Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
LỜI MỞ ĐẦU
Từ năm 1986, Việt Nam đã trở thành một trong những nước khai thác và xuất khẩu dầu
thô trên thế giới. Tuy còn non trẻ, nhưng ngành công nghiệp dầu khí đã nhanh chóng trở
thành ngành kinh tế mũi nhọn và là chỗ dựa vững chắc cho sự nghiệp công nghiệp hóa và
hiện đại hóa đất nước. Cho đến nay, Việt Nam đã khai thác hơn 130 triệu tấn dầu thô và
8,5 tỷ m
3
khí đồng hành.
Dầu và khí vẫn là nguồn năng lượng chiến lược và quan trọng nhất trong nửa đầu thế kỷ
21. Khoan giếng dầu khí là công việc sống còn của ngàng công nghiệp dầu khí vì không
có giếng thì không thể khai thác dầu khí nằm sâu trong lòng đất. Mục tiêu quan trọng nhất
của người kỹ sư dầu khí là biết áp dụng các kỹ thuật và công nghệ mới để khai thác ngày
càng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá này.
Tuy nhiên nguồn tài nguyên này là có hạn, cho đến nay vẫn chưa có thêm phát hiện
những mỏ dầu nào có trữ lượng lớn, nên việc phát triển các kỹ thuật thiết bò là một đòi hỏi
tất yếu trong bối cảnh hiện nay dầu mỏ là một vấn đề đang nóng bỏng (về chính trò lẫn
quân sự). Do đó việc nâng cao hiệu quả thu hồi dầu và khắc phục sự cố sảy ra là nhiệm
vụ cực kỳ quan trọng và cực kỳ phức tạp.
Với mong muốn được tiếp cận các công nghệ mới ứng dụng để khoan-khai thác dầu khí
em chọn đề tài của đồ án “Ứng dụng của coiled tubing trong xử lý cát xâm nhập”. Với
những tìm hiểu của mình về Coiled Tubing e nhận thấy được tính hiệu quả trong việc ứng
dụng công nghệ Coiled Tubing trong hoạt động làm sạch cát tại đáy giếng nhằm nâng cao
và phục hồi sản lượng của một số giếng đang khai thác. Tuy nhiên vì trong thời gian hạn
hẹp và kiến thức có hạn của e, nên không thể tránh khỏi những sai xót, e kính mong các
thầy cô đóng góp ý kiến và giúp đỡ e.
Đồ án bao gồm có 3 phần:
Chương 1: Lòch sử hình thành và phát triển Coiled Tubing
Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng Coiled Tubing trong xử lý cát xâm nhập
1
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Coiled tubing ban đầu được chế tạo từ những mảnh thép rộng 50 inch. Thép được
sử dụng là thép hợp kim Colobian. Các mảnh này được hàn theo phương pháp butt-weld
và quấn vào tang cuộn ống đường kính 9 ft với tổng chiều dài là 15.000 ft. Từ năm 1963
đến 1964 bộ thiết bò coiled tubing này đã thực hiện nhiều công việc ở vùng Louisana. Quá
trình phát triển liên tục của coiled tubing được thể hiện thông qua một số mốc thời gian
như sau:
- Năm 1964: Brown Oil Tools và Esso giới thiệu hệ thống đầu đẩy ống tubing
¾ inch.
- Năm 1967: Bowen Tools giới thiệu hệ thống đầu đẩy ống cải tiến 5M với
kích thước nhỏ hơn có khả năng giữ 5.000 lb ống ½ inch. NOWSCO và Brown Oil
Tools đã hợp tác chế tạo được 12 bộ thiết bò coiled tubing 5M.
- Năm 1968: Bowen phát triển đầu đẩy 8M có khả năng làm việc với 8.000 lb
ống ¾ inch.
- Cuối thập niên 1960 đầu 1970: cải tiến và thiết kế mới các thiết bò coiled
tubing. Kích thước đường kính ngoài thông thường của coiled tubing đã tăng lên 1
in. Hơn 200 bộ thiết bò coiled tubing đã được chế tạo trong khoảng thời gian này.
- Cuối thập niên 1970: xuất hiện nhiều nhà chế tạo thiết bò coiled tubing Uni-
Flex Inc, Hydra Rig Inc, Otis Engineering. Những đầu đẩy ống mới được thiết kế
tương tự như của Bowen Tools.
- Năm 1975: Uni-Flex giới thiệu một đầu đẩy ống được thiết kế mới mà nhiều
tính năng của nó đã có ảnh hưởng đến thiết kế của các nhà sản xuất khác.
- Năm 1976: hình thành công ty Quality Tubing Inc với sự hỗ trợ tài chính từ
NOWSCO.
- Cuối 1970 đầu 1980: nhiều thiết kế đã thay đổi và cải tiến để tăng cường
thiết bò coiled tubing. Các nhà cung cấp coiled tubing vẫn chủ yếu là Bowen Tools,
Hydra Rig Inc và Otis Engineering.
4
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
- Năm 1978: tất cả các dự án chế tạo thiết bò coiled tubing của Uni-Flex và
thì tính kinh tế được xem xét đến hàng đầu và những công nghệ mới như công nghê coiled
tubing giúp tiết kiệm thời gian cũng đồng nghóa sẽ đem lại nhiều lợi nhuận hơn.
Những công ty ứng dụng Coiled Tubing hàng đầu
6
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Công ty Số bộ thiết bò Coiled Tubing
Schlumberger 200
BJ 159
Halliburton 100
Superior 34
Cudd 28
Surguneftegas 20
Trican 19
Tổng
560
1.3. Cấu tạo của bộ thiết bò Coiled Tubing
Có nhiều loại thiết bò coiled tubing phục vụ cho nền công nghiệp dầu khí nhưng
chiếm ưu thế hiện nay vẫn là loại đầu đẩy xích truyền thẳng đứng quay ngược chiều nhau
(vertical, contra-rotating chain drive injector head).
7
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Bộ thiết bò coiled tubing được cung cấp năng lượng bằng thủy lực, dễ vận chuyển,
được thiết kế để đẩy vào và kéo ra liên tục trong cột ống chống hoặc ống khai thác có
đường kính lớn hơn. Ngày nay, người ta thường dùng loại coiled tubing có đường kính
ngoài từ ¾ in đến 2 - 3/8 in. Các bộ phận của coiled tubing đơn giản gồm:
- Đầu đẩy ống.
- Tang quấn ống.
- Cụm BOP đầu giếng.
- Thiết bò truyền năng lượng thủy lực.
- Bảng điều khiển.
với áp suất khí quyển. Nếu ống đệm kín bò mòn quá trong quá trình hoạt động, các bộ
phận đàn hồi phân đoạn có thể được thay ngay cả khi ống còn trong giếng khoan. Giới hạn
áp suất làm việc cực tiểu của ống đệm kín là 5.000 psig, nhưng thông thường nó được thiết
kế với áp suất làm việc lên đến 10.000 psig.
9
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Bộ cảm biến tải cũng được đặt ở đáy Injector Head. Bộ phận thủy lực này được nối
với bảng điều khiển để giám sát quá trình vận hành qua các thông số trọng lượng ống và
lực kéo (lb) cần thiết để nâng ống. Đối với các Injector Head cải tiến dùng để chuyển các
dụng cụ xuống dưới giếng, người ta thường dùng một bộ cảm biến tải tác dụng kép để đo
thêm lực đẩy tác dụng lên coiled tubing
Injector Head được chống trên đầu giếng theo một trong hai cách sau: chống ống
bằng các chân khớp lồng (telescoping legs) hoặc ống chống bằng một khung thép dựng
lên theo cơ chế thủy lực thường được gọi là jack stand. Cách thứ nhất thường được dùng ở
những nơi mà chiều cao Injector Head đầu giếng không cho phép sử dụng loại jack stand.
Khi sử dụng loại chân khớp lồng, các đầu trên cùng của nó được lồng vào bốn rãnh
(perimeter slot) đònh vò trên khung của Injector Head và được siết chặt bằng các đầu nối
(pin) ở độ cao theo yêu cầu. Ngoài ra còn có các đệm lót (footpad) đặt ngay bên dưới mỗi
đế của chân khớp lồng nhằm phân bố đều trọng lượng của Injector Head lên các phần ở
trên bề mặt. Để làm chắc thêm các chân, người ta bắt chặt các đai ốc (turn-buckle) được
gắn bên dưới các chân chống.
Khi lắp đặt thiết bò ở những nơi có bề mặt không hạn chế (ví dụ như ở các giàn
khoan biển), người ta thường sử dụng loại jack stand để chống đỡ Injector Head. Một khi
đã đạt được chiều cao mong muốn, bốn chân được kẹp và siết chặt tại chỗ. Đế của jack
stand phân bố đều trọng lượng Injector Head lên mỗi chân xung quanh vò trí đứng. Ưu
điểm của loại jack stand so với loại chân khớp lồng là có tính ổn đònh, phạm vi nhả cần
trục rộng và an toàn hơn.
Trong mọi trường hợp, Injector Head phải được gắn chặt vào đất hoặc vào giàn
khoan với ít nhất một dây xích ở mặt trước (đối diện với tang quấn) và hai dây xích ở mặt
sau. Để giảm thiểu moment hình thành ở đầu giếng, các dây xích dùng để ổn đònh Injector
phép Injector Head kéo ống ra khỏi tang quấn và duy trì một lực căng giữa tang quấn ống
và Injector Head. Khi coiled tubing được thu hồi, áp lực trên động cơ tang quấn tăng lên
cho phép sự chuyển động xoay của tang quấn theo kòp với tốc độ kéo ống ra khỏi giếng
của Injector Head.
Ống được dẫn hướng trên tang quấn qua một cơ cấu gọi là “level wind assembly”
(thiết bò dàn ống) để xếp ống ngay ngắn khi ống được quấn lên hoặc được tháo ra khỏi
tang quấn. Cơ cấu này dài bằng chiều rộng của tang quấn và có thể được nâng lên đến
chiều cao yêu cầu để xếp ống thành hàng giữa bộ dẫn hướng và tang quấn. Bộ phận đếm
ống thông thường được gắn trên thiết bò dàn ống. Một loạt bánh xe tiếp xúc với ống được
điều chỉnh để đo độ dài ống phân phối.
Các linh kiện an toàn phụ trợ của tang quấn ống được dùng để thực hiện việc
phanh thủy lực nhanh. Chức năng cơ bản của phanh tang quấn là ngừng chuyển động quay
của tang quấn khi ống giữa tang quấn và Injector Head đột nhiên bò đứt. Hệ thống phanh
này không làm ngừng ngay việc phân phối ống một cách vô kiểm soát mà chỉ làm chậm
dần chuyển động của tang quấn. Nhiều loại coiled tubing có gắn thêm một thiết bò trong
hệ thống năng lượng thủy lực để tạo áp suất đối tác động lên động cơ nhằm làm chậm dần
chuyển động của tang quấn. Có một số loại coiled tubing khác lại tạo ra một hệ thống
phanh đệm ma sát (friction pad breaking system) nhằm tác dụng theo cơ chế thủy lực lên
đường kính mặt bích bên ngoài của tang quấn để làm chậm dần chuyển động của tang
quấn.
1.3.3. Cụm BOP đầu giếng
12
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Hệ thống BOP đầu giếng là phần rất quan trọng trong bộ thiết bò coiled tubing và
được dùng trong mọi hoạt động dòch vụ của coiled tubing. Cụm BOP gồm bốn ngàm (ram)
vận hành theo cơ chế thủy lực, thông thường có áp suất làm việc thấp nhất là 10.000 psig.
Tuy nhiên vẫn còn một vài loại thiết bò coiled tubing đời cũ sử dụng cụm BOP với áp suất
làm việc là 5.000 psig. Bốn ngàm này (đi từ trên xuống) bao gồm ngàm đóng giếng (blind
rams), ngàm cắt ống (tubing shear rams), ngàm dạng chấu (slip rams), và ngàm chặn ống
dùng để nối đường dập giếng (kill line) với cụm BOP có thể thực hiện thu hồi dung dòch
trở lại hoặc có thể dùng để tuần hoàn ngược dung dòch. Tuy nhiên việc thu hồi dung dòch
trở lại qua đường dập giếng sẽ gây nguy cơ tiếp xúc các ngàm và nắp đậy ở vò trí thấp hơn
trong cụm BOP với các hạt rắn, mảnh vụn, và các chất lưu thu hồi khác, từ đó có thể dẫn
đến tác dụng ngược với đặc tính của ngàm trong đối áp.
Trong các dòch vụ bảo dường giếng đòi hỏi tuần hoàn giếng lên bề mặt (rửa sạch
mảnh vụn hay hạt rắn, axit đã dùng…) người ta dùng ống nối chữ T gắn trực tiếp bên dưới
14
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
cụm BOP. Đầu nối này được trang bò một van cô lập áp suất cao vận hành ở cùng MWAP
và theo tiêu chuẩn NACE giống như cụm BOP. thân của tất cả các cụm BOP, các
khoang tại ngàm đóng giếng và ngàm cắt ống có các cổng cho phép áp suất được cân
bằng trong thân ngàm. Điều này cho phép cân bằng áp suất chênh lệch để vận hành ngàm
trong đối áp.
Ống nối trên đỉnh cụm BOP nối với ống đệm kín đặt dưới đáy Injector Head. Đáy
cụm BOP được gắn khớp với một đầu nối dạng mặt bích (flanged union) hoặc một ống nối
kín dạng vòm (O-ring seal union). Một trong hai loại đầu nối này được gắn trên chạc chữ
T hoặc đầu nối cây thông.
1.3.4. Thuyết bò truyền năng lượng thủy lực
Thiết bò này được đònh cỡ để vận hành tất cả các bộ phận của bộ thiết bò coiled
tubing. Kích thước của thiết bò động cơ chính do vậy cũng sẽ thay đổi theo yêu cầu về
thiết bò truyền thủy lực. Động cơ chính trong thiết bò coiled tubing có thể xếp hạng từ loại
thiết bò truyền năng lượng tách rời (power take-off assembly) như bộ truyền năng lượng
đơn giản trên bờ (bobtail land unit) cho đến loại cụm thiết bò năng lượng tự chứa ngoài
khơi (self-contained offshore skid package). Cụm động cơ chính trong hầu hết thiết bòï
coiled tubing có trang bò động cơ diesel và bơm thủy lực.
1.3.5. Bảng điều khiển
15
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Cần phải chú ý thận trọng khi tiến hành cách này, tránh làm dính ống Coiled Tubing vào
ống khai thác. Nếu cát sinh ra liên tục thì phải tiến hành rửa giếng đònh kỳ. Điều này sẽ
gây mất thời gian, chi phí vận hành làm sạch cát và trực tiếp ảnh hưởng đến lưu lượng
khai thác, giá trò kinh tế của giếng.
Hình 2.1: Cát lấp đầy giếng
2.1.2. Tích tụ cát trong các thiết bò bề mặt
17
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Khi vận tốc của dòng lưu lượng sản phẩm đủ lớn để mang các hạt cát từ dưới đáy
giếng lên đến các thiết bò bề mặt thì cát sẽ tích tụ lại trong các thiết bò bình tách, thiết bò
gia nhiệt, đường ống thu gom,…
Khi lượng cát tích tụ ở các thiết bò đó đủ lớn chúng ta phải làm sạch để đảm bảo
hiệu quả khai thác, do đó cần lưu ý đến chi phí vệ sinh, thay thế thiết bò và thời gian trì
hoãn khai thác, chưa kể đến làm hư hỏng thiết bò. Khi cát lắng đọng trong bình tách sẽ
làm thể tích bình tách giảm, do đó lượng dầu – khí được tách cũng giảm.
2.1.3. Sự mài mòn các thiết bò
Với những giếng có lưu lượng lớn, năng suất cao thì vận tốc dòng chảy trong ống
thường lớn cùng với những hạt vụn mang theo trong nó gây mài mòn đáng kể các thiết bò
trong lòng giếng lẫn các thiết bò trên bề mặt mà nó đi qua. Khi sự mài mòn đạt đến
nghiêm trọng có thể gây hư hỏng thiết bò và dẫn đến sự cố nếu không sử lý kòp thời đồng
thời là thiệt hại về mặt kinh tế.
Hình 2.2: Sự mài mòn do cát (Ống lọc bò ăn mòn)
2.1.4. Sự sập lỡ thành hệ kéo theo phá hủy ống chống – ống khai thác
Rõ ràng, khi một lượng cát vật liệu gắn kết tách ra khỏi thành hệ đi vào dòng chảy
sẽ để lại một khoảng chống lớn phía sau ống chống. Lượng cát sinh ra càng nhiều thì
khoảng trống đó càng lớn và đến một lúc nào đó nó không thể chòu đựng được các lực ép
18
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
từ các lớp phủ phía trên thì thành hệ phía trên sẽ sụp xuống. Các vật liệu này sẽ bít nhét
khoảng trống và sắp xếp lại và đó là nguyên nhân làm tăng hiệu ứng skin dẫn đến giảm
Ta xét các điểm nút sau:
20
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Hình 2.4: Các nút phân tích trong giếng
Nút Mô tả
1 Bên trong chuỗi ống Coiled Tubing
2 BHA và vòi phun
3 Vành xuyến (giữa ống CT và ống Tubing hoặc ống
chống)
Bảng 2.1: Vò trí các nút khảo sát
2.2.2.1. Nút 1 (bên trong chuỗi ống Coiled Tubing)
Trong những năm gần đây hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành xác đònh sự
tổn thât áp suất dung dòch trong hoạt động Coiled Tubing. Tuy nhiên các thí nghiệm này
chỉ tiến hành trên các ống trơn bỏ qua sự ảnh hưởng độ nhám của thành ống, vì vậy kết
quả thu được không chính xác.
21
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Ta phân tích tổn thất của dòng chất lỏng Newton bên trong đoạn ống thẳng có độ
nhám thành ống.
Điều kiện biên:
Tổn thất áp suất xuất hiện bên trong đường ống và phụ thuộc vào các đặc điểm của
thiết bò và các điều kiện biên. Các điều kiện biên có liên quan:
- Đặc trưng hình học của giếng ( ống chống, vành xuyến)
- Đường kính trong ống khai thác(D
b
).
- Đường kính ngoài Coiled Tubing (D
co
).
- Độ nhám bên trong thành ống (D
Re
* *
928*
b
d V
N
ρ
µ
=
(2.1)
Trong đó:
- d
b
: đường kính trong của ống (in)
- : khối lượng thể tích (lb/gal)
- : là độ nhớt của dung dòch (cp)
- V : vận tốc của dung dòch trong vành xuyến(ft/s)
Công thức tính số Reynolds trên áp dụng cho cả dòng chảy trong và dòng chảy
ngoài Coiled Tubing, nhưng đặc biệt cần chú ý đến sự nhạy cảm của độ nhớt và tỷ trọng
dung dòch do sự thay đổi nhiệt độ và áo suất. Do đó cần đặc biệt chú ý khi xác đònh chính
xác các giá trụ thuộc tính của dung dòch dựa trên các giới hạn áp suất và nhiệt độ trong
quá trình tiến hành công việc
Tổn thất áp suất thủy tónh
Khi tiến hành công việc, dung dòch luôn được bơm từ bề mặt xuống qua Coiled
Tubing, nhưng cũng có khi phải tuấn hoàn ngược theo yêu cầu công việc nhưng việc này
cũng rất hạn chế vì vấn đề liên quan đến tuổi thọ Coiled Tubing. Lúc này tổn thất áp suất
thủy tónh thường có dấu âm và dấu cộng với tổn thất áp suất do ma sát ta được tổng tổn
thất.
Tổn thất áp suất thủy tónh được tính bằng công thức:
ρ
là khối lượng thể tích của dung dòch (lb/gal)
V là vận tốc trung bình (ft/s)
P∆
là tổn thất áp suất ở đoạn ống có chiều dài L (psi)
Hệ số ma sát f
F
được xác đònh qua số Reynold và độ nhám tương đối (
ε
/D
ci
)
Với
ε
là độ nhám tuyệt đối, được xác đònh trong bảng sau:
Hình 2.5: Giản đồ Fanning dùng xác đònh hệ số ma sát
24
Đồ án môn học ứng dụng của coiled tubing Nguyễn Mạnh Cường
Vật liệu Đô nhám tuyết đối
ε
Thép cán 0.036-0.36
Bê tông 0.012-0.12
Gang 0.01
Thép đã tôi bề mặt 0.006
Gang Asphalt 0.0048
Thép thương phẩm 0.0018
Vật liệu khác 0.00006
Bảng 2.2 Hệ số nhám tuyệt đối của 1 số vật liệu
Chú ý:
÷
÷
ò
(2.5)
Phương trình trên được giải bằng phương pháp lặp
Ngoài ra ta còn có thể xác đònh hệ số ma sát theo phương trình của Blasius cho
dòng chảy ở chế độ chảy rối với điều kiện N
Re
<100000 và ống thành trơn:
25
Copyright: Tài liệu đại học ©