Giáo trình Cơ sở khai thác (Nghề: Khoan khai thác dầu khí - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

Giáo trình Cơ sở khai thác cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Công tác hoàn thiện giếng; Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí; Các phương pháp khai thác; Xử lý vùng cận đáy. Mời các bạn cùng tham khảo!

CÔNG TÁC HOÀN THIỆN GIẾNG

CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ THÀNH HỆ

Giếng sau khi khoan có thể được hạ cột ống chống khai thác tại một hoặc nhiều thành hệ và hoàn thiện nếu thành hệ có triển vọng về trữ lượng, đảm bảo khả năng khai thác hiệu quả Trong trường hợp giếng không có triển vọng, tức là không có khả năng khai thác dầu hoặc khí thương mại, các cầu xi măng được đặt để bít giếng tạm thời hoặc huỷ vĩnh viễn Để nâng cao hiệu quả công tác hoàn thiện giếng, các phương pháp đánh giá thành hệ như nghiên cứu mùn khoan, đo địa vật lý giếng khoan, nghiên cứu mẫu lõi và thử giếng được áp dụng một cách toàn diện.

Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 16

1.1.2 Các phương pháp đánh giá thành hệ a Nghiên cứu mùn khoan

Tầng chứa dầu hay khí có thể được xác định thông qua việc nghiên cứu mùn khoan do dòng dung dịch đưa lên bề mặt

Người kỹ sư địa chất làm việc tại hiện trường theo dõi mùn khoan và điều kiện đáy giếng tại trạm đo carota khí để đảm bảo an toàn và hiệu quả khai thác Họ thu thập mẫu mùn khoan tại sàn rung và sử dụng thiết bị báo khí cùng kính hiển vi hoặc tia cực tím để xác định sự hiện diện của dầu trong mùn khoan Các kết quả này giúp đưa ra các đánh giá chính xác về trữ lượng và tiềm năng của mỏ dầu khí Thử giếng (well test) là bước quan trọng để kiểm tra khả năng sản xuất và xác định các đặc tính của giếng sau khi khoan.

Phương pháp đánh giá thành hệ hiệu quả nhất là thử giếng, sử dụng dụng cụ đặc biệt lắp đặt trên bộ cần khoan, thả xuống đáy giếng để kiểm tra hình dạng và độ kín của thành hệ Trong quá trình thử, van mở để cho chất lưu từ tầng chứa chảy vào dụng cụ nhằm đo đạc áp suất thành hệ Dụng cụ này được trang bị máy ghi để vẽ biểu đồ áp suất, giúp đánh giá chính xác tính chất của thành hệ Sau khi hoàn thành, packer được thu lại, và dụng cụ được kéo lên mặt đất để phân tích kết quả (H.1.1).

Hình 0-1 Nguyên lý thử vỉa bằng cần

Nhờ phân tích các biểu đồ áp suất tại đáy giếng, người ta có thể xác định các đặc tính quan trọng của vỉa Đồng thời, việc đo địa vật lý giếng khoan, cụ thể như đo carota, giúp cung cấp thông tin chính xác về thành phần và cấu trúc của vỉa dầu khí, từ đó hỗ trợ quá trình khai thác hiệu quả hơn.

Phương pháp đo đạc này sử dụng các thiết bị được thả vào giếng bằng cáp để tiếp cận đáy Khi kéo các thiết bị lên, chúng có khả năng đo các tính chất của thành hệ trong lòng giếng một cách chính xác Phương pháp này giúp thu thập dữ liệu quan trọng để phân tích đặc điểm địa chất và cấu trúc của giếng khoan.

Các phương pháp đo và ghi dòng điện tự nhiên cũng như dòng điện cảm ứng trong thành hệ bao gồm phương pháp điện đo, sử dụng cảm biến để theo dõi dòng điện tự nhiên và dòng cảm ứng trong cấu trúc thành hệ Phương pháp sóng âm truyền sóng âm vào thành hệ và đo đạc sóng phản xạ giúp đánh giá cấu trúc và các đặc tính điện của thành hệ một cách chính xác Ngoài ra, phương pháp phóng xạ, dựa trên việc đo và ghi hiệu ứng phóng xạ tự nhiên và cảm ứng trong thành hệ, cung cấp những thông tin quan trọng về thành phần và cấu trúc của hệ thống này nhằm phục vụ các nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật.

Kết quả đo địa vật lý giếng khoan được trình bày dưới dạng các biểu đồ minh họa rõ ràng Các nhà địa chất và kỹ sư có kinh nghiệm có thể dễ dàng phân tích và giải thích ý nghĩa của các biểu đồ này nhờ vào các phần mềm trên máy tính hiện đại Việc sử dụng phần mềm giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình đọc và đánh giá dữ liệu địa vật lý, góp phần đưa ra các quyết định geotechnical chính xác và hiệu quả.

Hình 0-2 Biểu đồ dạng log đo tia Gamma qua các tầng đất đá d Mẫu khoan

Ngoài việc tiến hành các nghiên cứu, người ta còn lấy mẫu lõi khoan của đá tầng chứa để phân tích thí nghiệm, giúp hiểu rõ hơn về đặc tính của đá Hai phương pháp lấy mẫu đáy và mẫu thành (vách) giếng thường được sử dụng để thu thập mẫu chính xác và đại diện cho khu vực nghiên cứu (H.1.3).

Trong phương pháp lấy mẫu đáy giếng khoan thứ nhất, bộ ống mẫu được lắp đặt ở đáy dụng cụ khoan, giúp cắt một lõi đá hình trụ có đường kính bằng đường kính trong của bộ ống mẫu khi xoay lưỡi khoan Lõi khoan sau đó được giữ chắc chắn bên trong ống mẫu để đảm bảo mẫu không bị biến dạng hoặc rơi ra trong quá trình lấy mẫu Quá trình kéo thả bộ khoan cụ được thực hiện liên tục sau mỗi lần lấy mẫu để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của quá trình khoan và lấy mẫu đáy giếng khoan.

Phương pháp lấy mẫu sườn (thành giếng) sử dụng khối thuốc nổ nhỏ kích nổ để cắm các ống hình trụ nhỏ vào thành giếng, giúp thu thập mẫu đất đá đồng thời Khi kéo bộ lấy mẫu sườn lên cùng các ống nhỏ, có thể lấy lên đến 30 mẫu đất đá tại các chiều sâu khác nhau trong giếng một lúc Các mẫu lõi khoan này sau đó được phân tích trong phòng thí nghiệm để cung cấp thông tin chi tiết về tính chất của đá và chất lưu trong tầng chứa.

CÁC CÔNG ĐOẠN HOÀN THIỆN GIẾNG

Sau khi khoan đến mục tiêu, giai đoạn tiếp theo là hoàn thiện giếng để đưa vào khai thác như đã định Quá trình hoàn thiện giếng gồm các công đoạn quan trọng như kiểm tra, cấy cút, cấy chống trượt và lắp đặt thiết bị phục vụ khai thác Đây là bước quyết định đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hoạt động khai thác dầu khí sau này.

- Đặt cột ống chống khai thác và trám xi măng

- Lắp đặt thiết bị lòng giếng

1.2.2 Phân loại a Phân loại theo số tầng khai thác e Hoàn thiện giếng đơn tầng

Kiểu hoàn thiện giếng cho phép khai thác một tầng sản phẩm tại một thời điểm nhất định, tối ưu hóa quá trình phát triển mỏ liên tục Hệ thống này được thiết kế để nâng dòng sản phẩm lên trong ống khai thác, khoảng không giữa ống chống và ống khai thác hoặc cả hai, nhằm đảm bảo hiệu quả khai thác tối đa.

Ngày nay, hoàn thiện giếng đơn tầng phổ biến nhờ quá trình thi công, xử lý và sửa chữa dễ dàng Phương pháp khai thác có thể là tự phun hoặc nâng nhân tạo như gaslift hoặc bơm ly tâm điện chìm, phù hợp với yêu cầu của từng giếng Việc lắp đặt packer phụ thuộc vào đặc điểm và lợi ích kinh tế của giếng, trong khi các giếng khai thác không lắp đặt packer đòi hỏi hệ thống đầu giếng phải chịu áp lực khí ở khoảng không vành xuyến Nếu không kiểm tra và thoát khí định kỳ, khí có thể xâm nhập vào ống khai thác, gây nguy hiểm cho hoạt động của giếng.

Trước đây, do tập trung vào hiệu quả kinh tế, packer chỉ được lắp đặt khi lưu lượng khai thác lớn Tuy nhiên, ngày nay, việc lắp đặt packer đã trở thành yêu cầu bắt buộc để bảo vệ an toàn lòng giếng và ống khai thác Đối với các giếng khoan sâu, khoảng hở giữa ống khai thác và ống chống thường rất nhỏ, khiến packer làm thu hẹp lòng giếng khai thác và giảm lưu lượng khai thác Những ưu điểm chính của phương pháp hoàn thiện giếng này bao gồm tăng cường an toàn, hạn chế rò rỉ và nâng cao hiệu quả khai thác.

- Đơn giản hóa quá trình hoàn thiện giếng và công tác sửa chữa giếng

- Kích cỡ ống khai thác đáp ứng được lưu lượng khai thác tối ưu trong khoảng thời gian dài nhất

- Dễ dàng chuyển sang các phương pháp khai thác cơ học khi cần thiết

- Dễ dàng theo dõi áp suất đáy giếng

- Dùng packer cố định và thiết bị bảo vệ tầng sản phẩm khi tiến hành sửa chữa hoặc dập giếng

- Có thể lắp đặt đầu nối giãn nở nhiệt để giữ an toàn cho ống khai thác

- Neo giữ ống khai thác với packer

- Dễ dàng tuần hoàn dung dịch khi gọi dòng hay dập giếng

- Hạn chế tối đa khả năng ăn mòn thiết bị lòng giếng

Khi thiết kế hoàn thiện giếng khai thác nên chú ý đến khả năng ứng dụng kỹ thuật cáp tời để lắp đặt các thiết bị lòng giếng sau này

Hình 0-4 Hoàn thiện giếng đơn tầng f Hoàn thiện giếng đa tầng

Trong khai thác dầu khí thực tế, thường gặp trường hợp giếng xuyên qua nhiều tầng sản phẩm Để tối ưu hóa quá trình khai thác, người ta có thể sử dụng các hệ thống khai thác đa tầng, giúp điều phối dòng chảy hiệu quả và nâng cao hiệu suất khai thác Việc lựa chọn hệ thống phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và tối đa hóa sản lượng dầu khí từ các lớp khác nhau của mỏ.

- Khai thác từ trên xuống

- Khai thác từ dưới lên

- Khai thác kết hợp hoặc khai thác đồng thời nhiều tầng sản phẩm

Hệ thống khai thác từ trên xuống là phương pháp khai thác vỉa sản phẩm nằm dưới sau khi đã khai thác hết các vỉa phía trên, đảm bảo tối ưu hóa quá trình tiêu thụ tài nguyên Ngược lại, hệ thống khai thác từ dưới lên tập trung vào khai thác các vỉa nằm trên sau khi đã hoàn tất khai thác các vỉa phía dưới, giúp nâng cao hiệu quả khai thác mỏ Việc lựa chọn giữa hệ thống khai thác từ trên xuống và từ dưới lên phụ thuộc vào đặc điểm địa chất và chiến lược khai thác của dự án mỏ Các hệ thống này đều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu rủi ro trong hoạt động khai thác khoáng sản.

Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 21 Để nâng cao hiệu quả kinh tế, người ta sử dụng kiểu hoàn thiện giếng đa tầng cho phép khai thác nhiều tầng sản phẩm trong cùng một giếng Kiểu hoàn thiện này còn thích hợp trong các tầng sản phẩm bở rời có chiều dày lớn nhằm đảm bảo trong quá trình khai thác

Do tính chất đất đá và áp suất vỉa của các tầng là khác nhau nên các giếng khai thác đa tầng có nhiều kiểu:

Trong quá trình khai thác, không sử dụng ống khai thác trực tiếp mà thay vào đó thả nhiều ống chống khai thác để ngăn cách các tầng sản phẩm riêng biệt Sau đó, áp dụng kỹ thuật bắn mở vỉa để tiến hành khai thác một cách hiệu quả và an toàn hơn (H 1.5a).

Trong quá trình khai thác các tầng sản phẩm có đặc tính gần giống nhau, nên sử dụng một cột ống khai thác kết hợp với packer để đảm bảo hiệu quả Phương pháp này phù hợp với các giếng có vỉa mỏng và áp suất tương đối thấp, như vỉa H 1.5b, giúp tối ưu hóa quá trình khai thác và giảm thiểu rủi ro.

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Hình 0-5 Các kiểu hoàn thiện giếng đa tầng

Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 22 sửa chữa và hoàn thiện giếng Chính điều này làm mất nhiều thời gian trong công tác đo và xử lý số liệu địa vật lý giếng khoan Những năm gần đây, nhờ những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ và kỹ thuật hoàn thiện giếng (đặc biệt là kỹ thuật cáp tời), một số trở ngại trong hoàn thiện giếng đa tầng nêu trên cũng dần được khắc phục b Phân loại theo số cần khai thác

Hình 0-6 Hoàn thiện giếng đa tầng, đơn cần và đa cần c Theo bề mặt phân cách giữa đáy giếng và tầng sản phẩm g Hoàn thiện giếng thân trần (H 1.7a)

- Vỉa được mở thông trực tiếp với giếng nên tăng tối đa dòng vào

- Giảm giá thành giếng khoan: giảm chi phí ống chống và chi phí thi công giếng

Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 23 do không chống ống, giảm chi phí thông vỉa, gọi dòng sản phẩm do giảm thiểu mức độ nhiễm bẩn thành hệ, giảm thời gian đo và xử lý số liệu đo địa vật lý giếng khoan

- Dễ dàng khoan giếng sâu hơn khi cần

- Dễ dàng chuyển sang các kiểu hoàn thiện giếng khác

Song kiểu hoàn thiện giếng thân trần có một số nhược điểm sau đây:

- Khó áp dụng trong trường hợp tầng sản phẩm gồm nhiều lớp cát, sét mỏng xen kẽ, vỉa có nhiều khe nứt tự nhiên

- Khó tác động nên vỉa sản phẩm theo các khoảng lựa chọn

- Khó kiểm soát giếng so với các kiểu hoàn thiện giếng khác

Trong quá trình khai thác, thường phải tạm ngừng để rửa sạch cát ở đáy giếng, và độ phức tạp của quá trình này sẽ tăng theo chiều sâu và độ nghiêng của giếng Hoàn thiện giếng có thể tiến hành bằng ống chống lửng hoặc ống chống suốt có phay rãnh hoặc đục lỗ sẵn (ống lọc), sau đó chèn sỏi để đảm bảo ổn định Đối với các vỉa chứa các lớp đất đá kém vững chắc, người ta thường lựa chọn một trong hai phương pháp hoàn thiện giếng phù hợp để nâng cao độ bền và hiệu quả khai thác.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHAI THÁC DẦU KHÍ

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Chất lưu trong vỉa chịu tác động của một áp suất nhất định gọi là áp suất vỉa a Áp suất vỉa ban đầu (P vbđ )

Là áp suất tĩnh trước khi đưa vỉa vào hoạt động theo một chế độ nhất định, nó được xác định theo công thức sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 39

- : trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m 3 )

- : khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 )

- H: chiều cao cột chất lỏng (m)

- g: gia tốc trọng trường (m/s 2 ) b Áp suất vỉa động

Là áp suất trong vỉa đang hoạt động theo một chế độ nhất định (thử giếng, khai thác, bơm ép,…) nó thường được biểu diễn:

Pwf = f(Q) c Các trường hợp thường gặp

- Nếu giếng điền đầy lưu chất thì áp suất vỉa được tính theo công thức:

Pv = gH + Pm (Pm là áp suất miệng giếng)

- Nếu mực chất lỏng trong giếng chỉ dâng lên độ cao H1 thì:

Áp suất vỉa (Pv) phụ thuộc vào các yếu tố như chiều cao lớp đá (H1), độ thấm của đá, độ nhớt của chất lưu, trọng lượng riêng của chất lưu và cấu trúc địa chất Ngoài ra, áp suất vỉa luôn thay đổi theo không gian và thời gian do các yếu tố này tác động đa dạng, gây ảnh hưởng đến quá trình khai thác và lưu lượng chất lưu trong vỉa Hiểu rõ các yếu tố này giúp dự đoán chính xác hơn về trạng thái áp suất và tối ưu hóa hoạt động khai thác khí hoặc dầu trong lòng đất.

Là độ chênh áp trên bề mặt phân cách giữa hai chất lưu không hoà tan với nhau, có tính dính ướt trên bề mặt đá khác nhau

Bề mặt phân cách giữa dầu và nước hoặc nước và không khí trong một ống có đường kính lớn thường phẳng do lực dính ướt phân bố đều quanh thành ống, làm áp suất ở hai bề mặt lưu chất gần như bằng nhau Tuy nhiên, trong các lỗ rỗng nhỏ trong đất đá, lực căng bề mặt do tính dính ướt của chất lưu gây ra làm xuất hiện sự chênh lệch áp suất, khiến bề mặt phân cách không bằng phẳng Áp suất mao dẫn, được định nghĩa là hiệu giữa áp suất của pha không dính ướt và pha dính ướt, có giá trị dương và đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng di chuyển của chất lưu qua các lỗ nhỏ trong đất đá.

Theo qui ước, áp suất mao dẫn dầu - nước là áp suất của pha dầu trừ cho áp suất của pha nước:

TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA ĐẤT ĐÁ VÀ CHẤT LƯU

Độ rỗng của đá là đại lượng đo bằng tỷ số giữa thể tích các lỗ hổng và tổng thể tích của khối đá Các lỗ hổng trong đá có thể bao gồm lỗ hổng giữa các hạt, lỗ hổng dạng nứt nẻ hay hang hốc, cũng như các lỗ hổng hỗn hợp Hiểu rõ về độ rỗng của đá giúp đánh giá đặc tính vật lý và khả năng khai thác của lĩnh vực địa chất, địa chất công trình.

- Độ rỗng toàn phần: là tỷ số giữa tổng không gian rỗng và thể tích khối đá

- Độ rỗng hở: đặc trưng cho tỷ phần giữa thể tích rỗng liên thông với nhau trong khối đá

- Độ rỗng hiệu dụng: là tỷ phần không gian rỗng mà dầu và khí dịch chuyển được

Là một thông số đặc trưng cho khả năng của đá chứa cho chất lưu chảy qua hệ thống kênh dẫn liên thông nhau

- Độ thấm tương đối: là tỷ số giữa độ thấm hiệu dụng và độ thấm tuyệt đối

- Độ thấm tuyệt đối: là độ thấm của đá ở điều kiện bão hoà 100% chất lưu

- Độ thấm hiệu dụng: là độ thấm của đá với một chất lưu có độ bão hoà nhỏ hơn 100%

Trong thực tế độ thấm k luôn thay đổi theo phương ngang lẫn phương đứng

Ví dụ: Cho các số liệu sau k1 = 10 mD, L1=6 ft, k2 = 50 mD, L2 ft, k3 = 100 mD, L3 = 40 ft Hãy tính ktđ

Ví dụ: Cho các số liệu sau k1 = 10 mD, h1 = 6 ft, k2 = 50 mD, h2 = 18 ft, k3 = 100 mD, h3 = 40 ft Hãy tính ktđ

Khi các pha chất lỏng không hòa tan trong môi trường rỗng tiếp xúc với đá, thường một trong hai pha này sẽ hấp phụ mạnh hơn lên bề mặt của đá Pha có khả năng hấp phụ mạnh hơn được gọi là pha dính ướt, trong khi pha còn lại được gọi là pha không dính ướt Hiểu rõ sự khác biệt giữa các pha này giúp tối ưu hóa quá trình tương tác giữa chất lỏng và đá trong các ứng dụng địa chất và công nghiệp.

Sức căng bề mặt đo lường khả năng hòa tan của các chất lỏng và là lượng năng lượng cần thiết để tăng diện tích bề mặt lên một đơn vị Khi sức căng bề mặt giảm, hiệu quả đẩy dầu của nước sẽ tăng lên đáng kể Điều này giúp pha dính ướt dễ dàng hơn trong việc đẩy pha không dính ướt, so với quá trình đẩy pha không dính ướt bằng pha dính ướt.

Hệ số linh động là tỷ số giữa tính thấm hiệu dụng của đá và độ nhớt của chất lỏng Đối với nước, hệ số linh động được tính bằng kw/àw, còn đối với dầu, là ko/ào Hệ số này phản ánh khả năng di chuyển của chất lỏng qua các khe hở của đá, đóng vai trò quan trọng trong các phân tích thấm nước và dầu trong địa chất Việc hiểu rõ hệ số linh động giúp tối ưu hóa quá trình khai thác tài nguyên tự nhiên và cải thiện hiệu quả sử dụng các chất lỏng trong các ứng dụng kỹ thuật.

- Tính linh động của nước vỉa: nước bơm ép có thể đẩy nước vỉa và đẩy dầu từ vỉa vào giếng

- Tính linh động của dầu dư: dầu dư là dầu còn lại đọng trong vỉa không khai thác được

Hệ số linh động (Ms) đóng vai trò quan trọng trong quá trình đẩy dầu bằng nước, vì nó phản ánh tốc độ tương đối của dầu trước mặt phía trước bơm ép so với nước phía sau mặt tiến Khi hệ số linh động tăng, khả năng di chuyển của dầu cũng sẽ được cải thiện, giúp tối ưu hóa quá trình đẩy dầu hiệu quả hơn Giả sử rằng gradient áp suất của cả hai pha dầu và nước là như nhau, hệ số linh động ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của quá trình bơm ép, góp phần nâng cao hiệu quả thu hồi dầu trong các công trình khai thác.

+ Ms = 1.0: dầu và nước chuyển động cùng tốc độ tương đối

+ Ms < 1.0: nước di chuyển chậm hơn dầu, dẫn đến trạng thái bão hòa nước cao giúp tăng hiệu quả đẩy cao

+ Ms > 1.0: nước di chuyển nhanh hơn dầu, tăng nguy cơ tạo các lưỡi nước.

CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG VỈA

Dòng chảy của chất lưu từ vỉa vào giếng được thiết lập nhờ hai yếu tố cơ bản đó là:

- Độ thấm của đất đá vùng cận đáy giếng (1)

- Độ chênh áp giữa vỉa và đáy giếng (2)

(1) Phụ thuộc vào các tính chất vật lý vỉa của đá tầng chứa, chất lưu vỉa và các biện pháp tác động lên vùng cận đáy giếng

(2) Phụ thuộc vào các nguồn năng lượng của vỉa và mức độ khai thác của giếng

2.3.1 Nguồn năng lượng tự nhiên Đây là nguồn năng lượng dự trữ ban đầu, dưới dạng áp năng có sẵn trong vỉa do tác dụng tổng hợp của chất lưu và đá trong vỉa gây ra Các nguồn năng lượng này bao gồm:

- Nguồn năng lượng mũ khí

- Nguồn năng lượng tầng nước đáy

- Nguồn năng lượng khí hoà tan

- Nguồn năng lượng trọng lực Ứng với mỗi nguồn năng lượng vỉa sẽ có chế độ làm việc riêng của vỉa

Trong quá trình khai thác mỏ, nguồn năng lượng đầu tiên gọi là năng lượng chuyển dịch, xuất hiện trong giai đoạn đầu của quá trình khai thác, đóng vai trò quan trọng trong việc bắt đầu hoạt động khai thác Ngược lại, hai nguồn năng lượng còn lại được gọi là nguồn năng lượng cạn kiệt, thường xuất hiện ở giai đoạn cuối của quá trình khai thác mỏ, báo hiệu sự suy giảm và kết thúc của hoạt động khai thác Hiểu rõ sự khác biệt giữa các nguồn năng lượng này giúp tối ưu hóa quá trình khai thác và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Khi áp suất vỉa giảm, đá và chất lưu vỉa bị nén ép ở độ sâu lớn sẽ giãn nở, tạo ra nguồn năng lượng đàn hồi đẩy dầu từ vỉa vào giếng Đây là hiện tượng quan trọng trong quá trình khai thác dầu, giúp tăng khả năng thu hồi dầu nhờ vào năng lượng đàn hồi của hệ vỉa đá.

Trong thực tế, vỉa thường có nhiều chế độ năng lượng khác nhau thay vì chỉ một nguồn năng lượng duy nhất Quá trình khai thác hiệu quả đòi hỏi sự tác động đồng thời của nhiều nguồn năng lượng này, đặc biệt khi nguồn năng lượng nhân tạo như bơm ép nước hoặc khí được bổ sung kịp thời để duy trì áp suất vỉa Năng lượng vỉa thường được biểu diễn dưới dạng áp suất vỉa (Pv), phụ thuộc vào tỷ số khí – dầu và thể tích khai thác cộng dồn (Np) Trong đó, nguồn năng lượng mũ khí đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hoá quá trình khai thác và nâng cao hiệu suất sản lượng.

Khi vỉa có mũ khí, nghĩa là vỉa chứa năng lượng tồn trữ dưới dạng khí tự do bị nén ép trong mũ khí Trong giai đoạn cuối của quá trình khai thác, khí hòa tan tách ra khỏi dầu, di chuyển lên vùng trên của vỉa và bổ sung khí cho mũ khí Điều này cho thấy vai trò quan trọng của khí trong quá trình tích trữ và khai thác dầu khí hiệu quả.

Kích thước của mũ khí thường không lớn, dẫn đến nguồn năng lượng hạn chế Độ nhớt của khí thấp gây ra hiện tượng trượt khí trong quá trình đẩy dầu, ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác Để nâng cao khả năng khai thác của mỏ dầu có mũ khí, cần điều chỉnh lưu lượng khai thác các giếng gần mũ khí phù hợp và bơm ép khí vào mũ khí nhằm duy trì áp suất vỉa dầu, từ đó nâng cao hiệu quả khai thác mỏ ở chế độ khí.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 43 phụ thuộc vào áp suất, kích thước của mũ khí và cấu tạo của mỏ Chế độ mũ khí làm việc hiệu quả nhất khi độ thấm của đá tầng chứa cao, vỉa có độ nghiêng lớn và độ nhớt của dầu không lớn lắm Hệ số thu hồi ở chế độ áp lực khí thay đổi từ 0.3 - 0.4 b Nguồn năng lượng tầng nước đáy Áp lực nước là chế độ của vỉa có nguồn năng lượng được duy trì nhờ áp lực của tầng nước đáy (tầng nước nằm phía dưới tầng chứa dầu) hay tầng nước rìa Khi khai thác dầu, thể tích dầu lấy lên sẽ được bù đắp bằng một thể tích nước tương ứng mà dấu hiệu nhận biết là ranh giới dầu – nước tiến dần đến giếng khai thác Mức độ đẩy dầu của nước phụ thuộc vào phạm vi hoạt động của tầng nước đáy Đối với tầng nước đáy hoạt động mạnh, áp suất vỉa suy giảm rất chậm mặc dù không sử dụng các biện pháp bơm ép duy trì áp suất vỉa

Trong quá trình khai thác, động thái áp suất vỉa giảm như sau:

Khi đưa giếng vào khai thác, áp suất vỉa giảm đủ để tạo chênh lệch áp lực cần thiết thúc đẩy dòng chảy từ vỉa vào giếng, giúp duy trì quá trình khai thác hiệu quả Nếu tốc độ khai thác cân bằng với tốc độ bổ sung nước cho tầng nước đáy, áp suất vỉa giảm rất chậm, duy trì ổn định Ngược lại, khi tốc độ khai thác quá cao, lượng nước từ vỉa không đủ bù đắp lượng dầu khai thác, dẫn đến áp suất giảm nhanh, gây tiêu hao tài nguyên không hiệu quả Yếu tố khí trong vỉa không thay đổi khi áp suất còn cao hơn áp suất điểm bọt khí – mức áp suất lớn nhất để khí hòa tan trong dầu bắt đầu tách ra thành bọt khí tự do Ở điều kiện này, chế độ áp lực nước chuyển dần sang chế độ khí hòa tan, ảnh hưởng đến quá trình khai thác dầu khí hiệu quả hơn.

Do nước đẩy dầu trong các lỗ rỗng và kênh dẫn của đá không giống như pittông, phần dầu bị giữ lại trong các lớp đất đá do tính chất không đồng nhất của đá, làm thay đổi độ thấm và độ bão hòa dầu – nước theo không gian và thời gian Ranh giới dầu không đều dịch chuyển vào phía tâm vỉa và các giếng khai thác, gây ra hiện tượng lưỡi nước trong vỉa Các lưỡi nước này sau đó liên kết, chia cắt vỉa thành nhiều phần, khiến dầu không được đẩy hết ra khỏi thể tích rỗng trong đá và gây khó khăn trong quá trình khai thác.

Khi ranh giới giữa dầu và nước dịch chuyển lên phía trên, độ bão hòa nước tại đáy tăng dần và chủ yếu là nước Nếu tốc độ khai thác của giếng quá cao, nước sẽ dâng nhanh hơn, vượt qua dầu để chảy về phía giếng, gây ra hiện tượng phễu nước cận đáy Điều này dẫn đến lượng nước trong sản phẩm khai thác ngày càng tăng và trở nên chủ yếu là nước, trong khi vẫn còn một lượng dầu lớn còn lại trong vỉa, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả khai thác dầu.

Hệ số thu hồi của vỉa ở chế độ áp lực nước thường vượt quá 0.5, thậm chí đạt từ 0.7 đến 0.8, cho thấy hiệu quả khai thác cao Đặc điểm hình học phức tạp và tính chất không đồng nhất của vỉa là những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng thu hồi dầu khí Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa quy trình khai thác và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên của các mỏ dầu khí.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 44 quan trọng ảnh hưởng đến khả năng thu hồi dầu c Nguồn năng lượng khí hoà tan

Dầu trong vỉa chứa lượng lớn khí hòa tan, khi áp suất vỉa ban đầu cao hơn áp suất điểm bọt khí, không xảy ra khí tự do Khi khai thác, áp suất vỉa giảm dần đến điểm bọt khí, khí bắt đầu tách khỏi hỗn hợp dầu khí và trở thành khí tự do Các bọt khí tự do ngày càng nhiều, chuyển động nhanh hơn dầu và đóng vai trò là nguồn năng lượng đẩy dầu từ vỉa lên giếng, cải thiện hiệu quả khai thác dầu khí.

Chế độ khí hòa tan xuất hiện trong giai đoạn khai thác cuối của vỉa khi các nguồn năng lượng khác như mũ khí hoặc tầng nước đáy đã bị cạn kiệt Hiệu quả khai thác dựa vào lượng khí hòa tan, đặc tính của đá tầng chứa, tính chất của dầu và cấu trúc của vỉa Do đó, việc ứng dụng chế độ khí hòa tan đóng vai trò quan trọng trong quá trình khai thác dầu khí cuối cùng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài thời gian khai thác.

Hệ số thu hồi năng lượng trong chế độ này rất thấp, khoảng 0.1 - 0.3, chủ yếu do khí linh động hơn dầu và chuyển động với vận tốc nhanh hơn dòng dầu, dẫn đến năng lượng vỉa cạn kiệt nhanh chóng Dấu hiệu nhận biết sự cạn kiệt năng lượng vỉa là tỷ số khí- dầu trong giếng tăng đáng kể Nguồn năng lượng đàn hồi cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình khai thác khí, ảnh hưởng đến khả năng duy trì áp lực trong vỉa.

Môi trường vỉa là môi trường xốp gồm ba thành phần chính: đất đá vỉa, các thành phần lỗ hổng và các lưu chất bão hòa trong lỗ hổng Đây là yếu tố quyết định tính chất và khả năng lưu trữ của môi trường vỉa, ảnh hưởng đến quá trình khai thác dầu khí Hiểu rõ cấu trúc của môi trường vỉa giúp tối ưu hóa hoạt động khai thác và nâng cao hiệu quả kinh tế trong ngành dầu khí.

Các thành phần này thay đổi thể tích khi nhiệt độ và áp suất thay đổi Nó được đặc trưng bởi hệ số đàn hồi thể tích β*

DUY TRÌ ÁP SUẤT VỈA

Trong công nghệ duy trì áp suất vỉa bằng phương pháp bơm ép nước, các sơ đồ bơm ép khác nhau được lựa chọn phù hợp với điều kiện địa chất, công nghệ và kinh tế của từng mỏ Việc bố trí hệ thống các giếng bơm ép phụ thuộc vào các yếu tố thủy động lực của vỉa, chế độ khai thác, thời gian khai thác và vốn đầu tư Lựa chọn sơ đồ bố trí giếng bơm ép tối ưu giúp đảm bảo duy trì áp suất vỉa một cách hiệu quả và kinh tế.

2.4.1 Bơm ép nước ngoài ranh giới vùng chứa dầu

Trong quá trình khai thác, tác động lên vỉa dầu được thực hiện thông qua hệ thống giếng bơm ép bố trí bên ngoài vỉa dầu để kiểm soát lưu lượng và tăng hiệu quả khai thác Các giếng bơm ép thường được bố trí cách ranh giới từ 800 m đến 1500 m, tùy thuộc vào đặc điểm của vỉa dầu, nhằm phân bổ đều tác động và tránh hiện tượng hình thành lưỡi nước gây giảm sản lượng.

Hình 0-3.Sơ đồ bố trí bơm ép nước ngoài ranh giới dầu - nước

Sơ đồ bố trí này phù hợp cho các vỉa dầu có mối liên hệ thủy động lực tốt, không bị đứt gãy Kích thước vỉa nhỏ, với tỷ số giữa diện tích và chu vi từ 1.5 đến 1.75 km, đảm bảo tính đồng nhất về chiều dài và diện tích.

Những nhược điểm chủ yếu của sơ đồ bố trí này là:

- Tổn thất năng lượng trên một tấn dầu khai thác cao, vì khoảng cách từ giếng bơm ép đến giếng khai thác lớn

- Sự tác động của nước lên vỉa chậm do khoảng cách lớn

- Tổn thất nước bơm ép rất lớn về đối diện của vỉa

Các giếng trong vùng trung tâm mỏ đã bị đóng cửa quá lâu do áp dụng phương pháp khai thác từ phía ngoài nhằm tận dụng tối đa hiệu quả của hệ thống bơm ép Việc này giúp dần dần đưa các giếng khai thác đã bị ngập nước ở phía ngoài vào hoạt động, tối ưu hóa quy trình khai thác và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Các giếng bơm ép được bố trí cách ranh giới vỉa từ 800-1500m nhằm tác động đều lên vỉa, tránh sự hình thành lưỡi nước

2.4.2 Bơm ép nước tại ranh giới vùng chứa dầu

Giếng bơm ép được bố trí ngay trên ranh giới dầu – nước (H.2.8) nhằm tăng nhanh hiệu quả tác động lên giếng khai thác, tăng hệ số thu hồi dầu

Hình 0-4.Sơ đồ bố trí bơm ép nước tại ranh giới dầu - nước

Sơ đồ này được sử dụng cho những trường hợp:

- Mối liên hệ thuỷ động lực giữa vỉa và vùng ngoài ranh giới kém

- Kích thước vỉa dầu tương đối nhỏ

Tăng cường khai thác dầu từ vỉa nhằm giảm sức cản thẩm thấu, đặc biệt khi tuyến khai thác và tuyến bơm ép nằm gần nhau Điều này giúp giảm tổn thất năng lượng, nâng cao hiệu quả khai thác dầu, đồng thời tối ưu hóa quá trình sản xuất và giảm chi phí vận hành.

Sơ đồ bố trí này dễ dẫn đến hình thành lưỡi nước tại đáy giếng khai thác, gây khả năng hình thành các thấu kính dầu trong vỉa Ngoài ra, phương pháp này còn gây tổn thất lượng nước bơm ép ra ngoài ranh giới lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác và kinh tế của dự án.

2.4.3 Bơm ép nước trong ranh giới vùng chứa dầu

Hệ thống giếng bơm ép được bố trí theo các sơ đồ khác nhau ngay bên trong vỉa, giúp tối ưu hóa quá trình khai thác Cách bố trí này không chỉ rút ngắn thời gian khai thác mỏ mà còn thúc đẩy thu hồi vốn nhanh hơn Tác động lên vỉa thông qua hệ thống giếng bơm ép đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí trong quá trình khai thác mỏ.

Việc bố trí các giếng bơm ép ngay bên trong vỉa giúp tối đa hóa nguồn năng lượng khai thác hiệu quả Hầu hết lượng nước bơm ép đều có tác dụng đẩy dầu từ vỉa đến giếng khai thác, nâng cao năng suất khai thác dầu Sơ đồ bố trí các giếng bơm ép bên trong vỉa thường được áp dụng trong các trường hợp cần tối ưu hóa quá trình khai thác dầu và nâng cao hiệu quả vận hành.

- Ranh giới dầu nước và những thông số về vỉa được xác định chính xác

- Mối liên hệ thuỷ động lực vỉa kém

- Kích thước vỉa dầu lớn

Hình 0-5 Sơ đồ bố trí bơm ép nước trong ranh giới dầu - nước

Sơ đồ bố trí các giếng bơm ép trong ranh giới dầu – nước (H 2-5) được phân loại như sau:

Bố trí theo dãy hoặc tuyến, gồm các hình thẳng hàng hoặc hình cong cung, giúp chia cắt vỉa bằng các tuyến giếng bơm ép được bố trí hợp lý Sơ đồ này thường kết hợp với các giếng bơm ép nằm trên ranh giới dầu – nước, tạo thành tuyến cắt trung tâm và các tuyến vuông góc Hiệu quả khai thác cao nhất khi tỷ lệ giữa tuyến giếng bơm ép và giếng khai thác đạt từ 1-2 hoặc 1-3, giúp tối ưu hoá quá trình khai thác và nâng cao hiệu suất sản xuất.

Trong hệ thống bơm ép, bố trí theo cụm (block) là phương pháp áp dụng cho các vùng mỏ lớn đã xác định trữ lượng công nghiệp Trong giai đoạn phát triển mỏ, các giếng bơm ép được bố trí riêng biệt so với các giếng khai thác, tạo thành các cụm riêng biệt Mỗi cụm có các giếng khai thác được bố trí theo dãy, với số lượng và mật độ phù hợp với điều kiện thủy động lực của vỉa và sản lượng khai thác yêu cầu Khi mỏ phát triển, các cụm giếng lần lượt được tích hợp vào sơ đồ khai thác chung của toàn mỏ, giúp tối ưu hoá hoạt động khai thác và quản lý nguồn tài nguyên.

Bố trí theo nguồn là phương pháp hiệu quả khi cấu trúc địa chất vỉa được nghiên cứu chi tiết Phương pháp bơm ép theo nguồn có thể được áp dụng độc lập trong mọi giai đoạn khai thác như là một giải pháp điều chỉnh quy trình khai thác Thường xuyên sử dụng phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình khai thác và nâng cao hiệu quả kinh tế của mỏ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 52 hợp với một sơ đồ bơm ép bất kỳ nhằm mở rộng vùng ảnh hưởng của quá trình bơm ép để khai thác dầu từ các vỉa không được tác động nhờ bơm ép (vùng trì trệ và vùng chứa dầu dạng thấu kính)

Hệ thống bố trí theo diện tích tối ưu hóa mức độ khai thác vỉa, đảm bảo tác động hiệu quả nhất đến toàn bộ mỏ Các giếng khai thác và bơm ép trong hệ thống này được sắp xếp xen kẽ theo sơ đồ hình học dạng lưới đối xứng gồm 2, 3, và 4 hàng, giúp tăng cường hiệu quả khai thác và kiểm soát dòng chảy trong mỏ.

5, 7 hoặc 9 điểm tương đương với tỷ lệ giếng bơm ép trên 1, 2, 3 hoặc 4 giếng khai thác

Hình 0-6 Sơ đồ bơm ép 2, 3, 4, 5, 7 và 9 điểm

Hệ thống bơm ép theo diện tích giúp nâng cao năng suất khai thác, nhưng cũng tiềm ẩn nguy cơ hình thành lưỡi nước quanh giếng khai thác Trong giai đoạn ban đầu của khai thác, áp suất vỉa còn cao nên số lượng giếng đưa vào bơm ép ít; tuy nhiên, khi áp suất vỉa giảm dần về sau, nhu cầu bơm ép tăng lên để duy trì hiệu quả khai thác Hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong thực tế, và vai trò của các loại giếng bơm ép và khai thác trong hệ thống có thể thay đổi sau khi thực hiện xử lý giếng bằng các biện pháp thích hợp.

2.4.4 Các nguồn nước bơm ép

Nguồn nước bơm ép phải thỏa mãn đồng thời hai điều kiện sau:

- Đủ lượng nước bơm ép cần thiết

- Đảm bảo chất lượng yêu cầu

Việc bơm ép thử quy mô nhỏ thường được thực hiện trước khi mở rộng quy mô toàn mỏ, giúp lựa chọn và hiệu chỉnh các thông số của nước bơm ép phù hợp hơn Điều này cung cấp cơ hội để phát hiện và giải quyết các sự cố tiềm tàng trước khi tiến hành mở rộng quy mô khai thác toàn mỏ Các nguồn nước bơm ép thông thường gồm:

- Nước ngọt bề mặt (sông, hồ, ao)

- Nước ngầm (từ các tầng chứa nông và sâu)

- Nước biển (tại nơi khai thác)

CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC

XỬ LÝ VÙNG CẬN ĐÁY

Tiêu đề	Giáo trình Cơ sở khai thác (Nghề: Khoan khai thác dầu khí - Trình độ: Cao đẳng)
Tác giả	Ths. Phạm Thị Nụ, Ks. Vũ Xuân Thạch, Ks. Bùi Đức Sơn
Trường học	Trường Cao Đẳng Dầu Khí
Chuyên ngành	Khai Thác Dầu Khí
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Bà Rịa - Vũng Tàu

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	4,42 MB