L&TD

I/ GIỚI THIỆU

Sự đo đạc đặc tính địa chất thành hệ và vỉa chất lỏng thông thường được thực hiện bởi wireline logging tools, được phát triển trong nhung năm 1920. Trong một thời gian dài, đây là phương pháp duy nhất thu thập chính xác dữ liệu địa vật lý GK 

Những lợi ích của wireline logging là rõ ràng, các phép đo được thực hiện trong một môi trường tĩnh, tiếp xúc giữa máy và thành hệ tốt, kiểm soát độ sâu chính xác, và các thiết bị được sử dụng đã được chứng minh qua nhiều thập kỷ hoạt động. Tuy nhiên, với chi phí giàn khoan cao và chú trọng tăng hiệu quả sản xuất thì phương pháp này cũng có những nhược điểm nhất định. Đó là quá trình thu thập dữ liệu yêu cầu tạm ngừng khoan, và với các GK phức tạp thì nguy cơ kẹt cố cao. Vì vậy wireline logging hiện nay được sử dụng trong các giếng có nguy cơ bị mắc kẹt thấp, hoặc khi có yêu cầu cho các dịch vụ chuyên ngành, chẳng hạn như lấy mẫu chất lỏng thành hệ.

Thống kê năm 2010 của các đội đo wireline XN ĐVL GK cho thấy, có 13 lần thả máy bị dừng không xuống được đáy giếng khoan tại các giếng: 404-RCDM, 1203-TĐ01, 420-RC4, 2001-RP2, 421-RC4, 12DR-TĐ01,  406-RCDM, 422-RC4 và 01 lần máy xuống đáy giếng nhưng khi kéo lên thì máy bị kẹt và phải kéo đứt cáp (không cứu được máy): tại giếng 404B-RCDM.

Kể từ đầu những năm 1980, công nghệ khoan đã chú trọng vào việc phát triển một phương pháp để thực hiện thu thập dữ liệu đồng thời với các hoạt động khoan, tức là trong thời gian thực. Kỹ thuật này được gọi là LWD (Logging While Drilling). Kể từ khi ra đời thiết bị Gamma Ray hơn 20 năm trước đây, ngày nay đã có một sự phát triển nhanh chóng của các phép đo LWD. Thông qua LWD, có thể tối ưu hóa vị trí GK, tránh những hiểm họa và công tác khoan đạt hiệu quả hơn. Các chuyên gia moý muốn, và có thể cảnh báo trước vùng cận kề trong kế hoạch khoan, nhằm tránh hoặc giảm thiểu những tác động tiêu cực ảnh hưởng sản xuất.ng đợi dữ liệu GK được cập nhật, tức là thông tin thời gian thực. Công nghệ LWD gần đây cho phép thu được hình ảnh giếng khoan có độ phân giải cao. Đối với các nhà địa chất, minh giải thời gian thực đặc điểm cấu trúc và trầm tích từ hình ảnh giếng khoan để lái mũi khoan vào vỉa trầm tích theo

II/ CÔNG NGHỆ MWD/LWD

Measurement While Drilling (MWD)

MWD đo và thu thập dữ liệu hướng (góc nghiêng và phương vị), áp suất trong GK và động lực khoan như độ rung và sốc. Do đó MWD cung cấp thông tin hình học vị trí GK và giúp  khoan giếng một cách an toàn và hiệu quả.

Logging While Drilling (LWD)

LWD đo các thuộc tính của thành hệ và vỉa chất lỏng trong khi khoan, trước khi dung dịch khoan xâm nhập thành hệ, tương tự như các phương pháp wireline trong các GK thân trần.

Các phương pháp đo thông dụng nhất bao gồm Gamma, điện trở suất, mật độ, độ rỗng, DT và áp suất thành hệ.

Logging While Drilling (LWD) là một kỹ thuật đưa các thiết bị đo vào GK như là một phần của bottom hole assembly (BHA).

LWD cùng hệ thống MWD truyền tải một phần hoặc toàn bộ kết quả đo lên bề mặt thông qua sự thay đổi áp suất cột dung dịch hoặc các kỹ thuật tiến bộ khác, được gọi là "Dữ liệu thời gian thực". Toàn bộ kết quả đo có thể được download từ bộ nhớ sau khi thiết bị được kéo ra khỏi GK, được gọi là " Memory Data ".

Công nghệ LWD ban đầu được phát triển như một sự nâng cao công nghệ MWD trước đó để thay thế toàn bộ hoặc một phần wireline logging. Với sự cải tiến của công nghệ trong những thập kỷ qua, ngày nay LWD được sử dụng rộng rãi trong công tác khoan (bao gồm cả geosteering), đánh giá thành hệ (đặc biệt là thông tin thời gian thực và giếng có góc nghiêng lớn).

Các phương pháp LWD hiện có

• Natural Gamma Ray(GR)
  • Total Gamma Ray
  • Spectral Gamma Ray
  • Azimuthal Gamma Ray
  • Gamma ray close to drill bit.
• Density and Photoelectric Index
• Neutron Porosity
• Borehole Caliper
  • Ultra sonic azimuthal caliper.
  • Density Caliper
• Resistivity(ohm-m)
  • Attenuation and phase shift resistivities at different transmitter spacings and frequencies.
  • Resistivity at the drill bit.
  • Deep directional resistivities
• Sonic
  • Compressional Slowness(Δtc)
  • Shear Slowness (Δts)
• Borehole Images
  • Density Borehole Image
  • Resistivity Borehole Image
• Formation Tester and Sampler
  • Formation Pressure
  • Formation Fluid Sample
• Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
• Seismic While Drilling (SWD)
  • Drillbit-SWD
  • VSP-WD (Vertical Seismic Profile While Drilling)

Hệ thống MWD có thể thực hiện nhiều phương pháp đo như gamma tự nhiên, khảo sát hướng, tool face, áp suất GK, nhiệt độ, độ rung, sốc, mô-men xoắn ... Một số thiết bị MWD tiên tiến thậm chí có thể đo áp lực và lấy mẫu thành hệ. MWD cung cấp thông tin để điều khiển quỹ đạo khoan (Rotary Steering Tools-RSTs).

Các kết quả đo được lưu trong bộ nhớ và một số kết quả có thể được truyền lên bề mặt bằng cách sử dụng mud pulser telemetry hoặc công nghệ tiên tiến khác.

Một số hệ thống MWD có khả năng tiếp nhận các lệnh điều khiển mã hóa được gửi đi bằng cách bật và tắt máy bơm dung dịch hoặc thay đổi tốc độ quay của cần khoan
hoặc công nghệ tiên tiến khác.

Các loại thông tin truyền lên bề mặt

Hướng GK

Các thiết bị MWD có khả năng khảo sát hướng GK trong thời gian thực. Thiết bị này sử dụng gia tốc kế và từ kế để đo độ nghiêng và phương vị của GK tại vị trí đó, và truyền thông tin lên bề mặt. Với một chuỗi những khảo sát tại các khoảng thời gian thích hợp, vị trí của GK có thể được tính toán và giúp cho công tác khoan an toàn, tránh khoan vào những khu vực không được phép. Tuy nhiên, do chi phí của hệ thống MWD cao nên  không thường được sử dụng trên các giếng khoan thẳng. Thay vào đó, các giếng được khảo sát sau khi khoan thông qua việc sử dụng các thiết bị Multishot.

Thông tin thời gian thực trong khoan định hướng nhằm lái GK đến một mục tiêu, do vậy phải biết điều gì đang diễn ra, và những gì ảnh hưởng đến quá trình khoan.

Thông tin cơ học khoan

Thiết bị MWD cũng có thể cung cấp thông tin về các điều kiện tại choàng khoan, bao gồm:

• Rotational speed of the drillstring
• Smoothness of that rotation
• Type and severity of any vibration downhole
• Downhole temperature
• Torque and Weight on Bit, measured near the drill bit
• Mud flow volume

Sử dụng thông tin này cho phép các nhà điều hành khoan giếng hiệu quả hơn, và đảm bảo rằng thiết bị MWD và bất kỳ thiết bị downhole nào khác, chẳng hạn như Mud Motors, Rotary Steerable Systems, và LWD , hoạt động phù hợp với thông số kỹ thuật nhằm ngăn ngừa hỏng thiết bị. Thông tin này cũng rất có giá trị với các nhà địa chất về thành hệ đang được khoan.

Đặc tính thành hệ

Thiết bị MWD, hoặc độc lập, hoặc kết hợp với các LWD riêng biệt, có thể thực hiện đo đạc đặc tính thành hệ. Tại bề mặt, các tổ hợp đo được lắp ráp tương tự như wireline.

LWD có thể đo các đặc điểm địa chất bao gồm cả mật độ, độ rỗng, điện trở suất, đường kính bằng phương pháp siêu âm, góc nghiêng mũi khoan (NBI), cộng hưởng từ và áp lực thành hệ.

MWD cho phép các phép đo được thực hiện và đánh giá trong khi đang khoan, giúp cho quá trình khoan định hướng dựa trên tính chất thành hệ đo được, không đơn giản là khoan vào một mục tiêu định trước.

Hầu hết MWD chứa một bộ cảm biến Gamma Ray bên trong để đo giá trị Gamma tự nhiên vì các cảm biến này có kích thước nhỏ gọn, không tốn kém, đáng tin cậy, và có thể thực hiện đo thông qua cần khoan. Các phương pháp khác thường yêu cầu LWD, kết hợp cùng MWD.

Đo trong khi khoan chi phí cao nhưng hiệu quả trong các giếng thăm dò, đặc biệt là ở khu vực có địa tầng phức tạp, sớm phát hiện những yếu tố bất lợi nhằm ngăn ngừa sự cố.

Các phương pháp truyền dữ liệu

Mud pulse telemetry

Ngày nay Mud Pulse Telemetry là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất của truyền dữ liệu từ các thiết bị đo trong các giếng đang khoan lên bề mặt. Trong khi khoan, bùn được bơm từ bề mặt xuống thông qua các cần khoan, thiết bị đo, sau đó qua choàng khoan và trở lại bề mặt qua khoảng không vành xuyến giữa cần khoan và thành hệ. Việc tăng số lượng của các phương pháp đo đòi hỏi yêu cầu cao hơn về tốc độ truyền dữ liệu. Mud Pulse Telemetry bị giới hạn về băng thông, và chỉ có thể cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ 10-12 bit cho mỗi giây (bps). Để tối đa hóa giá trị thời gian thực từ các phương pháp đo, cần tốc độ truyền lên đến kbps. Công nghệ wired drillpipe là giải pháp để thực hiện vấn đề này và một số công ty dầu mỏ hiện đang có kế hoạch thử nghiệm.

Một van dưới giếng được điều khiển để hạn chế dòng chảy của dung dịch khoan (bùn) theo các thông tin được truyền lên. Điều này tạo ra sự thay đổi áp suất và được nhận biết bởi cảm biến áp suất ở bề mặt (Pressure Transducer). Trên bề mặt, các tín hiệu áp suất nhận được được xử lý bởi máy tính để tái tạo lại các thông tin. Mud Pulse Telemetry có 3 loại là loại xung dương, xung âm và sóng liên tục.

Xung dương là loại mà đóng và mở van để hạn chế dòng chảy bùn trong cần khoan  tạo ra sự gia tăng áp suất được phát hiện trên bề mặt.  

Positive Pulse

Xung âm là loại mà mở và đóng van để giải phóng bùn từ bên trong cần khoan  ra khoảng không vành xuyến tạo ra sự giảm áp suất được phát hiện trên bề mặt.

Sóng liên tục là loại mà dần dần đóng và mở van để tạo ra biến đổi áp suất dạng hình sin trong dung dịch khoan. Bất kỳ điều chế kỹ thuật số có pha liên tục có thể được sử dụng để truyền tải thông tin lên tín hiệu sóng mang. Phương pháp điều chế được sử dụng rộng rãi nhất là điều chế pha liên tục (CPM).

Signal Decoding

Khi khoan underbalanced, Mud Pulse Telemetry có thể sẽ không sử dụng được bởi vì khí nén xâm nhập vào bùn khoan làm giảm mật độ tương đương của dung dịch khoan, gây ra sự suy giảm tín hiệu rất lớn, làm giảm đáng kể khả năng truyền dữ liệu của xung bùn. Trong trường hợp này phải sử dụng các phương pháp truyền khác chẳng hạn như sóng điện từ truyền qua thành hệ hoặc cần khoan có dây (wired drillpipe).

Hiện tại công nghệ Mud Pulse Telemetry cung cấp một băng thông lên đến 40 bps. Tốc độ dữ liệu giảm xuống theo chiều dài ngày càng tăng của GK và thường từ 1,5 bps  - 3,0 bps ở độ sâu khoảng 35.000 ft - 40.000 ft (10.668 m - 12.192 m).

Telemetry sóng điện từ (Electromagnetic telemetry)

Thiết bị này kết hợp với một module cách điện để truyền dữ liệu, thiết bị phát ra một điện áp xoay chiều giữa phần trên (main drillstring, trên module cách điện), và phần dưới cùng (choàng khoan, và các thiết bị khác nằm bên dưới module cách điện của thiết bị MWD). Trên bề mặt một dây được gắn vào đầu giếng, tiếp xúc với cần khoan. Một dây thứ hai được gắn vào một thanh cắm vào mặt đất ở khoảng cách xa. Hai dây này tạo thành hai điện cực của một ăng-ten lưỡng cực. Sự khác biệt điện áp giữa hai điện cực là tín hiệu nhận được và được giải mã bởi máy tính.

Các thiết bị EM tạo ra sự khác biệt điện áp giữa các phần drillstring ở dạng sóng tần số rất thấp (2-12Hz). Dữ liệu được gởi lên thông qua kỹ thuật điều chế số.

Hệ thống này cho tốc độ dữ liệu lên đến 10 bps. Ngoài ra, thiết bị này cũng có khả năng nhận dữ liệu từ bề mặt theo cùng một phương thức, trong khi thiết bị xung bùn dựa trên những thay đổi trong các thông số khoan, chẳng hạn như tốc độ quay của drillstring hoặc tốc độ dòng chảy bùn, để gửi thông tin từ bề mặt đến thiết bị downhole. Thực hiện thay đổi các thông số khoan để gửi thông tin đến các thiết bị downhole thường làm gián đoạn quá trình khoan, gây mất thời gian.

So sánh với mud pulse telemetry, EM là hiệu quả hơn trong các trường hợp nhất định, chẳng hạn như khoan underbalanced hoặc khi sử dụng không khí như dịch dịch khoan. Tuy nhiên, phương pháp này gặp trở ngại khi khoan những giếng sâu, và tín hiệu suy giảm rất nhanh trong một số thành hệ, không thể phát hiện ở độ sâu chỉ vài ngàn feet. 

Nguyễn Hoàng Viễn