Lựa chọn thiết kế choòng khoan kim cương đa tinh thể (PDC) tối ưu cho công đoạn 81/2” tại các giếng khoan nhiệt độ cao, áp suất cao mỏ Hải Thạch, bể Nam Côn Sơn
Hoàng Thanh Tùng, Nguyễn Phạm Huy Cường, Trần Hồng Nam, Lê Quang Duyến, Đào Thị Uyên Tổng công ty CP Khoan và Dịch vụ khoan Dầu khí Công ty Điều hành Dầu khí Biển Đông Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí Đại học Mỏ - Địa chất Email: tunght@pvdrilling.com.vn

Tóm tắt

Việc lựa chọn choòng khoan phù hợp giúp tăng vận tốc cơ học khoan và chiều dài khoảng khoan, giảm chi phí thi công giếng khoan, nâng cao hiệu quả kinh tế. Bài báo giới thiệu phương pháp nghiên cứu, tính toán, tiêu chí lựa chọn và đánh giá thiết kế choòng khoan hợp kim đa tinh thể (PDC) phù hợp nhằm tăng tốc độ cơ học cho công đoạn 8½”cho các giếng khoan nhiệt độ cao, áp suất cao tại mỏ Hải Thạch.

Kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng chủng loại choòng khoan tối ưu theo đề xuất với vận tốc cơ học khoan đã tăng gấp đôi so với trước đây. Điều này đã chứng minh tính khả thi về kỹ thuật và hiệu quả kinh tế đem lại cho dự án đồng thời mở ra hướng mới cho việc lựa chọn chủng loại choòng khoan phù hợp cho các khu vực khác có chung điều kiện địa chất, địa tầng và cấu trúc giếng khoan.

Từ khóa: Tối ưu hóa thiết kế choòng khoan, lựa chọn chủng loại choòng khoan, vận tốc cơ học khoan, hiệu quả kinh tế lựa chọn choòng khoan.

1. Giới thiệu

Mỏ Hải Thạch nằm ở Lô 05-2, bể Nam Côn Sơn cách bờ biển Vũng Tàu khoảng 330km với chiều sâu nước biển trung bình khoảng 130 - 140m. Mỏ Hải Thạch được phát hiện vào năm 1995 thông qua giếng khoan thăm dò 05-2-HT-1X và được tiến hành khoan thẩm lượng vào năm 1996 bởi BP. Kết quả thăm dò và thẩm lượng đã xác định trữ lượng thương mại của khí và condensate tập trung ở các vỉa: UMA10 (Miocene trên), MMH10 (Miocene giữa), LMH-10, LMH-20, LMH-30 (Miocene dưới), UMA15, MMF10, MMF15 và MMF30 reservoirs. Kết quả thẩm lượng (giếng 05-2-HT-3X/3XZ, 2002) đã xác định khí và conden- sate ở tập UMA15 và tập MMF10, MMF15 có trữ lượng thương mại khá tốt. Đối với công đoạn 8½” sẽ đi qua một số tập có trữ lượng thương mại ở Miocene dưới LMH- 10, LMH-20, LMH-30 với chiều sâu TD khoảng ± 3.818m TVD/4.182m MD [1].

Trong quá trình thi công các giếng khoan ở mỏ Hải Thạch phát sinh vấn đề tốc độ khoan cho công đoạn 8½” còn thấp so với yêu cầu đặt ra. Ngoài điều kiện địa chất phức tạp (thành phần thạch học chủ yếu là đá phiến sét), nhiệt độ cao, áp suất đáy giếng cao, tỷ trọng dung dịch khoan rất cao thì choòng khoan là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ khoan. Tốc độ khoan trung bình cho công đoạn 8½” trước khi sử dụng choòng khoan mới thể hiện trong Bảng 1 [2].

2. Giải pháp lựa chọn thiết kế choòng khoan tối ưu

Tổng quan

Việc lựa chọn thiết kế choòng khoan phù hợp cho các khoảng khoan được căn cứ vào các yếu tố cơ bản sau đây [3]:

- Thuộc tính của vỉa khoan qua;

- Tốc độ cơ học khoan (ROP) và vận tốc quay (RPM);

- Khả năng bơm rửa làm sạch giếng và choòng khoan;

- Trọng lượng bản thân của choòng khoan;

- Chiều sâu của khoảng khoan;

- Khả năng chịu va đập, rung lắc của răng cắt.

Phương pháp tính toán, lựa chọn thiết kế tối ưu choòng khoan PDC cho công đoạn 8½” được triển khai thành 5 bước như Hình 2.

Trình tự lựa chọn choòng khoan tối ưu

Bước 1: Xác định đặc tính cơ lý của địa tầng khoan qua
 
Đối với công đoạn 8½” sẽ đi qua một số tập có trữ lượng thương mại ở Miocene dưới LMH-10, LMH-20, LMH-30 với chiều sâu TD khoảng ± 3.818m TVD/4.182m MD. Giá trị độ bền nén một trục dọc theo chiều sâu của các giếng khoan đã được đo đạc và tính toán thông qua log mật độ khối được thể hiện như Hình 3.

Qua kết quả giá trị UCS được xác định cho các tập LMH-10, LMH-20, LMH-30 khi khoan cho khoảng khoan đường kính 8½”, giá trị UCS trung bình từ 6.000 - 10.000psi. Một số loại choòng khoan khác nhau đã được BIENDONG POC sử dụng, song chưa đạt kết quả như mong muốn. Kết quả phân tích các thông số khoan cho thấy tốc độ khoan trong thành hệ đá phiến sét của công đoạn 8½” rất thấp do ảnh hưởng của thành phần thạch học, tỷ trọng dung dịch cao, cơ chế cắt/răng cắt của choòng khoan chưa thích hợp. Thành hệ đá phiến sét chiếm tỷ lệ rất lớn và xen kẹp với các tầng vỉa sản phẩm trong công đoạn 8½”.

Bước 2: Phương thức lựa chọn sơ bộ thiết kế choòng khoan

Để thiết kế choòng khoan tối ưu, nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm khả năng phá hủy đất đá của răng cắt/choòng khoan trên các mẫu lõi thu được từ giếng khoan của mỏ Hải Thạch cùng với dữ liệu UCS đo được trong thực tế thi công giếng khoan (bước 1), giúp việc thiết kế choòng khoan cho công đoạn 8½” dễ dàng và hiệu quả hơn.

Mẫu lõi được lựa chọn thí nghiệm là tầng đá phiến sét phía trên tầng sản phẩm Miocene dưới (LMH-30), đây là mẫu lõi dư sau khi đã lựa chọn mẫu lõi tốt nhất cho việc nghiên cứu tầng vỉa sản phẩm LMH-30, do vậy sẽ không tốn chi phí lấy mẫu lõi để phục vụ cho việc nghiên cứu và thiết kế choòng khoan mới. Việc thí nghiệm mẫu lõi với các loại răng cắt khác nhau và các bước tiếp theo của việc thiết kế một choòng khoan mới đã được nhóm tác giả và Smith Bits lên kế hoạch chi tiết cụ thể (Bảng 2 và Hình 4).

Bước 3: Chạy mô phỏng với thông số chế độ khoan cho công đoạn 8½”

Trong điều kiện thời gian kéo thả bộ khoan cụ như nhau và loại trừ các yếu tố phải dừng công tác khoan khác, choòng khoan mới được đánh giá là hiệu quả khi đáp ứng được tuổi thọ và có tốc độ khoan cơ học cao khi khoan qua từ điểm chân đế ống chống của khoảng khoan trước cho đến điểm chân đế ống chống của công đoạn khoan tiếp theo [6]. Hiện nay, có nhiều thiết kế choòng khoan PDC khác nhau, thậm chí công nghệ đối với các địa tầng cứng không đồng đều, để giảm tác dụng của xung chấn va đập gây vỡ các răng cắt các loại choòng này được thiết kế thêm răng hình trụ chịu lực va đập (stinger) thay cho các răng cắt thông thường (Hình 5). Kết quả khoan các giếng tại mỏ Hải Thạch trước đây cho thấy, đặc điểm địa tầng khoan qua là vỉa phiến sét, có ứng suất nén một trục (UCS) < 10.000psi. Do đó, đề xuất sơ bộ cho việc lựa choòng khoan đưa vào tính toán mô phỏng, xem xét mô hình động lực học là chủng loại choòng khoan PDC 4 cánh cắt và không có bố trí răng nón trụ chịu lực va đập (Hình 6).


Các thiết kế cho choòng khoan mới (như thay đổi vị trí, kích thước cũng như góc nghiêng của cánh cắt) được mô phỏng với các bộ khoan cụ, quỹ đạo giếng khoan. Các thông số khoan theo thiết kế cũng được đề xuất áp dụng nhằm lựa chọn choòng khoan tốt nhất đáp ứng yêu cầu đề ra, cung cấp sự ổn định của bộ khoan cụ, ổn định thành giếng khoan và đạt được tốc độ khoan cơ học, nâng cao tuổi thọ choòng khoan, đảm bảo hiệu quả kinh tế thi công giếng khoan.

Thông số đầu vào cho quá trình tính toán mô phỏng như sau:

- Đặc tính thành hệ khoan qua: thông tin được trích dẫn từ báo cáo thử nghiệm mẫu lõi và kết quả tính toán giá trị UCS thông qua biểu đồ log mật độ khối;

- Tải trọng tác động lên choòng: 10 - 15kpsi;

- Tốc độ vòng quay: 140; 160 và 180 vòng/phút;

- Bộ khoan cụ khoan định hướng: RSS.

Các kết quả chạy mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng của Smiths đưa ra như sau:

- Kết quả chạy mô phỏng về độ ổn định choòng khoan khi khoan cho công đoạn 8½” đã chứng minh được độ ổn định (Hình 7).

- Các thông số chế độ khoan cho công đoạn 8½” được đưa vào tính toán như sau: lưu lượng bơm rửa 250GPM; tốc độ vòng quay choòng 160 vòng/ phút; tỷ trọng dung dịch 17,5ppg; tổng diện tích mặt cắt ngang của vòi phun thủy lực 0,519in2. Kết quả mô phỏng chế độ thủy lực choòng đã cho thấy vận tốc dòng chảy ở đầu choòng thông qua các khe thoát mùn khoan rất cao sẽ làm giảm hiện tượng bám dính vào đầu mũi choòng và giảm hiệu quả cắt của các răng cắt giúp nâng cao vận tốc khoan (Hình 8).

- Tỷ lệ lưu lượng dòng chạy thoát ra khỏi khe thoát mùn và trên các khe thoát mùn của choòng càng lớn chứng tỏ mùn khoan dễ dàng thoát ra khỏi khu vực choòng và sẽ không gây nên hiện tượng kẹt mùn khoan làm giảm khả năng cắt của các cơ cấu răng cắt đất đá của choòng khoan (Hình 9).

Bước 4: So sánh choòng khoan mới và các loại choòng khoan trước đây đã sử dụng để khoan cho công đoạn 8½” tại mỏ Hải Thạch

Để thiết kế được loại choòng khoan tối ưu, nhóm tác giả đã đánh giá, so sánh với các loại choòng khoan khác nhau để đưa ra lựa chọn tối ưu, kết quả thống kê dữ liệu từ các giếng khoan HT-1P, HT-2P, HT-3P, HT-5 và HT-5SP được thể hiện trong Bảng 3.

Bảng 3 cho thấy tốc độ cơ học khoan trung bình khoảng 4,8m/giờ, dẫn đến thời gian khoan dài và chi phí tăng cao (thuê giàn, nhân công, dịch vụ khoan…). Hiệu quả của việc lựa chọn thiết kế choòng khoan tối ưu được thể hiện trong Bảng 4 [8].

So sánh tốc độ khoan trung bình khi áp dụng lựa chọn choòng khoan mới với choòng khoan cũ (Bảng 3 và 4) cho thấy tốc độ cơ học khoan tăng gần gấp đôi. Để tính toán hiệu quả kinh tế do lựa chọn choòng khoan phù hợp giúp tiết kiệm thời gian khoan, cần thiết xác định chi phí trên số mét khoan đã khoan hoặc tính trung bình chi phí theo ngày cho từng giếng khoan, công thức xác định chi phí tính trên số mét khoan như sau [9]:


Choòng khoan mới đã được sử dụng cho công đoạn 8½” của các giếng khoan HT-6P, HT-7P, HT-8P, HT-4P, HT-9P và HT-9PST của dự án Biển Đông 01. Trong đó, có một số kỷ lục được ghi nhận như:

- Khoảng cách khoan tích lũy dài nhất với cùng một choòng khoan: 1.431m khoan (giếng HT-6P, HT-7P, HT-8P).

- Khoảng cách khoan dài nhất cho một lần khoan: 1.010m (HT-9P).

Choòng khoan (8½” SDI419 MEUBPX) do Smith Bits thiết kế riêng cho dự án Biển Đông 01, được sử dụng để khoan cho các giếng khoan có đặc tính như: thành hệ đá phiến sét có tính dẻo, nhiệt độ - áp suất cao, lưu lượng bơm thấp và tỷ trọng dung dịch cao. Ngoài ra, choòng khoan này đã được Liên doanh Việt - Nga “Vietsovpetro” lựa chọn để sử dụng cho các giếng khoan tiếp theo tại giàn đầu giếng BK-15 trong khu vực mỏ Bạch Hổ. Việc lựa chọn này là kết quả của việc trao đổi kỹ thuật giữa BIENDONG POC, Vietsovpetro và Smith Bits cho các giếng khoan 128 BK-15, 129 BK-15 và 131 BK-15 của Vietsovpetro. Các giếng này đều gặp vấn đề tương tự như các giếng khoan mà BIENDONG POC từng gặp trước đây là: tốc độ khoan rất chậm khi khoan qua các tầng đá sét dẻo, thành hệ mềm, tỷ trọng dung dịch cao, choòng khoan trong điều kiện tốt khi kéo lên. Vietsovpetro kỳ vọng sẽ đạt được tốc độ khoan tối ưu khi lựa chọn choòng khoan mới này.

Choòng khoan thiết kế mới (SDi419MEUBPX) bắt đầu áp dụng từ giếng khoan HT-6P (tháng 2/2015) và tiếp tục được sử dụng cho các giếng khoan tiếp theo: HT-7P, HT- 8P, HT-4P, HT-9P, HT-9PST. Trong quá trình khoan, choòng khoan mới đã thể hiện được ưu điểm như: bộ khoan cụ đáy giếng ổn định hơn, giếng được bơm rửa tốt hơn do tối ưu hóa trong thiết kế vòi phun thủy lực, thành giếng khoan ổn định thông qua việc giảm thời gian back-ream- ing, thời gian kéo thả và cuối cùng là tốc độ khoan được cải thiện rõ rệt so với các choòng khoan đã sử dụng trước đó (Bảng 4). Điểm khác biệt của giải pháp tối ưu hóa thiết kế choòng khoan so với chủng loại đang sử dụng được thể hiện trong Bảng 5.

Bước 5: Đánh giá tuổi thọ, chất lượng choòng khoan và hiệu quả kinh tế tối ưu hóa lựa chọn thiết kế choòng khoan

- Đánh giá tuổi thọ, chất lượng choòng khoan

Tiêu chí đánh giá chất lượng choòng khoan PDC sau khi sử dụng đã được công bố lần đầu [10]. Tiêu chí này đánh giá choòng khoan thông qua độ mòn của các răng cắt và thân choòng, đối với choòng khoan được phân thành 2 khu vực tách biệt đó là 1/3 đường kính ngoài choòng và khu vực 2/3 đường kính trong choòng (Hình 10).

Mức độ ăn mòn và hư hỏng choòng khoan được chia thành 8 mức cho 2 khu vực riêng biệt. Ví dụ với độ mòn 4/8 là ở mức ăn mòn 50% răng cắt của choòng (Hình 11a), cách thức đánh giá được tiến hành đối với ví dụ ở Hình 11b như sau:

- Đối với khu vực 2/3 phía tâm đường kính choòng khoan mức ăn mòn sẽ như sau: 0 + 1 + 2 + 3 + 3 = 9, mức ăn mòn trung bình sẽ là 9/5 = 1,8 và được làm tròn là 2. Do đó ăn mòn phía khu vực 2/3 choòng ở phía trong là 25%.

- Đối với khu vực 1/3 phía ngoài choòng: 3 + 4 + 3 + 2 = 12, mức độ ăn mòn của choòng sẽ là: 12/4 = 3 tương đương bị ăn mòn 37,5%.

Ngoài ra, choòng khoan còn được đánh giá các tác động hư hại khác liên quan tới răng cắt và thân choòng [10]: độ kết dính răng choòng với thân choòng; vỡ răng cắt; mẻ răng cắt; mất răng cắt; hư hỏng do tác dụng nhiệt...

Căn cứ vào các tiêu chí đã công bố, thiết kế choòng khoan tối ưu được đưa vào đánh giá sau quá trình sử dụng và cho kết quả tốt, choòng khoan không có dấu hiệu bị ăn mòn và các răng cắt ở trong tình trạng tốt (Hình 12).

- Đánh giá hiệu quả kinh tế khi ứng dụng giải pháp:

Trong phạm vi của nghiên cứu này, nhóm tác giả chỉ tính toán lợi ích kinh tế liên quan đến việc nâng cao tốc độ khoan trung bình, chưa tính toán hiệu quả kinh tế liên quan đến các yếu tố nâng cao độ ổn định thành giếng, gia tăng hiệu quả bơm rửa mùn khoan (giúp giảm chi phí dung dịch hóa phẩm)...

Việc nâng cao tốc độ khoan trung bình giúp giảm thời gian thi công khoan. Việc quy đổi thời gian tiết kiệm được sang chi phí tương đương được tính dựa trên giá thành thi công giếng khoan. Để đảm bảo khách quan và chính xác trong đánh giá hiệu quả kinh tế, giá thành giếng khoan được tách bỏ các chi phí không liên quan đến thời gian như: chi phí vật tư, tài sản cố định và chi phí các dịch vụ không sử dụng trong khi khoan đoạn thân giếng 8½”.

Hiệu quả kinh tế đạt được từ khi sử dụng choòng khoan mới đạt trên 7 triệu USD (chi tiết trong Bảng 6).

3. Kết luận

- Để đảm bảo hiệu quả của việc lựa chọn tối ưu hóa thiết kế, phải tiến hành tính toán và lựa chọn theo các bước:

+ Thuộc tính của địa tầng khoan qua (cơ lý tính).

+ Có đủ thông tin dữ liệu các choòng khoan đang áp dụng tại khu vực hoặc những khu vực lân cận có điều kiện địa chất địa tầng tương đồng.

+ Chạy mô phỏng với thông số chế độ khoan tối ưu đã thiết kế cho các giếng khoan đã tiến hành khoan trước đó.

+ Tính toán hiệu quả kinh tế cho từng mét khoan và qua đó đối chiếu tốc độ khoan cơ học cũng như tuổi thọ choòng khoan đạt được.

+ Thống nhất phương pháp đánh giá tuổi thọ choòng khoan cho từng khoảng khoan để đảm bảo đánh giá các hãng cung cấp choòng khoan khác nhau được quy đổi về mặt bằng kỹ thuật chung để làm cơ sở đối chiếu, so sánh.

- Lựa chọn choòng khoan cho công đoạn 8½” với tập có các đặc tính như: thành hệ đá phiến sét có tính dẻo, nhiệt độ - áp suất cao, lưu lượng bơm thấp và tỷ trọng dung dịch cao.

- Thiết kế lựa chọn chủng loại choòng khoan tối ưu đã chứng minh tính hiệu quả về mặt kinh tế, kỹ thuật và lần đầu tiên áp dụng trong và ngoài nước đối với công đoạn 8½” giếng khoan nhiệt độ cao áp suất cao tại mỏ Hải Thạch với công nghệ thiết bị hiện đại của giàn khoan tiếp trợ nửa nổi nửa chìm PV Drilling V.

Tài liệu tham khảo

1. BIENDONG POC. 05-02-HT-4P drilling program. 2015.

2. PV Drilling. RimDrill IADC Report of HT-1P; HT-2P; HT- 3P; HT-5P; HT-5SP.

3. H.Ergin, C.Kuzu, C.Balcı, H.Tunçdemir, N.Bilgin. Optimum bit selection and operation for the rotary blasthole drilling through horizontal drilling rig (HDR) - A case study at KBI Murgul Copper Mine. Istanbul Technical University, Istanbul, Turkey.

4. BIENDONG POC. HT-1P. Well stress data.

5. Smith Bits. Sample test report.

6. Michael Azar, Wiley Long, Allen White, Chance

Copeland, Mikhai Pak. A new approach to fixed cutter bits. Oilfield review. 2015; 27(2).

7. BIENDONG POC. HT-1P; 2P; 3P; 5P; 5SP end of well report.

8. BIENDONG POC. HT-4P, 6P, 7P, 8P, 9P, 9PST end of well report.

9. Aryan Javanmardian, Vahab Hassani, Pedram Rafiee. The selection of optimized PDC bits in the 12¼” hole section (upper part) of gas fields. Journal of Industrial and Intelligent Information. 2014; 2(4): p. 329 - 332.

10. SPE/IADC 23939. IADC dull grading for PDC drill bits.

SELECTION OF OPTIMISED PDC BITS IN THE 8½” HOLE SECTION OF HTHP WELLS AT HAI THACH FIELD, NAM CON SON BASIN

Hoang Thanh Tung, Nguyen Pham Huy Cuong, Tran Hong Nam, Le Quang Duyen, Dao Thi Uyen

Petrovietnam Drilling & Well Services Corporation (PV Drilling) 2Bien Dong Petroleum Operating Company (BIENDONG POC) 3Petrovietnam Exploration Production Corporation (PVEP) 4Hanoi University of Mining and Geology (HUMG)

Email: tunght@pvdrilling.com.vn

Summary

The selection of suitable drill bit can increase the rate of penetration (ROP) as well as drilling section depth, thereby reducing the operation cost of drilling wells and increasing economic efficiency. The article presents the methodology, calculations, selection criteria and design evaluation of suitable PDC bits to increase the ROP of the 8½" section for HTHP wells at Hai Thach field. The study results show that when using the optimum PDC bit as proposed for the 8½” section, the ROP has doubled compared to before. This has proven to be technically and economically feasible for the project and also opens a new direction for the selection of PDC bit for other fields with similar formation conditions and well profile.

Key words: Optimum drill bit, selection of optimised PDC bit, ROP, economic efficiency of bit selection.


Bình luận
Họ tên
Email
Mã xác nhận
 
 

Tin khác

Cơ quan chủ quản: Tập đoàn Dầu khí Việt Nam.
Trưởng ban biên tập: Đỗ Chí Thanh, Phó Tổng giám đốc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam. .
Số giấy phép: 176/GP-TTĐT, cấp ngày: 11/09/2019. Website: www.pvn.vn
Địa chỉ: Số 18 Láng Hạ, Hà Nội. Tel: (84-4) 38252526. Fax (84-4) 38265942
Liên hệ     |    Đánh giá     |    Sitemap     |    Điều khoản sử dụng
Phát triển bởi www.paic.pvn.vn