Phương pháp tiếp cận mới trong đánh giá hiệu suất làm việc của choòng khoan bằng “Nguyên lý năng lượng cơ học riêng”
THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ
PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT LÀM VIỆC
CỦA CHOÒNG KHOAN BẰNG “NGUYÊN LÝ NĂNG LƯỢNG
CƠ HỌC RIÊNG”
TSKH. Trần Xuân Đào1, ThS. Nguyễn Thái Sơn1
TS. Nguyễn Thế Vinh2
1Liên doanh Việt - Nga “Vietsovpetro”
2Đại học Mỏ - Địa chất
Email: daotx.rd@vietsov.com.vn
Tóm tắt
Đánh giá hiệu suất làm việc của choòng khoan có vai trò quan trọng trong việc lựa chọn choòng khoan và các chế
độ công nghệ phù hợp cho các khoảng khoan tiếp theo và cho các giếng khoan mới. Tốc độ cơ học khoan, vận tốc hiệp
khoan, thời gian làm việc của choòng, giá thành mét khoan… là những giá trị kinh tế kỹ thuật được sử dụng trong
phương pháp đánh giá hiệu suất làm việc của choòng khoan thông qua phương pháp thống kê đơn thuần. Phương
pháp tiếp cận mới trong đánh giá hiệu suất làm việc của choòng khoan bằng “Nguyên lý năng lượng cơ học riêng”
cho phép lựa chọn được các thể loại choòng khoan và chế độ công nghệ khoan phù hợp hơn đối với các khoảng khoan
khác nhau để đánh giá chính xác và trực tiếp hiệu suất phá hủy đất đá của choòng khoan.
Từ khóa: Choòng khoan, phá hủy đất đá, năng lượng cơ học riêng, PDC, UCS, MSE.
1. Các phương pháp đánh giá choòng khoan truyền
thống
TDR: Thời gian khoan;
TTR : Thời gian kéo thả;
Ft: Số mét khoan.
Việc lựa chọn choòng khoan và chế độ khoan (tải
trọng, vòng quay, thủy lực) được thực hiện theo nhiều
phương pháp như: Phân tích giá thành choòng khoan;
đánh giá độ mòn choòng khoan; phân tích báo cáo
choòng khoan của các giếng khoan lân cận; phân tích LOG
của các giếng khoan lân cận; mã choòng IADC; hướng dẫn
sản phẩm của nhà sản xuất; phân tích số liệu địa vật lý;
xem xét địa chất tổng quát.
Đối với các điều kiện thương mại đã cho (giá thành
choòng khoan; giá thành giàn khoan…), CPF phụ thuộc
rất nhiều vào tốc độ khoan và tuổi thọ choòng khoan. Việc
giảm thiểu CPF được thực hiện bằng cách điều chỉnh các
thông số khoan. Sử dụng choòng khoan với tải trọng, tốc
độ quay, thủy lực và tính chất dung dịch khoan hợp lý sẽ
đạt được giá thành mét khoan thấp nhất. Vì tải trọng và
tốc độ quay tỷ lệ nghịch với nhau, nghĩa là khi tăng giá trị
này thì cần giảm giá trị kia nên hai giá trị này thường xem
xét cùng nhau và được tối ưu hóa bằng việc giải tập hợp
các phương trình vi phân:
Đánh giá và tối ưu hóa việc sử dụng choòng khoan
được dựa trên những nguyên tắc như:
- Khoan với tốc độ cơ học cao nhất mà choòng
khoan có thể;
- Chọn chế độ khoan sao cho choòng khoan được
lâu nhất với tốc độ cơ học hợp lý;
dFt/dt = f1(WOB, RPM, FR, θ, DB)
dDB/dt = f2(WOB, RPM, FR, θ, DB)
dDO/dt = f3(WOB, RPM, FR, θ, DO)
СЗА = а4(СИб СКб ЕВКб ЕЕКб Ае)
- Xác định các điều kiện làm việc tối ưu sao cho giá
thành mét khoan thấp nhất.
Trong đó:
Giá thành mét khoan thấp nhất là nguyên tắc đánh
giá được ưu tiên nhất cho đến nay.
FR: Lưu lượng bơm;
Giá thành mét khoan [2]:
CPF = [CB + CR (TDR+TTR)]/Ft
Trong đó:
: Yếu tố ảnh hưởng bởi đất đá, loại choòng khoan,
tính chất dung dịch, bộ khoan cụ...;
DB: Chiều cao răng choòng đã bị mòn;
DO: Tuổi thọ của ổ bi.
CB: Giá thành choòng khoan;
CR : Giá thành giàn khoan;
Phương trình đầu tiên được gọi là “Phương trình đặc
DẦU KHÍ - SỐ 2/2015
8
PETROVIETNAM
trưng khoan”. Có rất nhiều tác giả trong ngành khoan
đã xây dựng “Phương trình đặc trưng khoan” như Galle-
Woods, J.H.Allen, M.A. Simpson, Prestone-Moore, Young-
Don Murphy, Bourgoyne-Young, V.S. Fedorov, G.D.Brevdo,
R.Teale [4]. Sử dụng nguyên lý năng lượng cơ học riêng
kết hợp giá trị độ bền nén của đất đá UCS có thể đánh giá
trực tiếp các vấn đề gây hạn chế hiệu quả làm việc của
choòng khoan, đồng thời giúp đưa ra được các đề xuất
hợp lý trong việc sử dụng choòng khoan PDC.
A.V.Orlov... [1].
a
⎛
⎜
⎞
⎟
K
Đã có rất nhiều ứng dụng nguyên lý năng lượng cơ
học riêng trên thế giới trong việc đánh giá hiệu quả sử
dụng choòng khoan [3, 6]. Tại giếng SV-8PI bể Nam Côn
Sơn, Công ty Liên doanh Điều hành Cửu Long (Cuu Long
JOC) xây dựng đường MSE giúp xác định được khoảng
khoan áp dụng cho từng loại choòng khoan PDC. Tại
giếng SV-6PST, SV-3P, SV-7P thuộc Cuu Long JOC xây
dựng đường MSE cho choòng khoan 16” MLX-1X, T11C,
CR1GHMRS giúp xác định khoảng giá trị độ cắm ngập của
răng choòng khoan mang lại hiệu quả cao nhất.
Galle-Woods: ROP∞
⎜
⎟
2
⎜
⎟
⎠
0,928×Dg +6×Dg +1
⎝
Bourgoyne-Young: ROP∞K(e− a× Dg
)
Dg: Độ mòn theo IADC;
a, K: Các hệ số thực nghiệm theo từng mỏ.
Các chuyên gia của Liên doanh Việt - Nga
“Vietsovpetro” bằng nhiều cách khác nhau đã xây dựng
được “Phương trình đặc trưng khoan”. Ví dụ các tác giả
Đặng Của, Vũ Thiện Lương, Nguyễn Thành Trường [2] đã
xây dựng phương trình dựa trên phương pháp thống kê
từ các số liệu thu được trạm đo Geoservice; tác giả Trần
Xuân Đào đã xây dựng phương trình bằng việc sử dụng
“Phân tích ánh xạ”và “Lý thuyết tập hợp mờ”[1].
Từ những tính ưu việt của phương pháp MSE cũng
như ứng dụng hiệu quả MSE trong việc đánh giá choòng
khoan ở Việt Nam cũng như trên thế giới, nhóm tác giả đã
ứng dụng cho điều kiện ở Vietsovpetro, mở ra hướng đi
mới rất thiết thực.
Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống chỉ đánh
giá một cách tổng thể cho một khoảng khoan, chỉ đưa ra
mối tương quan vật lý giữa chế độ khoan và tốc độ cơ học
khoan ROP. Ngoài ra, trong các phương trình trên không
tính đến sự thay đổi đất đá, yếu tố ảnh hưởng bởi đất đá
trong“Phương trình đặc trưng khoan”là không đổi nên ảnh
hưởng nhiều đến kết quả tính toán, không thể hiện được
bản chất năng lượng phá vỡ đất đá, không thể giúp nhận
biết, đánh giá trực tiếp được các vấn đề gây hạn chế hiệu
quả làm việc của choòng khoan như bó choòng, bó đáy
giếng khoan, sự mòn của răng, sự rung tại choòng khoan…
2.1. Cơ học choòng khoan PDC
Với mục đích nghiên cứu sử dụng MSE như một công
cụ để đánh giá hiệu quả làm việc của choòng khoan trước
hết cần thiết lập cái nhìn tổng thể về phương thức sử
dụng choòng khoan và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu
quả làm việc.
Xem xét đường cong thể hiện cơ chế làm việc của
choòng khoan (Hình 1). Đường cong thể hiện mối liên hệ
giữa tải trọng lên choòng khoan (WOB) và tốc độ cơ học
khoan (ROP) được chia ra làm 3 vùng:
2. Nguyên lý năng lượng cơ học riêng (MSE)
- Vùng I: Hiệu suất bị hạn chế do độ cắm ngập của
răng thấp khi tải trọng lên choòng khoan chưa đủ. Mối
liên hệ giữa độ cắm ngập của răng (DOC) và tính hiệu quả
của choòng khoan (EFF) được thể hiện ở Hình 2.
Năng lượng cơ học riêng là năng lượng cơ học của
hệ thống khoan dùng để phá vỡ một đơn vị thể tích đất
đá. Khái niệm năng lượng cơ học riêng được đưa ra bởi
100
Hiệu suất tiềm năng của choòng
Vùng III:“Điểm rơi”
+ Bó choòng
+ Bó đáy giếng
+ Sự rung tại choòng
+ Mòn choòng
Insert Bit
35 - 40%
Tăng hiệu quả làm việc của
choòng bằng cách điều chỉnh
các đặc tính, chế độ nhằm nâng
“điểm rơi”
PDC
30 - 35%
Vùng II: Choòng khoan làm việc hiệu quả
0
Vùng I: Độ cắm của răng (DOC) không hợp lý
Độ cắm của răng (DOC) (~ WOB)
Tải trọng lên choòng
Hình 2. Mối liên hệ giữa độ cắm ngập của răng (DOC) và tính hiệu quả
Hình 1. Đồ thị thể hiện cơ chế làm việc của choòng
của choòng khoan (EFF)
DẦU KHÍ - SỐ 2/2015
9
THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ
Khi tải trọng lên choòng khoan tăng thì độ cắm ngập
của răng sẽ tăng, đến một giá trị choòng khoan sẽ đạt
ngưỡng hiệu quả. Tuy nhiên nếu độ cắm ngập của răng
không hợp lý, hiệu quả truyền năng lượng còn thấp hơn.
lượng phá hủy đất đá (Er) + Năng lượng tổn hao tại
choòng khoan (El)
Năng lượng phá hủy đất đá (Er) + Năng lượng tổn hao
tại choòng khoan (El) = 35%E
- Vùng II được bắt đầu khi giá trị độ cắm ngập của
răng hợp lý, choòng khoan làm việc hiệu quả. Trong cả
vùng II, tải trọng lên choòng khoan tăng tuyến tính với
tốc độ cơ học khoan. Khi tải trọng lên choòng khoan tăng
đến một giá trị lớn, năng lượng được sử dụng nhưng
đồng thời tốc độ cơ học khoan tăng nên tính hiệu quả của
choòng khoan khi đó được duy trì ở giá trị không đổi thể
hiện ở tính ổn định của độ dốc đường thẳng. Trong vùng
II không có sự ảnh hưởng của sự thay đổi môi trường làm
việc lên tính hiệu quả của choòng khoan. Ví dụ như thay
đổi về dung dịch khoan, thủy lực không làm thay đổi tốc
độ cơ học khoan. Muốn tăng tốc độ cơ học khoan phải
tăng tải trọng lên choòng khoan hoặc tần số quay, nghĩa
là cần tăng năng lượng đầu vào.
Năng lượng phá hủy đất đá (Er) = 35% Năng lượng
đầu vào (E) - Năng lượng tổn hao tại choòng khoan (El)
Năng lượng phá hủy đất đá (Er) ≤ 35% Năng lượng
đầu vào
Năng lượng phá hủy đất đá (Er)/Thể tích đất đá được
phá vỡ (V) ≤ 35% Năng lượng đầu vào (E)/Thể tích đất đá
được phá vỡ (V)
Độ bền nén đất đá (UCS) ≤ Năng lượng cơ học riêng
tại choòng khoan (MSEb)
EFF = UCS/MSEb ≤ 1 - Tính hiệu quả của choòng khoan
Hiệu quả làm việc được đánh giá dựa trên tốc độ cơ
học khoan (ROP) và tuổi thọ của choòng khoan.
- Vùng III: Từ “điểm rơi” tốc độ cơ học khoan bắt đầu
không tỷ lệ tuyến tính với tải trọng lên choòng khoan,
năng lượng truyền từ choòng khoan tới đất đá bị hạn chế.
Tốc độ cơ học khoan tại “điểm rơi” gần với giá trị cao nhất
hệ thống có thể đạt được. Do vậy, để tăng tốc độ cơ học
khoan cần phải thiết kế lại để nâng “điểm rơi”, tăng khả
năng truyền năng lượng vào đất đá.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc
choòng khoan:
Chế độ khoan: Tải trọng lên choòng khoan (WOB),
tần số quay (RPM), lưu lượng bơm (Q).
Phức tạp khi khoan: Bó choòng, bó đáy giếng, rung
choòng, mòn choòng, đất đá thay đổi, xen kẹp.
Yếu tố để xác định tốc độ cơ học khoan có thể chia
thành các loại như sau:
Thiết kế của choòng khoan: Hình dạng, mật độ răng,
số cánh, độ cắm ngập răng (DOC), tính ổn định choòng,
tính xâm nhập của choòng (aggressiveness), độ bền răng,
thủy lực choòng khoan.
- Yếu tố làm tăng tính không hiệu quả (gây “điểm
rơi”) gồm: bó choòng khoan, bó đáy giếng khoan, rung
choòng khoan, mòn choòng khoan.
Xem xét các yếu tố gây “điểm rơi”:
- Yếu tố hạn chế năng lượng đầu vào như moment
lắp cần khoan, áp suất máy bơm khoan, chênh áp ở động
cơ, quỹ đạo giếng khoan, bộ khoan cụ, công suất động
cơ treo…
Rung choòng (vibration) là một trong những nguyên
nhân chính dẫn đến hư choòng khoan, thiết bị khoan.
Có 3 dạng rung chính:
+ Rung dọc (sự nảy lên): Xảy ra khi khoan vào đất
đá cứng, hoặc thay đổi từ mềm sang cứng. Tải trọng lên
choòng khoan, độ cắm ngập của răng không hợp lý và
choòng khoan không ổn định
2.2. Hiệu quả làm việc choòng khoan PDC
Tính hiệu quả (EFF) được tính bằng việc so sánh năng
lượng để phá hủy một đơn vị thể tích đất đá với năng
lượng sử dụng bởi choòng khoan (năng lượng được
truyền đến choòng khoan). Choòng khoan có xu hướng
sử dụng 30 - 40% năng lượng đầu vào cho quá trình phá
hủy đất đá ngay cả khi đạt hiệu suất làm việc cao nhất.
+ Rung xoắn (xoắn trượt): Tần số quay tại choòng
không ổn định, xảy ra khi tần số quay bề mặt lớn, tải trọng
lên choòng khoan lớn, không kiểm soát độ cắm ngập của
răng, đất đá thay đổi cứng sang mềm.
Năng lượng sử dụng bởi choòng khoan (Eb) ≤ 30% -
40% Năng lượng đầu vào (E)
+ Rung ngang (xoay tít): Tần số quay lớn, tải trọng lên
choòng khoan và độ cắm ngập của răng thấp, khoan đất
đá cứng. Răng không cắm sâu vào đất đá, choòng xoay tít
trên bề mặt.
Eb = 35%E
Năng lượng sử dụng bởi choòng khoan (Eb) = Năng
DẦU KHÍ - SỐ 2/2015
10
PETROVIETNAM
Bó choòng: Đất đá bám vào cánh, thân hay bề mặt
của răng làm cho tốc độ cơ học khoan giảm. Nguyên nhân
do đất đá dẻo, dính, thủy lực không hợp lý, choòng không
phù hợp, dung dịch không phù hợp. Choòng khoan có
thể bị hoặc không bị phá hủy vật lý.
riêng MSE là một tỷ lệ thể hiện mối liên hệ giữa năng lượng
đầu vào của hệ thống khoan và tốc độ cơ học khoan.
Như đã trình bày ở trên, choòng khoan có xu hướng chỉ
sử dụng 30 - 40% năng lượng đầu vào cho quá trình phá hủy
đất đá ngay cả khi đạt hiệu suất làm việc cao nhất. Vì vậy,
năng lượng cơ học riêng tại choòng MSEb = 30 - 40%MSE.
Mòn choòng: Có rất nhiều dạng mòn choòng như
vỡ răng, mẻ răng, rạn do nhiệt, vỡ matrix, mòn răng, tuột
răng, tắc vòi phun…
Công thức năng lượng cơ học riêng tại choòng MSEb [4]:
480 ×Tor × RPM 4 ×WOB
⎛
⎜
⎞
⎟
Mòn choòng dẫn đến tốc độ cơ học khoan giảm, hiệu
quả khoan kém. Mỗi dạng mòn choòng đều có nguyên
nhân và dấu hiệu riêng.
MSEb = 0,35×
+
2
2
d × ROP
d ×
Π
⎝
⎠
Trong đó:
2.3. Độ bền nén đất đá (UCS)
ROP: Tốc độ cơ học khoan (ft/giờ);
RPM: Tốc độ quay (vòng/phút);
Tor: Moment quay (ft*lbs);
Độ bền nén không bị hạn chế (trên bề mặt) của đất
đá. Đây là thông số cơ bản nhất, dùng để dự báo khả năng
khoan của đất đá [4].
WOB: Tải trọng lên choòng khoan (lbs);
d: Đường kính choòng khoan (inch).
Độ bền nén được xác định bằng tải trọng lớn nhất tại
thời điểm mẫu đá bị phá vỡ trên đơn vị diện tích.
Theo công thức trên, năng lượng cơ học riêng tại
choòng MSEb chấp nhận sử dụng hệ số 0,35, coi như
choòng khoan chỉ sử dụng 35% năng lượng đầu vào của
hệ thống. Đây là con số thực nghiệm. Nếu các thông số
khoan RPM, TORQ, WOB đo được tại choòng thì trực tiếp
thay vào công thức trên, khi đó MSEb tính được không
cần hệ số.
F
A
σc
=
: Độ bền nén UCS (psi);
F: Tải trọng tối đa gây phá vỡ mẫu đá (lbs);
A: Tiết diện ngang của mẫu đá (in2).
Độ bền nén được đo trong phòng thí nghiệm bằng
nhiều phương pháp.
2.5. Ứng dụng MSE
Ngoài ra, độ bền nén đất đá được tính bằng cách sử
dụng các giá trị vận tốc sóng âm truyền trong đất đá đo
được từ tài liệu đo Sonic (DTc) của địa vật lý giếng khoan.
Liên kết giá trị MSE với đường cong ở Hình 1, trong
vùng II độ dốc của đường cong ổn định thể hiện tỷ lệ năng
lượng đầu vào (tải trọng lên choòng khoan) trên tốc độ cơ
học khoan là không đổi. Vì năng lượng cơ học riêng bằng
tỷ lệ này nên đây cũng là một giá trị không đổi. Khi choòng
khoan làm việc trong vùng I và III một giá trị năng lượng
không cân đối được sử dụng để tạo ROP. Từ đó cho thấy,
nếu năng lượng cơ học riêng là giá trị không đổi choòng
khoan làm việc hiệu quả và hoạt động trong vùng II. Nếu
năng lượng cơ học riêng tăng hệ thống đạt“điểm rơi”.
UCS = 1,2 x (1.000/DTs)4 + 60,5 x (1.000/DTs)2 (psi)
Giá trị DTs được tính toán và xác định thông qua việc sử
dụng các số đo địa vật lý như: Gamma ray (GR), Bulk density
(RHOB), Neutron porosity (NPHI) và tài liệu đo Sonic (DTc)
để xác định thành phần thạch học, cụ thể đối với Anhydrite
có tỷ lệ DTs/DTc bằng 2,4; tương tự với Limestone là 1,9;
Dolomite- 1,8; Shale- 1,7; Sandstone- 1,6. Sau khi tính được
DTs, đưa vào công thức trên xây dựng được giá trị UCS.
Năng lượng cần thiết để phá hủy một thể tích đất đá
được xác định bởi độ bền nén của nó. Số liệu từ các thí
nghiệm khoan được tiến hành trong phòng thí nghiệm
cho thấy giá trị năng lượng cơ học riêng tại choòng khoan
(MSEb) bằng với độ bền nén. Điều đó đưa ra một luận
điểm về tính hiệu quả của choòng khoan: nếu giá trị thực
tế MSEb gần với độ bền nén, choòng khoan làm việc hiệu
quả, nếu không hiệu quả thì có sự thất thoát năng lượng.
Từ những lập luận trên, ta thấy có thể sử dụng năng lượng
cơ học riêng tại choòng khoan như là một công cụ để
đánh giá hiệu quả của choòng khoan dựa trên 2 hướng:
Trong đó:
DTs: Sonic ngang (μs/ft);
DTc: Sonic dọc (μs/ft).
2.4. Năng lượng cơ học riêng
Năng lượng cơ học riêng MSE là năng lượng cơ học
của hệ thống khoan dùng để phá vỡ một đơn vị thể tích
đất đá [4], được sử dụng để tìm “điểm rơi” của hệ thống và
các nguyên nhân gây nên “điểm rơi”. Năng lượng cơ học
DẦU KHÍ - SỐ 2/2015
11
THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ
- Quan sát xu hướng biến đổi của giá trị
MSEb;
Tìm cực trị của hàm số 2 biến: Min(MSE) = Min f(WOB, RPM) theo
điều kiện:
-α ×x
× WOB−1 ×RPM 0,5
×(1-x)
- So sánh giá trị MSEb với UCS, tính EFF =
UCS/MSEb.
β
γ
+1− ×RPM =
1
−
0
f’(WOB) = 0
β
2.6. Hoàn thiện chế độ khoan cho choòng PDC
Ø311mm theo từng khoảng trong địa tầng Mio-
cene dưới và Oligocene mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi
α
×(1− y)
×WOB−1 × RPM0,5
f’(RPM) = 0
β
×(0,5- y)
γ
×(0,5 + y)
1
Lựa chọn choòng khoan PDC dựa trên
nguyên lý Năng lượng cơ học riêng, như đã phân
tích ở trên, nếu giá trị năng lượng cơ học riêng
thấp thì choòng khoan sẽ làm việc hiệu quả. Vì
thế, việc hoàn thiện chế độ khoan cho choòng
PDC đồng nghĩa với việc tìm chế độ khoan (tải
trọng, vòng quay, lưu lượng) sao cho giá trị năng
lượng cơ học riêng thấp nhất. Xây dựng mô hình
tính Năng lượng cơ học riêng theo các biến tải
trọng lên choòng (WOB) và tốc độ quay (RPM):
MSE = f (WOB, RPM). Công thức tính Năng lượng
cơ học riêng [4]:
+1+
× RPM− = 0
β
×(0,5 − y)
Giải hệ phương trình trên thu được:
RPM 0,5
γ
1
−
y −1,5x
α ×x
β × (1−x)
;
RPM= ×(
)
WOB =
× (
)
γ
1− ×RPM−1
β
1
−
y − 0,5x
β
Xây dựng mô hình tốc độ cơ học khoan ROP = cho từng khoảng
khoan dựa trên số liệu thực tế để tìm các giá trị k, x, y.
Cho tập hợp (WOB1, RPM1, ROP1)...(WOBn, RPMn, ROPn)
Đường ROP = k × WOBX × RPMY đi qua tập hợp điểm với tổng
bình phương khoảng cách nhỏ nhất [2]:
480 × Tor × RPM
[n
×
N3
−
T2
[n
×
×
T3]
M2
×
[n
×
M1
−
T12]
M1
−
[n
×
N1
−
T1
×
T2]
×
[n
×
N2
−
T1×T3]
MSE =
(psi)
d2 × ROP
y
=
−
T22 ]×[n
×
−
T12 ]
−
[n
×
N1
−
T1
×
T2]2
Trong đó, moment xoắn (Tor) và tốc độ cơ
học khoan (ROP) sử dụng các mô hình sau [5]:
[n
×
N2
−
T1
×
T3]
−
y×[n
×
T12
N1 T1× T2]
−
x =
Mô hình moment xoắn:
n
×
M1
−
A × (3× RPM −150) × WOB
T3
−
x
×
T1 y×
−
T2
Tor =
T +
RPM1,5
lnk =
n
Trong đó:
M1 = ∑ ln2(WOBi) = ln2(WOB1) + ... + ln2(WOBn);
M2 = ∑ ln2(RPMi) = ln2(RPM1) + ... + ln2(RPMn);
M3 = ∑ ln2(ROPi) = ln2(ROP1) + ... + ln2(ROPn);
T1 = ∑ ln(WOBi) = ln(WOB1) + ... + ln(WOBn);
T2 = ∑ ln(RPMi) = ln(RPM1) + ... + ln(RPMn);
T3 = ∑ ln(ROPi) = ln(ROP1) + ... + ln(ROPn);
T: Moment xoắn không phụ thuộc tải trọng,
sinh ra do ma sát choòng khoan với dung dịch và
thành giếng;
A: Hệ số phụ thuộc đường kính choòng
khoan.
Mô hình tốc độ cơ học khoan (ROP) [1]:
ROP = k × WOBX × RPMY
N1 = ∑ ln(WOBi) x ln(RPMi) = ln(WOB1) x ln(RPM1) + ... +
Thay phương trình ROP và RPM vào công
thức Năng lượng cơ học riêng, sau khi chuyển
đổi đơn vị ta thu được:
ln(WOBn) x ln(RPMn);
N2 = ∑ ln(WOBi) x ln(ROPi) = ln(WOB1) x ln(ROP1) + ... + ln(WOBn)
x ln(ROPn);
0,7×T
21×A
1−X
MSE =
WOB−X × RPM1−Y
+
WOB
k
k
N3 = ∑ ln(RPMi) x ln(ROPi) = ln(RPM1) x ln(ROP1) + ... + ln(RPMn) x
ln(ROPn).
1.050× A
× RPM0,5−Y
−
WOB1−X × RPM−0,5−Y
k
Sau khi thiết lập các công thức tính toán trong Excel cho từng
khoảng khoan, nhóm tác giả đã xác định các thông số chế độ khoan
tối ưu cho từng khoảng khoan (Bảng 1).
0,7× T
21× A
1.050× A
,
,
Đặt
α
=
β
−
=
γ
=
β
k
k
k
thu được:
MSE =
α
× WOB X × RPM1−Y
+
× WOB1−X
× RPM0,5−Y
−
γ
× WOB1 −X × RPM −0,5 −Y
DẦU KHÍ - SỐ 2/2015
12
PETROVIETNAM
Bảng 1. Kết quả tính toán hệ số thực nghiệm của mô hình tốc độ cơ học khoan và các thông số
Phương pháp tiếp cận mới trong đánh giá hiệu suất
làm việc của choòng khoan bằng“Nguyên lý năng lượng
cơ học riêng (MSE)”cho phép phân tích và đánh giá hiệu
quả sử dụng choòng khoan PDC, giúp nhận biết được
các yếu tố hạn chế hiệu quả làm việc của choòng khoan
để có thể điều chỉnh các thông số chế độ khoan và tính
chất của dung dịch khoan thích hợp.
chế độ công nghệ khoan tối ưu cho từng khoảng khoan
Khoảng khoan
Từ SH-3
Từ SH-5
Từ SH-8 đến
Thông số
đến SH-5
đến SH-8
nóc móng
k
x
y
T
A
α
β
γ
0,06
0,04
0,02
0,78
0,8
0,83
0,94
0,97
0,98
700
700
135
12250
70875
3543750
700
135
24500
141750
7087500
135
8167
Tài liệu tham khảo
47250
2362500
0,06 × WOB0,78 0,04 × WOB0,8 0,02 × WOB0,83
1. Trần Xuân Đào. Thiết kế công nghệ khoan các giếng
dầu khí. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2007.
Mô hình tốc độ
cơ học khoan
Tốc độ quay
(vòng/phút)
× RPM0,94
168
× RPM0,97
158
× RPM0,98
155
2. Dinh Huu Khang, Vu Thien Luong, Nguyen
Thanh Truong. Bit selection/optimization in drilling
Hard/Abrasive granite Vietsovpetro’s fields. Ha Noi 2002.
Tải trọng lên
choòng khoan (tấn)
11
13
16
Kết quả tính tốc độ
cơ học khoan (m/giờ)
49
42
27
3. Fred E.Dupriest, Joseph William Witt, Stephen
MatthewRemmert. MaximizingROPwithreal-timeanalysis
of digital data MSE. International Petroleum Technology
Conference, Doha, Qatar. 21 - 23 November, 2005.
MSEmin (psi)
7.612
9.325
16.381
3. Kết luận
Từ kết quả phân tích, đánh giá và nghiên cứu các số liệu thực
tế tại mỏ Nam Rồng - Đồi Mồi, nhóm tác giả đưa ra một số kết luận:
4. R.Teale. The concept of specific energy in rock
drilling. International Journal of Rock Mechanics and
Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1965; 2(1):
p. 57 - 73.
Khoảng khoan đường kính 311mm được chia ra làm hai phần:
Từ SH-3 đến SH-8 phù hợp với choòng khoan PDC QD605X,
MRS519HBPX, MD519LHBPX. Trong đó, từ SH-3 đến SH-5 chế
độ khoan tối ưu với tải trọng 10 - 11 tấn, tốc độ quay 167 - 168
vòng/phút, lưu lượng 60 - 63 lít/giây, từ SH-5 đến SH-8 chế độ
khoan: 12 - 13 tấn, 157 - 158 vòng/phút, 60 - 63 lít/giây.
5. А.И. Спивак, А.Н. Попов - Разрушение горных
пород при бурении скважин.
6. Robert J.Waughman, John V.Kenner, Ross
A.Moore. Real-time specific energy monitoring reveals
drilling inefficiency and enhances the understanding
of when to pull worn PDC bits. IADC/SPE Drilling
Conference, Dallas, Texas. 26 - 28 February, 2002.
- Từ SH-8 đến nóc móng với các lớp cát và sét kết cứng mềm
xen kẹp, phù hợp với choòng PDC MDSi519LHBPXX, QD605X với
chế độ khoan: tải trọng 15 - 16 tấn, tốc độ quay 154 - 155 vòng/
phút, lưu lượng 54 - 56 lít/giây.
New approach to drill bit performance evaluation
with "Mechanical Specific Energy-MSE"
Tran Xuan Dao1, Nguyen Thai Son1, Nguyen The Vinh2
1Vietsovpetro
2University of Mining and Geology
Summary
The evaluation of the drill bit performance is very important in the selection of bit type and drilling practice parameters
for the next bit run and coming new wells. The rate of penetration, bit life, and cost per metre, etc... are the technical and
economic values which are used to measure the performance of bit through a conventionally statistical method. The
new approach to bit performance evaluation with "Mechanical Specific Energy (MSE)" allows the engineer to select the
right bit type and drilling parameters for various drilling intervals to get an accurate assessment of the bit performance
and direct destruction of rock.
Key words: Rock bit, destruction of rock, PDC, UCS, MSE.
DẦU KHÍ - SỐ 2/2015
13
6 trang
16/04/2022
2480
Bạn đang xem tài liệu "Phương pháp tiếp cận mới trong đánh giá hiệu suất làm việc của choòng khoan bằng “Nguyên lý năng lượng cơ học riêng”", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- phuong_phap_tiep_can_moi_trong_danh_gia_hieu_suat_lam_viec_c.pdf
