Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực khai thác dầu khí, tốc độ khoan (Rate of Penetration - ROP) đóng vai trò then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí và hiệu quả thi công giếng khoan. Tại vùng Mỏ Mã X, Bể Nam Côn Sơn, việc khoan qua các tầng địa chất Mioxen hạ với điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao (HPHT) cùng khoảng cách hẹp giữa áp suất lỗ rỗng và áp suất vỡ vỉa đã tạo ra nhiều thách thức lớn cho các loại choòng khoan PDC truyền thống. Tốc độ khoan chậm, hiện tượng bó tròn choòng khoan (bit balling), tắc nghẽn vòi phun và rung lắc dây khoan là những vấn đề phổ biến, làm tăng thời gian và chi phí thi công.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và tối ưu choòng khoan PDC phù hợp với đặc tính địa chất phức tạp của tầng Mioxen hạ tại khu vực Mã X, nhằm nâng cao ROP, giảm rung lắc và cải thiện hiệu quả làm sạch giếng khoan. Nghiên cứu dựa trên phân tích mẫu lõi, thử nghiệm cơ lý (UCS), mô phỏng thủy lực và mô hình động lực học tích hợp IDEAS, với phạm vi khảo sát từ năm 2021 đến đầu năm 2022 tại khu vực Mã X, Bể Nam Côn Sơn.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện ROP trên 50% so với choòng khoan chuẩn, giảm thiểu hiện tượng bó tròn và tắc nghẽn, đồng thời tiết kiệm chi phí khoan khoảng 7,3 triệu USD. Kết quả này góp phần nâng cao hiệu quả khai thác, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và làm cơ sở cho việc áp dụng rộng rãi choòng khoan tối ưu trong các điều kiện địa chất tương tự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cơ học phá hủy đá và mô hình thủy lực dòng chảy trong giếng khoan. Lý thuyết cơ học phá hủy đá tập trung vào các chỉ số như độ bền nén đơn trục (UCS), áp suất lỗ rỗng, áp suất vỡ vỉa và các đặc tính cơ lý của tầng Mioxen hạ. Mô hình thủy lực CFD (Computational Fluid Dynamics) được sử dụng để phân tích dòng chảy dung dịch khoan qua các khe thoát, tối ưu thiết kế vòi phun nhằm giảm hiện tượng tắc nghẽn và tăng hiệu quả làm sạch giếng.

Ngoài ra, mô hình động lực học tích hợp IDEAS (Integrated Dynamic Engineering Analysis Software) được áp dụng để mô phỏng toàn bộ chuỗi thiết bị khoan (BHA), phân tích các thông số vận hành như mô men xoắn, lực kéo, rung lắc và tương tác giữa choòng khoan với thành vỉa. Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số thiết kế (Design index - Di), chỉ số hiệu suất làm việc (Performance index - Pi), góc nghiêng cánh cắt (back-rake angle), diện tích khe thoát (junk slot area), và hiện tượng bit balling.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mẫu lõi đá thu thập từ các giếng khoan trong tầng Mioxen hạ khu vực Mã X, các thông số vận hành thực tế từ các giàn khoan, và dữ liệu địa chất - địa vật lý liên quan. Cỡ mẫu lõi đá khoảng vài chục mẫu, được thử nghiệm cơ lý tại phòng thí nghiệm để xác định UCS, độ cứng, và các đặc tính cơ học khác.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thử nghiệm cơ lý mẫu lõi để xác định tính chất vật liệu.
  • Mô phỏng thủy lực CFD để tối ưu thiết kế vòi phun và khe thoát.
  • Mô hình động lực học IDEAS để phân tích tương tác choòng khoan và thành vỉa, dự báo rung lắc và lực kéo.
  • So sánh hiệu suất choòng khoan mới SDi419 với các loại choòng khoan truyền thống qua các chỉ số ROP, rung lắc, và độ mòn.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 1/2022, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích mẫu lõi, mô phỏng, thiết kế choòng khoan, thử nghiệm thực địa và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng tốc độ khoan (ROP) trên 50%: Choòng khoan SDi419 mới thiết kế đã đạt ROP trung bình tăng hơn 50% so với choòng khoan chuẩn trong cùng điều kiện địa chất Mioxen hạ. Ví dụ, trong một đoạn khoan dài khoảng 1.010m, ROP trung bình đạt 30,6-35,7 m/giờ, so với 14,7-14,8 m/giờ của choòng khoan truyền thống.

  2. Giảm rung lắc và hiện tượng bit balling: Mô phỏng và đo đạc thực tế cho thấy rung lắc dây khoan giảm từ 2-28% tùy vị trí, giúp giảm mài mòn thiết bị và tăng tuổi thọ choòng khoan. Thiết kế tối ưu góc back-rake và khe thoát giúp hạn chế hiện tượng bit balling, cải thiện khả năng làm sạch giếng.

  3. Cải thiện hiệu quả làm sạch giếng khoan: Việc bố trí vòi phun cong và tối ưu diện tích khe thoát giúp dòng dung dịch khoan lưu thông hiệu quả hơn, giảm tắc nghẽn vòi phun và hiện tượng đóng cặn. Mô hình CFD cho thấy áp lực phun và dòng chảy được phân bố đồng đều, tăng khả năng cuốn trôi mùn khoan.

  4. Tiết kiệm chi phí khoan khoảng 7,3 triệu USD: Nhờ tăng ROP và giảm sự cố kỹ thuật, chi phí khoan được tiết kiệm đáng kể, đồng thời giảm thời gian thi công và rủi ro phát sinh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do thiết kế choòng khoan SDi419 được tối ưu dựa trên phân tích mẫu lõi và mô phỏng thủy lực, giúp phù hợp với đặc tính cơ lý phức tạp của tầng Mioxen hạ. Việc điều chỉnh kích thước cánh cắt, góc nghiêng back-rake, và bố trí vòi phun đã giảm thiểu lực cản và hiện tượng tắc nghẽn, đồng thời tăng hiệu quả phá hủy đá.

So sánh với các nghiên cứu trước đây tại các mỏ có điều kiện HPHT tương tự, kết quả này cho thấy sự cần thiết của việc thiết kế choòng khoan chuyên biệt theo từng vùng địa chất để tối ưu hóa hiệu suất. Biểu đồ so sánh ROP giữa các loại choòng khoan và bảng thống kê rung lắc, lực kéo được trình bày chi tiết trong luận văn, minh họa rõ ràng sự vượt trội của SDi419.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu quả khoan mà còn góp phần giảm thiểu rủi ro kỹ thuật, bảo vệ thiết bị và môi trường, đồng thời tạo tiền đề cho việc áp dụng công nghệ mô phỏng tích hợp trong thiết kế choòng khoan.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi choòng khoan SDi419 tại các mỏ có điều kiện địa chất tương tự: Khuyến nghị các công ty khai thác dầu khí sử dụng choòng khoan SDi419 hoặc các thiết kế tương tự tại các khu vực có tầng Mioxen hạ với điều kiện HPHT để nâng cao hiệu quả khoan. Thời gian áp dụng ngay trong các chiến dịch khoan tiếp theo.

  2. Tăng cường thu thập và phân tích mẫu lõi đá trước khi thiết kế choòng khoan: Động tác này giúp hiểu rõ đặc tính cơ lý của tầng đá, từ đó thiết kế choòng khoan phù hợp, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm và đội ngũ kỹ thuật khoan, thực hiện trước mỗi chiến dịch khoan.

  3. Sử dụng mô hình CFD và phần mềm IDEAS trong thiết kế và vận hành choòng khoan: Việc mô phỏng dòng chảy và động lực học giúp tối ưu thiết kế vòi phun, khe thoát và dự báo rung lắc, lực kéo, từ đó điều chỉnh thông số vận hành phù hợp. Khuyến nghị các công ty đầu tư vào công nghệ mô phỏng và đào tạo nhân sự.

  4. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư khoan về các yếu tố ảnh hưởng đến ROP và hiện tượng bit balling: Nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành giúp phát hiện sớm các vấn đề và điều chỉnh kịp thời, giảm thiểu sự cố. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do các đơn vị đào tạo chuyên ngành thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư khoan và vận hành giếng khoan: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế choòng khoan PDC phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp, giúp họ lựa chọn và vận hành thiết bị hiệu quả hơn.

  2. Nhà quản lý dự án và chi phí khai thác dầu khí: Thông tin về tiết kiệm chi phí và tăng hiệu suất khoan giúp họ lập kế hoạch và quản lý dự án chính xác, giảm thiểu rủi ro tài chính.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ khoan: Luận văn trình bày phương pháp mô phỏng tích hợp và thiết kế tối ưu, là tài liệu tham khảo quý giá cho việc phát triển công nghệ mới.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật dầu khí: Cung cấp kiến thức thực tiễn và phương pháp nghiên cứu khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tốc độ khoan (ROP) lại quan trọng trong khai thác dầu khí?
    ROP ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian và chi phí khoan. Tăng ROP giúp rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả khai thác.

  2. Điều gì làm cho việc khoan tại tầng Mioxen hạ ở Mã X trở nên khó khăn?
    Đặc điểm địa chất phức tạp với áp suất cao, nhiệt độ cao, khoảng cách hẹp giữa áp suất lỗ rỗng và áp suất vỡ vỉa, cùng thành phần đá có tính dẻo và xen kẽ nhiều lớp làm tăng độ khó cho việc khoan.

  3. Làm thế nào mô hình CFD giúp cải thiện thiết kế choòng khoan?
    CFD mô phỏng dòng chảy dung dịch khoan qua các khe thoát và vòi phun, giúp tối ưu bố trí vòi phun, giảm tắc nghẽn và tăng hiệu quả làm sạch giếng khoan.

  4. Phần mềm IDEAS có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    IDEAS mô phỏng động lực học toàn bộ chuỗi thiết bị khoan, phân tích rung lắc, lực kéo và tương tác với thành vỉa, giúp thiết kế choòng khoan phù hợp và dự báo hiệu suất vận hành.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Có, đặc biệt là các khu vực có điều kiện địa chất tương tự như HPHT, tầng đá phức tạp và áp suất vỉa cao. Tuy nhiên cần điều chỉnh thiết kế dựa trên đặc tính địa chất cụ thể từng vùng.

Kết luận

  • Thiết kế choòng khoan PDC SDi419 dựa trên phân tích mẫu lõi và mô phỏng thủy lực đã nâng cao ROP trên 50% tại tầng Mioxen hạ khu vực Mã X.
  • Giảm rung lắc và hiện tượng bit balling giúp tăng tuổi thọ thiết bị và hiệu quả khoan.
  • Mô hình CFD và phần mềm IDEAS là công cụ hiệu quả trong tối ưu thiết kế và vận hành choòng khoan.
  • Tiết kiệm chi phí khoan khoảng 7,3 triệu USD, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác dầu khí.
  • Khuyến nghị áp dụng rộng rãi thiết kế này và tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các điều kiện địa chất tương tự.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng choòng khoan SDi419 trong các chiến dịch khoan thực tế, đồng thời đào tạo nhân sự và nâng cấp công nghệ mô phỏng để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất khoan. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và doanh nghiệp vui lòng liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.