Trong quá trình khoan, hiệu suất tuyệt vời của dung dịch khoan là điều kiện tiên quyết để cải thiện tốc độ khoan, giảm chi phí khoan, ngăn ngừa tai nạn dưới hầm và bảo vệ các tầng chứa dầu khí. Hệ thống kiểm soát chất rắn của dung dịch khoan là sự đảm bảo để duy trì hiệu suất của dung dịch khoan.
Với sự phát triển của ngành thăm dò dầu khí, độ sâu khoan ngày càng tăng và các tầng địa chất gặp phải ngày càng phức tạp. Các giếng đặc biệt như giếng sâu, giếng siêu sâu, giếng ngang và giếng cân bằng áp suất ngày càng phổ biến, đặt ra yêu cầu cao hơn đối với hệ thống kiểm soát chất rắn của dung dịch khoan.
Trong những năm gần đây, hệ thống kiểm soát chất rắn đã có những cải tiến đáng kể về công nghệ, từ bể tuần hoàn dung dịch khoan đến thiết bị kiểm soát chất rắn, và quy trình xử lý ngày càng hợp lý hơn. Tuy nhiên, nhiều quan niệm sai lầm vẫn tồn tại liên quan đến việc phối hợp các hệ thống kiểm soát chất rắn.
1. Bể tuần hoàn dung dịch khoan.
Thể tích hiệu dụng của bể tuần hoàn dung dịch khoan phải đủ để chứa thể tích dung dịch khoan tuần hoàn tối đa trong quá trình khoan, và có dung lượng dự trữ đầy đủ. Nó cũng phải có khả năng tuần hoàn và kiểm soát giếng trong các trường hợp khẩn cấp. Trong những năm gần đây, với sự mở rộng liên tục của thị trường nước ngoài và nhu cầu ngày càng tăng của công nghệ khoan đối với hệ thống kiểm soát chất rắn của dung dịch khoan, đã có hiện tượng mở rộng thể tích bể tuần hoàn dung dịch khoan một cách mù quáng.
Thể tích quá lớn của hệ thống kiểm soát chất rắn làm tăng chi phí di chuyển giàn khoan và chi phí dung dịch khoan. Do đó, thể tích hợp lý là mục tiêu mà người dùng theo đuổi.
Kích thước của một bể đơn và số lượng bể tuần hoàn trong một hệ thống kiểm soát chất rắn thường được xác định dựa trên các yếu tố như chiều cao của chân đế giàn khoan, điều kiện vận chuyển địa phương và thể tích hiệu dụng cần thiết bởi giàn khoan. Phải có đủ không gian trên bề mặt bể tuần hoàn để chứa thiết bị kiểm soát chất rắn, máy khuấy và bơm chuyển dung dịch khoan. Ngoài ra, không gian phải được xem xét cho việc kết nối đường ống, bể bùn, phụ kiện, đường ống hút và xả của bơm, đường ống nước và các thiết bị khác. Thể tích của mỗi ngăn chủ yếu được xác định bởi không gian lắp đặt có sẵn cho thiết bị kiểm soát chất rắn như sàng rung, máy tách cát, máy tách bùn và máy ly tâm, cũng như thiết bị phụ trợ của chúng.
2. Quy trình xử lý và phối hợp thiết bị của hệ thống kiểm soát chất rắn.
Quy trình xử lý toàn bộ hệ thống kiểm soát chất rắn phải đáp ứng yêu cầu về năm giai đoạn kiểm soát chất rắn của dung dịch khoan (sàng lọc — khử khí — tách cát — tách bùn — ly tâm) và làm nặng bùn. Việc phối hợp tối ưu thiết bị kiểm soát chất rắn là rất quan trọng. Công suất xử lý của các giai đoạn 1-5 của thiết bị kiểm soát chất rắn nên tương xứng với nhau, với khoảng cách thích hợp giữa các kích thước hạt được tách và một mức độ chồng lấn nhất định, cho phép các hạt nhỏ hơn không được xử lý hoàn toàn bởi giai đoạn trước vẫn được xử lý bởi giai đoạn tiếp theo.
2.1 Quy trình làm sạch và tuần hoàn dung dịch khoan.
Bùn giếng được trả về qua đường ống có thể được vận chuyển riêng lẻ hoặc đồng thời đến các sàng rung khác nhau. Sau khi được xử lý bởi sàng rung, nó đi vào buồng lắng cát. Bùn tràn ra khỏi buồng lắng cát đi vào buồng tách cát thông qua bể bùn (nếu xảy ra xâm nhập khí bùn, máy khử khí chân không có thể được kích hoạt để hút bùn từ buồng khử khí trước khi nó đi vào buồng tách cát).
Bùn được xử lý bởi máy tách cát đi vào buồng tách bùn. Bùn được xử lý bởi máy tách bùn đi vào buồng ly tâm thông qua bể bùn. Bùn được xử lý bởi máy ly tâm đi vào buồng hút dung dịch khoan thông qua bể bùn. Sau đó, nó được bơm lặp đi lặp lại vào giếng để tái sử dụng bởi bơm khoan. Sơ đồ quy trình hợp lý hơn cho hệ thống kiểm soát chất rắn của dung dịch khoan được hiển thị trong hình dưới đây.
2.2 Quy trình xử lý và lựa chọn sàng rung.
Các mảnh vụn khoan sinh ra ở đáy giếng trong quá trình khoan được dung dịch khoan mang lên bề mặt. Sàng rung là thiết bị kiểm soát chất rắn đầu tiên, nhanh nhất và có thể tích lớn nhất để loại bỏ các mảnh vụn khoan, và là thiết bị xử lý giai đoạn đầu thiết yếu cho việc khoan.
Trình độ kỹ thuật của sàng rung chủ yếu thể hiện ở công suất xử lý (thể tích xử lý và kích thước hạt tách), độ tin cậy khi vận hành, tuổi thọ và sự dễ dàng trong vận hành và bảo trì. Với kích thước, hàm lượng và độ nhớt của các hạt rắn trong dung dịch khoan không đổi, ứng suất cắt động lên các hạt rắn càng lớn thì sức cản ban đầu đối với chuyển động của hạt càng lớn và tốc độ vận chuyển hạt càng thấp.
Nghiên cứu lý thuyết về sàng rung ở nước ngoài đã công nhận đầy đủ điểm này. Trước khi dung dịch khoan chảy từ bộ phân phối vào sàng rung, một máng va đập dung dịch khoan được lắp đặt để tránh sự ăn mòn trực tiếp của sàng bởi dung dịch khoan, giảm thiểu ứng suất cắt động lên dung dịch khoan trả về từ đầu giếng.
Không chỉ lực và chuyển động của các hạt rắn hợp lý hơn, mà nó còn giảm rò rỉ dung dịch khoan và tăng thông lượng dung dịch khoan, kéo dài tuổi thọ của sàng. Tuy nhiên, do sự khác biệt về vật liệu, công nghệ xử lý, độ chính xác xử lý và thiết bị chung tương thích giữa các nhà sản xuất, hiệu suất kỹ thuật thực tế của sản phẩm thay đổi đáng kể.
Do đó, khi lựa chọn sàng rung, điều quan trọng là phải hiểu chi tiết về vật liệu, công nghệ xử lý, độ chính xác xử lý và thiết bị chung tương thích, thay vì chỉ dựa vào các thông số kỹ thuật đã nêu. Bên cạnh việc lựa chọn sàng phù hợp dựa trên phân bố kích thước hạt rắn, một yếu tố quan trọng khác cần xem xét khi chọn sàng rung là lưu lượng cho phép của nó. Công suất lưu lượng của sàng rung phải có khả năng đáp ứng tốc độ xả tối đa trong quá trình khoan.
Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng của sàng rung bao gồm các thông số chuyển động của nó, loại dung dịch khoan, mật độ, độ nhớt, phân bố kích thước và hàm lượng hạt rắn, và kích thước sàng. Để đáp ứng yêu cầu về tốc độ xả lớn, đôi khi cần sử dụng 2-3 sàng rung song song.
2.3 Quy trình làm việc và thiết bị của bộ tách xoáy lốc.
Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị kiểm soát chất rắn ở nước ta đều có thể sản xuất bộ tách xoáy lốc, tức là máy tách cát và máy tách bùn. Chỉ số chất lượng chính của bộ tách xoáy lốc là khả năng chống mài mòn, và hiệu suất của chúng chủ yếu được xác định bởi kích thước hạt tách, D50. D50 thấp hơn cho thấy hiệu quả tách tốt hơn.
Khi cấu hình máy tách cát và máy tách bùn, điều quan trọng là đảm bảo rằng các phạm vi tách hạt có cả khoảng cách và sự chồng lấp đầy đủ. Theo tiêu chuẩn phân loại và kích thước hạt tách của bộ tách xoáy lốc, bộ tách xoáy lốc có đường kính trong của volute hình trụ là Φ150–300 mm và kích thước hạt tách là 44–74 μm được phân loại là máy tách cát.
Bộ tách xoáy lốc có đường kính trong của volute hình trụ là Φ100–125 mm và kích thước hạt tách là 15–44 μm được phân loại là máy tách bùn. Tuy nhiên, nhiều máy tách cát và máy tách bùn thực tế được sử dụng tại hiện trường tách các hạt có kích thước tương tự (máy tách cát cho 20–50 μm và máy tách bùn cho 15–45 μm). Dung dịch khoan được xử lý bởi máy tách cát sau đó được xử lý bởi máy tách bùn, làm cho máy tách bùn không hiệu quả trong việc loại bỏ các hạt rắn. Lý do chính là nhiều bộ tách xoáy lốc được sản xuất kém và không đáp ứng yêu cầu của quy trình khoan. Do đó, nhiều người dùng chọn cấu hình hai máy tách cát thay vì một máy tách cát và một máy tách bùn.
Một số người dùng chỉ đơn giản lắp đặt máy tách cát thứ hai tại vị trí máy tách bùn ban đầu mà không thay đổi quy trình xử lý. Cách tiếp cận này không được khuyến khích, vì cả hai máy tách cát đều có thông số hiệu suất giống hệt nhau. Nên sử dụng quy trình xử lý song song, đóng vai trò dự phòng cho nhau hoặc tăng thông lượng dung dịch khoan trong quá trình khoan nhanh.
Đối với các giếng đặc biệt có yêu cầu hiệu suất dung dịch khoan cao, cấu hình hợp lý vẫn là một máy tách cát và một máy tách bùn nối tiếp. Tuy nhiên, khi lựa chọn máy tách cát và máy tách bùn, nên chọn các sản phẩm có phạm vi kích thước hạt khác nhau. Ví dụ, máy tách cát có kích thước hạt tách là 47–76 μm và máy tách bùn có kích thước hạt tách là 15–47 μm có thể đạt được hiệu quả xử lý tốt hơn.
2.4 Quy trình xử lý của máy ly tâm.
Các chuyên gia ngành khoan nhìn chung đồng ý về vai trò quan trọng của máy ly tâm trong hệ thống kiểm soát chất rắn. Hầu hết các đội khoan ở Trung Quốc được trang bị máy ly tâm tốc độ trung bình với công suất đơn vị chính là 18,5, 22, 37 hoặc 45 kW và tốc độ quay là 1300–2200 vòng/phút. Hiện tại, máy ly tâm chủ yếu được chia thành hai loại: máy ly tâm tốc độ trung bình và máy ly tâm tốc độ cao.
Máy ly tâm tốc độ trung bình đề cập đến máy ly tâm có tốc độ quay 1300–2200 vòng/phút, tạo ra lực ly tâm xấp xỉ 800 lần trọng lực, và công suất xử lý 40–60 m³/h. Các máy ly tâm này được sử dụng để loại bỏ các hạt rắn có kích thước 5–7 μm. Máy ly tâm tốc độ cao đề cập đến máy ly tâm có tốc độ quay 2500–3300 vòng/phút, tạo ra lực ly tâm xấp xỉ 1200–2100 lần trọng lực, và có khả năng tách các hạt có kích thước 2–5 μm.
Máy ly tâm tốc độ cao được chia thành hai loại: một loại là máy ly tâm tốc độ cao điều khiển tần số biến đổi hoàn toàn. Công suất xử lý của máy ly tâm này có thể được điều chỉnh tự động theo đặc tính của dung dịch khoan, và nó có thể kiểm soát hiệu quả các đặc tính của dung dịch khoan thông qua công nghệ điều khiển vòng kín tự động chuyển đổi tần số hoàn toàn và giám sát tải theo thời gian thực. Đây là thiết bị làm sạch pha rắn lý tưởng cho việc khoan giếng sâu và giếng ngang có yêu cầu quy trình đặc biệt.
Một loại khác là máy ly tâm tốc độ cao cố định tốc độ. Các máy ly tâm này thường có 2-3 tốc độ cao hơn máy ly tâm thông thường. Người vận hành đánh giá đặc tính của dung dịch khoan và điều chỉnh thủ công tốc độ máy ly tâm để đạt được kết quả xử lý dung dịch khoan tốt hơn. Máy ly tâm ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dung dịch khoan. Nhiều đội khoan được trang bị hai máy ly tâm. Điều quan trọng cần lưu ý là khi sử dụng hai máy ly tâm có thông số kỹ thuật giống hệt nhau (thường là máy ly tâm tốc độ trung bình, đôi khi có công suất xử lý khác nhau), quy trình xử lý song song nên được sử dụng để dự phòng hoặc để tăng công suất xử lý dung dịch khoan trong quá trình khoan nhanh.
Hiện tại, các công ty nước ngoài như Derrick và Swaco đã sản xuất máy ly tâm tốc độ cao điều khiển tần số biến đổi hoàn toàn. Các máy ly tâm tốc độ cao này rất đắt tiền và yêu cầu người vận hành có kỹ năng cao, đòi hỏi việc vận hành và bảo trì bởi các kỹ sư điện chuyên nghiệp. Hiện tại, chỉ có một vài đội khoan trong nước hoạt động ở nước ngoài được trang bị loại máy ly tâm tốc độ cao này.
Ở Trung Quốc, đối với các giếng đặc biệt có yêu cầu hiệu suất dung dịch khoan cao, nên sử dụng quy trình bao gồm máy ly tâm tốc độ trung bình và máy ly tâm tốc độ cao do trong nước sản xuất được kết nối nối tiếp. Dung dịch khoan, sau khi được xử lý bởi máy ly tâm tốc độ trung bình, đi vào bể cấp của máy ly tâm tốc độ cao. Sau khi được xử lý thêm bởi máy ly tâm tốc độ cao, nó đi vào hệ thống tuần hoàn để tái sử dụng.
Tại thời điểm này, pha rắn của dung dịch khoan được làm sạch hiệu quả, có lợi cho việc kéo dài tuổi thọ của thiết bị hạ nguồn (bơm khoan, dụng cụ khoan, thiết bị dưới hầm, v.v.), tiết kiệm tiêu thụ vật liệu bùn và tăng tốc độ khoan cơ học.
3. Kết luận.
1) Chọn sàng rung có hiệu suất tốt và thiết kế hợp lý, và chọn số lượng và kích thước sàng rung cần thiết theo đặc tính của dung dịch khoan.
2) Chọn máy tách cát và máy tách bùn có hiệu suất tốt và thông số phối hợp hợp lý, và áp dụng quy trình xử lý nối tiếp để đạt được hiệu quả loại bỏ máy tách cát và máy tách bùn tốt hơn.
3) Sử dụng quy trình xử lý nối tiếp của máy ly tâm tốc độ trung bình và tốc độ cao để cải thiện tuổi thọ của thiết bị hạ nguồn (bơm khoan, dụng cụ khoan, thiết bị dưới hầm, v.v.), tiết kiệm tiêu thụ vật liệu bùn và tăng tốc độ khoan cơ học.
Kết quả phân tích thống kê cho thấy khoảng 90% chi phí bảo trì hàng ngày của dung dịch khoan trong quá trình khoan liên quan đến kiểm soát chất rắn. Chi phí của barite, một chất làm nặng trong dung dịch khoan, chiếm khoảng 75% tổng chi phí vật liệu của dung dịch khoan.
Do đó, việc lựa chọn và sử dụng đúng hệ thống và thiết bị kiểm soát chất rắn có thể loại bỏ đáng kể các mảnh vụn khoan, giảm tiêu thụ dung dịch khoan và các vật liệu, tác nhân xử lý liên quan, và do đó đạt được lợi ích kinh tế tốt hơn.
