Sơ lược về công nghệ khoan các giếng Dầu khí

1. Vài nét về công tác khoan tại Việt Nam

Giếng khoan sâu đầu tiên số 100 được khoan tại huyện Đông Hưng, tỉnh Thái Bình từ đầu năm 1970. Giếng được khoan đến chiều sâu 3303m để tìm kiếm, thăm dò dầu khí. Từ đó đến hết tháng 8 năm 2014 có hơn 1330 giếng tìm kiếm, thăm dò, thẩm lượng và khai thác dầu khí đã khoan tại Việt Nam, trong đó có hơn 50 giếng khoan trên đất liền và 1280 giếng khoan ngoài biển. Riêng tại bể Cửu Long, nơi có nhiều mỏ dầu khí đang khai thác đã khoan 928 giếng. Các giếng khoan ngoài biển còn lại được khoan tại các bể Nam Côn Sơn, Sông Hồng, Malay- Thổ chu và Phú Khánh- Vũng Mây. Chi phí cho công tác khoan từ trước đến nay gần 20 tỷ USD (theo tiền quy đổi hiện nay). Chiều sâu theo thân giếng lớn nhất là 6555m và chi phí khoan đắt nhất là 162 triệu USD/giếng (giếng này khoan đến chiều sâu thẳng đứng 5069m và gặp nhiều sự cố, phức tạp trong quá trình khoan).

Điều kiện thi công khoan ở Việt Nam nói chung khá khó khăn, phức tạp. Ngoài yếu tố khắc nghiệt do mưa bão, biển động, dòng chảy ngầm ở một số vùng biển lớn làm ảnh hưởng đến tiến độ khoan thì điều kiện địa chất cũng rất phức tạp. Nhất là khi khoan các giếng gặp đất đá rắn chắc, mài mòn; nhiệt độ và áp suất trong lòng đất cao; khoan vào tầng đá nứt nẻ hoặc đá vôi hang hốc bị mất dung dịch hoàn toàn hoặc vừa mất dung dịch vừa bị khí xâm nhập vào giếng… đã gây ra nhiều khó khăn, tốn kém trong việc xử lý, thậm chí có những giếng phải hủy khi chưa đạt mục tiêu địa chất. Các giếng khoan thẩm lượng, khai thác được thiết kế với góc lệch lớn (lớn hơn 70 độ so với phương thẳng đứng) hoặc khoan ngang, khoan tầm với xa,khoan giếng có nhiều thân cũng là những thách thức không nhỏ cho những người điều hành khoan. Cho đến nay, hầu hết các công nghệ, kỹ thuật khoan tiên tiến trên thế giới đã và đang được đưa vào áp dụng tại Việt Nam nhờ đó đã góp phần vào thành công khoan các giếng, giảm được thời gian và chi phí khoan, từ đó nâng cao được hiệu quả của các dự án thăm dò, khai thác dầu khí.

2. Sơ lược về quy trình công nghệ khoan

Trước khi triển khai chiến dịch khoan người ta phải làm tốt các công việc chuẩn bị từ khâu lập phương án kỹ thuật thi công giếng khoan hay còn gọi là chương trình khoan đến việc đấu thầu để lựa chọn giàn khoan, các loại vật tư, thiết bị cần thiết và các dịch vụ kỹ thuật, cơ sở hậu cần phục vụ cho công tác khoan. Chúng tôi chỉ giới thiệu sơ lược về quy trình công nghệ, kỹ thuật khoan các giếng khoan tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí (sau đây gọi tắt là các giếng khoan dầu khí) mà không đề cập đến vấn đề đã nêu.

2.1.Vận chuyển giàn đến vị trí giếng khoan

Để tiến hành khoan giếng, người ta phải vận chuyển giàn đến vị trí giếng khoan. Các giếng trên đất liền được khoan bằng giàn khoan đất liền (hình 1).

Hình 1. Giàn khoan đất liền (Land Rig)

Giàn bao gồm tháp khoan, hệ thống ròng rọc tĩnh- động, bàn rô tơ, tời khoan, hệ thống điều khiển khoan, cụm máy diesel, máy phát điện, máy bơm dung dịch, hệ thống bể chứa và tuần hoàn dung dịch khoan, máy bơm trám xi măng và nhiều máy móc, thiết bị phụ trợ khác kèm theo. Những năm gần đây, để giảm thời gian thi công khoan người ta lắp thêm thiết bị topdriver.

Ngoại trừ các giàn khoan nhẹ được lắp trên xe chuyên dụng để tiện di chuyển thì các giàn khoan đất liền được vận chuyển đến vị trí giếng khoan theo từng cụm thiết bị và lắp đặt trên nền móng được xây dựng trước. Sau khi lắp đặt xong người ta thử tải, kiểm tra trạng thái làm việc an toàn của giàn, máy móc, thiết bị và chuẩn bị đầy đủ vật tư cần thiết để khoan.

Đối với các giếng khoan ngoài biển, tùy thuộc vào độ sâu nước biển nơi đặt giếng khoan mà người ta lựa chọn loại giàn cho phù hợp. Thông thường ở những nơi có độ sâu nước biển nhỏ hơn 150m (<150m) thì người ta lựa chọn giàn khoan tự nâng để khoan (hình 2).

Hình 2. Giàn khoan tự nâng (Jackup Rig)

Giàn này được di chuyển đến vị trí giếng khoan bằng những tàu kéo. Sau khi định vị xong, người ta tiến hành hạ chân giàn xuống và nén tải cho đến khi chân được cắm chắc vào đất đá dưới đáy biển. Sau đó, người ta điều khiển nâng thân giàn trên đó được lắp đặt toàn bộ máy móc, thiết bị khoan, sân bay trực thăng và các thiết bị kỹ thuật khác cùng khu nhà ở lên đến chiều cao thích hợp. Tiếp đến trượt dầm tháp khoan (cantilever) đưa tháp ra vị trí giếng và làm các công việc chuẩn bị cần thiết để bắt đầu khoan.

Ở những nơi biển nước sâu mà giàn tự nâng không khoan được thì người ta sử dụng giàn khoan bán chìm (hay còn gọi là giàn nửa nổi nửa chìm), hoặc tàu khoan để khoan (hình 3 và 4). Các giàn bán chìm, khi khoan ở những nơi có độ sâu nước biển nhỏ hơn 1500m (< 1500m) thường dùng neo để giữ cho giàn ổn định trong quá trình khoan. Nếu nước biển sâu hơn 1500m các giàn này được lắp thêm thiết bị định vị động học để ổn định giàn. Các giàn bán chìm thế hệ mới có thể tự hành, còn lại phải sử dụng tàu kéo để di chuyển đến vị trí giếng khoan.

Hình 3. Giàn khoan bán chìm (Semisubmersible Rig)

Các tàu khoan khi khoan ở nơi độ sâu nước biển nhỏ hơn 1500m (<1500m) người ta dùng neo để giữ cho giàn ổn định. Còn ở những nơi độ sâu nước biển lớn hơn 1500m (>1500m) thì các tàu này được lắp thêm thiết bị định vị động học.

Hình 4. Tàu khoan (Drill Ship)

Ngoài các loại giàn khoan trên thì tùy thuộc vào độ sâu nước biển mà người ta lựa chọn các loại giàn khác như giàn khoan trợ giúp (Tender Assisted Drilling), giàn cố định (Fixed Platform) ... để khoan các giếng khai thác. Sau khi khoan xong các thiết bị khoan được tháo dỡ khỏi giàn cố định và chuyển mục đích sử dụng này thành giàn đầu giếng khai thác.

2.2.Quy trình khoan các giếng dầu khí

Dụng cụ trực tiếp để phá hủy đất đá trong khi khoan là choòng khoan. Hiện nay ở Việt Nam chủ yếu sử dụng hai loại choòng khoan để khoan. Đó là choòng ba chóp xoay (hình 5) và choòng khoan kim cương nhân tạo (hình 6).

Hình 5. Choòng 3 chóp xoay

Hình 6. Choòng kim cương nhân tạo

Tùy thuộc vào cấu trúc giếng khoan được phê duyệt mà người ta lựa chọn loại choòng có đường kính thích ứng để khoan. Với cấu trúc giếng thông thường, người ta lựa chọn các loại choòng có đường kính sau đây:

-Choòng ø36” (914mm) khoan chống ống định hướng ø30” (762mm)

-Choòng ø26” (660mm) khoan chống ống dẫn hướng ø20” (508mm)

-Choòng ø17- 1/2” (444,5mm) khoan chống ống trung gian ø13-3/8” (340mm)

-Choòng ø12- 1/4” (312mm) khoan chống ống trung gian ø9-5/8” (245mm)

-Choòng ø8- 1/2” (215,9mm) khoan chống ống khai thác ø7” (178mm)

Choòng cùng bộ dụng cụ khoan sau khi lắp đặt xong được thả xuống để khoan mỡ lỗ đến chiều sâu chống ống định hướng. Sau khi chống ống, bơm trám xi măng, lắp đặt thiết bị đầu giếng xong người ta triển khai các công việc chuẩn bị để khoan đến chiều sâu chống các cột ống tiếp theo. Để khoan đoạn chiều sâu chống ống định hướng và dẫn hướng người ta thường sử dụng phương pháp khoan rô tơ (nghĩa là choòng được quay cùng bộ cần khoan thông qua quay bàn rô tơ). Còn khoan các đoạn chiều sâu để chống các cột ống còn lại người ta thường sử dụng động cơ đáy để quay choòng. Tải trọng đè lên choòng lấy từ 75% trọng lượng bộ cần nặng được lắp cùng bộ dụng cụ khoan. Trong khi khoan dung dịch khoan được bơm từ bể chứa qua hệ thống đường bơm cao áp, đầu thủy lực vào trong bộ dụng cụ khoan, qua choòng khoan, vành xuyến giữa thành giếng khoan và bộ dụng cụ khoan, ống chống để vận chuyển toàn bộ đất đá (hay còn gọi là mùn khoan) do choòng khoan phá hủy lên bề mặt sàn.Ở đó các chất rắn được tách ra và thải ra ngoài, còn dung dịch khoan được tuần hoàn chảy trở về bể chứa.

Ngoài chức năng vận chuyển mùn khoan lên bề mặt thì dung dịch khoan còn có chức năng làm mát choòng, bộ dụng cụ khoan; giữ cho mùn khoan ở trạng thái lơ lửng; tạo nên cột áp suất thủy tĩnh để cân bằng áp suất vỉa v.v… Vì thế người ta gọi dung dịch khoan là máu của giếng khoan.

Sau khi khoan đến chiều sâu đặt chân đế ống chống, người ta tiến hành bơm rửa, làm sạch đáy giếng, đo địa vật lý giếng khoan, thả ống chống và bơm trám xi măng cột ống theo chương trình đã được phê duyệt. Mục đích chính của việc chống ống và bơm trám xi măng là giữ cho thành giếng khoan ổn định, không bị sập lỡ, bóp méo trong khi khoan và khai thác; ngăn cách sự lưu thông của lưu thể (dầu, khí, nước) chứa trong các vỉa giữa các tầng có áp suất khác nhau và không cho chúng di chuyển lên bề mặt qua vành xuyến đá xi măng bên ngoài cột ống chống nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho thử vỉa và khai thác sau này. Cột ống chống định hướng được bơm trám xi măng dâng lên đến miệng giếng. Các cột ống còn lại, chiều cao xi măng dâng bên ngoài ống chống được thiết kế phù hợp với yêu cầu địa chất và thi công khoan.

Trước khi khoan đoạn chiều sâu chống ống tiếp theo, người ta tiến hành thử trạng thái làm việc của thiết bị chống phun trào hay còn gọi là đối áp (Blowout Preventer) cùng các thiết bị đầu giếng khác được lắp trên đầu các cột ống chống và triển khai các công việc cần thiết để chuẩn bị khoan.

Về cơ bản quy trình công nghệ khoan để thả các cột ống chống ở các giếng thăm dò và khai thác không khác nhau nhiều. Tuy nhiên đối với các giếng khai thác, ngoài việc gặp khó khăn, phức tạp địa chất như ở các giếng thăm dò thì quỹ đạo khoan các giếng này thường được thiết kế xiên với góc lệch lớn hoặc khoan ngang, khoan tầm với xa nên khi khoan mức độ phức tạp tăng lên nhiều. Ngoại trừ các giếng khai thác được lắp đầu giếng ngầm thì các giếng khai thác thường được khoan trên giàn đầu giếng ở đó số miệng giếng (well slots) được thiết kế theo số lượng nhất định phù hợp với yêu cầu khai thác và kích thước của giàn. Vì vậy, công tác điều hành khoan các giếng khai thác đòi hỏi phải thận trọng hơn, các công nghệ khoan tiên tiến được áp dụng nhiều hơn nhằm giảm thiểu sự cố xẩy ra trong khi khoan và đảm bảo khoan giếng an toàn, hiệu quả.

Đối với các giếng khoan thăm dò, công tác khoan kết thúc khi giếng được khoan đến chiều sâu thiết kế, thử vỉa, chống ống khai thác, treo giếng (nếu giếng có phát hiện dầu khí thương mại và giữ lại để sau này chuyển thành giếng khai thác). Trường hợp giếng không có sản phẩm thì đặt cầu xi măng hủy giếng vĩnh viễn. Còn đối với giếng khoan khai thác, công tác khoan kết thúc sau khi thả bộ cần khai thác cùng thiết bị hoàn thiện giếng, lắp đặt xong thiết bị miệng giếng để bàn giao giếng cho đơn vị khai thác.

Cùng với việc gia tăng khối lượng công việc tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí trên biển Việt Nam trong những năm gần đây thì khối lượng công việc khoan cũng được tăng lên. Do đó số lượng giàn khoan hoạt động và các công trình khoan biển cũng nhiều lên.

Như chúng ta đã biết khoan là một công việc khó, tiềm ẩn nhiều thách thức, rủi ro và chi phí rất lớn. Theo số liệu thống kê sơ bộ thì chi phí cho công tác khoan chiếm khoảng 75-80% tổng số vốn đầu tư cho dự án trong giai đoạn tìm kiếm, thăm dò và 45-50% tổng vốn đầu tư cho giai đoạn khai thác. Vì vậy, để giảm bớt thời gian thi công và chi phí khoan cũng như giảm thiểu các sự cố, ngoài việc cần phải đầu tư áp dụng những công nghệ khoan mới thì cần quan tâm đào tạo các chuyên gia khoan giỏi để điều hành công tác khoan ngày một tốt hơn.

Đinh Hữu Kháng