BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ- ĐỊA CHẤT
NGUYỄN VĂN GIÁP
NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN
CẤU TRÚC BỘ DỤNG CỤ KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
CHO MỎ BẠCH HỔ
Chuyên ngành: Khoan và hoàn thiện giếng dầu khí
Mã số : 62.53.50.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2009
Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Khoan- Khai thác, Khoa Dầu
khí, Trường Đại học Mỏ- Địa chất.
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Trần Đình Kiên, Trường Đại học Mỏ- Địa chất.
2. TSKH. Trần Xuân Đào, XNLD Vietsovpetro.
Phản biện 1: PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh.
Phản biện 2: PGS.TS. Lê Phước Hảo.
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Sỹ Ngọc.
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước
họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc - Từ Liêm - Hà Nội,
vào hồi …. giờ …., ngày …. tháng …. năm 2009.
Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia, Hà Nội hoặc Thư viện
Trường Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1.Nguyễn Văn Giáp, Nguyễn Thế Vinh (2001), “Phương pháp tính
toán và lựa chọn bộ dụng cụ đáy sử dụng trong khoan định
hướng”, Tuyển tập các công trình khoa học Đại học Mỏ- Địa
chất, (34), tr.158- 160.
2.Nguyễn Văn Giáp (2004), “Ảnh hưởng của vị trí định tâm tới lực
sườn tại choòng khoan”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ- Địa
chất, (6),tr.1-2.

khoan xiên định hướng bằng phương pháp khoan roto tại vùng
mỏ Bạch hổ, Báo cáo đề tài NCKH&CN cấp Bộ, mã số B2007-
02-37
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong hơn 2 thập kỷ qua, ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam
đã không ngừng phát triển và từng bước khẳng định vị thế của mình
trên trường quốc tế. Hiện nay hàng loạt các mỏ như Bạch Hổ, Rồng,
Đại Hùng, Sư Tử Đen, Sư Tử Trắng, Sư Tử Vàng, Cá Ngừ Vàng,
Rồng Đôi, Hải Sư, Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Nguyệt Thạch,
Thiên Nga, Cá Chò, Phi Mã… đã lần lượt đi vào khai thác dầu khí
hoặc đã được phát hiện có tiềm năng dầu khí. Các mỏ dầu khí này
phân bố theo dọc thềm lục địa Việt Nam, do đó công tác phát triển
mỏ phải triển khai trong môi trường biển và hầu hết các giếng đều là
giếng khoan xiên với mục đích đạt được độ rời đáy cần thiết.
Thực tế khi xây dựng các giếng khoan xiên định hướng ở mỏ
Bạch Hổ cho thấy: các công đoạn cắt góc, lái chỉnh hướng đi của
choòng không những mất rất nhiều thời gian mà còn phải thường
xuyên đối mặt với những phức tạp, sự cố. Trong rất nhiều trường hợp
khi gặp sự cố phức tạp đã phải bỏ lại toàn bộ thiết bị đo và động cơ
đáy ở đáy giếng. Không những thế mà quỹ đạo thân giếng và vị trí
đáy giếng bị sai lệch nhiều so với thiết kế, ảnh hưởng đến mạng lưới
các giếng khai thác. Sự sai lệch về quỹ đạo thân giếng không những
làm cản trở quá trình thi công mà còn làm giảm chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật của giếng. Với sự phức tạp của địa tầng bồn trũng Cửu Long,
khi khoan qua “tập sét Bạch Hổ” trương nở (Oligocen) hoặc các đới
mất dung dịch trầm trọng thì việc sử dụng động cơ đáy cho việc cắt
góc, lái chỉnh hướng đi của choòng là hết sức phức tạp mà hiệu quả
không cao. Khi khoan bằng động cơ đáy, do bộ cần khoan không

cũng như mục đích lái chỉnh thân giếng.
Nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng đáy cho 2 địa tầng: trầm
tích Miocen và Oligocen; cho 2 loại bộ dụng cụ đáy: 1 định tâm và 2
định tâm; cho 2 đường kính choòng: 311,2mm và 215,9mm; với các
góc nghiêng của thân giếng: α= 10
0
, α= 20
0
, α= 30
0
và α= 40
0
.
3
4. Nội dung nghiên cứu
Phân tích, đánh giá định tính và định lượng về hướng đi của
choòng khoan thông qua số liệu thực tế của gần 200 giếng khoan ở
mỏ Bạch Hổ, nhằm xác định quy luật thay đổi hướng đi của choòng.
Trên cơ sở đó, tác giả nghiên cứu cơ chế hình thành cũng như bản
chất thành phần lực làm thay đổi hướng đi của choòng.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá mức độ ảnh hưởng
của từng yếu tố tới hướng đi của choòng nhằm định hướng cho
nghiên cứu và xác định các yếu tố cần hoàn thiện.
Sử dụng phần mềm thương mại Landmark làm công cụ để tính
toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy thông qua hệ số điều chỉnh
đặc trưng của mỏ Bạch Hổ. Hệ số điều chỉnh đặc trưng được xây
dựng từ thực nghiệm nhằm nâng cao mức độ chính xác và tin cậy của
phần mềm thương mại Landmark khi ứng dụng vào mỏ Bạch Hổ.
Lập cơ sở dữ liệu ở dạng bảng tra cứu về cấu trúc bộ dụng cụ đáy
cho các trường hợp cụ thể khác nhau, cho các mục đích lái chỉnh

thương mại Landmark để tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ
đáy.
8. Bố cục của luận án
Luận án gồm lời mở đầu, 4 chương, kết luận và 15 phụ lục kèm
theo.
Chương 1- Tổng quan về bộ dụng cụ đáy trong khoan định hướng
bằng phương pháp khoan roto
Chương 2- Quy luật hướng đi của choòng và cơ chế hình thành
lực làm thay đổi hướng đi của choòng
Chương 3- Các yếu tố ảnh hưởng tới hướng đi của choòng
Chương 4- Tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy
5
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ DỤNG CỤ ĐÁY TRONG KHOAN
ĐỊNH HƯỚNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN ROTO
1.1. Cấu trúc bộ dụng cụ đáy
Bộ dụng cụ đáy là một khái niệm tương đối, có thể hiểu đó là
phần dưới của bộ dụng cụ khoan, phần có ảnh hưởng mang tính
quyết định tới hướng đi của choòng. Chiều dài của bộ dụng cụ đáy
được xác định trên cơ sở mặc định là khoảng cách từ choòng tới
điểm tiếp xúc đầu tiên giữa cần nặng với thành giếng khoan. Như
vậy thành phần chính của bộ dụng cụ đáy bao gồm: choòng khoan,
định tâm và cần nặng; ngoài ra còn một số bộ phận được lắp trên bộ
dụng cụ đáy với các mục đích kỹ thuật khác nhau.
1.2. Những công trình nghiên cứu trên thế giới
1.2.1. Những nghiên cứu về điều khiển góc nghiêng 
Các tác giả đều thống nhất về nguyên nhân làm thay đổi góc
nghiêng  của thân giếng là do sự hình thành lực sườn F
s
. Sơ đồ lực

trọng lượng cần nặng có chiều dài L, có chiều hướng xuống dưới và
luôn có xu hướng làm giảm góc nghiêng thân giếng;
- Lực uốn F
u
được hình thành do mô men uốn tại định tâm gần
choòng, có phương trùng với phương của F
g
còn chiều phụ thuộc
vào chiều uốn của đoạn cần nặng đầu tiên có chiều dài L.
- Tổng hợp và ta được lực sườn ; = + ;
- Tổng hợp + ta được lực tổng ; = + .
1.2.2. Những nghiên cứu về điều khiển góc phương vị 
Các tác giả cho rằng sự thay đổi  chủ yếu là do thành phần nằm
ngang theo phương OY của lực uốn tại choòng, thành phần này có
giá trị khá nhỏ. Chưa có công trình nào công bố về cơ chế hình thành
lực làm thay đổi góc phương vị  và công thức tính toán.
1.3. Những công trình nghiên cứu ở Việt Nam
Những công trình đã công bố ở Việt Nam còn ít và chưa đầy đủ.
Các nghiên cứu chủ yếu về lĩnh vực sử dụng động cơ đáy. Trong
những công trình đã công bố, các tác giả có đưa ra một số phương
pháp lựa chọn bộ dụng cụ đáy nhưng chủ yếu là điều chỉnh góc
nghiêng. Chưa có công bố nào nghiên cứu một cách đầy đủ về điều
chỉnh góc phương vị cũng như cơ sở khoa học của nó.
Ở Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí Vietsovpetro từ ngày thành lập
đến nay đã khoan gần 300 giếng khoan xiên định hướng với những
thành công đáng trân trọng; đã đạt được góc nghiêng của thân giếng
là 93
0
và khoảng rời đáy lớn hơn 2000m. Trang thiết bị cũng đã từng
bước được hiện đại hóa như đã đưa vào sử dụng động cơ đáy, hệ

- Xác định những thông số cấu trúc của bộ dụng cụ đáy cần hoàn
thiện;
- Nghiên cứu tính toán hệ số điều chỉnh đặc trưng khi ứng dụng
phần mềm thương mại Landmark cho điều kiện mỏ Bạch Hổ;
- Tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy.
8
Chương 2.
QUY LUẬT HƯỚNG ĐI CỦA CHOÒNG VÀ CƠ CHẾ
HÌNH THÀNH LỰC LÀM THAY ĐỔI HƯỚNG ĐI CỦA CHOÒNG
2.1. Quỹ đạo thực tế của các giếng khoan ở mỏ Bạch Hổ
Các giếng khoan xiên định hướng được thực hiện theo 4 dạng quỹ
đạo truyền thống sau: dạng quỹ đạo 5 đoạn, 4 đoạn, 3 đoạn và 5 đoạn
loại mới, việc lựa chọn dạng quỹ đạo nào là phụ thuộc vào kỹ thuật
công nghệ hiện có, điều kiện địa chất và mục đích sử dụng giếng.
Thực tế cho thấy việc đảm bảo quỹ đạo thực tế của thân giếng đi
đúng quỹ đạo thiết kế không phải lúc nào cũng như ý muốn, khả
năng đảm bảo ổn định góc nghiêng của thân giếng đã khó nhưng việc
đảm bảo ổn định góc phương vị của thân giếng lại còn khó hơn.
2.2. Quy luật hướng đi của choòng
Việc nghiên cứu quy luật hướng đi của choòng nhằm mục đích
định hướng cho nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy phục
vụ cho công tác thiết kế và lái chỉnh xiên trong quá trình thi công.
2.2.1. Quy luật cường độ thay đổi góc nghiêng ∆α
Khi góc nghiêng thân giếng α thay đổi thay đổi thì ∆α cũng thay
đổi và tuân theo quy luật được biểu diễn trên đồ thị hình 2.7 và hình
2.8.
Hình 2.7. Ảnh hưởng của góc nghiêng thân giếng α tới ∆α
(Bộ dụng cụ giảm góc nghiêng)
9
Từ đồ thị hình 2.7 và hình 2.8 ta thấy rằng khi α tăng thì ∆α tăng,

= -1,13. tt
Bắc
- 0,36
Vòm Trung tâm: ∆φtt
T.tâm
= -1,05. tt
T.tâm
- 0,23
Vòm Nam: ∆φtt
Nam
= -1,07. tt
Nam
- 0,28
Phạm vi khảo sát là < 8
0
/100m.
Mức độ của mối tương quan này hết sức nhạy cảm, chính vì vậy
mà ở một số khoảng khoan quy luật này thể hiện không rõ nét, nhất
là ở những khoảng khoan mà góc nghiêng của thân giếng <10
0
và
khi giá trị tuyệt đối của cường độ thay đổi góc nghiêng <
2
0
/100m. Khi góc nghiêng của thân giếng >10
0
và >2
0
/100m
thì quy luật trên thể hiện khá rõ nét.

F
c1
: Tải trọng dọc trục trung bình tại điểm C
1
, (N) ;
Hình 2.10. Sơ đồ phân tích lực
của bộ dụng cụ đáy 1 định tâm
1- Choòng khoan ;
2- Đoạn cần nặng 1
3- Định tâm;
4- Đoạn cần nặng 2
Q
1
cos

X
Z
0
m
B
R
B
F
b
L
t
4
3
2
L

1
F
a
F
S
m
2
m
1
L
t
L
2
L
1
12
q
1
: Trọng lượng 1 m cần nặng của đoạn cần nặng thứ nhất (lấy
bằng chiều dài L
1
), (N/m);
K: Hệ số kể đến sức đẩy Acsimet của dung dịch khoan;
: Góc nghiêng của thân giếng, (độ);
m: Mô men uốn tại định tâm, (N.m);
D
c
và D
dt1
: Đường kính choòng và đường kính định tâm 1.

ω
và mối tương quan
với sự thay đổi góc nghiêng của thân giếng
Hình 2.13. Cơ chế hình thành
lực F
uy
trên choòng
1- Cần nặng;
2- Định tâm;
3- Choòng khoan.
F
uy
F
ux
0
F
a
F
u
Y
Z
X
3
2
1
13
Xét 2 trường hợp: khoảng khoan tăng góc nghiêng >0 và
khoảng khoan giảm góc nghiêng <0. Hình 2.15 minh họa sự phân
bố lực trong trường hợp tăng góc nghiêng (>0).
Trong đó:

cung như hình 2.15 (I, II, III và IV).
Dưới tác dụng của ω, đất đá tác dụng lên choòng 1 lực tại điểm A
là F
ωA,
tại điểm B là F
ωB
. Vì F
s
>0 nên choòng luôn có xu hướng tỳ
lên thành giếng khoan tại A, do đó F
ωA
>F
ωB
. Ta có: F
ω
= F
ωA
- F
ωB
. Sự
Hình 2.15. Cơ chế hình thành lực F

làm thay đổi góc phương vị
trong trường hợp tăng góc nghiêng
A

F
s
F
ωA

thì góc phương vị tăng (∆φ>0);
3. Cơ chế hình thành lực F
ω
làm thay đổi góc phương vị của thân
giếng đó là do tương tác giữa choòng với môi trường đất đá mà bản
chất là tác động của lực sườn F
s
và tốc độ quay ω;
4. Mức độ của mối tương quan này hết sức nhạy cảm do phụ
thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng; chính vì vậy mà ở một số khoảng
khoan, quy luật này thể hiện không rõ nét, thậm chí là sai lệch.
Hình 2.16. Cơ chế hình thành lực F làm thay đổi góc phương vị
trong trường hợp giảm góc nghiêng
B

F
s
F


F

IV
I
II
III
A
F
A
F

đang tồn tại 1 giá trị góc nghiêng nào đó. Phản lực của đất đá lên
choòng khi choòng đi vào ranh giới phân lớp được biểu diễn trên
hình 3.4. Phụ thuộc vào giá trị cụ thể của độ cứng đất đá, góc
nghiêng mặt phân lớp θ và góc gặp β mà F
1
và F
2
có giá trị cụ thể.
Ta gọi: M
L
là mô men lật; M
u
là mô men uốn đối với điểm O. Ta
có: M
u1
= F
1
.l
1;
M
u2
= F
2
.l
2
; nếu M
u1
≠ M
u2
choòng sẽ có xu hướng đi

tới lực sườn F
S
Hình 3.4
Sự hình thành lực trên choòng
khi khoan vào mặt phân lớp
1- Choòng khoan;
2- Mặt phân lớp đất đá;
θ : Góc nghiêng mặt phân lớp;
β : Góc gặp của choòng;
l
1
; l
2
: Cánh tay đòn;
F
1
; F
2
: Phản lực của đất đá
lên choòng.
Lớp đất đá 2
F
2
F
1
2
1
θ
f
1

âm, tức là từ tăng góc nghiêng thành giảm góc nghiêng. Qua nghiên
cứu ảnh hưởng của các thông số cấu trúc bộ dụng cụ đáy đến hướng
đi của choòng có thể nhận thấy rằng: ảnh hưởng của vị trí lắp định
tâm là lớn nhất. Định hướng nghiên cứu của đề tài là hoàn thiện
khoảng cách đặt định tâm trong cấu trúc bộ dụng cụ đáy.
3.3. Ảnh hưởng của tải trọng đáy tới hướng đi của choòng
Trong các thông số công nghệ thì thông số tải trọng đáy có ảnh
hưởng nhiều nhất đến F
s
, ảnh hưởng của F
a
tới F
s
được biểu diễn trên
đồ thị hình 3.8.
Khi tăng tải trọng đáy sẽ làm tăng lực sườn dương đối với bộ
dụng cụ đáy tăng góc nghiêng và sẽ làm tăng lực sườn âm đối với bộ
dụng cụ đáy giảm góc nghiêng. Như vậy trong quá trình khoan, ta có
thể điều chỉnh hướng đi của choòng bằng việc điều chỉnh tải trọng
đáy mà không cần phải thay bộ dụng cụ đáy khác.
Tuy nhiên, do khoảng điều chỉnh của tải trọng đáy phải nằm
trong giới hạn cho phép; chính vì vậy mà khoảng điều chỉnh hướng
đi của choòng chỉ nằm trong giới hạn nhỏ.
Hình 3.8. Ảnh hưởng của tải trọng đáy tới lực sườn F
s
19
Chương 4
TÍNH TOÁN HOÀN THIỆN CẤU TRÚC BỘ DỤNG CỤ ĐÁY
4.1. Đặt vấn đề tính toán hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy
Sử dụng phần mềm Landmark để tính toán hoàn thiện thông số

Bắc
= a
α Bắc
. ∆αlt + b
α Bắc
∆φtt
Bắc
= a
φ Bắc
. ∆φlt + b
φ Bắc
Vòm Trung tâm: ∆αtt
T.Tâm
= a
α T.tâm
. ∆αlt + b
α T.Tâm
∆φtt
T.Tâm
= a
φ T.tâm
. ∆φlt+ b
φ T.Tâm
Vòm Nam: ∆αtt
Nam
= a
α Nam
. ∆αlt + b
α Nam
∆φtt

φ Bắc
= 9,02; b
φ Bắc
= 0,10
a
φ T.Tâm
= 8,77; b
φ T.Tâm
= 0,37
a
φ Nam
= 9,33; b
φ Nam
= 0,43
4.3. Tính toán thiết kế và hoàn thiện cấu trúc bộ dụng cụ đáy cho
các mục đích khác nhau
∆αlt và ∆φlt được tính toán theo phần mềm Landmark như sau:
- Với bộ dụng cụ đáy 1 định tâm: thay đổi khoảng cách đặt định
tâm L với bước nhẩy là 0,4m; tính toán cho 4 giá trị góc nghiêng của
thân giếng: α= 10
0
, α= 20
0
, α= 30
0
và α= 40
0
.
21
- Với bộ dụng cụ đáy 2 định tâm: gọi khoảng cách từ choòng tới

22
Từ hình 4.13 ta có nhận xét sau:
- Khi tăng L sẽ làm giảm giá trị dương và tăng giá trị âm của ∆αtt;
- Với cùng một bộ dụng cụ đáy, khi góc nghiêng α của thân giếng
tăng thì giá trị tuyệt đối của ∆αtt và ∆φtt tăng.
Từ hình 4.17 ta có nhận xét sau:
- Sự có mặt của định tâm thứ 2 đã làm đổi chiều của lực uốn F
u
(do cung uốn đổi chiều) do đó chiều của lực sườn cũng thay đổi;
- Cố định L
1
, khi tăng L
2
(từ giá trị 0,4m): đầu tiên ∆αtt tăng giá
trị âm, sau đó giảm giá trị âm; đến một giá trị L
0
nào đó (L
2
=L
0
) thì
∆αtt= 0. Nếu tiếp tục tăng L
2
>L
0
thì sẽ làm tăng giá trị dương của
∆αtt, lúc này trở thành bộ dụng cụ đáy tăng góc nghiêng;
- Khi tăng L
1
sẽ làm giảm giá trị tuyệt đối của ∆αtt;