Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch khoan đến sự phân bố ứng suất của đá khô-nóng xung quanh giếng khoan ở tầng địa chất sâu

Bài báo "Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch khoan đến sự phân bố ứng suất của đá khô-nóng xung quanh giếng khoan ở tầng địa chất sâu" trình bày các khảo sát trường ứng suất xung quanh một giếng khoan đặt trong đá khô-nóng ở tầng sâu. Ảnh hưởng của quá trình “làm mát” hoặc “làm nóng” giếng khoan do dung dịch khoan được tính đến thông qua một mô hình ứng xử kết hợp nhiệt-cơ. Các tính toán được thực hiện dựa trên mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch khoan đến sự phân bố ứng suất của đá khô-nóng xung quanh giếng khoan ở tầng địa chất sâu HỘI NGHỊ TOÀN QUỐC KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ TÀI NGUYÊN VỚI PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG (ERSD 2022)Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch khoan đến sự phân bố ứng suất của đá khô-nóng xung quanh giếng khoan ở tầng địa chất sâu Trần Nam Hưng1,*, Nguyễn Thị Thu Nga1, Phạm Đức Thọ2, Triệu Hùng Trường2 1 Học viện Kỹ thuật Quân sự 2 Trường Đại học Mỏ - Địa chấtTÓM TẮT Khi giếng được khoan trong đá khô nóng, nếu dung dịch khoan có nhiệt độ khác với nhiệt độ của môitrường đá, sẽ xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa môi trường đá và dung dịch khoan làm cho nhiệt độ của khốiđá thay đổi. Điều này sẽ làm phát sinh trường ứng suất nhiệt trong khối đá. Khi đó, các tính toán ứng suấtcủa giếng mà không tính đến ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt độ môi trường có thể sẽ dẫn đến những kếtquả không chính xác. Bài báo này trình bày các khảo sát trường ứng suất xung quanh một giếng khoan đặttrong đá khô-nóng ở tầng sâu. Ảnh hưởng của quá trình “làm mát” hoặc “làm nóng” giếng khoan do dungdịch khoan được tính đến thông qua một mô hình ứng xử kết hợp nhiệt-cơ. Các tính toán được thực hiệndựa trên mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả nhận được chỉ ra rằng, khi tính đến sựtrao đổi nhiệt giữa môi trường đá và dung dịch khoan, trạng thái ứng suất xung quanh giếng thay đổi đángkể. Hơn nữa, quá trình làm nóng giếng có thể gây mất ổn định vách giếng hơn so với quá trình làm mátgiếng. Bên cạnh đó, qua đánh giá ảnh hưởng của các tham số nhiệt của môi trường đá cho thấy, hệ số giãnnở nhiệt của đá ảnh hưởng lớn đến trạng thái ứng suất xung quanh giếng trong khi đó ảnh hưởng của cáchệ số truyền nhiệt và nhiệt dung riêng của đá không đáng kể.Từ khóa: Giếng khoan; đá khô-nóng; làm mát; làm nóng; phương pháp phần tử hữu hạn.1. Đặt vấn đề Trong các lĩnh vực khai thác dầu khí, khai thác địa nhiệt, khai thác nước ngầm v.v…, thi công và giữổn định các giếng khoan là một khâu rất quan trọng, nó ảnh hưởng lớn đến năng suất và hiệu quả kinh tếcủa quá trình khai thác. Với chi phí cho việc khắc phục sự mất ổn của giếng lên tới hàng tỷ đô la trên toànthế giới mỗi năm (Sayers và Dewhurst, 2008), sự đánh giá ổn định của hệ thống giếng khoan đã trở thànhmột vấn đề quan trọng trong suốt vòng đời của giếng, từ khi khoan, hoàn thiện giếng đến khai thác, bảotrì, phục hồi và tăng cường giếng. Trong công nghiệp khai thác dầu khí và khai thác địa nhiệt, các giếng khoan thường được thực hiện ở độsâu lớn dưới mặt đất. Ngày nay, với công nghệ khai thác hiện đại, thậm chí nhiều giếng khoan được đặttrong các tầng địa chất sâu tới vài nghìn mét. Ở chiều sâu lớn, các tầng địa chất bị ảnh hưởng bởi hiện tượngđịa nhiệt. Nhiệt độ vật liệu địa kỹ thuật ở tầng sâu có thể lên đến vài trăm độ (Zhu Z. và nnk, 2021). Trongquá trình khoan giếng, dung dịch khoan được bơm vào giếng khoan để giúp ổn định vách giếng khoan. Nếunhiệt độ dung dịch khoan và môi trường khác nhau sẽ xảy ra hiện tượng trao đổi nhiệt độ giữa môi trường vàdung dịch khoan, làm cho trạng thái nhiệt xung quanh giếng khoan biến đổi. Về mặt cơ học, quá trình khoangiếng sẽ gây ra sự tái phân bố ứng suất-biến dạng xung quanh giếng. Thêm vào đó, sự thay đổi nhiệt độ củakhối đá cũng làm phát sinh một trường ứng suất nhiệt trong khối đá. Như vậy, trạng thái ứng suất xungquanh giếng, lúc này, là tổng hợp của ứng suất do các hiện tượng cơ học và nhiệt học gây ra. Việc đánh giáảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến trạng thái ứng suất xung quanh giếng là cần thiết để đánh giá đượcmức độ ổn định của giếng khoan trong đá khô-nóng cả phục vụ việc thiết kế và thi công giếng khoan. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về trạng thái ứng suất xung quanh giếng khoan và ổn định váchgiếng khoan. Một số công trình tập trung vào phân tích trạng thái ứng suất xung quanh giếng khoan chỉxét đến tác động của hiện tượng cơ học (Bradley W.B., 1979; Aadnoy B. S. và Ong S., 2003). Một sốnghiên cứu khác thì dựa trên mô hình ứng xử thủy-cơ của vật liệu đá có lỗ rỗng bão hòa nước (Kanfar M.và nnk, 2015; Do và nnk, 2017; Tran và nnk, 2022). Khi kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, cũngcó một số nghiên cứu tập trung vào mô hình ứng xử nhiệt-thủy-cơ trong đó hiện tượng nhiệt học được* Tác giả liên hệEmail: tranhung@lqdtu.edu.vn 814xem xét trong tương tác với các hiện tượng cơ học và thủy học (Kanfar M. và nnk, 2016; Abousleiman Y.và Ekbote S., 2005). Với các nghiên cứu đó, các tác giả xem xét môi trường đá nóng có lỗ rỗng bão hòanước. Đối với giếng khoan đặt trong môi trường đá khô-nóng, Yan C. và nnk cũng như Zu Z. và nnk (Yan C.và nnk, 2014; Zu Z. và nnk, 2021) phân t ...