Tải bản đầy đủ

DỰ báo KHẢ NĂNG SINH cát THEO độ sâu và ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH cát CHO GIẾNG x mỏ y

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ
BỘ MÔN KHOAN VÀ KHAI THÁC DẦU KHÍ
----------o0o----------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DỰ BÁO KHẢ NĂNG SINH CÁT THEO ĐỘ SÂU
VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH CÁT CHO
GIẾNG X MỎ Y
CBHD: TS. TẠ QUỐC DŨNG
SVTH:

PHAN DƯƠNG PHƯƠNG

MSSV:

31002539

Tp. Hồ Chí Minh 12/2014



LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, nơi con được sinh ra,
dưỡng dục trong vòng tay yêu thương ấm áp. Gia đình luôn là điểm tựa vững chắc và là
nguồn động viên lớn lao cho con vượt qua mọi khó khăn trong cuộc sống.
Quãng đời sinh viên gắn bó dưới mái trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG TPHCM,
đặc biệt là dưới mái nhà Khoa Kỹ thuật Địa Chất và Dầu Khí là một trong những khoảng
thời gian đẹp nhất mà em không thể quên. Ở đây, em không chỉ tiếp thu được những
kiến thức quý báu mà còn được Thầy Cô chỉ bảo cho những kinh nghiệm, kỹ năng cần
thiết mà một kỹ sư dầu khí cần phải có, tất cả đều là hành trang vô giá giúp cho em vững
bước trong tương lai sau này.
Giờ đây khi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp và chuẩn bị bước sang một trang
mới trong cuộc đời, em muốn bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả
các thầy cô đã dìu dắt, dạy dỗ, giúp em có được như ngày hôm nay. Luận văn của em
không thể hoàn thành nếu không có sự dìu dắt tận tình của thầy hướng dẫn. Em xin chân
thành cảm ơn thầy TẠ QUỐC DŨNG, dù rất bận với công việc nhưng thầy cũng đã
dành thời gian quý báu để hướng dẫn sinh viên chu đáo. Đã có những lúc em gặp khó
khăn nhưng thầy đã tận tình chỉ bảo, cung cấp tài liệu, định hướng giải quyết vấn đề.
Em muốn bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy chủ nhiệm PHÙNG ĐẠI KHÁNH đã đồng
hành cùng chúng em trong những năm qua, người đã luôn luôn lắng nghe, chia sẽ những
niềm vui nỗi buồn đối với sinh viên chúng em.
Bên cạnh đó, một nhân tố luôn luôn ở bên cạnh, thúc giục và động viên em những
lúc khó khăn nhất, mình xin cảm ơn các bạn trong lớp đã động viên và hỗ trợ mình trong
suốt thời gian qua.
Nhân đây, em xin kính chúc sức khỏe và thành công đến thầy TS.Tạ Quốc Dũng
và các thầy cô trong Khoa kỹ thuật Địa Chất và Dầu Khí.
Thành phố Hồ Chí Minh ngày 18/12/2014
Sinh viên thực hiện
Phan Dương Phương

i


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
− Như chúng ta đã biết dầu, khí chứa trong đá trầm tích và trong đá móng nứt nẻ.
Nhưng đối với thế giới nói chung thì nó chủ yếu chứa trong đá trầm tích. Khi đó, vấn đề


sinh cát là nan giải nhất. Nó gây xâm thực bào mòn rất nhanh các thiết bị khai thác lòng
giếng cũng như thiết bị bề mặt đồng thời cũng gây thiệt hại to lớn cho nhà đầu tư. Tuy
nhiên không phải vỉa trầm tích nào cũng cứ bắt đầu khai thác là sinh cát mà tuỳ theo
mức độ cố kết của thành hệ và các yếu tố của vỉa như áp suất, nhiệt độ, chế độ dòng
chảy…sẽ tác động trực tiếp đến quá trình sinh cát.
− Chính vì thế ngay từ đầu nếu tập trung vào nghiên cứu sẽ đánh giá được các đặc
tính của vỉa rồi quyết định phương thức hoàn thiện giếng và cách thức khai thác sẽ mang
lại hiệu quả cao sau này. Với những lý do trên, nhận thấy việc phát triển đề tài: “Dự báo
khả năng sinh cát theo độ sâu và đánh giá khả năng sinh cát cho giếng X mỏ Y” là
cần thiết.
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của Luận Văn
− Mục đích của đề tài này là dự báo khả năng sinh cát theo độ sâu của giếng X1
mỏ ST và, xác định được độ sâu nào không nên bắn mở vỉa. Tính toán khả năng sinh cát
sau khi thực hiện bắn mở vỉa và khai thác khảo sát sự ảnh hưởng của góc lệch của giếng
lên khả năng sinh cát.
− Đối tượng là tính định lượng độ giảm áp tới hạn từ các thông số của vỉa kết hợp
với độ giảm áp thực lấy từ dữ liệu thử vỉa để đồ thị hoá các số liệu từ giếng đặc trưng.
Sau đó so sánh với tiêu chuẩn tính toán được rồi đi đến kết luận độ sâu nào có khả năng
sinh cát.
− Phạm vi nghiên cứu là các vỉa dầu trong đá trầm tích

ii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Nội dung nghiên cứu
Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các nội dung sau:


Tổng quan cơ sở lý thuyết sinh cát. Những tham số này gồm có lực liên kết của

đất đá, hệ số poison, ứng suất quá trình khai thác dầu khí để tìm ra các thông số cơ sở
cần thiết thu thập cho quá trình đánh giá hiệu dụng tác dụng lên đất đá.


Nghiên cứu độ giảm áp tác động lên quá trình sinh cát, tìm ra độ giảm áp tới

hạn để so sánh đối chiếu có nên khống chế cát hay không, hay là khai thác với chế độ
khác.


Các phương pháp khống chế cát được áp dụng hiện nay.



Tính toán đường cong tích luỹ TWC để xác định ứng suất giới hạn theo tiêu

chuẩn P10 để xác định những độ sâu có khả năng sinh cát.
Phương pháp nghiên cứu
 Hệ thống hoá nền tảng lí thuyết
 Dựa vào các công thức thực nghiệm để tính độ giảm áp tới hạn sinh cát
 Dựa vào các kết quả thực nghiệm từ mẫu lỗi và thử giếng chúng ta tiến hành
phân tích để sử dụng cho quá trình đánh giá.
Cấu trúc Luận Văn
Chương 1: Tổng quan về cơ chế sinh cát.
Nội dung chương đầu tiên sẽ giới thiệu một cách tổng quát, cơ bản và đầy đủ về
lí thuyết nhiễm bẩn thành hệ, hiện tượng sinh cát, các khái niệm, quá trình sinh cát cũng
như những ảnh hưởng của việc sinh cát đến quá trình khai thác.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về tính chất cơ học của thành hệ.
Trình bày cơ sở lý thuyết và các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng sinh cát, nghiên
cứu các dạng ứng suất cũng như các thuộc tính quan trọng khác của thành hệ, liên quan
đến độ bền cơ học và các cơ chế phá hủy. Sau đó sẽ trình bày các phương pháp kiểm
soát cát được ứng dụng hiện nay.
Chương 3: Dự báo khả năng sinh cát theo độ sâu và đánh giá khả năng sinh cát.
iii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Tìm hiểu các đặc điểm về địa chất của mỏ X, dựa vào các nguồn dữ liệu thu
được được từ các giếng tìm kiếm, thăm dò. Tiến hành đánh giá và xây đựng đồ thị phá
hủy thành hệ áp dụng cho các kiểu hoàn thiện khác nhau. Dựa vào đồ thị phá hủy này,
ta sẽ biết được tại thời điểm và điều kiện như thế nào thành hệ sẽ bị phá hủy và cát có
nguy cơ xâm nhập vào giếng. Từ việc xây dựng đồ thị phá hủy ta sẽ đề xuất phương
pháp hoàn thiện phù hợp cho giếng khai thác của mỏ khí X với các đặc điểm địa chất
được tổng hợp từ các giếng thăm dò trước đó.
Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị trình bày những vấn đề chính rút ra từ
việc thực hiện đề tài, kết luận về những kết quả thu được cũng như việc áp dụng thực
tế vào các giếng. Qua đó kiến nghị, đề xuất các phương pháp hoàn thiện tốt hơn, hiệu
quả hơn nhằm tăng cường sản lượng và khống chế được khả năng sinh cát của giếng.
Tình hình nghiên cứu


Rev. 2 / June 1995. Completion Technology for Unconsolidated Formations.

Sách đề cập khá rõ về nguyên nhân, hậu quả và những phương pháp khắc phục hiện
tượng sinh cát điển hình đó là phương pháp lèn sỏi và ống lọc (Gravel Park) và phương
pháp nứt vỉa thủy lực kết hợp chèn sỏi (Frack Park).


N.Safiin et al, “Development of small field in Malaysia using cost-efective open

hole sandface complete technologies”, SPE paper 144217. Mô tả vỉa dầu chưa cố kết ở
Malaysia kết hợp giữa lắp đặt lưới lọc Muti-layer Stand Alone Sreen và thiết bị kiểm
soát dòng vào (inflow control devices) để tăng hiệu quả khống chế cát.


TS. Tạ Quốc Dũng, “Nghiên cứu điều kiện sinh cát và thiết lập chương trình mô

phỏng xuất hiện cát trong các giếng khoan khai thác dầu tầng Mioxen thềm lục địa VN”,
báo cáo nghiên cứu khoa học năm 2008. Bài báo này, nêu lên cơ sở lý thuyết và nguyên
nhân quá trình sinh cát, đưa ra mô hình dự đoán sinh cát, phân tích nguyên nhân sinh
cát và đề xuất các phương pháp khống chế cát cho mỏ RUBY.


Phạm Hữu Tài, “Khống chế cát bằng ống lọc trong khai thác dầu khí”, luận văn

tốt nghiệp (LVTN) năm 2006. Trong LVTN này đã giải quyết được các vấn đề như: các
tiêu chí lựa chọn ống lọc và quy trình tính toán các thông số ống lọc bao gồm kích thước
lỗ mở trên lưới lọc (screen), độ thấm, tổn thất áp suất qua lưới lọc, độ bền của lưới lọc.
Tổng quan về Expendable Sandscreen.
iv


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


Trịnh Bá Lợi, “Mô hình tính áp suất sinh cát cho các giếng khai thác dầu khí và

ứng dụng trong công tác quản lý mỏ”, LVTN năm 2007. Nêu lên khái niệm cơ bản hiện
tượng sinh cát, xây dựng một mô hình tính toán áp suất sinh cát cho giếng, đặc điểm
tính chất của đá, vai trò quan trọng của công tác dự đoán nguy cơ sinh cát trong quá
trình khai thác dầu khí và xây dựng mô hình tính toán áp suất sinh cát
Ý nghĩa thực tiễn
Việc dự đoán được khả năng thành hệ bị phá hủy sẽ mở ra con đường thành công
trong việc kiểm soát giếng. Từ cơ sở này, các công ty có thể đưa ra các thiết kế HTG tối
ưu nhất để nâng cao tính thương mại cho giếng. Đồng thời có thể mở rộng phạm vi
nghiên cứu giúp tăng cường độ bền thành hệ, phục vụ cho các công việc khác.

v


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC:
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ii
Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................. ii
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của Luận Văn ....................................... ii
Nội dung nghiên cứu .................................................................................................. iii
Phương pháp nghiên cứu............................................................................................ iii
Cấu trúc Luận Văn ..................................................................................................... iii
Tình hình nghiên cứu ..................................................................................................iv
Ý nghĩa thực tiễn ..........................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SINH CÁT ................................... 1
1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu .......................................................................1
1.2 Hiện tượng sinh cát ................................................................................................ 2
1.3 Nguyên nhân của hiện tượng sinh cát [1] .............................................................. 2
1.3.1 Sự cố kết của thành hệ .....................................................................................2
1.3.2 Vật liệu xi măng gắn kết ..................................................................................4
1.3.3 Sự suy giảm áp suất lỗ rỗng .............................................................................4
1.3.4 Lưu lượng khai thác ......................................................................................... 5
1.3.5 Độ nhớt của dòng chất lưu ...............................................................................5
1.3.6 Góc ma sát trong và sự tập trung ứng suất ......................................................5
1.3.7 Mật độ và hình dạng lỗ mở vỉa ........................................................................6
1.3.8 Sự xâm nhập của nước .....................................................................................8
1.4 Quá trình sinh cát của thành hệ [1] ........................................................................9
1.5 Ảnh hưởng của hiện tượng sinh cát đến quá trình khai thác [1] .......................... 11
1.5.1 Sự tích tụ cát trên bề mặt ...............................................................................12
1.5.2 Sự tích tụ cát dưới đáy giếng .........................................................................12
1.5.3 Sự bào mòn các thiết bị ở đáy giếng và trên bề mặt ......................................13

vi


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA THÀNH HỆ
....................................................................................................................................... 15
2.1 Lý thuyết về tính chất cơ học của thành hệ ......................................................... 15
2.1.1

Ứng suất ....................................................................................................15

2.1.2

Biến dạng...................................................................................................16

2.1.3

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ......................................................... 16

2.2 Hiện tượng phá hủy đá [1]...................................................................................17
2.2.1

Cường độ kháng nén .................................................................................18

2.2.2

Cường độ kháng cắt ..................................................................................18

2.2.3

Cường độ kháng kéo .................................................................................18

2.3 Trạng thái ứng suất của thành hệ [1] ...................................................................19
2.3.1

Ứng suất thẳng đứng σv .............................................................................19

2.3.2

Ứng suất ngang nhỏ nhất σh ......................................................................20

2.3.3

Ứng suất ngang lớn nhất σH ......................................................................22

2.3.4

Ứng suất hiệu dụng. ..................................................................................24

2.3.5

Ứng suất xung quanh thành giếng khoan. .................................................24

2.4 Mô hình phân bố ứng suất và áp suất xung quanh giếng khoan [1]....................24
2.5 Các thí nghiệm xác định giá trị ứng suất ............................................................. 27
2.5.1

Thí nghiệm UCS [2] ..................................................................................27

2.5.2

Thí nghiệm mẫu trục thành dày (Thick Wall Cylinder test) [2] ...............28

2.6 Các phương pháp kiểm soát cát [1] .....................................................................30
2.6.1

Bắn mở vỉa tầng sản phẩm ........................................................................30

2.6.2

Phương pháp kiểm soát côn (Choke – size) ..............................................32

2.6.3

Phương pháp hoá học ................................................................................33

2.6.4

Phương pháp sử dụng ống lọc [1] ............................................................. 34

2.6.5

Phương pháp lèn sỏi ..................................................................................38

2.6.6

Phương pháp lèn sỏi - ống lọc (gravel park) [1] .......................................41

2.6.7

Phương pháp nứt vỉa kết hợp chèn sỏi (Frac – Pack) ............................... 45

2.6.8

Phương pháp sử dụng thiết bị DESANDER .............................................46

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH CÁT VÀ DỰ BÁO KHẢ NĂNG
SINH CÁT THEO ĐỘ SÂU ....................................................................................... 48
vii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

3.1 Đặc điểm địa lý – địa chất mỏ X .........................................................................48
3.1.1

Đặc điểm địa lí .......................................................................................... 48

3.1.2

Đăc điểm cấu trúc và địa chất mỏ X ......................................................... 49

3.2 Xác định đồ thị Log UCS-TWC dọc độ sâu tập E ..............................................54
3.3 Mô hình tính toán áp suất sinh cát.......................................................................58
3.4 Thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu ........................................................................62
3.5 Phân tích độ nhạy ................................................................................................ 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: ................................................................................... 65
1. Kết luận : .............................................................................................................65
2. Kiến nghị : ...........................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 67
PHỤ LỤC A ................................................................................................................. 68
 Thí nghiệm leak off test [3] .............................................................................68
 Thí nghiệm extended leak off test....................................................................69
 Thí nghiệm mini fracture .................................................................................70
PHỤ LỤC B: ................................................................................................................ 72
B.1 Chứng minh công thức (3.10) .............................................................................72
B.2 Thành lập công thức tính áp suất đáy giếng tới hạn cho trường hợp giếng
nghiêng theo tiêu chuẩn phá hủy vòng tròn Mohr ..................................................... 73

viii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Xu hướng điển hình của sự xâm nhập cát vào giếng [1] ..................................4
Hình 1.2 Xác định góc ma sát trong theo phương trình ứng suất cắt và đường tròn
Morh [1] ........................................................................................................................... 6
Hình 1.3 Phân bố đạn kiểu Spiral [1] ..............................................................................7
Hình 1.4 Ảnh hưởng của kiểu bắn mở vỉa đến hiện tượng sinh cát [1] .......................... 7
Hình 1.5 Cung cát sau khi bắn mở vỉa [1] .......................................................................8
Hình 1.6 Tóm lược quá trình sinh cát [1] ......................................................................10
Hình 1.7 Đặc tính phá huỷ của cát thành hệ chưa cố kết và đã cố kết [1] ....................11
Hình 1.8 Đường ống bị bít nhét và các thiết bị khai thác bị hư hại [1] ......................... 11
Hình 1.9 Cát trong bình tách [1] ....................................................................................13
Hình 1.10 Ống lọc bị phá hủy bởi cát [1] ......................................................................14
Hình 2.1 Các thành phần ứng suất [1] ...........................................................................15
Hình 2.2 Hai loại biến dạng [1] ..................................................................................... 16
Hình 2.3 Tiêu chuẩn phá huỷ Mohr-Coulumb đối với vật liệu cứng, dòn [1] ..............17
Hình 2.4 Các ứng suất chính trên một phân tố [1] ........................................................ 19
Hình 2.5 Khối lượng riêng theo độ sâu thẳng đứng [2] ................................................20
Hình 2.6 Vòng tròn Mohr chạm vào đường bao phá hủy [3] ........................................23
Hình 2.7 Ứng suất hiệu dụng trong đá [1] .....................................................................24
Hình 2.8 Biểu diễn các trạng thái ứng suất quanh hố khoan thành không thấm [1] .....26
Hình 2.9 Sơ đồ mẫu của thí nghiệm UCS [2]................................................................ 27
Hình 2.10 Mẫu thí nghiệm TWC điển hình [2] ............................................................. 28
Hình 2.11 Thiết bị thí nghiệm TWC [2] ........................................................................29
Hình 2.12 Ví dụ về điểm phá hủy bên trong và bên ngoài TWC [2] ............................ 30
Hình 2.13 Quy trình ắn mở vỉa [1] ................................................................................32
Hình 2.14 Ống lọc Expandable Sand Screen (đã giãn nở) [1] ......................................35
Hình 2.15 Sơ lược quá trình lèn sỏi [1] .........................................................................38
Hình 2.16 Phương pháp lèn sỏi trong ở giếng có ống chống [1] ..................................39
Hình 2.17 Phương pháp lèn sỏi ngoài trong giếng thân trần [1] ...................................40
Hình 2.18 Chèn sỏi trong giếng hoàn thiện có ống chống [1].......................................42
Hình 2.19 Một kiểu ống lọc prepack của Schlumberger [1] .........................................43
Hình 2.20 Nứt vỉa kết hợp chèn sỏi (mặt cắt nhìn từ trên xuống) [1] ........................... 46
Hình 2.21 Thiết bị desander đang hoạt động trên giàn [1] ............................................46
Hình 2.22 Cấu tạo hai loại desander [1] ........................................................................47
Hình 3.1 Vị trí mỏ X......................................................................................................48
Hình 3.2 Địa tầng trầm tich mỏ X .................................................................................51
Hình 3.3 TWC xác định dựa trên số liệu thu được từ log siêu âm và log mật độ. ........55
Hình 3.4 Biểu đồ tính lũy của UCS và TWC ................................................................ 56
Hình 3.5 Biểu đồ phân bố UCS và TWC theo độ sâu ...................................................57
Hình 3.6 Phương pháp đổi trục tọa độ [1] .....................................................................58
ix


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Hình 3.7 Các thông số hình học mới của giếng [1] ....................................................... 58
Hình 3.8 Kết quả tính độ giảm áp tới hạn của giếng A (ví dụ) .....................................61
Hình 3.9 Đồ thị vùng sinh cát cho giả thuyết trên. ........................................................ 63
Hình 3.10 .Ảnh hưởng của góc nghiêng đến khả năng sinh cát của giếng ...................64
Hình A.1 Thí nghiệm leak off test [3] ...........................................................................68
Hình A.2 Thí nghiệm extended leak off test .................................................................69
Hình A.3 Thí nghiệm mini – fracture test [3]................................................................ 70
Hình B.1 Ứng suất quanh thành giếng ..........................................................................72
Hình B.2 Đổi trục tọa độ cho giếng nghiêng .................................................................73
Hình B.3 Vòng tròn phá hủy Mohr ...............................................................................75

x


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Phân loại thành hệ theo độ cứng Brinell (1) ....................................................3
Bảng 2.1 Lựa chọn kích cỡ ống lọc và lưới lọc (1) ....................................................... 43
Bảng 2.2 Bảng tra các giá trị a và b theo các kích cỡ hạt chèn thông thường (1) .........45
Bảng 3.1 Đặc điểm cấu trúc và bẫy chứa của mỏ X...................................................... 49
Bảng 3.2 Dữ liệu đầu vào của vỉa giếng X1 ..................................................................62
Bảng 3.3 Các giá trị áp suất đáy giếng tới hạn để tránh xãy ra hiện tượng sinh cát ứng
với sự suy giảm áp suất vỉa. .......................................................................................... 63

xi


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SINH CÁT
1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Trong giới hạn hiểu biết và tìm kiếm, luận văn có tham khảo một số các tài liệu
liên quan đến vấn đề mà luận văn đang giải quyết. Trong đó có các thành tựu đã đạt
được và dựa trên cơ sở đó tiền đề để phát triển thêm khối kiến thức lý thuyết trong luận
văn.
 Jonathan Bellarby. Well Completion Design_Volume 56_Chapter 3: Sand
Control
Đây là một trong số những tài liệu mới nhất đề cập đến công tác thiết kế HTG.
Thành tựu mà nó đạt được là rất lớn, toàn bộ các vấn đề liên quan đến công tác HTG
đều được tài liệu đề cập một cách đầy đủ chi tiết. Bố cục được sắp xếp rất hợp lý theo
đúng các giai đoạn mà người kỹ sư HTG phải thực hiện để lên kế hoạch thiết kế cho
một giếng dầu khí. Ngoài nguồn kiến thức cơ bản và mới nhất, tài liệu còn đề cập đến
một số các ví dụ thực tế trên khắp thế giới giúp người đọc dễ hiểu.
Các phương pháp tính toán được đề cập:
 Xác định độ bền đá bằng phương pháp mẫu lõi:
𝑇𝑊𝐶 = 𝑎 × 𝑈𝐶𝑆 𝑏
Trong đó:
a=83 và b=0.5262 là hằng số.
UCS : ứng suất nén một trục.
U = 3.1*TWC
U : độ bền đá (psi).
 Xác định độ bền đá bằng phương pháp đo log độ rỗng và log siêu âm:
𝜎𝑈𝐶𝑆 = 37481 × 𝑒 −9𝜙
Trong đó :
UCS là ứng suất nén một trục (psi).
 là độ rỗng (%).
𝜎𝑈𝐶𝑆

304.8 2.93
)
= 111.65 × (
Δ𝑡

Trong đó :
1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

t là độ chậm của sóng (s/ft).
1.2 Hiện tượng sinh cát
Sinh cát là hiện tượng xuất hiện số lượng nhỏ hay lớn về thành phần hạt rắn đi
cùng với dung dịch chất lưu trong vỉa. Số lượng có thể khác nhau từ vài gam hoặc ít
hơn trên một tấn dung dịch. Khi lượng cát sinh ra lớn hơn một giới hạn sinh cát nào đó
(giới hạn này phụ thuộc vào điều kiện mỏ qui định) thì cần phải áp dụng các biện pháp
khống chế cát.
Nếu không thể kiểm soát được lượng cát sinh ra thì có thể sẽ gây nên những hậu
quả rất lớn, làm đầy cát trong giếng đang khai thác dẫn đến có thể phải huỷ giếng, gây
ra hiện tượng sụp lở trong thành hệ dẫn đến không thể đưa giếng vào khai thác được,
gây ra hiện tượng dâng cát trong giếng đang khoan.
Khi sinh cát xuất hiện trong giếng thì các vấn đề sau cần phải quan tâm:
-

Có khả năng cát sẽ lấp đầy khoảng thành hệ đang khai thác.

-

Những vấn đề liên quan đến thiết bị do sự lấp đầy cát tạo ra.

-

Hiện tượng mài mòn thiết bị lòng giếng khai thác cũng như các thiết bị phục

vụ trên giàn.
-

Sự tích tụ cát trên bề mặt và ảnh hưởng của chúng đến môi trường.

-

Khả năng cát làm giảm lưu lượng ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác.

-

Mài mòn ống chống, ống khai thác hoặc ống lửng do đó làm phá huỷ thành

giếng.
Giếng có thể bị phá huỷ, tạo nứt gãy (fracture) hoặc là phá huỷ vụn (collapse).
1.3 Nguyên nhân của hiện tượng sinh cát [1]
Việc xuất hiện cát trong thành hệ phụ thuộc vào mức độ cố kết của thành hệ, các
yếu tố của vỉa như áp suất, nhiệt độ, chế độ dòng chảy hoặc chế độ khai thác.
1.3.1 Sự cố kết của thành hệ
Khả năng duy trì được các kênh dẫn mở phụ thuộc rất nhiều vào độ bền hay khả
năng cố kết của thành hệ, ở đây chính là khả năng liên kết các hạt lại với nhau. Trong
điều kiện vỉa, xi măng gắn kết sẽ đóng vai trò quan trong quyết định độ vững chắc của
2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

vỉa. Xi măng được tạo ra do quá trình hòa tan nước với các khoáng vật, dưới điều kiện
áp suất, nhiệt độ vỉa sẽ hình thành nên “chất keo” giúp các hạt liên kết với nhau. Sự suy
giảm về độ rỗng cũng như độ thấm hay sự gia tăng độ bền của đá đều phụ thuộc vào
loại xi măng gắn kết và cách thức phân bố, liên kết các hạt với nhau. Sinh cát thường
xảy ra trong thành hệ yếu, tức là những thành hệ có tuổi trẻ, những thành hệ này thường
không có hoặc ít các loại xi măng giúp cho sự gắn kết các hạt lại với nhau.
Ngoài ra, sự tập trung ứng suất cũng là một nguyên nhân làm giảm độ bền thành
hệ. Theo lý thuyết đàn hồi dẻo thì tại vị trí có sự tập trung ứng suất sẽ dễ tạo ra hiện
tượng phá hủy. Trong quá trình khoan qua tầng khai thác, thành hệ ở trạng thái cân bằng
tự nhiên đã bị phá hủy và tạo ra sự tập trung ứng suất xung quanh thành giếng. Trong
quá trình bắn mở vỉa, ta cũng tạo ra sự mất ổn định thành lỗ đục. Trong quá trình khai
thác với sự di chuyển của chất lưu vào giếng, lực ma sát dòng chảy và sự bít nhét các
lỗ rỗng của các hạt rắn cũng tạo ra độ chênh lệch áp cao, do đó sự tập trung ứng suất tại
các vị trí này cũng gia tăng đáng kể. Vì vậy, mức độ tập trung ứng suất tỷ lệ nghịch với
độ bền thành hệ, do đó tỷ lệ thuận với sự phá hủy thành hệ và khả năng xuất hiện cát
gia tăng.
Bảng 1.1 Phân loại thành hệ theo độ cứng Brinell [1]

Loại thành hệ

Độ cứng Brinell

Đặc điểm đá thành hệ

Không cố kết

<2

Không có xi măng gắn kết

Cố kết yếu

2-5

Xi măng gắn kết yếu

Cố kết trung bình

5-10

Xi măng gắn kết tốt

Cố kết tốt

10-30

Khó bị phá hủy

Cố kết rất tốt

>30

Không bị phá hủy

3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

1.3.2 Vật liệu xi măng gắn kết

Trên thế giới, hầu hết dầu khí được khai thác trong tầng đá trầm tích, do đó
thành phần hạt và vật liệu xi măng gắn kết các hạt phụ thuộc vào môi trường lắng
đọng. Thành phần xi măng chủ yếu là sét và cacbonat.
- Thành phần xi măng sét: thành hệ kém bền  dễ xuất hiện cát.
- Thành phần xi măng cacbonat: thành hệ bền vững hơn ít xuất hiện cát hơn.
Tuy nhiên do độ rỗng của thành hệ trầm tích thường cao nên sự gắn kết của xi
măng thường giảm rất đáng kể.
1.3.3 Sự suy giảm áp suất lỗ rỗng
Sự suy giảm áp suất vỉa cũng là một trong những nguyên nhân gây nên hiện
tượng cát xâm nhập vào giếng. Ở điều kiện bình thường áp suất của chất lưu trong lỗ
rỗng tạo nên áp suất vỉa giúp chống đỡ khối lượng đất đá bên trên. Tuy nhiên, trong quá
trình khai thác nhất là sau một thời gian dài thì sự suy giảm áp suất vỉa tất yếu sẽ xảy
ra, điều này làm tăng ứng suất lên các hạt cát của thành hệ do đó cát có thể bị tách ra
khỏi vật liệu gắn kết hoặc vỡ vụn và theo dòng lưu chất đi vào giếng. Nếu sự suy giảm
áp suất vỉa là lớn thì sẽ gây mất ổn định thành giếng khoan, các lớp đất đá bên trên đè
xuống, làm tăng khả năng đẩy cát vào giếng.

Hình 1.1 Xu hướng điển hình của sự xâm nhập cát vào giếng [1]

4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

1.3.4 Lưu lượng khai thác
Lưu lượng dòng khai thác được biết như là một hệ số quan trọng việc ảnh hưởng
trực tiếp đến lưu lượng sinh cát. Các thí nghiệm kiểm tra các mức lưu lượng khai thác
khác nhau đã cho thấy: lưu lượng cát gia tăng với sự gia tăng lưu lượng khai thác. Điều
này có thể được giải thích do vận tốc dòng khai thác gia tăng sẽ tạo ra lực ma sát gia
tăng dẫn đến số lượng cát được đưa vào giếng gia tăng, tác động xâm thực phá hủy các
mối liên kết giữa các hạt và sự gia tăng gradient áp suất cục bộ. Ngoài ra, sự gia tăng
lưu lượng khai thác làm áp suất đáy giếng giảm, độ giảm áp gia tăng và sự suy kiệt năng
lượng vỉa gia tăng dẫn đến độ suy giảm áp suất vỉa gia tăng. Do đó, khả năng sinh cát
gia tăng và lưu lượng cát vào giếng gia tăng. Như vậy, ta phải khống chế lưu lượng khai
thác cho giếng, chỉ khai thác ở mức độ cho phép.
1.3.5 Độ nhớt của dòng chất lưu
Lực ma sát kéo, được tạo ra do dòng chảy của chất lưu từ vỉa vào giếng. Lực ma
sát này liên quan trực tiếp đến vận tốc và độ nhớt của dòng lưu chất. Đối với dòng lưu
chất có độ nhớt cao sẽ tạo nên một lực ma sát kéo lớn, làm cho các hạt cát đi vào giếng
nhiều hơn so với một dòng lưu chất có độ nhớt thấp. Đối với những vỉa chứa dầu nặng
với một tỷ trọng thấp và độ nhớt cao, ngay cả khi vận tốc dòng lưu chất là thấp thì khả
năng cát theo dòng lưu chất xâm nhập vào giếng là vẫn khá cao.
1.3.6 Góc ma sát trong và sự tập trung ứng suất
Góc ma sát trong là một thông số nói lên mức độ liên kết giữa các hạt thông
qua lực ma sát bề mặt giữa các hạt. Do đó, lực ma sát bề mặt càng cao thì khả năng
phá hủy sẽ giảm, lượng cát xuất hiện càng ít. Góc ma sát trong được xác định bằng
mẫu lõi và xác định ứng suất theo vòng tròn Morh trên phương trình ứng suất cắt.

5


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

Thông thường nếu không xác định được góc ma sát trong thì ta thường lấy góc
ma sát trong có giá trị là 30 độ. Sự xuất hiện cát gia tăng với sự giảm giá trị góc ma
sát trong.

Hình 1.2 Xác định góc ma sát trong theo phương trình ứng
suất cắt và đường tròn Morh [1]

1.3.7 Mật độ và hình dạng lỗ mở vỉa
Với những giếng được hoàn thiện bằng chống ống thì giếng phải được bắn mở
vỉa nhằm tạo kênh lưu thông giữa vỉa và giếng. Để xác định tác động của mật độ lỗ bắn
đến lưu lượng cát người ta làm thí nghiệm với mật độ lỗ mở vỉa khác nhau và thu được
kết quả: sự xuất hiện cát gia tăng theo sự gia tăng mật độ lỗ mở vỉa.
Hiện tượng này được giải thích do sự phân bố ứng suất gần thành giếng với mật
độ lỗ mở cao, độ giảm áp tới hạn giảm do ứng suất giảm và sự phân bố lại ứng suất. Kết
quả độ bền thành hệ giảm đáng kể.

6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

Hình 1.3 Phân bố đạn kiểu Spiral [1]

.

Hình 1.4 Ảnh hưởng của kiểu bắn mở vỉa đến hiện tượng sinh cát [1]

7


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

Ngoài ra, hình dạng lỗ mở vỉa cũng tác động đến sự xuất hiện cát. Kết quả ảnh
hưởng của hình dạng lỗ mở đến sự sinh cát, lưu lượng cát gia tăng theo sự thay đổi hình
dạng lỗ mở từ spiral (xoắn ốc) đến implane và cuối cùng là inline.

Hình 1.5 Cung cát sau khi bắn mở vỉa [1]

Với một giếng đứng, hoàn thiện chống ống và bắn mở vỉa với mật độ 16 lỗ trên
foot (16 SPF _ shots per foot).
1.3.8 Sự xâm nhập của nước
Hầu hết, đất đá thành hệ đều có tính dính ướt, cho nên sự xâm nhập nước có
khuynh hướng làm mất ổn định thành hệ và khả năng sinh cát gia tăng. Trong nhiều
trường hợp, hàm lượng cát tăng lên sau khi nước xâm nhập vào cùng với dầu. Bởi vì
khi nuớc xâm nhập vào, áp suất mao dẫn giảm, vật liệu liên kết bị hoà tan, lực ma sát
tăng lên do độ thấm tương đối của hydrocacbon giảm bởi nước bão hoà, áp suất vỉa
giảm và độ giảm áp tăng lên tại tốc độ khai thác hiện tại. Sự ảnh hưởng của nước đến
việc sinh cát trong quá trình khai thác gồm 4 điểm:
-

Làm giảm lực mao dẫn, dẫn đến việc giảm lực liên kết giữa các hạt cát.

-

Làm suy yếu xi măng gắn kết giữa các hạt.

-

Thay đổi độ thấm dẫn đến việc làm tăng độ giảm áp quanh các hạt.

-

Làm tăng khả năng di chuyển của các hạt cát.
8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

Nhìn chung, nếu không kể đến sự ảnh hưởng cuối cùng như đã nói ở trên, thì
nước không có tác động đến điểm khởi đầu cho việc làm suy yếu thành hệ dẫn đến việc
bắt đầu sinh cát cho giếng, nhưng nó lại là nguyên nhân làm gia tăng lượng cát xâm
nhập vào giếng trong nhiều trường hợp đã được ghi nhận.
Những đất đá có tính dính ướt thì khi có sự thay đổi độ bão hòa nước có thể dẫn
đến sự mất ổn định liên kết mối nối giữa các hạt. Sự tác động hóa học của nước với các
vật liệu gắn kết giữa các hạt và sự thay đổi lực mao dẫn sẽ làm thay đổi độ bền cố kết
của thành hệ. Có nhiều yếu tố cần phải quan tâm với sự xâm nhập của nước vào vỉa
thành hệ yếu:
- Sự tác động hóa học giữa nước và vật liệu xi măng gắn kết.
- Sự thay đổi lực căng bề mặt và lực mao dẫn.
- Độ thấm của dầu giảm với sự gia tăng của nước, lực ma sát tăng lên → gia tăng
độ chênh áp để tạo dòng chảy từ vỉa vào giếng.
- Khi nước xâm nhập sẽ làm di chuyển những vật liệu vụng có tính dính ướt với
nước, đồng thời vật liệu sét trương nở → tạo các nút gây tắc nghẽn kênh lưu thông của
dòng chất lưu → làm tăng độ chênh áp, tăng lực kéo và khả năng sinh cát cũng tăng.
Kết luận:
Phân tích các nguyên nhân sinh cát ở trên, nhận thấy rằng nguyên nhân sinh cát
là một quá trình phức tạp phụ thuộc chủ yếu bởi các đặc tính của thành hệ, trạng thái
ứng suất trong thành hệ và chế độ dòng chảy của lưu chất… Hầu hết các nguyên nhân
kể trên đều tác động và làm thay đổi trạng thái ứng suất trong thành hệ, làm tăng khả
năng sinh cát của thành hệ.
1.4 Quá trình sinh cát của thành hệ [1]
Thông thường đối với thành hệ cát kết yếu nhưng được cố kết, sự xuất hiện cát
xảy ra theo hai quá trình: Đầu tiên là quá trình phá huỷ thành hệ xung quanh thành giếng
theo các mặt trượt gây ra bởi độ bền thành hệ và trạng thái ứng suất. Kế tiếp là hiện
tượng xâm thực của quá trình khai thác, có sự vận chuyển của dòng chảy mang cát vào
giếng và lên bề mặt cùng với các sản phẩm.

9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

+ Giai đoạn 1: Xuất hiện các phá huỷ tại chỗ. Như đã nói ở trên các phá huỷ này là kết
quả của các tác động thay đổi ứng suất của thành hệ tạo các phá huỷ kéo, cắt. Cát và
các mảnh vụn rắn được tạo ra. Đối với đất đá đã cố kết thì đây là giai đoạn sinh cát chủ
yếu của quá trình sinh cát. Nếu cố gắng giảm thiểu được tác hại do giai đoạn này thì
hàm lượng hạt rắn sẽ giảm đáng kể.

Hình 1.6 Tóm lược quá trình sinh cát [1]

+ Giai đoạn 2: Dòng lưu chất vận chuyển các hạt rắn vào giếng. Tuỳ theo lưu lượng
khai thác, tỉ trọng của hạt rắn mà nó có thể được dòng lưu chất mang lên trên bề mặt
hay nằm lại ở đáy giếng. Trong trường hợp thành hệ chưa cố kết thì cát chủ yếu lại sinh
ra trong giai đoạn vận chuyển.
Nếu chúng ta kiểm soát được quá trình phá hủy đầu tiên, thì giai đoạn sau không
còn là vấn đề lớn nữa.
Còn đối với thành hệ cát kết yếu, hoàn toàn không có sự cố kết, bở rời thì vấn đề
cần quan tâm nhất chính là giai đoạn sau, sự sinh cát trong giếng do dòng chảy khai
thác.
Tuỳ theo đặc điểm của vỉa mà có hình thức sinh cát khác nhau. Muốn khống chế
cát hiệu quả ta phải nắm rõ đặc điểm của vỉa đang khai thác mà chọn phương pháp xử
lý thích hợp.

10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

Hình 1.7 Đặc tính phá huỷ của cát thành hệ chưa cố kết và đã cố kết [1]

1.5 Ảnh hưởng của hiện tượng sinh cát đến quá trình khai thác [1]
Việc xuất hiện cát trong quá trình khai thác luôn gây ra một sự tác động lớn có
hại đến sản lượng khai thác của giếng. Mặc dù một số giếng có các biện pháp khống
chế cát rất tốt nhờ vào kinh nghiệm thường xuyên đối mặt với vấn đề này. Tuy nhiên
đó là trường hợp ngoại lệ, không phải là quy luật. Trong hầu hết các trường hợp, việc
cố gắng kiểm soát cát trong những giếng bị ảnh hưởng nghiêm trọng có tác động đến
thời gian sống của giếng không phải là giải pháp khôn ngoan và kinh tế.

Hình 1.8 Đường ống bị bít nhét và các thiết bị
khai thác bị hư hại [1]

11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

1.5.1 Sự tích tụ cát trên bề mặt
Nếu vận tốc di chuyển của dòng chất lưu từ giếng lên trên bề mặt đủ lớn và mang
theo cát đi lên thì lượng cát đó rất có khả năng sẽ bị tích tụ trong các hệ thống bình tách,
thiết bị xử lý nhiệt hay trong các đường ống khai thác. Nếu sự tích tụ là đủ lớn, khi đó
việc làm sạch là cần thiết để phục hồi sản lượng khai thác cho giếng. Một ví dụ đơn
giản nếu cát xuất hiện và lấp đầy các khoang bình tách thì sẽ làm giảm khả năng tách
dẫn đến giảm sản lượng. Để khắc phục điều đó, giếng cần phải được đóng tạm thời phục
vụ cho việc làm sạch các thiết bị bề mặt. Như vậy, ngoài chi phí làm sạch các thiết bị,
thì ta còn mất nguồn thu trong thời gian đóng giếng.
1.5.2 Sự tích tụ cát dưới đáy giếng
Trường hợp vận tốc dòng lưu chất đi lên là không đủ lớn để mang cát lên bề mặt,
cát có thể sẽ gây tắc nghẽn đường ống hoặc sẽ rơi xuống và bắt đầu lấp đầy khoảng
không đáy giếng. Trong cả 2 trường hợp, sản lượng khai thác của giếng đều giảm cho
đến khi giếng bị lấp hoàn toàn bởi cát và việc khai thác chấm dứt.
Một kỹ thuật có thể được sử dụng để làm sạch giếng đó là dùng một thiết bị để
“múc cát” lên khỏi giếng. Tuy nhiên, một lần với thiết bị này chỉ lấy lên được một lượng
nhỏ cát do đó cần phải sử dụng nhiều thiết bị cùng một lúc và tốn thời gian khá lớn.
Một kỹ thuật khác cũng được sử dụng, đó là đưa xuống giếng một hệ thống ống có
đường kính nhỏ hoặc dùng hệ thống coil tubing để khuấy động cát và đưa lên khỏi giếng
nhờ vào việc tuần hoàn dung dịch. Việc thực hiện phương pháp này cần thận trọng để
tránh trường hợp các chuỗi ống này bó vào và làm hư hỏng các ống khai thác.

12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 1

Nếu việc sinh cát cứ tiếp tục diễn ra, dĩ nhiên phải thực hiện các kỹ thuật trên
một cách thường xuyên, có thể hàng tháng thậm chí hàng tuần. Điều này dẫn đến kết
quả là mất khả năng sản xuất và tăng chi phí bảo trì.

Hình 1.9 Cát trong bình tách [1]

1.5.3 Sự bào mòn các thiết bị ở đáy giếng và trên bề mặt
Một trong những ảnh hưởng đáng kể đến thiết bị là hiện tượng cát xâm thực, xói
mòn. Cát di chuyển có vận tốc tương đương với vận tốc dòng chất lưu khai thác, tại
những chỗ thay đổi hướng dòng chảy hoặc chỗ thay đổi tiết diện dòng chảy, các hạt cát
sẽ va đập vào thành thiết bị gây lên hiện tượng xâm thực, xói mòn. Vận tốc dòng chất
lưu càng lớn thì vận tốc hạt cát sẽ càng lớn và động lực của các hạt cát va đập vào thành
thiết bị càng cao. Nếu điều này diễn ra trong thời gian dài và liên tục sẽ làm hư hại hoàn
toàn các thiết bị, hệ quả là sẽ ảnh hưởng đến sự an toàn cho con người và gây ra các vấn
đề về môi trường.

13


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×