đồ án tốt nghiệp địa chất dầu khí - ứng dụng chương tình PVTI xây dựng mô hình ứng xử pha cho chất lưu ở vĩa X

Mặc dù ph ơng trình trạng thái có thể dự đoán t ơng đối chính xác ng xử pha c a chất l u nh ng quá trình hiệu chỉnh các hệ số c a ph ơng trình trạng thái và tính chất tới hạn c a chất l

SVTH: Nguyễn Hoàng Long i

Tr ớc tiên, em xin gửi l i cảm ơn sâu sắc đến gia đình em Nơi em đ ợc sinh ra,

d ỡng dục trong vòng tay yêu th ơng ấm áp c a gia đình Gia đình luôn là điểm tựa

vững chắc và là nguồn động viên lớn lao cho em v ợt qua mọi khó khăn trong cuộc

sống

Em chân thành cảm ơn thầy Mai Cao Lân Thầy đư định h ớng cho em thực hiện

đề tài này Thầy đư truyền đạt cho em những kiến th c cơ bản và chỉ cho em ph ơng pháp nghiên c u, phân tích cũng nh cách giải quyết vấn đề một cách hiệu quả Ngoài

ra, thầy còn cung cấp các tài liệu tham khảo quí giá và thầy luôn tận tình h ớng dẫn

em trong suốt th i gian thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn đến anh Trần Thái Sơn, ng i đư h ớng dẫn và giúp

đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn Anh đư giúp em liên hệ giữa kiến

th c học trên ghế nhà tr ng và kiến th c ngoài thực tế Vì thế, em có thể ng dụng

những kiến th c lý thuyết vào thực tiễn nh sự chỉ dẫn tận tình c a anh trong suốt quá trình thực tập

Em muốn bày tỏ lòng biết ơn trân trọng đến các thầy cô trong tr ng Đại học Bách Khoa TPHCM, và đặc biệt là các quí thầy cô trong khoa kỹ thuật Địa chất và

Dầu Khí, các thầy cô bộ môn Khoan và Khai Thác Dầu Khí đư tận tình giảng dạy,

chỉ bảo em trong suốt th i gian học tập tr ng

Em xin gửi l i cảm ơn đến Công ty điều hành chung Lam Sơn, các anh chị trong phòng địa chất và công nghệ mỏ đư tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em thực tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng, em muốn cảm ơn đến các anh chị trong khoa kỹ thuật Địa chất và

Dầu khí, các bạn bè học cùng khóa đư động viên và hỗ trợ cho em trong suốt bốn năm

r ỡi học tr ng đại học Bách Khoa

SVTH: Nguyễn Hoàng Long ii

TÓM T T

ng xử pha c a các chất l u trong vỉa dầu khí đa thành phần là rất ph c tạp Khi

áp suất và nhiệt độ thay đổi thì các chất l u nh khí ng ng tụ, dầu nhẹ… có tỷ lệ mol

c a từng thành phần trong mỗi pha biến động rất lớn, dẫn đến làm thay đổi tỷ lệ cân

bằng pha khí-lỏng khá nhiều Vì thế để mô tả t ơng đối chính xác ng xử pha c a các

chất l u này, ph ơng trình trạng thái là công cụ vô cùng hiệu quả Ph ơng trình trạng thái không những mô tả ng xử pha mà còn giúp dự đoán các tính chất PVT c a chất

l u Đề tài này sẽ trình bày chi tiết cơ s lý thuyết về ng xử pha c a chất l u, các thí nghiệm PVT và các ph ơng trình trạng thái đ ợc sử dụng phổ biến hiện nay Mặc dù

ph ơng trình trạng thái có thể dự đoán t ơng đối chính xác ng xử pha c a chất l u

nh ng quá trình hiệu chỉnh các hệ số c a ph ơng trình trạng thái và tính chất tới hạn

c a chất l u sẽ làm cải thiện sự phù hợp giữa số liệu thực nghiệm và các dữ liệu tính toán từ ph ơng trình Do đó, các ph ơng pháp mô tả tính chất c a thành phần hydrocacbon cộng cũng nh qui trình lựa chọn và hiệu chỉnh các biến hồi qui đ ợc phân tích chi tiết Cuối cùng, thực hiện xây dựng mô hình ng xử pha c a khí ng ng tụ

bằng sự hỗ trợ c a ch ơng trình PVTi trong bộ phần mềm ECLIPSE

Từ khóa: ng xử pha, thí nghiệm PVT, ph ơng trình trạng thái

SVTH: Nguyễn Hoàng Long iii

M C L C

L I C M N i

TÓM T T ii

DANH SÁCH HÌNH V Ẽ vi

DANH SÁCH B NG BI U vii

KÝ HI U VÀ T VI T T T viii

L I M Đ U 1

CH NG 1: C S LÝ THUY T 3

1.1 Lý thuyết cơ bản về ng xử pha 3

1.1.1 Khái niệm ng xử pha 3

1.1.2 Qui tắc pha 3

1.1.3 ng xử pha c a các hệ hydrocacbon 3

1.1.3.1 Hệ đơn cấu tử 3

1.1.3.2 Hệ hai cấu tử 5

1.1.3.3 Hệ ba cấu tử 6

1.1.3.4 Hệ đa cấu tử 7

1.1.4 Phân loại chất l u dầu khí 8

1.1.4.1 Khí khô 8

1.1.4.2 Khí ớt 9

1.1.4.3 Khí ng ng tụ 9

1.1.4.4 Dầu nhẹ 10

1.1.4.5 Dầu nặng 10

1.2 Tính chất cơ bản c a chất l u 11

1.2.1 Tính chất cơ bản c a khí 11

1.2.1.1 Hệ số lệch khí 11

1.2.1.2 Khối l ợng riêng c a khí 11

1.2.1.3 Tỷ trọng c a khí 12

SVTH: Nguyễn Hoàng Long iv

ệ số thể tích thành hệ c a khí 12

1.2.1.5 Độ nhớt c a khí 12

1.2.2 Tính chất cơ bản c a dầu 14

1.2.2.1 Khối l ợng riêng c a dầu 14

1.2.2.2 Hệ số thể tích thành hệ c a dầu 14

1.2.2.3 Độ nhớt c a dầu 14

1.3 Các ph ơng pháp lấy mẫu và các thí nghiệm phân tích PVT c a chất l u 15

1.3.1 Các ph ơng pháp lấy mẫu chất l u 15

1.3.1.1 Lấy mẫu đáy giếng 15

1.3.1.2 Lấy mẫu bề mặt 15

1.3.2 Các thí nghiệm phân tích PVT 16

1.3.2.1 Thí nghiệm CCE 16

1.3.2.2 Thí nghiệm CVD 17

1.4 Mô tả thành phần hydrocabon nặng 19

1.4.1 ớc l ợng các tính chất tới hạn 19

1.4.2 Mô hình splitting 20

1.4.3 Mô hình grouping 24

1.5 Ph ơng trình trạng thái khí và tính toán cân bằng pha 25

1.5.1 Tỷ số cân bằng pha Ki 25

1.5.2 Tính toán cân bằng hai pha 26

1.5.3 Các ph ơng trình trạng thái 27

1.5.3.1 Ph ơng trình trạng thái hai biến 28

1.5.3.2 Ph ơng trình trạng thái ba biến 35

1.5.4 ng dụng c a ph ơng trình trạng thái 37

1.5.4.1 Tính toán tỷ số cân bằng pha Ki 37

1.5.4.2 Tính áp suất điểm đọng s ơng 39

1.5.4.3 Tính áp suất điểm bọt khí 39

SVTH: Nguyễn Hoàng Long v

1.6 Lý thuyết về hồi qui phi tuyến 40

CH NG 2: QUI TRỊNH XỂY D NG MÔ HÌNH NG X PHA 41

2.1 Xử lý và kiểm tra các dữ liệu từ thực nghiệm 42

2.2 Lựa chọn ph ơng trình trạng thái 44

2.3 Mô phỏng các thí nghiệm PVT bằng ph ơng trình trạng thái 44

2.3.1 Mô phỏng thí nghiệm CCE (Constant Composition Expansion) 44

2.3.2 Mô phỏng thí nghiệm CVD (Constant Volume Depletion) 45

2.4 Hiệu chỉnh ph ơng trình trạng thái phù hợp với số liệu thực nghiệm 49

2.4.1 Lựa chọn các thông số để hiệu chỉnh 49

2.4.2 Quy trình hiệu chỉnh ph ơng trình trạng thái 50

CH NG 3: NG D NG CH NG TRỊNH PVTi XỂY D NG MÔ HÌNH NG X PHA CHO CH T L U V A X 55

3.1 Giới thiệu về ch ơng trình PVTi 55

3.2 Xây dựng và kiểm tra bộ dữ liệu đầu vào 55

3.2.1 Xây dựng bộ dữ liệu đầu vào 55

3.2.2 Kiểm tra các dữ liệu trong thí nghiệm CVD 58

3.3 Lựa chọn ph ơng trình trạng thái 60

3.4 Mô phỏng các thí nghiệm bằng ph ơng trình trạng thái 60

3.5 Tiến hành phân tích và hiệu chỉnh ph ơng trình trạng thái 66

3.6 Kết quả mô hình ng xử pha sau khi hiệu chỉnh: 73

3.7 ng dụng c a mô hình ng xử pha trong mô phỏng vỉa dầu khí đa thành phần 78

K T LU N VÀ KI N NGH 83

PH L C 85

TÀI LI U THAM KH O 87

SVTH: Nguyễn Hoàng Long vi

Hình 1 1: Biểu đồ áp suất - thể tích c a thành phần đơn cấu tử 4

Hình 1 2: Biểu đồ p-T cho hệ đơn cấu tử trong vùng hai pha 5

Hình 1 3: Biểu đồ áp suất- nhiệt độ c a hệ hai cấu tử metan và etan 6

Hình 1 4: Đặc điểm c a biểu đồ hệ ba cấu tử 6

Hình 1 5: Biểu đồ tam giác c a hệ ba cấu tử tại nhiệt độ và áp suất cố định 7

Hình 1 6: Biểu đồ pha p-T cho hệ đa cấu tử 7

Hình 1 7: Biểu đồ pha p-T c a khí khô 8

Hình 1 8: Biểu đồ pha p-T c a khí ớt 9

Hình 1 9: Biểu đồ pha p-T c a khí ng ng tụ 10

Hình 1 10: Biểu đồ pha p-T c a dầu nhẹ 10

Hình 1 11: Biểu đồ pha p-T c a dầu nặng 11

Hình 1 12: Sơ đồ mô tả thí nghiệm CCE 17

Hình 1 13: Sơ đồ mô tả thí nghiệm CVD 19

Hình 1 14: Hàm phân bố gamma cho thành phần C7+ 24

Hình 1 15: Sơ đồ tính tỷ số cân bằng pha Ki bằng ph ơng trình EOS 38

Hình 2 1: Sơ đồ qui trình xây dựng mô hình ng xử pha 41

Hình 2 2: Biểu đồ bán logarit thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ mol và khối l ợng phân tử c a chất l u bị nhiễm bẩn 42

Hình 2.3: Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm CVD bằng ph ơng trình trạng thái Peng-Robinson 48

Hình 3 1: Xây dựng dữ liệu thành phần khí ng ng tụ trên PVTi 56

Hình 3 2: Kết quả thí nghiệm CCE đ a vào PVTi 57

Hình 3 3: Kết quả thí nghiệm CVD đ a vào PVTi 58

Hình 3 4: Dữ liệu về áp suất điểm đọng s ơng 58

SVTH: Nguyễn Hoàng Long vii

Hình 3 5: Biểu đồ logarit thể hiện mối quan hệ giữa tích c a hệ số cân bằng pha

và áp suất tuyệt đối với hệ số Hoffman F 59

Hình 3 6: Minh họa các thí nghiệm PVT 60

Hình 3 7: Biểu đồ pha c a khí ng ng tụ 61

Hình 3 8: Khối l ợng riêng c a pha khí trong thí nghiệm CVD 62

Hình 3 9: Tỷ lệ thể tích pha lỏng ng ng tụ trong thí nghiệm CVD 63

Hình 3 10: Thể tích t ơng đối trong thí nghiệm CCE 64

Hình 3 11: Hệ số nén c a khí ng ng tụ trong thí nghiệm CCE 64

Hình 3 12: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ c a tỷ lệ mol và khối l ợng phân tử c a

các thành phần trong chất l u sau khi splitting 66

Hình 3 13: Biểu đồ pha sau khi hiệu chỉnh áp suất điểm đọng s ơng 68

Hình 3 14: Tỷ lệ mol c a từng nhóm MCN 69

Hình 3 15: Hệ số nén c a khí trong thí nghiệm CCE sau khi hiệu chỉnh 73

Hình 3 16: Khối l ợng riêng c a khí ng ng tụ trong thí nghiệm CCE sau khi hiệu chỉnh 73

Hình 3 17: Thể tích t ơng đối c a khí ng ng tụ trong thí nghiệm CCE sau khi hiệu chỉnh 74

Hình 3 18: Khối l ợng pha khí trong thí nghiệm CVD sau khi hiệu chỉnh 74

Hình 3 19: Tỷ lệ thể tích pha lỏng ng ng tụ trong thí nghiệm CVD sau khi hiệu chỉnh 75

Hình 3 20: Tỷ lệ mol khí thu hồi trong thí nghiệm CVD sau khi hiệu chỉnh 75

Hình 3 21: Hệ số nén hai pha khí-lỏng trong thí nghiệm CVD sau khi hiệu chỉnh 76

Hình 3 22: Hệ số nhớt c a pha khí trong thí nghiệm CVD sau khi hiệu chỉnh 76

Hình 3 23: Sự phân bố độ bão hòa c a khí ng ng tụ tại th i điểm ban đầu 80

Hình 3 24: Sự phân bố độ bão hòa c a khí ng ng tụ sau một khoảng th i gian khai thác 80

Hình 3 25: L u l ợng khai thác condensat c a toàn vỉa 81

SVTH: Nguyễn Hoàng Long viii

DANH SÁCH B NG BI U

Bảng 1.1: Bảng thể hiện mối t ơng quan hệ số dịch chuyển cho C7+ c a

Jhaveri-Youngren 36

Bảng 1.2: Bảng các hệ số dịch chuyển (si=ci/bi) cho các đơn chất trong ph ơng trình trạng thái Peng-Robinson 37

Bảng 2.1: Các mối t ơng quan thực nghiệm tính toán các tính chất tới hạn và hệ số 51 Bảng 3.1: Tính toán các giá trị hệ số F mô tả đặc tính các thành phần trong khí ng ng tụ tại nhiệt độ 2780 F 59

Bảng 3.2: Kết quả tính toán các dữ liệu trong thí nghiệm CCE 65

Bảng 3.3: Kết quả tính toán các dữ liệu trong thí nghiệm CVD 65

Bảng 3.4: Phân tích giá trị áp suất điểm đọng s ơng theo ba tr ng hợp 70

Bảng 3.5: Trọng số c a các dữ liệu trong thí nghiệm 70

Bảng 3.6: Kết quả hai dữ liệu: thể tích t ơng đối và hệ số nén c a khí trong thí nghiệm CCE sau khi hiệu chỉnh 77

Bảng 3.7: Kết quả hai dữ liệu: khối l ợng riêng pha khí và tỷ lệ thể tích pha lỏng ng ng tụ trong thí nghiệm CVD sau khi hiệu chỉnh 78

SVTH: Nguyễn Hoàng Long ix

 = hệ số dễ bay hơi c a thành phần th i trong pha khí

A, B = các hằng số để tính toán các hệ số a, b c a ph ơng trình trạng thái

Bg = hệ số thể tích thành hệ c a khí

Bo =hệ số thể tích thành hệ c a dầu

c = hệ số th ba trong ph ơng trình trạng thái ba biến

C = hệ số nén đẳng nhiệt c a chất l u đơn pha

f = độ dễ bay hơi c a thành phần th i trong pha khí

kij = hệ số t ơng quan nhị phân

SVTH: Nguyễn Hoàng Long x

Vrel = thể tích t ơng đối

Vsat = thể tích tại áp suất bão hòa

wi = tỷ lệ khối l ợng c a thành phần th i trong hỗ hợp

xi = tỷ lệ mol c a thành phần th i trong pha lỏng

yi = tỷ lệ mol c a thành phần th i trong pha khí

EOS = Equation of state

CCE = Constant composition expansion

CVD = Constant volume depletion

SCN = Single carbon number

MCN = Multiple carbon number

PVT = Pressure volume temperature

TBP = True boiling point

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 1

bản chất ng xử pha c a chất l u trong suốt quá trình khai thác mà không ảnh h ng đáng kể đến kết quả mô phỏng vỉa đang là vấn đề cấp thiết và đ ợc nhiều kỹ s nghiên

c u

Xây dựng mô hình ng xử pha là một b ớc rất quan trọng trong mô phỏng vỉa

Mô hình giúp ta mô tả ng xử c a chất l u tại điều kiện vỉa, trong giếng và tại điều kiện bề mặt Vì tính quan trọng c a việc mô tả chính xác ng xử pha phục vụ cho các

ng dụng mô phỏng khác nhau, có nhiều nghiên c u về đề tài này nh : “Simulation of Gas Condensate Reservoir Performance, 1985” c a Coarst, “Application of a Regression-Based EOS PVT Program to Laboratory Data, 1986” c a Coats, K.H., Smart hay “A Regression Technique With Dynamic Parameter Selection for Phase-Behavior Matching, 1990” c a Agarwal, Rajeev K., Li, Yau-Kun, Nghiem, Long Các tác giả trên đư nghiên c u qui trình hiệu chỉnh các ph ơng trình trạng thái làm phù hợp giữa dữ liệu tính toán và thực nghiệm bằng ph ơng pháp hồi qui Đề tài nghiên c u này ch yếu tập trung vào xây dựng mô hình ng xử pha cho các chất l u nằm gần vùng tới hạn nh khí ng ng tụ và dầu nhẹ

Ph ơng pháp nghiên c u đề tài là dựa trên cơ s lý thuyết về tính chất c a chất

l u, các thí nghiệm PVT và các ph ơng trình trạng thái để xây dựng mô hình ng xử pha Ngoài ra, các công cụ có thể hỗ trợ cho việc xây dựng mô hình ng xử pha là công cụ PVTi trong phần mềm ECLIPSE, PVTsim và PVTP…Trong th i gian nghiên

c u đề tài, công cụ PVTi đ ợc sử dụng để phục vụ cho quá trình mô phỏng ng xử pha chất l u trong các vỉa dầu khí đa thành phần và hiệu chỉnh lại mô hình cho phù

hợp với số liệu thực nghiệm

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 2

Nội dung c a luận văn gồm ba ch ơng sau:

Ch ơng 1: trình bày cơ s lý thuyết về ng xử pha bao gồm các tính chất vật lý

cơ bản c a dầu và khí, các thí nghiệm mô tả quá trình ng xử pha c a chất l u trong

vỉa, mô tả thành phần hydrocacbon cộng, các ph ơng trình trạng thái và ng dụng c a các ph ơng trình này

Ch ơng 2: trình bày qui trình xây dựng mô hình ng xử pha gồm lựa chọn các

ph ơng trình trạng thái, mô phỏng lại các thí nghiệm PVT bằng các ph ơng trình này

và quá trình hiệu chỉnh lại mô hình ng xử pha

Ch ơng 3: dựa vào cơ s lý thuyết ch ơng 1 và qui trình đ ợc xây dựng trong

ch ơng 2, thực hiện xây dựng mô hình ng xử pha trên công cụ PVTi

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 3

1.1 Lý thuy t c b n v ng x pha

1.1.1 Khái ni m ng x pha

Pha là một phần trong hệ thống có các tính chất vật lý, ng xử giống nhau và

đ ợc phân cách với các phần khác b i ranh giới xác định

ng xử pha là ng xử c a pha khí, lỏng và rắn đ ợc thể hiện qua mối quan hệ

giữa áp suất, nhiệt độ và thể tích Phạm vi luận văn chỉ nghiên c u ng xử pha c a pha

lỏng và pha khí

1.1.2 Qui t c pha

Năm 1948, Gibbs đư đ a ra mối quan hệ giữa số l ợng pha, số l ợng các cấu tử

và số các biến độc lập để xác định trạng thái c a một hệ thống Mối quan hệ này gọi là qui tắc pha và đ ợc diễn đạt nh sau:

Đối với hệ đơn cấu tử, hai pha thì theo qui tắc pha F = 1 nên chỉ cần một thông

số nhiệt độ hay áp suất để mô tả trạng thái nhiệt động học c a hệ thống

Khảo sát ảnh h ng c a áp suất và thể tích đến ng xử pha c a hệ đơn cấu tử

đ ợc biểu diễn biểu đồ sau:

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 4

Hình 1 1: Biểu đồ áp suất - thể tích c a thành phần đơn cấu tử

Vùng bên trong c a biểu đồ đ ợc giới hạn b i hai đ ng áp suất bão hòa BC và

CA là vùng hai pha (lỏng và khí).Vùng bên trái c a biểu đồ là pha lỏng và bên phải là pha khí Điểm C là điểm tới hạn, tại đây tính chất vật lý c a pha lỏng và pha khí giống nhau Đ ng BC là đ ng áp suất điểm bọt khí, đại diện chất lỏng bưo hòa Đ ng

CA là đ ng áp suất điểm đọng s ơng, các thành phần nằm trên đ ng này trạng thái hơi bưo hòa Khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn Tc, thể tích hơi c a hệ đơn cấu

tử giảm sẽ làm tăng áp suất đến áp suất điểm đọng s ơng (điểm F trên hình 1.1) Tại đây, giọt chất lỏng đầu tiên hình thành Nếu thể tích tiếp tục giảm với áp suất không đổi, hàm l ợng pha lỏng sẽ tăng lên nh ng khối l ợng riêng c a pha lỏng và pha khí không thay đổi trong vùng hai pha Đặc điểm nổi bật c a hệ đơn cấu tử là tại một nhiệt

độ xác định thì áp suất điểm bọt khí và áp suất điểm đọng s ơng bằng nhau

Biểu đồ p-T trên hình 1.2 là một phần c a đ ng cong áp suất hơi cho hệ đơn cấu

tử điển hình

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 5

Hình 1 2: Biểu đồ p-T cho hệ đơn cấu tử trong vùng hai pha

Dọc theo đ ng cong lỏng - khí, hai pha cùng tồn tại trạng thái cân bằng

Đ ng cong kết thúc tại điểm tới hạn C Nhiệt độ tới hạn Tc là nhiệt độ mà trên giá trị này, hỗn hợp lỏng - khí không thể tồn tại cùng nhau bất kể áp suất T ơng tự, áp suất

tới hạn là áp suất mà trên giá trị này, hai pha lỏng - khí cũng không thể tồn tại cùng nhau bất kể nhiệt độ

1.1.3.2 H hai c u t

Hệ hai cấu tử ph c tạp hơn hệ một cấu tử b i vì cả áp suất và nhiệt độ ảnh h ng đến ng xử pha trong vùng hai pha Hai điểm khác biệt chính giữa hệ đơn cấu tử và hệ hai cấu tử là:

 Biểu đồ p-T trong vùng hai pha là một biểu đồ pha, ch không phải là đ ng cong áp suất hơi

 Điểm tới hạn không xác định sự m rộng c a vùng hai pha

Trên hình 1.3 cho thấy biểu đồ gồm hai đ ng cong: đ ng áp suất điểm bọt khí

và đ ng áp suất điểm đọng s ơng Hai đ ng này cắt nhau tại điểm tới hạn C Tại điểm này thì tính chất vật lý c a hai pha lỏng và khí giống nhau Khác với hệ đơn cấu

tử, hai pha có thể cùng tồn tại áp suất và nhiệt độ lớn hơn áp suất và nhiệt độ tới hạn

Áp suất cao nhất mà hai pha có thể cùng tồn tại là áp suất ng ng tới hạn (cricondenbar) Nhiệt độ cao nhất mà hai pha có thể cùng tồn tại gọi là nhiệt độ ng ng

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 6

Hình 1 3: Biểu đồ áp suất- nhiệt độ c a hệ hai cấu tử metan và etan

Đối với hệ hai cấu tử - đơn pha, F= 3, ng xử pha c a hệ thống đ ợc mô tả b i

ba biến: nhiệt độ, áp suất và hàm l ợng c a từng thành phần trong hệ

Đối với hệ hai cấu tử - hai pha, F=2 nên ng xử pha c a hệ thống đ ợc xác định

b i hai biến: nhiệt độ hoặc áp suất và hàm l ợng c a từng thành phần trong hệ

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 7

t ơng tự nhau

1

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 8

Biểu đồ p-T c a hệ đa cấu tử cũng gồm các thành phần:

 Đ ng áp suất điểm bọt khí

 Đ ng áp suất điểm s ơng

 Điểm tới hạn

 Vùng hai pha

 Đ ng cong có tỷ lệ mol c a pha lỏng và khí không đổi

Biểu đồ p-T rất cần thiết trong việc phân loại chất l u, sẽ đ ợc đề cập chi tiết

phần 1.1.4 và mô tả ng xử pha c a chất l u đa thành phần

1.1.4 Phân lo i ch t l u d u khí

Sự phân loại chất l u trong vỉa dầu khí phụ thuộc vào hai yếu tố sau:

 Vị trí c a nhiệt độ vỉa dầu khí so với nhiệt độ tới hạn và nhiệt độ ng ng tới

hạn trên biểu đồ pha

 Vị trí áp suất và nhiệt độ c a bình tách giai đoạn th nhất so với biểu đồ pha c a chất l u

1.1.4.1 Khí khô

Chất l u đ ợc phân loại là khí khô khi nhiệt độ vỉa lớn hơn nhiệt độ ng ng tới

hạn và điều kiện áp suất, nhiệt độ bề mặt nằm ngoài vùng hai pha Thành phần chính

c a khí khô là C1 (metan), và một số chất không phải hydrocacbon nh CO2, H2S Khí khô tồn tại trạng thái một pha từ điều kiện vỉa lên bề mặt và tỷ số khí-dầu GOR

th ng lớn hơn 100.000 scf/STB Trong quá trình giảm áp từ điểm A đến điều kiện bình tách, khí khô chỉ tồn tại trạng thái một pha khí

Hình 1 7: Biểu đồ pha p-T c a khí khô

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 9

1.1.4.2 Khí t

Chất l u đ ợc phân loại là khí ớt khi nhiệt độ vỉa lớn hơn nhiệt độ ng ng tới

hạn nh ng điều kiện áp suất, nhiệt độ bình tách, khí ớt tồn tại trạng thái hai pha Khí ớt ch yếu bao gồm các thành phần hydrocacbon nhẹ từ C1đến C4 nên khí ớt sẽ

ng ng tụ condensat điều kiện bề mặt Tỷ số GOR lớn hơn 50.000 scf/STB và không thay đổi trong suốt quá trình giảm áp

Hình 1 8: Biểu đồ pha p-T c a khí ớt

1.1.4.3 Khí ng ng t

Nhiệt độ c a vỉa nằm giữa nhiệt độ tới hạn và nhiệt độ ng ng tới hạn Khí ng ng

tụ có thêm thành phần C7+ nên biểu đồ pha đ ợc m rộng gần vùng tới hạn, khí

ng ng tụ có tỷ lệ mol c a C7+ khoảng 12.5% Tỷ số khí dầu nằm trong khoảng 3000 đến 150.000 scf/STB Tỷ trọng lớn hơn 500

API

Giả sử tại điểm 1 trên biểu đồ pha p-T (hình 1.9) là điều kiện ban đầu c a vỉa khí

ng ng tụ Do áp suất vỉa lớn hơn áp suất điểm đọng s ơng nên khí ng ng tụ tồn tại

trạng thái đơn pha khí Trong quá trình khai thác, áp suất vỉa giảm đẳng nhiệt từ điểm

1 đến điểm 2 (áp suất điểm đọng s ơng), các giọt chất lỏng bắt đầu xuất hiện, khí

ng ng tụ trạng thái hai pha lỏng-khí Khi áp suất vỉa tiếp tục giảm, tỷ lệ phần trăm pha lỏng tăng lên và đạt cực đại tại điểm 3 Quá trình này gọi là quá trình ng ng tụ

ng ợc Áp suất tiếp tục giảm thì phần trăm pha lỏng trong khí ng ng tụ giảm dần Tại điều kiện bình tách, khí ng ng tụ tồn tại trạng thái hai pha

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 10

Hình 1 9: Biểu đồ pha p-T c a khí ng ng tụ

1.1.4.4 D u nh ẹ

Nhiệt độ vỉa nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn Dầu nhẹ có thành phần hydrocabon nặng nhiều hơn khí ng ng tụ (tỷ lệ mol C7+ khoảng từ 12.5% đến 25% mol) Tỷ trọng dầu điều kiện bình ch a lớn hơn 350

API, tỷ số khí - dầu bề mặt nằm trong khoảng 1000 đến 3000 scf/STB

Hình 1 10: Biểu đồ pha p-T c a dầu nhẹ

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 11

Hình 1 11: Biểu đồ pha p-T c a dầu nặng

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 12

1.2.1.3 T ỷ trọng c a khí

Tỷ trọng c a khí đ ợc xác định là tỷ số giữa khối l ợng riêng c a khí đó với khối

l ợng riêng không khí tại điều kiện chuẩn

Hệ số thể tích thành hệ c a khí là tỷ số giữa thể tích c a khí đo tại điều kiện vỉa

với thể tích khí đo tại điều kiện chuẩn (14.7 psia, 600

Độ nhớt c a khí ít đ ợc đo đạc do hầu hết các phòng thí nghiệm th ng không

có đ các thiết bị cần thiết Vì thế, độ nhớt đ ợc tính thông qua các mối quan hệ thực nghiệm Bên cạnh đó, độ nhớt c a khí đ ợc mô tả b i hàm sau:

 , , 

g f p T y i

Hàm số trên cho thấy độ nhớt là hàm c a áp suất, nhiệt độ và tỷ lệ c a các thành

phần trong khí Ngày nay, độ nhớt c a khí đ ợc tính toán dựa trên hai ph ơng pháp:

g g

M T A

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 13

 Ph ng pháp Lohrenz, Bray and Clark:

Độ nhớt đ ợc tính dựa vào khối l ợng riêng giảm: r

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 14

o S g o

g s o

T ơng tự nh khí, hệ số thể tích thành hệ c a dầu cũng là tỷ số giữa thể tích c a

dầu tại một điều kiện nhiệt độ, áp suất và thể tích c a dầu tại điều kiện chuẩn

Đối với dầu ch a bưo hòa (p > pb), Bo tăng khi áp suất giảm do sự giãn n c a

dầu Ng ợc lại, đối với dầu bão hòa (p < pb), Bo sẽ giảm khi áp suất giảm do khí hòa tan thoát ra khỏi dầu dẫn đến thể tích c a dầu giảm

1.2.2.3 Độ nh t c a d u

Dầu có độ nhớt từ 0.1 cp đối với dầu nhẹ đến 100 cp đối với dầu nặng Nhiệt độ,

khối l ợng riêng c a dầu và hàm l ợng khí hòa tan là những nhân tố chính quyết định đến độ nhớt c a dầu

Ph ơng pháp tính toán độ nhớt c a dầu đ ợc trình bày chi tiết trong sách Reservior Engineering Handbook (2000) c a Tarek Ahmed

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 15

chất l u đ ợc lấy khoảng 600 cm3 Đối với các vỉa bưo hòa, ph ơng pháp lấy mẫu này

phải đ ợc chú ý hơn do áp suất c a vỉa nhỏ hơn áp suất bão hòa Các mẫu chất l u

đ ợc thu thập nhiều lần và kiểm tra độ nhất quán giữa các mẫu bằng cách đo áp suất điểm bọt khí nhiệt độ bề mặt Các mẫu có áp suất bọt khí không sai lệch nhau quá 2% đ ợc lấy làm mẫu chất l u đại diện cho vỉa và gửi tới phòng thí nghiệm phân tích các tính chất PVT

Ph ơng pháp lấy mẫu này không phù hợp đối với các vỉa khí ng ng tụ do cột

chất lỏng trong ống khai thác lúc đóng giếng không đại diện cho chất l u trong vỉa

u điểm c a ph ơng pháp là mẫu chất l u đại diện cho thành hệ Nh ợc điểm là chi phí lấy mẫu cao, r i ro cao trong quá trình lấy mẫu

1.3.1.2 L y m u b m ặt

Các mẫu dầu và khí đ ợc thu thập từ các đ ng dòng tại bình tách Nhiệt độ, áp

suất và l u l ợng dòng chảy phải đ ợc ghi nhận đầy đ giúp tính toán các tỉ lệ kết hợp các mẫu dầu và khí phù hợp Phòng thí nghiệm sẽ tái tạo lại các mẫu dầu và khí để đạt

đ ợc mẫu chất l u đại diện cho vỉa tr ớc khi phân tích thí nghiệm PVT Ph ơng pháp

kiểm tra chất l ợng mẫu là áp suất điểm bọt khí c a mẫu đ ợc tái kết hợp tại nhiệt độ bình tách phải bằng với áp suất c a bình tách

u điểm c a ph ơng pháp này là có thể thu thập đ ợc nhiều mẫu, chi phí lấy mẫu rẻ

Nh ợc điểm: mẫu lấy ch a hoàn toàn đại diện cho chất l u trong vỉa

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 16

1.3.2 Các thí nghi m phân tích PVT

1.3.2.1 Thí nghi m CCE

Các thí nghiệm CCE đ ợc thực hiện cho khí ng ng tụ và dầu nhẹ để mô phỏng

mối quan hệ giữa áp suất và thể tích c a hỗn hợp hydrocacbon Mục đích chính c a thí nghiệm là xác định:

 Áp suất bão hòa (áp suất điểm bọt khí hay áp suất điểm đọng s ơng)

 Hệ số nén đẳng nhiệt c a chất l u đơn pha

 Các hệ số nén c a pha khí

Qui trình thực hiện thí nghiệm đ ợc minh họa nh trên hình 1.12 bao gồm các

b ớc: lấy mẫu chất l u cho vào trong ống thí nghiệm PVT tại nhiệt độ vỉa và áp suất

lớn hơn áp suất vỉa ban đầu (hình 1.12-A) Ta giảm áp suất theo từng b ớc nh ng vẫn duy trì nhiệt độ không đổi bằng cách rút th y ngân ra khỏi ống thí nghiệm PVT, đồng

th i ghi nhận sự thay đổi giá trị tổng thể tích và áp suất c a hỗn hợp.Thể tích hỗn hợp

tại áp suất bưo hòa đ ợc xem là thể tích tham chiếu Tại các áp suất cao hơn áp suất bão hòa, thể tích hỗn hợp đ ợc ghi lại d ới dạng tỷ số với thể tích tham chiếu:

t rel

Vrel: thể tích t ơng đối

Vsat: thể tích tại áp suất bão hòa

Trên áp suất bão hòa, hệ số nén đẳng nhiệt c a chất l u đơn pha đ ợc xác định qua ph ơng trình sau:

rel T

V C

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 17

Hình 1 12: Sơ đồ mô tả thí nghiệm CCE

1.3.2.2 Thí nghi m CVD

Thí nghiệm CVD đ ợc thực hiện trên khí ng ng tụ hoặc dầu nhẹ Thí nghiệm mô

phỏng quá trình giảm áp trong vỉa và sự thay đổi thành phần chất l u, ngoài ra còn xác định áp suất điểm đọng s ơng, hệ số nén khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất vỉa, hệ số thu hồi hydrocacbon tại chỗ ban đầu tại bất kỳ áp suất nào Qui trình tiến hành thí nghiệm đ ợc tóm tắt nh sau:

B ớc 1: Lấy một l ợng chất l u nén vào trong ống nghiệm PVT tới áp suất điểm đọng

s ơng nh hình1.13 Nhiệt độ ống nghiệm đ ợc giữ nhiệt độ vỉa trong suốt quá trình thí nghiệm Thể tích ban đầu Vi c a chất l u bưo hòa đ ợc xem là thể tích tham chiếu

B ớc 2: Hệ số nén khí ban đầu đ ợc tính từ ph ơng trình trạng thái khí thực:

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 18

B ớc 3: Áp suất đ ợc giảm từ áp suất bưo hòa đến áp suất p bằng cách rút th y ngân

ra khỏi ống nghiệm (hình 1.13-B).Trong quá trình giảm áp, pha lỏng đ ợc hình thành

Chất l u đạt đến trạng thái cân bằng, thể tích tổng cộng Vt và thể tích pha lỏng đ ợc

đo đạc Thể tích c a pha lỏng này đ ợc ghi lại d ới dạng phần trăm c a thể tích ban đầu, SL:

B ớc 4: Nén th y ngân tr lại vào ống nghiệm PVT đồng th i rút ra một l ợng khí

t ơng đ ơng để áp suất c a ống không đổi, p Khi đạt đến thể tích ban đầu Vi thì

ngừng bơm ép th y ngân (hình1.13-C) Thể tích khí lấy ra đ ợc đo đạc tại điều kiện ống nghiệm, (Vgp)p,T B ớc này mô phỏng vỉa chỉ khai thác khí với thành phần lỏng

ng ng tụ đ ợc giữ lại trong vỉa do tính không linh động c a nó

B ớc 5: Khí rút ra đ ợc nén vào một thiết bị phân tích để xác định thành phần yivà đo

thể tích khí tại điều kiện chuẩn (Vgp)sc Số mol khí đ ợc tính từ ph ơng trình sau: ( )

Trong đó (ni– np): là số mol c a chất l u còn lại trong ống

B ớc 7: Thể tích khí rút ra đ ợc biểu diễn d ới dạng phần trăm c a khí tại chỗ ban đầu, cả hai cùng đ ợc đo tại điều kiện chuẩn

Qui trình này đ ợc lặp lại vài lần cho đến khi đạt áp suất nhỏ nhất có thể Sau đó, ta xác định khối l ợng và thành phần c a pha khí và pha lỏng ng ng tụ còn lại trong ống nghiệm

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 19

Nếu phân tích mẫu dầu nhẹ, thì ống nghiệm PVT ban đầu đ ợc nén tới áp suất điểm

bọt khí

Hình 1 13: Sơ đồ mô tả thí nghiệm CVD

1.4 Mô t thành ph n hydrocabon n ặng

Mô tả các tính chất vật lý c a thành phần hydrocabon nặng rất quan trọng để

thực hiện các phép tính cân bằng pha và cho các công th c tính toán c a ph ơng trình

trạng thái Với các ph ơng pháp phân tích hóa học hiện nay nh : ch ng cất, sắc ký khí…chúng ta ch a thể xác định hàng trăm các thành phần khác nhau trong hỗn hợp hydrocacbon Do đó các ph ơng pháp mô tả bằng thực nghiệm và toán học ra đ i đư

phần nào giải quyết vấn đề này cho các thành phần hydrocabon nặng nh C7+ Mô tả cho thành phần nặng (C7+) gồm các phần sau:

 ớc l ợng các tính chất tới hạn và hệ số  c a thành phần C7+cho các ph ơng trình trạng thái

 Xác định khối l ợng phân tử và tỷ trọng c a thành phần C7+

 Tách các thành phần C7+ ra một số nhóm thành phần với tỷ lệ mol xác định

1.4.1 c l ng các tính ch t t i h n

Nhiều tác giả đư đ a ra các ph ơng pháp ớc l ợng tính chất tới hạn c a thành

phần nặng từ khối l ợng phân tử và tỷ trọng nh ph ơng pháp c a Kesler-Lee, Riazi, Daubert, Cavett và Edmister (tham khảo sách c a Tarek Ahmed 2000) Sau đây, chỉ trình bày ph ơng pháp c a Kesler-Lee:

khí

Hg

khí p1=pd

A

Hg condensat

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 20

br br br

T T T

 Tổng c a tích tỷ lệ mol và khối l ợng phân tử c a các thành phần hydrocabon

giả phải bằng với tích tỷ lệ mol và khối l ợng phân tử c a thành phần C7+.

 Tổng c a tích tỷ lệ mol và khối l ợng phân tử chia cho tỷ trọng riêng c a các thành phần hydrocabon giả và c a thành phần C7+ phải bằng nhau

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 21

Biểu diễn các điều kiện trên bằng ph ơng trình toán học nh sau:

Từ hai ph ơng trình (1.40) và (1.41), ta có thể tính đ ợc khối l ợng phân tử và tỷ

trọng c a thành phần hydrocacbon cộng cuối cùng sau khi splitting:

Tác giả Whitson đư sử dụng hàm xác suất gamma ba thông số để mô tả sự phân bố tỷ

lệ mol c a các thành phần trong C7+.Hàm gamma đ ợc viết nh sau:

: khối l ợng phân tử nhỏ nhất trong thành phần C7+.

Whitson chỉ ra ba thông số c a hàm phân bố gamma là: , , MC7+ Giá trị  nằm trong khoảng từ 0.5 đến 2.5 cho chất l u vỉa, với hàm phân bố mũ thì  = 1 Hình 1.14 mô tả mô hình Splitting c a Whitson với các giá trị  khác nhau

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 22

Thông số  là khối l ợng phân tử nhỏ nhất trong thành phần C7+ và có mối quan hệ

với  theo công th c sau:

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 23

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 24

Hình 1 14: Hàm phân bố gamma cho thành phần C7+

1.4.3 Mô hình grouping

Chi phí và th i gian tính toán thành phần pha trong mô phỏng vỉa dầu khí đa thành phần tăng đáng kể theo số l ợng các thành phần trong hỗn hợp đ ợc dùng để

mô tả chất l u Vì thế, phải giới hạn số l ợng tối đa các thành phần bằng cách nhóm

lại các thành phần trong chất l u ban đầu thành từng nhóm hydrocabon gọi là quá trình grouping Hai vần đề chính cần quan tâm là:

 Cơ s lựa chọn số các thành phần đơn chất đ ợc nhóm lại và đại diện b i một thành phần giả (pseudo-component)

 Sử dụng các qui luật hòa hợp (mixing rule) nào để xác định các tính chất vật lý

Int: hàm lấy số nguyên

Các nhóm đ ợc tách biệt dựa vào khối l ợng phân tử MI:

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 25

7 7

H

I N N

Sau khi đư lựa chọn đ ợc số l ợng các hợp phần giả, ta cần xác định qui tắc hòa

hợp để tính toán các tính chất tới hạn c a hợp phần giả đó

Qui t c mixing c a Hong

Tỷ số cân bằng pha Ki c a một thành phần trong hỗn hợp là tỷ số giữa tỉ lệ mol

c a thành phần đó trong pha khí, yi, và tỉ lệ mol c a thành phần đó trong pha lỏng, xi

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 26

Xét n mol hỗn hợp hydrocarbon gồm nL mol pha lỏng và nv mol pha khí Áp

dụng điều kiện cân bằng vật chất cho thành phần th i trong hỗn hợp, ta có:

i n y n z

Kết hợp ph ơng trình (1.61) và (1.65), ta có các kết quả sau:

)1(

v L

i i

K n

z K

n n

z

)1(

i i i

v L

i i i

K n

z K K

n n

z K

Do   N 

i i N

i i N

i

i y z x

1 1

1)

K n

K z n

Ph ơng trình trên là ph ơng trình Rachford-Rice

1.5.2 Tính toán cân b ằng hai pha

Tính toán cân bằng pha là quá trình tính số l ợng pha tồn tại và thành phần c a

từng pha trong hỗn hợp trạng thái cân bằng

Các b ớc tính toán nL, nv, yi và xiđ ợc thực hiện nh sau:

B ớc 1: Tính toán giá trị nv bằng cách giải ph ơng trình (1.69) với ph ơng pháp

lặp Newton-Raphson:

Giả sử giá trị nvđầu tiên theo công th c sau:

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 27

B A

1

N   

i i i

K z B

1

1

1

(1.72)

Tính giá trị c a hàm f(nv) với nv trên, nếu| f(nv)| < 10-6 thì nv là giá trị cần tìm

Nếu |f(nv)| > 10-6 thì tính lại giá trị c a hàm f(nv) với :

 

 v

v v

vnew

v f

n f n

K n

K z n

f

1

2

2 '

1 1

1 )

từng thành phần trong hỗn hợp Tất cả các ph ơng trình trạng thái đều cần các tính

chất tới hạn và hệ số  c a các thành phần u điểm chính c a ph ơng trình trạng thái

là có thể tính toán các tính chất c a tất cả các pha với cùng một ph ơng trình Bên

cạnh đó, còn đảm bảo sự chính xác trong việc tính cân bằng pha

Ph ơng trình trạng thái đầu tiên là định luật khí lý t ng, kết hợp giữa định luật Boyle và Charles, do Claperon đ a ra vào năm 1857

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 28

 Giữa các phân tử khí không có lực t ơng tác với nhau

Những đặc điểm trên không đúng với thực tế vì những phân tử khí không nhỏ và không thể giảm thể tích khí xuống bằng không bằng cách tăng áp suất Tại nhiệt độ

thấp và áp suất cao, lực hút giữa các phân tử khí đóng vai trò quan trọng làm khí thay đổi sang trạng thái lỏng

Để khắc phục các nh ợc điểm trên, các ph ơng trình trạng thái khác đư ra đ i,

mô tả ng xử pha c a chất l u chính xác hơn Sau đây, ta sẽ nghiên c u ph ơng trình

trạng thái hai biến và ba biến

1.5.3.1 Ph ng trình tr ng thái hai bi n

a Ph ng trình tr ng thái Van der Waals:

Năm 1873, Van der Waals đ a ra ph ơng trình trạng thái đầu tiên giải quyết

đ ợc hai giả thuyết c a ph ơng trình trạng thái khí lý t ng nh sau:

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 29

Nhìn chung các ph ơng trình trạng thái đều có dạng chung:

Gi i ph ng trình tr ng thái c a Van der Waals

Điểm tới hạn C là một điểm uốn nên đạo hàm áp suất bậc 1 và bậc 2 c a áp suất theo biến số thể tích V phải bằng 0 Suy ra:

 

, ,

2 0

c c

R T a

RT b

c

RT V

r r a

SVTH: Nguyễn Hoàng Long 30

Ph ơng trình (1.85) cho một nghiệm trong vùng một pha và ba nghiệm trong vùng hai pha Trong vùng hai pha, nghiệm lớn nhất là hệ số nén c a pha khí Zv và nghiệm nhỏ nhất là hệ số nén c a pha lỏng ZL.

Nhìn chung các ph ơng trình trạng thái đều đ ợc xây dựng cho chất l u đơn chất

và m rộng áp dụng cho hỗn hợp thông qua các qui tắc hòa hợp (mixing rule) để tính toán các hệ số trong ph ơng trình trạng thái

Redlich – Kwong đư điều chỉnh phần tử a/V2

c a ph ơng trình trạng thái trên để nâng cao độ chính xác khả năng dự đoán tính chất vật lý c a pha khí

c

R T a

p

c b