Tóm tắt

Trong quá trình thi công giếng khoan, thời gian khoan của choòng khoan chịu ảnh hưởng bởi rất nhiều thông số như: tải trọng thực lên choòng, chiều sâu của giếng khoan, tốc độ vòng quay, lưu lượng nước rửa, tính chất của đất đá, tính chất của dung dịch khoan sử dụng. Vì vậy, cần phải xây dựng chính xác mô hình thời gian làm việc của choòng khoan cho đối tượng khoan móng. Nếu không đánh giá chính xác thời gian làm việc của choòng khoan, trong quá trình thi công khoan sẽ gặp các sự cố như choòng mất chóp, tốc độ khoan chậm, làm tăng chi phí giá thành khoan. Bài báo đề xuất xây dựng mô hình thời gian làm việc của choòng cho đối tượng khoan móng với độ tin cậy cao bằng phương pháp toán thống kê, từ đó đánh giá các thông số khác nhau ảnh hưởng tới thời gian làm việc của choòng bằng phương pháp phân tích hồi quy đa biến.

Từ khóa: Thời gian khoan của choòng, các thông số khác nhau, phần mềm toán thống kê, phân tích hồi quy đa biến.

1.Mô hình đánh giá ảnh hưởng của tải trọng lên choòng tới tốc độ mài mòn của choòng khoan

Galle và Woods đã đưa ra mô hình đánh giá ảnh hưởng của tải trọng lên choòng tới tốc độ mài mòn tức thời của choòng khoan theo dạng như sau [1]:

Điều kiện có tốc độ mài mòn của choòng khi:

Theo mô hình tốc độ mài mòn của choòng khoan (1), khi tải trọng lên choòng tăng dẫn tới tốc độ mài mòn nhanh hơn, thời gian mòn choòng nhanh hơn.

Tốc độ mài mòn của choòng khoan ứng với các tải trọng lên choòng khác nhau và được biểu diễn trong một hệ thống tính toán tốc độ mài mòn của choòng. Ở các tải trọng lên choòng khác nhau thì tốc độ mài mòn của choòng được biểu diễn trong một điều kiện biên nhất định của tải trọng lên choòng là 4.000lbf/inch. Mô hình sẽ có dạng như sau:

Trong điều kiện biên của tải trọng lên  choòng  lớn nhất và điều kiện biên tải trọng lên choòng tối thiểu tại 4.000lbf/inch, mô hình tốc độ mài mòn của choòng được biểu diễn dưới dạng:

Như vậy tải trọng lên choòng tăng, dẫn tới tốc độ mài mòn của choòng tăng theo, thời gian khoan của choòng sẽ giảm.

2.Mô hình ảnh hưởng của tốc độ vòng quay tới tốc độ mài mòn của choòng [1]

Galle và Woods đã biểu diễn mối liên hệ tức thời của tốc độ mài mòn choòng khoan với tốc độ vòng quay của choòng khoan theo mô hình [1]:

Có nhiều nghiên cứu gần đây đã đưa ra mối liên hệ của tốc độ vòng quay tới độ mài mòn tức thời của choòng khoan theo mô hình sau:

Giá trị H1, H2 hằng số ứng với các loại choòng khoan khác nhau. Galle và Woods đưa ra mối liên hệ giữa tốc độ mài mòn choòng tức thời với tốc độ vòng quay cho loại choòng khoan Milled-tooth cho khoan đất đá mềm. Trong điều kiện biên tốc độ vòng quay tại 60 vòng/phút [1], tốc độ mài mòn choòng được biểu diễn như  sau:

Như vậy, tốc độ vòng quay của choòng khoan   tăng thì tốc độ mài mòn của choòng sẽ tăng và thời gian khoan sẽ giảm.

3. Ảnh hưởng của lưu lượng nước rửa tới tốc độ mài mòn của choòng khoan [1]

Ảnh hưởng của lưu lượng nước rửa tới hiệu quả làm sạch mùn khoan ở đáy giếng, làm mát choòng khoan đối với choòng khoan kim cương rất quan trọng so với mức độ ảnh hưởng của lưu lượng nước rửa tới choòng khoan chóp xoay. Hệ dung dịch khoan có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian khoan của choòng khoan. Nếu hệ dung dịch khoan không đáp ứng đủ để bảo đảm làm mát choòng khoan, dẫn đến nhiệt độ sinh ra do ma sát giữa choòng khoan với việc phá hủy đất đá tại đáy giếng tăng lên, làm thay đổi tính chất của các răng choòng khoan kim cương. Nếu thủy lực khoan tại choòng khoan không được tối ưu sẽ làm giảm tốc độ khoan và tăng tốc độ mài mòn của choòng khoan ở đáy giếng khoan, thời gian khoan của choòng sẽ giảm nhanh hơn so với chương trình thủy lực khoan đã được tối ưu.

4. Mô hình giá thành khoan

Mô hình giá thành khoan thực tế rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, thông số. Về mặt kỹ thuật, mô hình cơ bản của giá thành khoan trung bình được biểu diễn như sau:

Trong đó:

CPF: Giá thành khoan trung bình (USD/m); ROP: Tốc độ cơ học khoan (m/giờ);

CB: Giá thành của choòng khoan được sử dụng (USD); Cr: Giá thành thuê giàn khoan  (USD/giờ);

Td: Thời gian khoan của choòng khoan (giờ);

Tc: Thời gian nối cần khoan (giờ); F: Số mét khoan được, m;

Tt: Thời gian kéo cần khoan để thay choòng khoan, hay thay thế bộ khoan cụ mới, thời gian thả cần khoan (giờ);

Ti: Thời gian chết (Downtime) do hệ thống khoan không tham gia khoan giếng như: cắt cáp khoan, sửa máy bơm, sửa máy phát điện, sửa tời khoan, sửa hệ thống nâng hạ, thời gian xử lý sự cố trong khoan sẽ làm gia tăng giá thành khoan. Một số sự cố như: thời gian xử lý mất dung dịch, thời gian xử lý kẹt bộ khoan cụ, thời gian khoan và xử lý các fishing hay các mảnh kim loại rơi vào bên trong giếng khoan. Trong quá trình tháo lắp bộ khoan cụ,  các mảnh kim loại nhỏ hay thiết bị cầm tay có thể bị rơi xuống giếng như: choòng bị rơi chóp, các mảnh vụn kim loại do quá trình cọ xát giữa cột cần khoan với thân giếng, thời gian bơm dập giếng… Như vậy, để giảm giá thành khoan, thì tốc độ khoan phải nhanh, thời gian khoan của choòng dài, thời gian nối cần ngắn, thời gian kéo cần khoan nhanh và thời gian sửa chữa hệ thống khoan ngắn, thời gian xử lý các sự cố ngắn.

5.Xây dựng mô hình thời gian làm việc của  choòng khoan 4½inch khi khoan móng

Dựa trên số liệu thực tế khoan trong Bảng 2, mô hình thời gian khoan của choòng khoan 4½inch có dạng tổng quát sau:

Trong đó:

MD: Chiều sâu của giếng (m);

Q: Lưu lượng nước rửa (gallons/phút).

Đề xuất mô hình thời gian khoan của choòng có dạng sau [2]:

Trong đó:

β0, β1, β2, β3, β4: Các hệ số trong mô hình;

X1: Chiều sâu của giếng, MD, (m);

X2: Tải trọng lên choòng khoan  (1.000lbm);

X3: Tốc độ vòng quay của choòng khoan (vòng/phút); X4: Lưu lượng nước rửa (gallons/phút).

Mô hình về thời gian khoan của choòng khoan theo số liệu có trong Bảng 2 như sau:

Td = 245 – 0,0379X1 + 1,84X2 – 1,24X3 +  0,005X4     (9)

Bảng 3 chỉ ra hệ số độ tin cậy trong mô hình (9)   chỉ đạt R2 = 65,7%, điều đó chứng tỏ các tham số có trong  mô hình (9) chỉ giải thích được 65,7%. Như vậy mô hình (9)còn đến 34,3% các tham số tham gia trong mô hình chưa được giải thích, mặt khác giá trị F test trong Bảng 3 đạt giá trị rất nhỏ là 1,91. Như vậy mô hình (9) chưa đạt độ tin cậy cao.

Mô hình thời gian khoan của choòng có độ tin cậy cao và có sự tương tác ảnh hưởng của các tham số tới thời gian khoan của choòng được đề xuất như sau [2]:

Bảng 5 chỉ ra hệ số độ tin cậy của mô hình (11) đạt R2 = 99,6%, chứng tỏ các tham số có tham gia trong mô hình (11) đã được giải thích gần như tuyệt đối. Trong mô hình về thời gian khoan của choòng (11) chỉ có 0,4% tham số tham gia mô hình chưa được giải thích, mặt khác giá trị F test trong Bảng 5 đạt giá trị 39,81. Như vậy, mô hình (11) biểu diễn thời gian khoan của choòng có độ tin cậy cao với R2 = 99,6%.

6.Phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến thời gian khoan của choòng khoan 4½inch

- Ảnh hưởng của chiều sâu của giếng

Hình 2 cho thấy khi chiều sâu của giếng tăng lên thì thời gian khoan của choòng giảm xuống. Điều này được giải thích khi chiều sâu giếng khoan tăng, đất đá thành hệ chặt sít hơn do hiệu ứng nén ép của đất đá, có nghĩa khi khoan càng xuống sâu, đất đá có cường độ bền nén tăng theo, do đó thời gian phá hủy của choòng khoan cũng khó khăn hơn, dẫn tới thời gian khoan của choòng giảm trước khi choòng khoan bị mất chóp hay giếng gặp sự cố.

- Ảnh hưởng của tải trọng và tốc độ vòng quay Hình 3 và 4 cho thấy khi tăng tải trọng lên choòng, răng choòng bị mài mòn nhanh hơn, thời gian khoan của choòng giảm đi và khi tăng tốc độ vòng quay, răng choòng sẽ bị mài mòn nhanh hơn như mô hình ảnh hưởng của tốc độ vòng quay tới tốc độ mài mòn của  choòng của Galle và Woods, dẫn tới thời gian khoan  của choòng bị giảm khi tăng tốc độ vòng quay trước khi choòng gặp vấn đề.
- Ảnh hưởng của lưu lượng nước

Hình 5 cho thấy khi tăng lưu lượng nước rửa thì choòng khoan được giảm nhiệt độ tối đa do  sinh ra ma sát giữa choòng khoan và phá hủy đất đá ở đáy giếng khoan, giúp gia tăng phá hủy đất đá do hiệu ứng phá hủy của vòi phun, làm thời gian khoan của choòng tăng lên.

Ngoài ra còn có ảnh hưởng của sự tương tác giữa các yếu tố khác nhau trong quá trình khoan tới thời gian khoan của choòng (từ Hình 6 - 8). Khi các yếu tố tương tác của chiều sâu giếng khoan với tải trọng lên choòng tăng, thời gian khoan của choòng cũng giảm xuống trước khi choòng gặp sự cố. Tương tự khi giải thích sự ảnh hưởng của tốc độ vòng quay với tải trọng lên choòng và ảnh hưởng của chiều sâu của giếng, tải trọng lên choòng, tốc độ vòng quay, lưu lượng nước rửa tới thời gian làm việc của choòng… cho thấy các yếu tố tương tác này đều làm giảm thời gian làm việc của choòng, có nghĩa là tổng số vòng quay thực tế sẽ nhỏ hơn nhiều so với thiết kế từ nhà sản xuất.

7.Kết luận

Qua nghiên cứu xây dựng mô hình thời gian làm việc của choòng khoan 4½inch dựa trên mô hình hồi quy đa biến, trên cơ sở các số liệu thu được từ thực tế khoan, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau tới thời gian khoan của choòng, nhóm tác giả rút ra một số nhận xét sau:

- Để xây dựng mô hình thời gian làm việc của choòng khoan có độ tin cậy cao, phản ánh đúng các yếu tố tác động tới thời gian làm việc của choòng trong quá trình khoan, thông qua hệ số tin cậy R2 = 99,6%;

- Trong thực tế thi công khoan móng, các yếu tố sau làm giảm thời gian khoan của choòng, có nghĩa là choòng khoan bị mòn nhanh: tăng tải trọng lên choòng, tăng chiều sâu khoan giếng, tăng tốc độ vòng quay, tăng sự tương tác của các yếu tố chiều sâu giếng khoan và  tải trọng lên choòng, tăng sự tương tác của tải trọng lên choòng và tốc độ vòng quay, tăng sự tương tác của chiều sâu của giếng khoan, tải trọng lên choòng, tốc độ vòng quay và lưu lượng nước rửa.

- Tăng lưu lượng nước rửa sẽ làm tăng thời gian làm việc khoan của choòng, có nghĩa là tốc độ mài mòn choòng sẽ diễn ra chậm hơn. Như vậy, khi tối ưu các thông số: lưu lượng nước rửa, độ nhớt, tỷ trọng, lưu biến, độ thải nước, hàm lượng pha rắn, độ bền gel của dung dịch, áp lực vòi phun tại choòng, điều chỉnh tỷ trọng tuần hoàn nằm trong vùng áp suất vỉa và áp suất nứt vỉa… sẽ làm chậm tốc độ mài mòn của choòng.

- Tiếp tục nghiên cứu về các yếu tố khác tác động tới thời gian làm việc của choòng khoan 4½inch trong quá trình thi công khoan, để từ đó điều chỉnh các thông số hợp lý nhằm giảm độ mài mòn của choòng.

Tài liệu tham khảo

1. Adam T.Bourgoyne Jr, Keith K.Millheim, Martin E.Chenevert, F.S.Young Jr. Applied drilling engineering. Society of Petroleum Engineers. 1986.

2. Raymond H.Myers, Douglas C.Montgomery, Christine M.Anderson-Cook. Response surface methodology: Process and product optimization using designed experiments (4th edition). Wiley. 2016.

3. Xin Yan, Xiao Gang Su. Linear regression analysis - Theory and computing. World Scientific. 2009.

4. E.Tanseu. A heuristic approach to drilling optimization. Society of Petroleum Engineers. 1975.

5.Nguyễn Thế Vinh, Nguyễn Trần  Tuân,  Nguyễn  Hữu Trường, Nguyễn Xuân Thảo. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau tới tốc độ cơ học khoan. Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 21. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội. 2014.

6.Petrovietnam. Fractured basement reservoir. Science and Technics Publishing House. 2008.

Investigating the effects of various parameters on the bit life

Nguyen Huu Truong Petrovietnam University
Email:   truongnh@pvu.edu.vn

Summary

During well drilling execution, several parameters affect the bit life, such as weight on the bit, well depth, rotary speed, pump flow rate, rock properties, drilling technology, and the rheological properties of the drilling fluid that has been used. It is, therefore, important to accurately construct the bit life model for the basement. If the bit life is not accurately predicted, there will be certain risks during the drilling process in the field such as cone loss and low penetration rate, leading to increase in the cost of drilling. In this article, the authors propose to construct a highly reliable bit life model to drill wells in the basement with the statistical software, based on which the effects of various parameters on the bit life will be estimated using multiple regression analysis.

Key words: Bit life, various parameters, statistical software, multiple-regression analysis.

Họ tên
Email
Mã xác nhận

Gửi bình luận