ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM VĂN THÀNH

ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC TRONG THIẾT KẾ ỔN
ĐỊNH GIẾNG KHOAN PHÁT TRIỂN TL-5P
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Dầu Khí
Mã số: 60520604

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 năm 2015


Cơng trình được hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. Tạ Quốc Dũng.............................................
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TSKH. Trần Xuân Đào.....................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Hoàng Quốc Khánh .............................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Phạm Sơn Tùng ....................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 22 tháng 07 năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: TS. Mai Cao Lân
2. Thư ký: TS. Đỗ Quang Khánh
3. Phản biện 1: TS. Hoàng Quốc Khánh
4. Phản biện 2: TS. Phạm Sơn Tùng
5. Ủy Viên: TS. Trần Đức Lân
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA………………...


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-------------------------------

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-------------------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Văn Thành

MSHV: 13411092

Ngày, tháng, năm sinh: 23/12/1984

Nơi sinh: Hải Dương

Chuyên ngành: Kỹ thuật Dầu Khí

Mã số: 60520604

I. TÊN ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH GIẾNG
KHOAN PHÁT TRIỂN TL-5P.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu lý thuyết thiết kế giếng khoan; Mơ hình địa cơ học trong thiết
kế ổn định giếng khoan, phần mềm GMI Wellcheck trong thiết kế giếng khoan
dựa vào mô hình cơ học đá.
Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong tính tốn các thơng số Chiều sâu đặt cột
ống chống, tỷ trọng dung dịch khoan và quỹ đạo khoan cho giếng khoan TL-5P
tại mỏ TL-DD, bồn trũng Cửu Long.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ....................................................................................
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: .................................................................
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Tạ Quốc Dũng.
TSKH. Trần Xuân Đào
Tp.HCM, ngày …… tháng…… năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA……………………...


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hồn thành tại bộ mơn Khoan, Khai thác dầu khí, khoa Địa
Chất và Dầu Khí, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự
hướng dẫn khoa học của thầy: TS. Tạ Quốc Dũng – Phó trưởng khoa Kỹ thuật Địa
Chất và Dầu Khí – Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, và thầy:
TSKH. Trần Xn Đào, Trưởng phịng Kế hoạch và định hướng khoa học, Viện
nghiên cứu khoa học và Thiết kế dầu khí biển, Liên doanh Việt - Nga
“Vietsovpetro”.

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, luận văn cao học chuyên ngành Kỹ
Thuật Khoan, Khai Thác & Cơng Nghệ Dầu Khí với đề tài “Ứng dụng mơ hình
địa cơ học trong thiết kế ổn định giếng khoan phát triển TL-5P” của học viên
Phạm Văn Thành đã hoàn tất. Để có được kết quả này, tác giả đã nhận được rất
nhiều sự giúp đỡ, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm của các thầy trực tiếp hướng
dẫn thực hiện luận văn, các thầy trong khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí, cán bộ
phản biện, và các bạn, đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn khoa học của thầy TS. Tạ Quốc
Dũng và thầy TSKH. Trần Xuân Đào trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Mặc
dù rất bận trong công tác giảng dạy và hoạt động khoa học nhưng các thầy vẫn luôn
quan tâm, động viên, hướng dẫn tận tình để tác giả hồn thành luận văn này.
Trong q trình thực hiện luận văn, tác giả cũng nhận được sự giúp đỡ, cung
cấp thông tin, tài liệu từ những đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp
đỡ quý báu đó.
Cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện và là chỗ dựa vững chắc nhất để tác giả yên
tâm hoàn thành luận văn này.

Tp.HCM, tháng 07 năm 2015

PHẠM VĂN THÀNH

I


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong thực tế xây dựng chương trình khoan cho một giếng khoan phát triển mỏ, giai
đoạn thiết kế giếng khoan đóng một vai trị hết sức quan trọng quyết định đến sự
thành công của giếng khoan. Lý thuyết về xây dựng giếng khoan dầu khí đã được
xây dựng và ứng dụng rộng rãi. Trong công tác thiết kế giếng khoan, công đoạn xác
định cửa sổ dung dịch khoan, độ sâu cho mỗi khoảng khoan, quỹ đạo khoan đóng

một vai trị quan trọng và khơng thể thiếu, đây là những yếu tố tạo nên sự ổn định
của giếng khoan trong thực tế. Qua đề tài “Ứng dụng mô hình địa cơ học trong
thiết kế ổn định giếng khoan phát triển TL-5P”, dưới góc nhìn của mơ hình địa
cơ học và bằng phần mềm tính tốn GMI WELLCHECK, tác giả xây dựng được
cửa sổ dung dịch khoan, độ sâu hợp lý cho mỗi khoảng khoan, quỹ đạo khoan cho
giếng khoan phát triển TL-5P, mỏ TL-DD bồn trũng Cửu Long.

II


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong
thiết kế ổn định giếng khoan phát triển TL-5P” là cơng trình nghiên cứu của cá
nhân tôi. Các số liệu trong luận văn là các số liệu trung thực.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015

PHẠM VĂN THÀNH

III


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ECD:

Tỉ trọng tuần hoàn tương đương;

Swab: Sự giảm áp trong giếng do kéo thiết bị ra khỏi giếng;
MWD: Đo trong khi khoan;
LOT:


Thí nghiệm nứt vỉa thuỷ lực;

XLOT: Thí nghiệm vỡ vỉa;
µ/ IFC: Hệ số ma sát trong của đá;
Pp:

Áp suất lỗ rỗng;

Sv/v: Ứng suất thẳng đứng;
SHmax/H:

Ứng suất ngang lớn nhất;

Shmin/h:

Ứng suất ngang nhỏ nhất;

UCS:

Độ bền nén đơn trục của đá;

mTVD: Chiều sâu thẳng đứng, m;
mMD: Chiều sâu theo quỹ đạo giếng, m;
rpm:

vòng/phút;

gpm:


gallon/phút;

fpm:

feet/phút;

ppg:

pound/gallon.

: Ứng suất pháp;
’: Ứng suất hiệu dụng;
: Ứng suất vòng quanh lỗ khoan;
r: Ứng suất hướng tâm;
zz: Ứng suất dọc lỗ khoan;
: Góc giữa hướng lỗ khoan và H;
: Ứng suất tiếp;
: Hệ số Poison;
: Góc ma sát trong của đá;
: Góc nghiêng phá hủy trong mối tương quan giữa các ứng suất chính hiệu dụng;

IV


Cp: Áp suất sụp lở thành giếng;
Dt : Vận tốc truyền sóng âm;
FBP: Áp suất phá hủy thành hệ;
FCP: Áp suất đóng khe nứt;
FIP: Áp suất bắt đầu tạo khe nứt;
FPP: Áp suất mở rộng khe nứt tối đa;

FRP: Áp suất mở lại khe nứt;

V


DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Trường ứng suất của mỏ GC & CC ............................................................4
Hình 1.2: Các bước xây dựng mơ hình cơ học đá cho giếng GC-1P ..........................5
Hình 1.3: Thí nghiệm LOT tại giếng GC-2X ở độ sâu 1817mTVD ...........................7
Hình 1.4: Ứng suất ngang lớn nhất trong khu vực ......................................................7
Hình 1.5: Phân tích Caliper trong giếng GC-2X ở độ sâu 2438-3528m .....................8
Hình 1.6: Tổng hợp thành phần ứng suất đứng từ 05 giếng khoan.............................9
Hình 1.7: Ảnh hưởng của hướng khoan tới độ ổn định thành giếng tại độ sâu 2,455
mMD ...........................................................................................................................9
Hình 1.8: Sơ đồ mỏ LDV và LDN ............................................................................11
Hình 1.9: Các bước xây dựng mơ hình địa cơ học giếng LDV-4X ..........................12
Hình 1.10: Mơ hình độ ổn định thành giếng cho giếng khoan LDV-4X ..................15
Hình 1.11: Phân tích độ nhạy giếng khoan LDV-4X tại độ sâu 3844mMD .............15
Hình 1.12: Sơ đồ khu mỏ ..........................................................................................17
Hình 1.13: Ứng suất đứng SV, áp suất lỗ rỗng Pp và ứng suất ngang nhỏ nhất khu
mỏ ..............................................................................................................................18
Hình 1.14: Đồ thị các vùng ứng suất khu mỏ Rạng Đơng. .......................................19
Hình 1.15: Dữ liệu hình ảnh của Break out và DITF mỏ Rạng Đơng ......................20
Hình 1.16: Sự phân bố của Break out và DITF tại độ sâu 4,200mTVD mỏ Rạng
Đơng. .........................................................................................................................20
Hình 1.17: Tổng hợp hướng của SHmax qua các giếng khoan mỏ Rạng Đơng .......21
Hình 1.18: Độ lớn của SHmax khu mỏ tại thời điểm trước khai thác ..........................22
Hình 1.19: Đồ thị áp suất thành hệ đá móng và thời gian .........................................23
Hình 1.20: Sự phụ thuộc áp suất giảm và ứng suất ...................................................24
Hình 1.21: Các sự cố khoan giếng khoan W3 ...........................................................27

Hình 1.22: Quan trắc breakout trên một log ảnh điện trong một giếng đứng ...........29
Hình 1.23: Các thành phần ứng suất tại một giếng trong khu mỏ nghiên cứu. ........30
Hình 1.24: Tỉ trọng dung dịch cần thiết ngăn sụp lở thân giếng trong đá phiến sét .31
Hình 2.1: Ví dụ về hình ảnh Log mật độ khối .........................................................33
VI


Hình 2.2: Sự tạo thành khe nứt do thủy lực khoan ...................................................35
Hình 2.3: Vịng trịn Mohr chạm vào đường bao phá hủy ........................................37
Hình 2.4: Các ứng suất vịng quanh lỗ khoan ...........................................................38
Hình 2.5: Phân bố cường độ ứng suất tại lỗ khoan ...................................................39
Hình 2.6: Quỹ đạo giếng khoan nghiêng ..................................................................40
Hình 2.7: Các thơng số trên vịng trịn Mohr ............................................................42
Hình 2.8: Thí nghiệm nén đơn trục ...........................................................................43
Hình 2.9: Mối tương quan giữa UCS và (a) độ rỗng, (b) mơ dun sóng nén P, (c) vận
tốc truyền sóng âm trong thành hệ cát kết ...............................................................45
Hình 2.10: Mối tương quan giữa UCS với (a) độ rỗng, (b) vận tốc truyền sóng âm
trong thành hệ sét ......................................................................................................46
Hình 2.11: Mối tương quan giữa UCS và (a) độ rỗng và (b) vận tốc truyền sóng ...47
Hình 2.12: Các loại phá hủy trong giếng khoan .......................................................47
Hình 2.13: Giới hạn ứng suất vịng quanh lỗ khoan .................................................48
Hình 2.14: Phá hủy kéo (trái) và phá hủy cắt (phải) .................................................49
Hình 2.15: Đường bao phá hủy theo vịng trịn Moh ................................................50
Hình 2.16: Vòng tròn Mohr chạm vào đường bao phá hủy ......................................51
Hình 2.17: Cách xác định góc β trong vịng trịn Mohr ............................................52
Hình 2.18: Tương quan giữa

và

trên tiêu chuẩn Mohr ................................53


Hình 2.19: Vùng các loại đứt gãy trong đất đá .........................................................55
Hình 2.20: Áp suất gây sập lở với các quỹ đạo giếng khác nhau .............................63
Hình 2.21: Nguyên tắc thiết kế các cấp ống chống ...................................................64
Hình 2.22: Độ sâu đặt chân đế ống chống và cửa sổ dung dịch khoan.....................65
Hình 3.1: Vị trí mỏ TL-DD .......................................................................................67
Hình 3.2: Sơ đồ phát triển mỏ TL-DD ......................................................................67
Hình 3.3: Mặt cắt địa chấn qua mỏ TL-DD ..............................................................76
Hình 3.4: Bản đồ cấu tạo đẳng sâu nóc tập BII.2......................................................76
Hình 3.5: Bản đồ cấu tạo đẳng sâu nóc tập BII.1......................................................77
Hình 3.6: Bản đồ cấu tạo đẳng sâu nóc tập BI.2 ......................................................77
Hình 3.7: Bản đồ cấu tạo đẳng sâu nóc tập BI.1 .......................................................78
VII


Hình 3.8: Bản đồ cấu tạo đẳng sâu nóc tập D ...........................................................78
Hình 3.9: Bản đồ cấu tạo đẳng sâu nóc tập E ...........................................................79
Hình 3.10: Bản đồ cấu tạo đẳng sâu nóc móng trước Đệ Tam .................................79
Hình 3.11: Tóm tắt địa tầng giếng khoan 02/97-TL-1X ..........................................82
Hình 3.12: Tóm tắt địa tầng giếng khoan 02/97-TL-2X ...........................................83
Hình 3.13: Tóm tắt địa tầng giếng khoan 02/97-TL-3X ..........................................84
Hình 3.14: Tóm tắt địa tầng giếng khoan 02/97-DD-1X .........................................85
Hình 3.15: Tóm tắt địa tầng giếng khoan 02/97-DD-2X .........................................86
Hình 3.16: Tóm tắt địa tầng giếng khoan 02/97-DD-3X .........................................87
Hình 3.17: Liên kết địa tầng giếng khoan 02/97-TL-1X, TL-2X và TL-3X ...........91
Hình 3.18: Liên kết địa tầng giếng khoan 02/97-DD-1X, DD-3X và DD-2X.........91
Hình 3.19: Qũy đạo giếng TL-5P .............................................................................97
Hình 3.20: Cấu trúc thân giếng đơn ..........................................................................98
Hình 3.21: Đặc tính đất đá và các thông số thiết kế giếng khoan TL-5P ...............109
Hình 3.22: Thiết lập chiều sâu ống chống và tỷ trọng dung dịch khoan giếng khoan

TL-5P ......................................................................................................................110
Hình 3.23 Đánh giá độ rủi ro & phân tích độ nhạy tại khoảng khoan 8-1/2” .........112
Hình 3.24: Hướng khoan dự đốn trong khoảng khoan 8-1/2” ..............................114

VIII


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU........................................................................... IX
Bảng 1.1: Cửa sổ dung dịch khoan thiết kế cho giếng GC-1P....................................4
Bảng 1.2: Cửa sổ dung dịch khoan và độ sâu ống chống giếng LDV-4X ................12
Bảng 1.3: Nguồn dữ liệu và các thông tin cơ học đất đá ..........................................14
Bảng 1.4: So sánh giữa tỷ trọng dung dịch khoan và độ sâu ống chống ..................14
Bảng 1.5: Hướng khoan, tỷ trọng và các vấn đề xuất hiện trong quá trình khoan
đoạn 8.5” của giếng W3 và các giếng có góc nghiêng thấp. ....................................28
Bảng 2.1: Bảng mơ hình xác định góc ma sát trong .................................................43
Bảng 2.2: Tỷ trọng dung dịch gây nên break out trong giếng đứng với giá trị ứng
suất ngang không đổi ................................................................................................57
Bảng 2.3: Tỷ trọng dung dịch khoan gây ra break out trong giếng có quỹ đạo bất kỳ
...................................................................................................................................59
Bảng 2.4: Bảng tỷ trọng dung dịch khoan có thể gây ra hiện tượng break out theo
Mogi ..........................................................................................................................62
Bảng 3.1: Tọa độ vùng phát triển mỏ TL-DD...........................................................66
Bảng 3.2: Kết quả khoan thăm dò và thẩm lượng.....................................................70
Bảng 3.3: Kết quả thử vỉa giếng khoan mỏ TL .........................................................72
Bảng 3.4: Kết quả thử vỉa giếng khoan mỏ DD ........................................................73
Bảng 3.5: Các thông số cấu trúc và bẫy chứa mỏ TL-DD ........................................75
Bảng 3.6: Phân chia địa tầng các giếng khoan mỏ TL-DD.......................................81
Bảng 3.7: Liên kết địa tầng và phân chia tầng đá chứa các giếng khoan mỏ TL .....92
Bảng 3.8: Liên kết địa tầng và phân chia tầng đá chứa các giếng khoan mỏ DD ....93

Bảng 3.9: Thông số cơ lý đá lỗ khoan mỏ TL-DD .................................................106
Bảng 3.10: Thông số quỹ đạo giếng TL-5P ............................................................108
Bảng 3.11: Chiều sâu thả ống chống và tỉ trọng dung dịch khoan giếng TL-5P ....111
Bảng 3.12: Kết quả đánh giá các khoảng khoan .....................................................112
Bảng 3.13: Ảnh hưởng của góc nghiêng đến áp suất vỉa ........................................114
Bảng 3.14: Tổng kết tỉ trọng dung dịch tại các khoảng khoan ...............................115

IX


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. I
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ II
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................IV
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH ..............................................................................VI
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU............................................................................IX
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ..............................................................2
3. Các luận điểm bảo vệ ..............................................................................................2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC TRONG
CÔNG TÁC THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN PHÁT TRIỂN ...................... 3
1.1 Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan GC-1P tại bồn trũng
Nam Côn Sơn [1] ........................................................................................................3
1.1.1 Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................3
1.1.2 Kết quả nghiên cứu ............................................................................................3
1.1.3 Trình tự cơng việc xây dựng mơ hình cơ học đá: ..............................................5
1.1.4 Tổng hợp thành phần ứng suất đứng từ số liệu của 05 giếng khoan. ................8
1.1.5 Ảnh hưởng của hướng khoan tới độ ổn định thành giếng..................................9

1.2 Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan LDV-4X tại mỏ LDN
và LDV [2] ................................................................................................................10
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu.........................................................................................10
1.2.2 Kết quả nghiên cứu ..........................................................................................11
1.2.3 Trình tự cơng việc xây dựng mơ hình địa cơ học của giếng LDV-4X: ...........12
1.2.4 Mơ hình địa cơ học cho giếng khoan LDV-4X................................................14
1.3 Nghiên cứu ứng suất tại chỗ và độ bền đất đá tại mỏ Rạng Đông, áp dụng trong
khoan tại tầng đá móng [3]........................................................................................16
1.3.1 Tóm tắt nghiên cứu ..........................................................................................16
1.3.2 Giới thiệu chung vùng mỏ nghiên cứu .............................................................16
X


1.3.3 Phương pháp nghiên cứu, quy trình thực hiện và dữ liệu đầu vào ..................17
1.3.4 Phân tích mơ hình địa cơ học ...........................................................................18
1.3.5 Ảnh hưởng của giảm áp suất thành hệ và ứng suất đất đá khu mỏ. .................22
1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ổn định thành giếng khoan lên khả năng khoan
các giếng khoan vươn xa mỏ Chim Sáo bồn trũng Nam Côn Sơn [4] ......................24
1.4.1 Tổng quan nghiên cứu ......................................................................................24
1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu.........................................................................................25
1.4.3 Các sự cố trong q trình khoan ......................................................................26
1.4.4 Mơ hình địa cơ học...........................................................................................28
1.4.5 Dự đoán cơ chế phá huỷ thân giếng .................................................................30
1.4.6 Phân tích ổn định thành giếng cho khả năng vươn xa của giếng khoan ..........31
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẾNG KHOAN & MƠ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC
TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN ................................................... 33
2.1 Các loại ứng suất trong đất đá .............................................................................33
2.1.1 Ứng suất thẳng đứng (

) [5]..........................................................................33


2.1.2 Ứng suất nhỏ nhất theo phương ngang (

) [5] ..............................................34

2.1.3 Ứng suất lớn nhất theo phương ngang [6] ......................................................35
2.1.4 Áp suất lỗ rỗng và ứng suất hiệu dụng .............................................................37
2.1.5 Ứng suất vịng quanh lỗ khoan ........................................................................38
2.2 Các thơng số độ bền đất đá .................................................................................41
2.2.1 Lực cố kết S0 [5] ...............................................................................................41
2.2.2 Góc ma sát trong [6] .........................................................................................42
2.2.3 Độ bền nén đơn trục (UCS) [6] ........................................................................43
2.2.4 Độ bền kéo của đất đá (T) ................................................................................47
2.3 Các hiện tượng liên quan tới ảnh hưởng của trường ứng suất ............................47
2.3.1 Sự hình thành khe nứt trong khi khoan [5] ......................................................49
2.3.2 Phá hủy cắt [5] .................................................................................................49
2.4 Các loại đứt gãy có thể xảy ra trong đất đá .........................................................54
2.5 Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan ..................................56

XI


2.5.1 Tính tốn tỷ trọng dung dịch khoan tránh hiện tượng Breakout và hiện tượng
tạo khe nứt .................................................................................................................56
2.5.2 Thiết kế quỹ đạo giếng khoan tối ưu ................................................................62
2.5.3 Xác định chiều sâu đặt chân đế ống chống ......................................................63
Chương 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH
GIẾNG KHOAN TL-5P TẠI MỎ TL-DD, BỒN TRŨNG CỬU LONG ................ 66
3.1 Thông tin chung về khu vực nghiên cứu .............................................................66
3.1.1 Vị trí và diện tích phát triển mỏ TL-DD ..........................................................66

3.1.2 Lịch sử thăm dị, thẩm lượng và phát hiện dầu-khí .........................................67
3.1.3 Tóm tắt kết quả thử vỉa ....................................................................................70
3.1.4 Đặc điểm cấu trúc và địa chất mỏ TL-DD .......................................................74
3.2 Công Nghệ Khoan ...............................................................................................96
3.2.1 Qũy đạo giếng và Độ lệch ................................................................................96
3.2.2 Cấu trúc ống chống ..........................................................................................97
3.2.3 Những phức tạp và rủi ro trong quá trình khoan ..............................................98
3.3 Đánh giá độ ổn định thành giếng khoan phát triển TL-5P ................................100
3.3.1 Mơ hình địa cơ học.........................................................................................100
3.3.2 Cửa sổ dung dịch khoan .................................................................................108
3.3.3 Thiết lập chiều sâu ống chống và lựa chọn tỷ trọng dung dịch .....................108
3.3.4 Đánh giá rủi ro (QRA) ...................................................................................111
3.3.5 Chọn hướng khoan .........................................................................................113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 118
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................... 119

XII


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài

Ngành cơng nghiệp dầu khí Việt nam phát triển từ năm 1986 khi tấn dầu khí
đầu tiên được khai thác từ mỏ Bạch Hổ. Từ đó đến nay, cơng nghiệp dầu khí đã có
những bước phát triển vượt bậc, dầu khí trở thành một trong những ngành quan
trọng đóng góp vào sự phát triển của đất nước. Song song đó, lý thuyết xây dựng
giếng khoan và kinh nghiệm khoan thực tế của các công ty dầu khí trong/ngồi

nước đã có những tiến triển vượt bậc trong gần 30 năm qua.
Nghiên cứu thiết kế giếng khoan khi tiến hành khoan một giếng mới (thăm
dò, thẩm lượng, khai thác, phát triển mỏ…) là một công tác hết sức quan trọng và
địi hỏi rất nhiều cơng việc, công đoạn của các bộ phận chuyên môn khác nhau, từ
nhà địa chất, địa vật lý, công nghệ mỏ, kỹ sư khoan... Tùy vào loại giếng khoan mà
công tác thiết kế giếng khoan có những khác nhau riêng biệt. Thiết kế giếng khoan
phải đạt đến mục tiêu cần khoan và đáp ứng những yêu cầu cao về công nghệ
khoan, an tồn sức khỏe mơi trường cũng như chi phí khoan giếng.
Với các giếng khoan thăm dò, hầu hết là giếng khoan thẳng đứng trong điều
kiện hạn chế thông tin về địa chất nên có những rủi ro tiềm tàng trong việc xác định
đúng địa tầng khoan. Với các giếng khoan thẩm lượng, phát triển mỏ hay khai thác,
cấu trúc địa chất, địa tầng có nhiều thơng tin hơn từ việc tham chiếu những giếng
khoan thăm dị trước đó, và hiện nay hầu hết đó là những giếng khoan định hướng
và khoan ngang.Qua quá trình khoan giếng phát triển tại mỏ TL-DD bồn trũng Cửu
Long cho thấy việc thi công các giếng khoan tại khu vực này cực kỳ phức tạp, do đó
sự cố thường xảy ra trong q trình thi cơng khoan như: sập lở thành giếng khoan,
mất tuần hồn dung dịch, hiện tượng kick, kẹt cần khoan, ống chống…nên tác động
lớn và ảnh hưởng rất nhiều đến yếu tố kinh tế, kỹ thuật của dự án.
Để giảm thiểu rủi ro trong công tác thiết kế giếng khoan, tác giả nhận thấy
việc ứng dụng mơ hình địa cơ học để kiểm tra phân tích tính ổn định của thành
giếng khoan, xây dựng quỹ đạo giếng khoan, xác định tỷ trọng dung dịch khoan và
độ sâu đặt chân đế ống chống đóng một vai trị đặc biệt quan trọng và mang tính

1


quyết định đến khả năng thành bại của giếng khoan cũng như tổng thể dự án
khoan/phát triển mỏ.
Xuất phát từ ý tưởng trên, tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài “Ứng dụng
mơ hình địa cơ học trong thiết kế ổn định giếng khoan phát triển TL-5P” làm

luận văn thạc sỹ của mình.
2.

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích: Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan.
Đối tượng nghiên cứu: Giếng khoan phát triển TL-5P tại mỏ TL-DD bồn trũng
Cửu Long.
Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng mơ hình địa cơ học áp dụng cho giếng khoan
TL-5P tại mỏ TL-DD bồn trũng Cửu Long để tính tốn: Chiều sâu đặt cột ống
chống; Tỷ trọng dung dịch khoan và Quỹ đạo khoan.
3.

Các luận điểm bảo vệ

Nghiên cứu lý thuyết chung về xây dựng mơ hình địa cơ học, lý thuyết về xây
dựng giếng khoan cho các thông số: chiều sâu ống chống, tỷ trọng dung dịch khoan,
quỹ đạo giếng khoan.
Dựa trên mơ hình địa cơ học bằng phần mềm GMI Wellcheck tính tốn chiều
sâu ống chống, tỷ trọng dung dịch khoan và quỹ đạo khoan cho giếng khoan TL-5P
tại mỏ TL-DD bồn trũng Cửu long.
4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hệ thống hóa được lý thuyết xây dựng giếng khoan, mơ hình địa cơ học trong
xác định các thơng số khoan. Qua đó ứng dụng xác định các thông số khoan cho
giếng khoan phát triển TL-5P tại mỏ TL-DD, bồn trũng Cửu long, góp phần hồn
thiện cơng nghệ khoan cho những giếng khoan phát triển có điều kiện địa chất địa
tầng tương tự.


2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC
TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH GIẾNG KHOAN PHÁT TRIỂN
1.1 Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan GC-1P tại
bồn trũng Nam Côn Sơn [1]
Tại Bồn trũng Nam Côn Sơn, Công ty Côn Sơn JOC đã thực hiện nghiên cứu
phân tích ổn định thành giếng để khoan thẩm lượng các giếng khoan tại mỏ Gấu
chúa và Cá Chó, ngồi khơi Việt nam. Nghiên cứu được thực hiện bởi Công ty
Baker Hughes vào năm 2013 bằng sử dụng phần mềm cơ sở GMI Wellcheck và lý
thuyết về mơ hình địa cơ học.
1.1.1 Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng một mơ hình địa cơ học cụ thể dựa trên dữ liệu từ năm giếng khoan
thăm dò CC-2X, CC-2XST, GC-1X, GC-1XST và GC-2X.
Dự đoán cơ chế gây ra những vấn đề không ổn định bằng cách xem xét các
giếng đã khoan dựa trên mơ hình địa cơ học này.
Tiến hành phân tích sự ổn định thành giếng cho giếng khoan thẩm lượng GC1P với mục đích:
o

Xác định cửa sổ dung dịch khoan để hạn chế sập lở thành giếng

khoan, tránh hiện tượng kick do tỷ trọng dung dịch thấp.
o

Nghiên cứu sâu về ứng suất đứng tại khoảng độ sâu từ

2000mMD đến tầng móng.
1.1.2 Kết quả nghiên cứu

Mỏ Gấu Chúa và Cá Chó có trường ứng suất bình thường: Shmin < SHmax < SV
(hình 1.1). Góc phương vị của SHmax là 120N tới 200N. Trong đó ứng suất đứng SV
được xác định bằng sử dụng dữ liệu tỷ trọng. Ứng suất ngang nhỏ nhất Shmin xác
định từ dữ liệu Leak-off Test. Ứng suất ngang lớn nhất SHmax được tính toán từ dữ
liệu thu thập từ minh giải ảnh của giếng khoan GC-2X.
Áp suất lỗ rỗng bình thường, tuân theo mực thủy tĩnh với tỷ trọng chất lưu <
8.9 ppg. Giếng khoan GC-1P được xây dựng với mơ hình áp suất thủy tĩnh, tương
tự như giếng khoan CC-2X.

3


Hình 1.1: Trường ứng suất của mỏ GC & CC
Cửa sổ dung dịch khoan theo tính tốn cho giếng GC-1P như bảng 1.1 với
dung dịch khoan gốc nước. Dung dịch khoan gốc dầu sẽ cải thiện hơn tính chất
thành hệ khoan qua cũng có thể được xem xét sử dụng trong tính tốn dung dịch
khoan. Tỷ trọng dung dịch lớn nhất được giới hạn bởi gradient vỡ vỉa tại chân đế
cột ống chống trước đó.
Độ sâu (MDm)

Tỷ trọng dung dịch nhỏ

Tỷ trọng dung dịch lớn

nhất (ppg)

nhất (ppg)

~2000 – 2488


Min 9.7

~ 13.0

2488 – 4738

10.0

13.2

4738 – TD

8.5

13.8

Bảng 1.1: Cửa sổ dung dịch khoan thiết kế cho giếng GC-1P

4


1.1.3 Trình tự cơng việc xây dựng mơ hình cơ học đá:

Hình 1.2: Các bước xây dựng mơ hình cơ học đá cho giếng GC-1P
Các bước xây dựng mơ hình cơ học đá cho giếng GC-1P như trình bày trên
hình 1.2. Từ việc sử dụng tài liệu mẫu lõi, địa vật lý, dữ liệu khoan và kinh nghiệm
để xây dựng mơ hình cơ học đất đá đặc trưng cho ứng suất tại chỗ, áp lực lỗ rỗng,
tính chất cơ học đá của lớp phủ và vỉa. Từ đó, rút ra được vấn đề về sự không ổn
định của các lỗ khoan là do sự phá huỷ của các thớ lớp phẳng yếu và sức bền của
lớp đá dị hướng trong tập đá phiến sét xen kẹp với cát kết. Để kiểm soát thớ lớp yếu

và sự phá huỷ của tập đá dị hướng thì cần phải tăng tỉ trọng dung dịch khoan từ kế
hoạch ban đầu. Trong khi đó, tỉ trọng dung dịch cần thiết cho việc duy trì sự ổn định
thành giếng thay đổi tùy thuộc vào quỹ đạo thân giếng và đặc tính lớp đất đá. Nếu tỉ
trọng dung dịch cao có thể gây nhiễm bẩn thành hệ và nguy cơ nứt vỡ vỉa.
Các thành phần chính của mơ hình địa cơ học bao gồm ba ứng suất chính (ứng
suất thẳng đứng: Sv, ứng suất ngang tối đa: SHmax và ứng suất ngang tối thiểu: Shmin),

5


áp lực lỗ rỗng (Pp) và tính chất cơ học đất đá, độ bền nén đơn trục (UCS) và góc ma
sát trong. Các thành phần này có thể xác định bằng dữ liệu lỗ khoan của một vài
giếng đại diện trong khu mỏ.
Khi ứng suất ngang không bằng nhau, một ứng suất bất đẳng hướng tạo ra và
gây nên sự không ổn định thành giếng.
Các thông tin ứng suất khu vực, các tài liệu đo mật độ logs, đo áp lực lỗ rỗng,
dữ liệu nứt vỉa thuỷ lực (LOT – leak-off test), và độ bền đất đá lấy từ log được sử
dụng để xây dựng mơ hình địa cơ học.
Trừ các góc phương vị và độ lớn của SHmax, các thành phần khác của mơ hình
địa cơ học có thể được xác định từ dữ liệu lỗ khoan bằng cách xem một vài giếng
đại diện trong khu vực. Đá thí nghiệm là cát kết. Log hiệu chuẩn UCS và các thông
số cơ học khác của đá được sử dụng. Áp suất lỗ rỗng cũng vậy, các đường log siêu
âm, mật độ và điện trở được sử dụng để ước tính áp suất lỗ rỗng, và đã được điều
chỉnh bằng cách sử dụng dữ liệu đo lường trực tiếp và kinh nghiệm khoan. Dữ liệu
cho thấy thành hệ gây áp lực lên vỉa là bình thường. Ứng suất thẳng đứng được tính
bằng tích hợp mật độ thành hệ, và thu được từ các tài liệu wireline logs. Độ lớn của
Sv trong mỏ tương tự như trong khu vực vì đáy biển tương đối phẳng và mật độ đất
đá ít thay đổi theo chiều ngang.
Ứng suất ngang tối thiểu (Shmin) ở độ sâu nhất định có thể được ước tính trực
tiếp từ các dữ liệu vỡ vỉa (XLOT – extended leak-off test), dữ liệu nứt vỉa thuỷ lực

(LOT – leak-off test) hoặc mini-frac test. Hình 1.3 thể hiện đồ thị nứt vỉa thủy lực
tại giếng GC-2X ở độ sâu 1817mTVD. Trong quá trình thử vỉa, tỷ trọng dung dịch
khoan là 9.2 ppg, áp suất leak-off tại 1115 psi.
Góc phương vị và độ lớn của ứng suất ngang tối đa (SHmax) có thể được ước
tính thơng qua việc phân tích các phá huỷ thân giếng như breakout và các vết nứt
kéo. Phân tích ứng suất cho phép xác định hướng phá huỷ thân giếng và độ lớn của
SHmax vì sự phá huỷ thân giếng gây ra bởi ứng suất hoạt động xung quanh thân giếng
khi khoan.
Trong giếng có góc lệch thấp (gần thẳng đứng), breakout thường phát triển
theo hướng Shmin. Góc phương vị của SHmax được chấp nhận là ~120N- 200N trong
6


mỏ dựa trên breakout thân giếng giải thích từ các dữ liệu hình ảnh đo điện. Quan
trắc này là phù hợp với ứng suất định hướng trong khu vực (Hình 1.4).

Hình 1.3: Thí nghiệm LOT tại giếng GC-2X ở độ sâu 1817mTVD

Hình 1.4: Ứng suất ngang lớn nhất trong khu vực
Hình 1.5 là phân tích Caliper trong giếng GC-2X ở độ sâu 2438-3528m. Dữ

7


liệu đo Caliper cho thấy sự xuất hiện của hướng phá hủy lỗ khoan dựa theo hướng
của Break out. Góc phương vị trung bình của Break out trong thành hệ đứng
(<3250mMD) là 1020N. Góc phương vị trung bình của ứng suất ngang lớn nhất là
120N.

Hình 1.5: Phân tích Caliper trong giếng GC-2X ở độ sâu 2438-3528m

1.1.4 Tổng hợp thành phần ứng suất đứng từ số liệu của 05 giếng khoan.
Theo tính tốn và thống kê, thành phần ứng suất đứng cho 05 giếng khoan có
biên dạng như hình 1.6. Chiều sâu mực nước của giếng GC-1P tương ứng với các
giếng phân tích là 85m. Biên dạng ứng suất đứng của 5 giếng gần như tương đồng
sai khác ít hơn 1ppg.

8


Hình 1.6: Tổng hợp thành phần ứng suất đứng từ 05 giếng khoan
1.1.5 Ảnh hưởng của hướng khoan tới độ ổn định thành giếng

Hình 1.7: Ảnh hưởng của hướng khoan tới độ ổn định thành giếng tại độ sâu
2,455 mMD

9


Ta thấy biên dưới của cửa sổ dung dịch khoan (màu xanh lá cây) tại mỗi điểm
của lỗ khoan được kiểm soát bởi áp suất lỗ rỗng hay áp suất phá hủy giếng khoan.
Biên trên của cửa sổ dung dịch khoan được kiểm soát bởi áp suất ngang nhỏ nhất
trong tầng cát kết Shmin. Biên trên cũng cho biết giới hạn của tỷ trọng tuần hồn
tương đương trong q trình khoan thực tế.
Hình 1.7 thể hiện áp lực sụp lở thành giếng (borehole collapse pressure) tại tất
cả các hướng khoan trong thành hệ. Trong đó, hình này cũng thể hiện các thông số
quỹ đạo của giếng khoan thiết kế GC-1P (vị trí ơ trịn màu trắng trong hình). Mũi
tên chỉ hướng phát triển của ứng suất ngang lớn nhất SHmax.
Tại độ sâu 2,455 mMD, giếng có góc phương vị 1680, góc lệch thân giếng là
430 và giá trị borehole collapse tại độ sâu này là 9.66ppg.
Tỉ trọng dung dịch khoan được yêu cầu để đảm bảo sự ổn định thành giếng tỉ

lệ với góc lệch thân giếng. Tại các đoạn thân giếng nghiêng, tỉ trọng dung dịch
khoan cần thiết cao hơn so với đoạn thân giếng đứng ở cùng độ sâu.
Tuy nhiên, tỉ trọng dung dịch khoan được yêu cầu để đảm bảo sự ổn định
thành giếng gần như không chịu ảnh hưởng bởi góc phương vị giếng.
1.2 Ứng dụng mơ hình địa cơ học trong thiết kế giếng khoan LDV-4X tại
mỏ LDN và LDV [2]
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mô hình địa cơ học và phân tích độ ổn định thành giếng được xây dựng cho
giếng khoan LDV-4X trong mỏ LDN và LDV dựa trên nghiên cứu địa cơ học từ các
giếng khoan trước đó: LDN-1X, LDN-3X, LDV-1X và LDV-3X. Nghiên cứu được
thực hiện bởi công ty Schlumberger vào năm 2012.
Vấn đề chính gặp phải là hiện tượng mất dung dung dịch khoan khi khoan
qua tầng đá móng granite, kẹt cần khoan. Chính vì vậy nghiên cứu và xây dựng mơ
hình địa cơ học đã được thực hiện để phân tích những sự cố gặp phải trong q trình
khoan các giếng khoan trước đó và tính tốn được cửa sổ khoan hợp lý cho giếng
dự định sẽ khoan LDV-4X. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xem xét lại những dữ
liệu các giếng đã khoan, sử dụng các số liệu đo log, số liệu khoan và các số liệu liên
quan để hiểu được các sự cố khoan và tính chất cơ học đá của mỏ.
10