Bài giảng Cơ sở kĩ thuật dầu khí - Chương 8: Khoan định hướng

KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
GEOPET
Bài giảng được soạn bởi 
Bộ môn Khoan – Khai thác Dầu khí
Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí
Đại học Bách Khoa TP. HCM
Tel: (08) 8647256 ext. 5767
GEOPET
Khoan định hướng  2
NỘI DUNG
1. Các ứng dụng của khoan định hướng
2. Các dạng quỹ đạo giếng khoan định hướng
3. Kỹ thuật định hướng
GEOPET
Khoan định hướng  3
1. CÁC ỨNG DỤNG 
CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
GEOPET
Khoan định hướng  4
GIỚI THIỆU
 Khoan định hướng hiện nay đã trở thành một công nghệ rất quan 
trọng trong khai thác dầu khí. 
 Yếu tố quan trọng nhất của khoan định hướng là cho phép khai thác 
và phát triển mỏ ở những khu vực trước đây không thể khai thác được 
hoặc không khai thác có hiệu quả.
Khoan định hướng là sự kết hợp giữa khoa học chính xác và “nghệ 
thuật” trong việc chỉnh hướng giếng khoan theo một quỹ đạo đã thiết 
lập trước đó nhằm đạt được mục tiêu đề ra.
GEOPET
Khoan định hướng  5
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
 Ở giai đoạn ban đầu của ngành công nghiệp dầu khí, hầu hết giếng 
khoan là giếng thẳng đứng.
 1929, một số phương pháp đo góc nghiêng của giếng khoan được giới 
thiệu trong quá trình khoan phát triển mỏ Seminole, Oklahoma, USA.
 1930, giếng khoan định hướng có kiểm soát đầu tiên được thực hiện ở 
Huntington Beach, California, USA, từ một giàn khoan trên đất liền tới 
một tầng chứa dưới đáy biển.
 1934, giếng khoan định hướng được dùng để hủy một giếng đang 
phun ở Conroe, Texas, USA. 
 Từ đó đến nay, nhiều kỹ thuật và công nghệ mới ra đời giúp kiểm soát 
quỹ đạo giếng khoan định hướng.
5.1. Introduction
GEOPET
Khoan định hướng  6
CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
Giếng khoan định hướng có rất nhiều ứng dụng. Về cơ bản, các ứng 
dụng bao gồm:
 Khoan ở những vùng không thể tiếp cận bằng giếng thẳng đứng, 
ví dụ: khu dân cư, khu bảo tồn,
 Sửa chữa hoặc hủy giếng khác,
 Khoan cắt xiên,
 Khoan phát triển mỏ,
 Khoan ngang.
5.2. Directional Drilling Applications
GEOPET
Khoan định hướng  7
CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
Khoan cắt xiênKhu vực khoan không thể tiếp cận
Khoan dưới vòm muối Khoan qua đứt gãy
GEOPET
Khoan định hướng  8
CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
Khoan đa nhánh Khoan từ giàn trên đất liền
Khoan phát triển mỏ ngoài khơi Khoan qua nhiều tầng sản phẩm
GEOPET
Khoan định hướng  9
CÁC ỨNG DỤNG CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
Khoan giải vây 
Đới áp suất cao
Khoan ngang
GEOPET
Khoan định hướng  10
2. CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO 
GIẾNG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
GEOPET
Khoan định hướng  11
Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm: 
 chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng 
khoan H0;
 khoảng lệch đáy theo phương nằm 
ngang A;
 chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc 
nghiêng) Hv;
 bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;
 bán kính cong của đoạn giảm góc 
nghiêng R2.
DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ S - 5 ĐOẠN
GEOPET
Khoan định hướng  12
Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm: 
 chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng 
khoan H0;
 khoảng lệch đáy theo phương nằm 
ngang A;
 chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc 
nghiêng) Hv;
 bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;
 bán kính cong của đoạn giảm góc 
nghiêng R2;
 góc nghiêng 1;
DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ S - 4 ĐOẠN
GEOPET
Khoan định hướng  13
Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm: 
 chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng 
khoan H0;
 khoảng lệch đáy theo phương nằm 
ngang A;
 chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc 
nghiêng) Hv;
 bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;
 góc nghiêng 1;
DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ S - 3 ĐOẠN
GEOPET
Khoan định hướng  14
Các giá trị ban đầu để tính quỹ đạo gồm: 
 chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng khoan H0;
 khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A;
 chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc nghiêng) Hv;
 bán kính cong của đoạn cắt xiên R.
DẠNG QUỸ ĐẠO TIẾP TUYẾN
GEOPET
Khoan định hướng  15
Các giá trị ban đầu để tính toán quỹ đạo gồm: 
 chiều sâu thiết kế thẳng đứng giếng khoan 
H0;
 khoảng lệch đáy theo phương nằm ngang A;
 chiều sâu bắt đầu cắt xiên (tạo góc nghiêng) 
Hv;
 bán kính cong của đoạn cắt xiên R1;
 bán kính cong của đoạn cắt xiên lằn hai R2
 góc nghiêng 1.
DẠNG QUỸ ĐẠO HÌNH CHỮ J
GEOPET
Khoan định hướng  16
CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO GIẾNG NGANG
TT Loại giếng ngang
Bán kính cong
R, ft
Góc nghiêng
0/100 ft
Chiều dài đoạn 
giếng ngang, ft
1 Bán kính cong lớn 1000 - 3000 2 - 6 > 6000
2 Bán kính cong vừa 300 - 800 6 - 20 1000 - 6000
3 Bán kính cong nhỏ 20 - 40 20 - 50 200 - 1000
4 Bán kính cong cực nhỏ 10 - 20 45 - 60 100 - 200
GEOPET
Khoan định hướng  17
3. KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG
GEOPET
Khoan định hướng  18
 Các nguyên lý tác dụng lực trong khoan 
định hướng
 Các dụng cụ định hướng
 BHA trong khoan định hướng
KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG
GEOPET
Khoan định hướng  19
CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC
Lực âm
(lực con lắc)
Lực dương
(lực tăng góc)
GEOPET
Khoan định hướng  20
CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC
Nguyên lý điểm tựa
Nguyên lý điểm tựa được sử dụng để tăng góc 
nghiêng với cấu trúc bộ khoan cụ gồm:
 Choòng khoan, 
 Thiết bị ổn định đặt gần choòng,
 40 - 120’ cần nặng, 
 Bộ cần khoan thường.
GEOPET
Khoan định hướng  21
CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC
Nguyên lý con lắc
Nguyên lý con lắc được sử dụng để khoan 
giếng thẳng đứng và đoạn giảm góc.
Chiều dài đoạn cần nặng từ choòng đến định 
tâm đầu tiên ở bộ cần khoan là không quá 
bé để uốn cong quá nhiều về phía thành 
dưới của giếng.
GEOPET
Khoan định hướng  22
CÁC NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG LỰC
Nguyên lý ổn định
Nguyên lý ổn định được sử dụng để ổn định góc 
nghiêng và hướng.
Nếu có ba thiết bị định tâm được lắp cách nhau 
bởi những đoạn cần nặng ngắn, cứng cáp sẽ 
chỉnh quỹ đạo giếng thẳng, tức là giữ góc nghiêng 
và hướng không đổi. 
Bộ khoan cụ như trên dùng để khoan đoạn ổn định 
góc.
GEOPET
Khoan định hướng  23
CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG
Máng xiên
 Đặt máng xiên bằng bộ khoan cụ,
 Tăng tải trọng lên choòng, cắt chốt 
chịu lực để giải phóng choòng khoan,
 Khoan với tốc độ chậm,
 Kéo bộ khoan cụ và máng xiên lên,
 Thả dụng cụ khoan doa để doa đoạn 
tăng góc này.
Có 3 loại
 Máng xiên kéo thả thông thường, 
 Máng xiên tuần hoàn, 
 Máng xiên đặt cố định trong giếng.
GEOPET
Khoan định hướng  24
CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG
Choòng thủy lực
Kỹ thuật phun tia sử dụng choòng thủy lực để khoan cắt 
xiên trong đất đá mềm.
GEOPET
Khoan định hướng  25
CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG
Ưu điểm của choòng thủy lực
 Kỹ thuật đơn giản và rẻ tiền để làm lệch hướng giếng khoan trong đất 
đá mềm.
 Không cần trang bị các thiết bị đắt tiền ngoại trừ choòng thủy lực.
 Độ gập của quỹ đạo có thể kiểm soát từ bề mặt nhờ thay đổi số lượng 
mét khoan trên đơn vị thời gian.
 Dụng cụ đo nằm gần choòng khoan và do vậy chiều sâu quan trắc gần 
với chiều sâu của giếng.
 Định hướng bộ khoan cụ (tool face) rất dễ dàng.
 Có thể được sử dụng cùng bộ khoan cụ để khoan rôto và khoan đoạn 
tăng góc.
GEOPET
Khoan định hướng  26
CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG
Nhược điểm của choòng thủy lực
 Do chỉ khoan được trong thành hệ mềm nên kỹ thuật phun tia chỉ 
được sử dụng để cắt xiên ở chiều sâu nhỏ.
 Thường xảy ra độ gập lớn: việc thay đổi góc nghiêng thường đột 
ngột, do vậy trong thực tế thường sử dụng choòng thủy lực nhỏ, sau 
đó doa tiếp đạt đường kính yêu cầu nhằm giảm độ gập.
GEOPET
Khoan định hướng  27
CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG
Đầu nối cong và động cơ đáy
 Nguyên lý làm việc tựa như tác động của máng 
đổi hướng: đẩy choòng khoan về hướng lệch 
mong muốn. Đầu nối cong làm lệch tâm tải 
trọng (tạo bởi cột cần nặng) lên choòng khoan, 
gây nên mômen uốn tại điểm tựa (tức là tại đầu 
nối cong) lên đáy giếng. 
GEOPET
Khoan định hướng  28
CÁC DỤNG CỤ ĐỊNH HƯỚNG
 Phản lực của đất đá có khuynh hướng đẩy choòng 
khoan vào phía trục của giếng khoan. Lực ở bên 
thành này phụ thuộc vào:
 Tải trọng lên choòng
 Khoảng cách giữa choòng khoan và đầu nối 
cong
 Phản lực của đất đá
 Đường kính giếng
 Độ cứng vững của bộ khoan cụ tại điểm làm 
lệch hướng.
Đầu nối cong
GEOPET
Khoan định hướng  29
ĐỘNG CƠ ĐÁY
Động cơ đáy có 2 loại chủ yếu:
 Động cơ turbin
 Động cơ thể tích (PDM)
Động cơ turbin Động cơ thể tích
GEOPET
Khoan định hướng  30
ĐỘNG CƠ ĐÁY
Động cơ turbin
 Ưu điểm
• Có thể vận hành ở nhiệt độ cao hơn động cơ thể tích.
• Quỹ đạo cong đều, liên tục, tạo đường kính cần thiết trong điều 
kiện tốt.
• Dễ điều khiển độ gập so với các dụng cụ lệch hướng khác.
• Sử dụng được trong nhiều thành hệ.
• Do cột cần khoan không quay nên có thể sử dụng dụng cụ lái 
chỉnh xiên (steering tool) để đo đạc và định hướng trong khi khoan.
 Nhược điểm
• Mômen đảo chiều (reactive) làm thay đổi hướng của dụng cụ khi 
bắt đầu khoan.
• Động cơ đắt tiền, đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên.
GEOPET
Khoan định hướng  31
ĐỘNG CƠ ĐÁY
F1 - lực tác dụng lên cánh 
hướng dòng của roto 
F2 - Lực tác dụng lên rãnh 
dẫn hướng của stato
Cấu tạo động cơ turbin
GEOPET
Khoan định hướng  32
ĐỘNG CƠ ĐÁY
Động cơ thể tích (PDM)
 Động cơ gọi là loại thể tích vì rôto 
bằng thép cách ly các thể tích làm việc 
của xy lanh cố định trong stato bằng 
cao su. Chất lỏng dịch chuyển xuống 
dưới nhờ áp lực đẩy của bơm sẽ tác 
động một mômen lên rôto.
 Dễ dàng điều chỉnh áp suất (không 
đổi) của bơm để đạt tải trọng lên 
choòng và mômen xoắn không đổi
 Tuổi thọ của choòng cao hơn vì vận 
tốc quay nhỏ hơn.
GEOPET
Khoan định hướng  33
ĐỘNG CƠ ĐÁY
Rôto của động cơ đáy có thể cấu tạo 
ít hoặc nhiều rãnh xoắn:
 1-2 rãnh xoắn: tốc độ quay cao, 
mômen xoắn nhỏ,
 Nhiều rãnh xoắn: tốc độ quay nhỏ, 
mômen xoắn cao.
GEOPET
Khoan định hướng  34
BỘ ĐỊNH TÂM
Định tâm cánh hàn Định tâm cánh đúc
GEOPET
Khoan định hướng  35
BỘ KHOAN CỤ TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
Định tâm
Động cơ đáy
Đầu nối cong
Định tâm
GEOPET
Khoan định hướng  36
BỘ KHOAN CỤ TRONG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG
Bộ khoan cụ giảm góc Bộ khoan cụ ổn định gócBộ khoan cụ tăng góc
GEOPET
Khoan định hướng  37
GIÁM SÁT QUỸ ĐẠO GIẾNG
 Các phương pháp tính toán giám sát quỹ đạo
 Phương pháp tiếp tuyến 
 Phương pháp tiếp tuyến cân bằng
 Phương pháp góc trung bình
 Phương pháp bán kính cong
 Phương pháp độ cong cực tiểu...
 Các phương pháp giám sát quỹ đạo
 Mục đích
 Phương pháp giám sát
GEOPET
Khoan định hướng  38
MỤC ĐÍCH GIÁM SÁT QUỸ ĐẠO GIẾNG
 Giám sát quỹ đạo để đạt mục tiêu đặt ra.
 Xác định vị trí các khuỷu cong (dog legs) để có biện pháp đề phòng và 
khắc phục sự cố trong quá trình thi công giếng hay vận hành về sau. 
Các khuỷu cong thường gây ma sát lớn, dễ gãy bộ cần khoan, kẹt 
cần, cản trở việc hạ cột ống chống
 Xác định độ gập tối đa cho phép mà bộ khoan cụ có thể hoạt động tốt, 
không gây sự cố.
GEOPET
Khoan định hướng  39
PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT QUỸ ĐẠO GIẾNG
Nguyên tắc chung là sử dụng các dụng cụ để đo góc nghiêng, góc 
phương vị và chiều dài khoan được tại các điểm cách đều nhau (thường 
lấy 100ft) trên quỹ đạo giếng. Các số liệu thực tế này cho phép dựng lại 
quỹ đạo thực của giếng và so sánh với quỹ đạo thiết kế từ đó có biện 
pháp hiệu chỉnh quỹ đạo thích hợp để đạt mục tiêu dự kiến.
KẾT THÚC