối Ưu Hóa Quỹ Đạo Giếng Khoan Dựa Trên Ứng Suất

Quỹ đạo giếng khoan có thể được tối ưu hóa để giảm thiểu nguy cơ mất ổn định bằng cách điều chỉnh hướng giếng khoan so với hướng ứng suất chủ đạo. Ví dụ, giếng khoan được khoan theo hướng ứng suất tối thiểu có xu hướng ổn định hơn so với giếng khoan được khoan theo hướng ứng suất tối đa.

4.3. Điều Chỉnh Trọng Lượng Dung Dịch Khoan Mud Weight

Trọng lượng dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát ứng suất trên thành giếng khoan. Bằng cách điều chỉnh trọng lượng dung dịch khoan, các kỹ sư có thể tạo ra một áp suất ngược lại ứng suất trong đá, giúp ngăn ngừa sập giếng hoặc nứt giếng. Việc lựa chọn trọng lượng dung dịch khoan phù hợp đòi hỏi phải có kiến thức chính xác về tensor ứng suất và áp suất vỉa.

V. Nghiên Cứu Trường Hợp Ứng Dụng Tại Bể Cửu Long Việt Nam 57 ký tự

Luận án đã áp dụng phương pháp tích hợp để xác định tensor căng thẳng tại chỗ tại Bể Cửu Long, Việt Nam, cụ thể là tại móng Bạch Hổ và mỏ X. Kết quả cho thấy chế độ ứng suất tại đây là đứt gãy thuận (normal faulting) hoặc trượt bằng (strike-slip), với hướng ứng suất kiến tạo theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Sự thay đổi chế độ ứng suất và cường độ đá ảnh hưởng đến nguy cơ mất ổn định giếng khoan. Phân tích này giúp chọn quỹ đạo giếng khoan tối ưu và điều chỉnh trọng lượng dung dịch khoan. Theo luận án, các kết quả cho thấy "the stress regimes at basement reservoirs of the Cuu Long basin should be the normal faulting (NF) or the strike-slip (SS)"

5.1. Xác Định Hướng Ứng Suất và Chế Độ Đứt Gãy

Phân tích dữ liệu breakout và DITF tại móng Bạch Hổ và mỏ X cho thấy hướng ứng suất tối đa theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về kiến tạo khu vực. Chế độ đứt gãy được xác định là đứt gãy thuận hoặc trượt bằng, tùy thuộc vào độ sâu và vị trí địa lý.

5.2. Ảnh Hưởng Của Ứng Suất Đến Ổn Định Giếng Khoan

Các mô hình ứng suất được sử dụng để dự đoán nguy cơ sập giếng và nứt giếng tại các khu vực khác nhau của Bể Cửu Long. Kết quả cho thấy rằng các khu vực có ứng suất cao và cường độ đá thấp có nguy cơ mất ổn định cao hơn. Các biện pháp phòng ngừa, chẳng hạn như điều chỉnh quỹ đạo giếng khoan và trọng lượng dung dịch khoan, cần được thực hiện để giảm thiểu rủi ro.

5.3. Đánh Giá Khả Năng Áp Dụng Kỹ Thuật Khoan Underbalanced

Việc sử dụng kỹ thuật khoan underbalanced (khoan với áp suất dung dịch khoan thấp hơn áp suất vỉa) có thể mang lại nhiều lợi ích, chẳng hạn như tăng tốc độ khoan và giảm thiệt hại cho vỉa. Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng có thể làm tăng nguy cơ mất ổn định giếng khoan. Phân tích ứng suất có thể được sử dụng để đánh giá khả năng áp dụng kỹ thuật khoan underbalanced tại các khu vực khác nhau của Bể Cửu Long.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tensor Ứng Suất 55 ký tự

Việc xác định và ứng dụng tensor căng thẳng tại chỗ là rất quan trọng trong hoạt động dầu khí. Phương pháp tích hợp cung cấp một cách tiếp cận toàn diện để xây dựng mô hình địa cơ học đáng tin cậy. Các nghiên cứu trường hợp tại Bể Cửu Long chứng minh giá trị thực tiễn của phương pháp này trong thiết kế giếng khoan và quản lý rủi ro. Trong tương lai, việc phát triển các công nghệ đo lường ứng suất tiên tiến và các giải pháp số trị hiệu quả hơn sẽ tiếp tục cải thiện độ chính xác và hiệu quả của việc xác định tensor ứng suất. Theo luận án, "They facilitate the determination of the in-situ stress tensor using the observations of wellbore failures..." giúp tối ưu hóa hoạt động dầu khí.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Quan Trọng

Nghiên cứu đã phát triển và ứng dụng thành công phương pháp tích hợp để xác định tensor ứng suất tại Bể Cửu Long. Kết quả cho thấy rằng chế độ ứng suất tại đây là đứt gãy thuận hoặc trượt bằng, với hướng ứng suất kiến tạo theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Các mô hình ứng suất được sử dụng để dự đoán nguy cơ mất ổn định giếng khoan và đánh giá khả năng áp dụng kỹ thuật khoan underbalanced.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Ứng Suất Địa Chất

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc phát triển các công nghệ đo lường ứng suất tiên tiến hơn, chẳng hạn như sử dụng các cảm biến sợi quang. Cần có thêm các nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của mô hình hóa ứng suất bằng cách kết hợp các dữ liệu khác nhau và sử dụng các giải pháp số trị hiệu quả hơn. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các vết nứt tự nhiên và các yếu tố địa chất khác đến tensor ứng suất cũng là một lĩnh vực quan trọng.

6.3. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Trong Phân Tích Ứng Suất

Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu quả và độ chính xác của phân tích ứng suất. Các thuật toán AI có thể được sử dụng để tự động hóa quá trình phân tích hình ảnh giếng khoan, dự đoán các tính chất cơ học của đá và xây dựng các mô hình ứng suất phức tạp. Việc ứng dụng AI trong phân tích ứng suất sẽ giúp các kỹ sư đưa ra các quyết định sáng suốt hơn và giảm thiểu rủi ro trong hoạt động dầu khí.