Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất áp suất do ma sát của dòng chất lỏng khoan trong khoảng không vành xuyến giếng khoan đứng

Nội dung text: Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất áp suất do ma sát của dòng chất lỏng khoan trong khoảng không vành xuyến giếng khoan đứng

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 42/4-2013, tr.64-70 CƠ ĐIỆN MỎ (trang 64-70) CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỔN THẤT ÁP SUẤT DO MA SÁT CỦA DÒNG CHẤT LỎNG KHOAN TRONG KHOẢNG KHÔNG VÀNH XUYẾN GIẾNG KHOAN ĐỨNG PHẠM ĐỨC THIÊN, Trường Đại học Mỏ-Địa chất Tóm tắt: Một trong những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả khoan các giếng khoan thăm dò, khai thác khoáng sản đó là quá trình tuần hoàn chất lỏng khoan. Trong bài báo này đề cập đến việc tính toán tổn thất áp suất do ma sát của dòng chất lỏng khoan chảy trong khoảng không vành xuyến trên cơ sở xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố như độ nhớt, trọng lượng riêng chất lỏng, trọng lượng riêng hạt mùn, vận tốc dòng chất lỏng, vận tốc cơ học khoan. Với kết quả xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố trên, từ đó có thể đề xuất các thông số hợp lý của dòng chất lỏng nhằm nâng cao hiệu quả khoan. 1. Đặt vấn đề trong đó:  - ứng suất trượt, Pa; k - hệ số đậm Trong quá trình khoan thăm dò và khai đặc, Pa.sn; S - gradient vận tốc, s-1; n - chỉ số thác dầu khí nói riêng và khoáng sản nói dòng chảy. Độ nhớt tương đương chất lỏng chung, một trong những yếu tố quan trọng ảnh Newton của dòng chất lỏng khoan chảy trong hưởng tới hiệu quả khoan đó là tuần hoàn dung khoảng không vành xuyến (KKVX) được xác dịch khoan làm mát bộ dụng cụ đáy và làm định [1]: sạch mùn khoan trên đáy giếng đồng thời vận nn2 21 n n chuyển ra khỏi giếng khoan. Trong quá trình 21n 1 DDh op n tuần hoàn dung dịch khoan luôn luôn có sự ma ea kv() 21n 32n 3n 1 sát với bề mặt thành giếng và dụng cụ khoan DDh op trong giếng tạo ra sự tổn thất áp suất do ma sát, , (2) làm giảm khả năng vận tải mùn của dòng chất ()DD22 lỏng khoan. Vấn đề đặt ra là cần xác định sự DD22 h op ảnh hưởng của các yếu tố đến tổn thất áp suất h op D ln h do ma sát, từ đó ta chọn được các thông số phù Dop hợp để tổn thất áp suất hợp lý nhằm tăng năng trong đó: suất khoan. µe - độ nhớt tương đương chất lỏng 2. Chất lỏng khoan và biểu thức tổn thất áp Newton, Pa.s; suất do ma sát va - vận tốc trung bình chất lỏng trong Chất lỏng khoan hiện nay chủ yếu là chất KKVX, m/s; lỏng phi Newton, tùy theo hóa phẩm pha chế Dop - đường kính ngoài cần khoan, m; mà có các mô hình chất lỏng khoan như Dh - đường kính thành lỗ khoan, m. Bingham, Power Law, Herschel Bulkley, Để xác định tổn thất áp suất do ma sát, xét Casson, Theo quy ước của Viện Dầu khí Mỹ một đoạn dòng chảy trong KKVX giếng đứng (API) chọn mô hình Power Law làm chất lỏng có chiều dài dl, lực tác động bao gồm áp lực, khoan tiêu chuẩn, chính vì vậy mà nội dung lực ma sát và trọng lực (hình 1). tiếp sau đây chỉ tính toán và đề cập đến chất Công thức tổng hợp các lực tác động lên lỏng khoan có mô hình là chất lỏng Power dòng chất lỏng khoan hỗn hợp trong KKVX : Law. Chất lỏng Power Law được mô tả bởi biểu P1 - P2 -T- FG =0 , (3) thức: Chuyển về các thông số dòng chảy, được: τ = k. Sn , (1) dp , (4) Aa  ms hd gAa dl 64
2. trong đó: với Re - số Reynolds, Re= hdva(Dh-Dop)/e. P1, P2 - áp lực ở mặt cắt 1-1, 2-2, N; Nếu thống nhất về hệ số ma sát của Darcy, T - lực ma sát nhớt chất lỏng, N; thì  = 4f, khi đó: FG - trọng lực; 1 2 dp ms hdva  , (10) N; - gradient áp suất (Gradp) trong 8 dl với λ - hệ số ma sát Darcy. KKVX, Pa/m; Công thức (4) có thể viết thành: ms - ứng suất ma sát, Pa; 1 Gradp   gA  , (11)  - chu vi ướt, m; A ms hd a G - gia tốc trọng trường, m/s2; a Công thức (11) thể hiện gradient áp suất A - tiết diện KKVX, m2; a phân bố trên dòng chảy chất lỏng khoan trong hd - khối lượng riêng hỗn hợp giữa chất 3 KKVX. Để đưa về gradient tổn thất áp suất do lỏng khoan với mùn khoan, kg/m . ma sát (tức tổn thất áp suất do ma sát trên một Khối lượng riêng hỗn hợp được xác định: đơn vị chiều dài giếng khoan), ta lấy gradient áp hd sCt L 1 Ct , (5) suất trừ đi cột áp thủy tĩnh trên 1m được trong đó: s , L - khối lượng riêng hạt mùn gradient tổn thất áp suất do ma sát. và chất lỏng khoan; Ct - tổng nồng độ mùn Từ công thức (11), được: khoan (%). 1 Gradp   gA  g , (12) P2 ms A ms hd a hd 2 2 a trong đó: Gradpms - gradient tổn thất áp suất do ma sát, Pa/m; hdg - cột áp thủy tĩnh trên 1m chiều dài thân giếng, Pa/m. dl T 3. Thông số cơ sở tính toán sự ảnh hưởng của FG các yếu tố đến tổn thất áp suất do ma sát Theo nghiên cứu của Mojis [4] về chất lỏng 1 1 P khoan gốc nước với hai loại chính là: nước cộng 1 sét với các phụ gia và nước biển cộng polymer Hình 1. Lực tác động lên đoạn dòng chảy trong với các phụ gia. Loại nước sét được dựa trên KKVX chất lỏng nền (CLN), pha chế gồm 15g Chu vi ướt được xác định: bentonite trong 350 ml nước (tương đương15  (D D ) , (6) h op lbm bentonite trong 1bbl nước) cộng thêm một Tổng nồng độ mùn khoan là hàm số của tốc lượng xút (NaOH) đủ để độ pH bằng 9. Thông độ cơ học khoan trung bình, được xác định: thường khi sử dụng trong khoan người ta cho v C CH , (7) thêm một hàm lượng nhất định KCL. t 2 2 Dc Dop Bảng 1. Thông số dữ liệu cơ sở (chọn dữ liệu cơ v v CH a D2 sở dựa trên CLN+2%KCl) c trong đó: Các thông số Giá trị Chỉ số chảy chất lỏng khoan (n) 0,32 Dc - đường kính danh nghĩa của choòng n khoan (m); Hệ số đậm đặc chất lỏng khoan (k) 1,37 Pa.s Đường kính giếng khoan 311,15 mm vCH - tốc độ cơ học khoan (m/s). Ứng suất ma sát xác định bởi: Đường kính ngoài cột cần khoan 127 mm 3 1 Khối lượng riêng mùn khoan 2600 kg/m  v 2f , (8) Khối lượng riêng chất lỏng 1100 kg/m3 ms 2 hd a Kích thước hạt mùn trung bình 5mm trong đó: f - hệ số ma sát Fanning, được cho bởi [2]: 0,005556m/s 0,7 Tốc độ cơ học khoan f 0,00454 0,645Re , (9) (20 m/h) 65
3. 4. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tổn thất áp suất do ma sát Để xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố đến tổn thất áp suất do ma sát của dòng chất lỏng khoan chảy trong KKVX giếng đứng, ta sử dụng các công thức (1, 2, 5, 7, 8, 9, 12), đồng thời dựa trên thông số dữ liệu cơ sở trong bảng 1. Quá trình tính toán được thực hiện bằng phần mềm Matlab. Để tính gradient tổn thất áp suất do ma sát của dòng chất lỏng trong KKVX, khi chạy chương trình tính toán, các thông số: vận tốc chất lỏng khoan trong KKVX, tính lưu biến của chất lỏng, khối lượng riêng mùn khoan, khối lượng riêng chất lỏng, kích thước hạt mùn, tốc độ cơ học khoan lần lượt được thay đổi, các thông số còn lại theo giá trị dữ liệu cơ sở. 4.1. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX khi vận tốc chất lỏng khoan thay đổi Sự ảnh hưởng của vận tốc chất lỏng khoan đến Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX được tính toán dựa vào thông số dữ liệu cơ sở, còn vận tốc chất lỏng cho thay đổi giá trị từ 0,1m/s đến 1,7m/s. Kết quả tính toán mô phỏng được thể hiện trên bảng 2 và hình 2. Bảng 2. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX khi va thay đổi va, m/s 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 Gradpms, Pa/m 2613 1025 677 541 482 459 459 474 501 3000 2500 2000 1500 1000 500 Gradient tổn thất áp suất masuấtPa/m sát, áp thất tổn Gradient 0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Vận tốc chất lỏng Va, m/s Hình 2. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX khi va thay đổi Theo bảng 2 và hình vẽ 2, ta thấy tổn thất áp suất do ma sát giảm nhanh khi giá trị vận tốc chất lỏng nhỏ, đặc biệt là vận tốc chất lỏng nhỏ hơn 0,4 m/s. Khi tiếp tục tăng vận tốc chất lỏng cường độ giảm tổn thất giảm dần, sự giảm này đạt đến giá trị vận tốc chất lỏng khoảng 1,3 m/s. Nếu tiếp tục tăng vận tốc chất lỏng thì tổn thất tăng theo. 4.2. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo tính lưu biến của chất lỏng Ảnh hưởng của tính lưu biến chất lỏng khoan đến gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX được tính toán theo các chất lỏng khoan sử dụng thể hiện trong bảng 3, chất lỏng được mô tả có độ nhớt khác nhau thông qua hệ số đậm đặc khác nhau, còn khối lương riêng và chỉ số dòng chảy giữ nguyên giá trị dữ liệu cơ sở. Độ nhớt tương đương Newton được tính toán nhờ công thức (2) và dữ liệu cơ sở trong bảng 1. Kết quả tính toán gradient tổn thất áp suất do ma sát thể hiện trong bảng 4. Bảng 3. Thông số lưu biến của các chất lỏng khoan khi thay đổi hệ số k Thông số CLCS Chất lỏng khoan A Chất lỏng khoan B Chất lỏng khoan C k (Pa.sn) 1,37 0,5 1,0 2,5 e (Pa.s) 0,5327 0,1944 0,3889 0,9721 66
4. Bảng 4. Gradpms trong KKVX theo tính lưu biến chất lỏng khoan khi va thay đổi. va, m/s 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 CLCS 2613 1025 677 541 482 459 459 474 501 Gradpms, Chất lỏng A 2605 1005 648 503 434 403 395 402 421 Pa/m Chất lỏng B 2610 1017 666 526 463 437 434 446 469 Chất lỏng C 2622 1045 708 581 531 517 526 549 584 Kết hợp bảng 3, bảng 4, ta được mối quan hệ giữa gradient tổn thất áp suất do ma sát và hệ số đậm đặc k như trên hình 3. 600 580 560 540 520 500 Gradient tổn thất âp suất masuấtPa/m sát, âp thất tổn Gradient 480 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5n 1,75 2 2,25 2,5 2,75 Hệ số đậm đặc k, Pa.s Hình 3. Gradpms trong KKVX theo tính lưu biến chất lỏng khoan tại va = 0,7 m/s Từ hình vẽ 3, ta thấy khi ở cùng giá trị vận tốc chất lỏng, tổn thất áp suất do ma sát tăng khi độ nhớt của chất lỏng tăng, cường độ tăng càng lớn khi ở độ nhớt cao. Khi vận tốc chất lỏng thay đổi thì quy luật thay đổi của tổn thất áp suất do ma sát cũng diễn ra như ở phần trên đã mô tả. 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 Gradient tổn thất áp suất ma sát, Pa/m sát, ma suất áp thất tổn Gradient 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Vận tốc chất lỏng Va, m/s CLCS Chất lỏng A Chất lỏng B Chất lỏng C Hình 4. Gradpms trong KKVX theo tính lưu biến chất lỏng khoan khi va thay đổi 67
5. 4.3. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo khối lượng riêng (KLR)chất lỏng Bảng 5. Gradpms trong KKVX theo KLR chất lỏng khoan khi va thay đổi va, m/s 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 3 L= 950 kg/m 2872 1120 733 578 505 474 465 472 491 Gradpms, 3 L= 1100 kg/m 2613 1025 677 541 482 459 459 474 501 Pa/m 3 L= 1300 kg/m 2268 897 602 491 448 439 450 476 512 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Gradient tổn thất áp suất masuấtPa/m sát, áp thất tổn Gradient Vận tốc chất lỏng, m/s KLR chất lỏng 950 kg/m3 KLR chất lỏng 1100 kg/m3 KLR chất lỏng 1300 kg/m3 Hình 5. Gradpms trong KKVX theo KLR chất lỏng khi va thay đổi Trên bảng 5 và hình 5, cho thấy ở vận tốc chất lỏng nhỏ thì tổn thất áp suất do ma sát của chất lỏng có KLR lớn nhỏ hơn so với chất lỏng có KLR nhỏ. Nhưng khi tăng vận tốc chất lỏng đến một giá trị nào đó thì chất lỏng có KLR càng lớn thì tổn thất áp suất do ma sát càng lớn. Còn quy luật theo vận tốc chất lỏng cũng vẫn như trên mô tả. 4.4. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo khối lượng riêng hạt mùn Khi tính toán Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo khối lượng riêng hạt mùn, ta thay đổi khối lượng riêng từ 2000kg/m3 và chọn vận tốc chất lỏng ở 0,7m/s. Kết quả tính toán mô phỏng được thể hiện trên bảng 6 và hình 6,7. Bảng 6. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo khối lượng riêng hạt trong giếng đứng ở va=0,7 m/s 3 p, kg/m 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Gradpms,Pa/m 366 424 483 541 600 658 900 750 600 450 300 150 0 Gradient tổn thất áp suất masuấtPa/m sát, áp thất tổn Gradient 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 Khối lương riêng hạt mùn, kg/m3 Hình 6. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo KLR hạt ở va=0,7 m/s Bảng 7. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo KLR hạt khi va thay đổi Va, m/s 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 3 p=2200 kg/m 1921 763 516 424 390 383 395 418 451 Gradpms, 3 p=2600 kg/m 2613 1025 677 541 482 459 459 474 501 Pa/m 3 p=3000 kg/m 3306 1287 839 658 573 535 524 530 550 68
6. 3000 2400 1800 1200 600 Gradient tổn thất áp suất masuấtPa/m sát, áp thất tổn Gradient 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Vận tốc chất lỏng Va, m/s KLR hạt mùn 2200 kg/m3 KLR hạt mùn 2600 kg/m3 KLR hạt mùn 3000 kg/m3 Hình 7. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo KLR hạt khi va thay đổi Khi khối lượng riêng hạt mùn tăng làm tổn thất áp suất do ma sát tăng, như trên hình 6 thể hiện sự tăng giữa hai đại lượng này quan hệ theo quy luật đường thẳng. 4.5. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo kích thước hạt mùn Khi tính toán Gradient tổn thất áp suất ma sát trong KKVX theo kích thước hạt mùn, ta cũng dựa vào thông số dữ liệu cơ sở và cho kích thước hạt thay đổi từ 1mm đến 9mm, kết quả tính toán mô phỏng thu được thể hiện trong bảng 8. Từ kết quả này chỉ ra rằng kích thước hạt không ảnh hưởng đến tổn thất áp suất do ma sát. Bảng 8. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo kích thước hạt mùn dp, mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Gradp,Pa/m 658 658 658 658 658 658 658 658 658 4.6. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo tốc độ cơ học khoan Để xác định sự ảnh hưởng của tốc độ cơ học khoan đến tổn thất áp suất do ma sát, chọn ba tốc độ khoan để tính toán là 10 m/h (0,002778 m/s), 20 m/h (0,005556m/s), 30 m/h (0,008333 m/s). Kết quả tính toán thể hiện trong bảng 9 và hình vẽ 8, 9. 1000 800 600 400 200 0 Gradient tổn thất áp suất masuấtPa/m sát, áp thất tổn Gradient 0 5 10 15 20 25 30 35 Tốc độ cơ học khoan, m/h Hình 8. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo vCH khi va = 0,7 m/s Bảng 9. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo vCH khi va thay đổi va, m/s 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 v = 10 m/h 1820 686 463 385 358 357 372 398 433 Gradp, CH v = 20 m/h 2613 1025 677 541 482 459 459 474 501 Pa/m CH vCH= 30 m/h 4551 1849 1200 924 784 709 673 661 666 69
7. 4800 4000 3200 2400 1600 800 Gradient tổn thất áp suất masuấtPa/m sát, áp thất tổn Gradient 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Vận tốc chất lỏng Va, m/s Tốc độ cơ học khoan 10 m/h Tốc độ cơ học khoan 20 m/h Tốc độ cơ học khoan 30 m/h Hình 9. Gradient tổn thất áp suất do ma sát trong KKVX theo vCH khi va thay đổi Tốc độ cơ học khoan thể hiện qua nồng độ tổn thất áp suất do ma sát hợp lý ta không nên hạt mùn trong dòng chảy chất lỏng khoan, tốc khoan ở vận tốc dòng chất lỏng trong KKVX độ cơ học khoan càng lớn thì nồng độ hạt càng nhỏ hơn 0,4 m/s và lớn hơn 1,3 m/s. lớn. Như trên hình 8, khi tốc độ cơ học khoan TÀI LIỆU THAM KHẢO tăng làm tổn thất áp suất do ma sát tăng, cường độ tăng tổn thất áp suất do ma sát càng lớn khi [1]. Phạm Đức Thiên, 2011. Độ nhớt tương tốc độ cơ học khoan càng lớn. đương Newton và phân biệt chế độ chảy của 5. Kết luận chất lỏng phi Newton trong cột cần và khoảng Từ kết quả nghiên cứu, tính toán trên ta có không vành xuyến giếng khoan. Tạp chí Khoa thể kết luận rằng: học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 33 tháng 01- - Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất áp suất 2011. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội. do ma sát bao gồm vận tốc chất lỏng trong [2]. Doron, P. and Barnea, D, 1993. A Three- KKVX, tính lưu biến chất lỏng, khối lượng Layer Model for Solid-Liquid Flow in riêng chất lỏng, KLR hạt mùn, tốc độ cơ học Horizontal Pipes, International Journal of khoan. Khi độ nhớt chất lỏng, KLR hạt mùn, Multiphase Flow, Vol. 19, No. 6,1993, p.1029- tốc độ cơ học khoan tăng làm tổn thất áp suất 1043. do ma sát tăng; [3]. EXLOG, 1985. Theory and application of - Vận tốc chất lỏng khoan là yếu tố ảnh drilling fluid hydraulics. International Human hưởng lớn nhất đến tổn thất áp suất do ma sát. Resources Development Corporation, Boston. Qua các hình vẽ và kết quả thể hiện ở trên, ta [4]. Jamal J. Azar, G. Robello Samuel , 2007. thấy nếu trong khoan sử dụng dòng chất lỏng Drilling Engineering. Tulsa, Oklahoma, USA. chảy trong KKVX có vận tốc nhỏ hơn 0,4 m/s [5]. Mojisola G.Enilari, 2005. Development and thì tổn thất áp suất do ma sát rất lớn, khi vận tốc eveluation of various drilling fluids for slime chất lỏng lớn hơn 1,3 m/s, tổn thất áp suất do hole wells, Master granduated, Norman, ma sát tăng khi vận tốc tăng. Do vậy, để giá trị Oklahoma. SUMARY Effects of parameters on friction pressure losses of driling fluid flow in vertical annulus well Pham Duc Thien, University of Mining and Geology Circulation drilling fluid are important respect effect on drilling efficiency of production and exploration wells. This paper, the author study effecting of paramerters as annulus velocity, fluid rheology, fluid density, cutting density, cutting size, and rate of pemetration on friction pressure losses. From that propose sensible parameters of drilling fluid flow to enhance drilling efficiency. 70