Giáo trình Cơ sở khai thác được biên soạn với mục tiêu giúp các bạn có thể trình bày được các tính chất cơ bản của đất đá và chất lưu; Mô tả được các nguồn năng lượng vỉa và duy trì áp suất vỉa; Trình bày được các giải pháp xử lý vùng cận đáy giếng. Mời các bạn cùng tham khảo!
CÔNG TÁC HOÀN THIỆN GIẾNG
CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ THÀNH HỆ
Sau khi khoan, giếng 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 Trong trường hợp giếng không khả thi để khai thác dầu khí thương mại, các biện pháp như đặt cầu xi măng để bít tạm thời hoặc huỷ vĩnh viễn sẽ được thực hiện 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 đều được áp dụng.
Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 15
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
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 0-1 Nguyên lý thử vỉa bằng cần
Việc xem xét các biểu đồ áp suất ở đáy giếng giúp xác định chính xác các đặc tính của vỉa đất, từ đó cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá khả năng khai thác Ngoài ra, đo địa vật lý giếng khoan, còn gọi là đo carota, là phương pháp quan trọng nhằm thu thập dữ liệu trực tiếp về thành phần và đặc tính của lớp đất đá dưới mực nước Các dữ liệu này giúp tối ưu hóa quá trình khai thác và nâng cao hiệu quả của các dự án dầu khí hoặc khoáng sản.
Phương pháp này sử dụng các thiết bị thả vào giếng bằng cáp để đo các tính chất của thành hệ Khi kéo các thiết bị này lên trên, dữ liệu thu thập được giúp các chuyên gia phân tích đặc điểm của lòng giếng và cấu trúc thành hệ một cách chính xác.
Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 16
Các phương pháp đo dòng điện tự nhiên và cảm ứng trong thành hệ bao gồm sử dụng điện cực carota điện, giúp ghi nhận các dòng điện sinh học tự nhiên và cảm ứng Ngoài ra, phương pháp sóng âm truyền âm vào thành hệ và đo sóng phản xạ giúp xác định đặc điểm cấu trúc và tính chất của thành hệ một cách chính xác Đồng thời, phương pháp phóng xạ đo và ghi nhận hiệu ứng phóng xạ tự nhiên và cảm ứng trong thành hệ cung cấp thông tin chi tiết về thành phần và trạng thái của mô, hỗ trợ chẩn đoán chính xác và nghiên cứu chuyên sâu.
Kết quả đo địa vật lý giếng khoan được trình bày dưới dạng các biểu đồ trực quan, giúp các nhà địa chất và kỹ sư có kinh nghiệm dễ dàng phân tích và minh giải dữ liệu Nhờ các phần mềm máy tính hiện đại, việc xử lý và diễn giải các biểu đồ này trở nên chính xác và hiệu quả hơn, hỗ trợ đưa ra các quyết định chính xác trong quá trình khảo sát địa chất.
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 trên, người ta còn lấy mẫu lõi khoan của đá tầng chứa để phân tích thí nghiệm nhằm đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của quá trình nghiên cứu địa chất Hai phương pháp lấy mẫu phổ biến nhất là lấy mẫu đáy và mẫu thành (vách) giếng, giúp cung cấp dữ liệu toàn diện về đặc tính của đá tầng chứa.
Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 17
Trong phương pháp lấy mẫu đáy giếng khoan, bộ ống mẫu được lắp ở đáy dụng cụ khoan để thu thập mẫu đá Khi xoay lưỡi khoan, lõi đá hình trụ có đường kính bằng trong bộ ống mẫu sẽ được cắt và giữ chắc trong ống mẫu Quá trình kéo thả bộ khoan cụ diễn ra bắt buộc sau mỗi lần lấy mẫu để đảm bảo thu nhận mẫu chính xác và đầy đủ.
Phương pháp lấy mẫu sườn (thành giếng) sử dụng khối thuốc nổ nhỏ để kích nổ, cắm các ống hình trụ nhỏ vào thành giếng nhằm thu thập mẫu đất đá Bộ lấy mẫu sườn được kéo lên cùng các ống nhỏ, cho phép lấy đồng thời tới 30 mẫu đất đá ở các độ sâu khác nhau trong mỗi lần lấy mẫu Các mẫu lõi khoan này sau đó được phân tích tại phòng thí nghiệm để cung cấp thông tin chính xác về tính chất của đá và chất lưu trong tầng chứa Phương pháp này giúp thu thập dữ liệu đa dạng, chính xác và nhanh chóng trong công tác khảo sát địa chất.
CÁC CÔNG ĐOẠN HOÀN THIỆN GIẾNG
Sau khi khoan đạt đến mục tiêu, giai đoạn tiếp theo là hoàn thiện giếng để đưa vào khai thác theo kế hoạch Quá trình hoàn thiện giếng bao gồm các công đoạn quan trọng như xử lý mực nước, cấy đặt các thiết bị đo đạc, và kiểm tra chất lượng nhằm đảm bảo an toàn và tối ưu hóa hiệu quả khai thác Việc hoàn thiện giếng đúng quy trình giúp đảm bảo hoạt động khai thác diễn ra thuận lợi, nâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.
Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 18
- 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 thời điểm nhất định, phù hợp cho quá trình phát triển mỏ liên tục trong suốt quá trình khai thác Dòng sản phẩm có thể được nâng lên trong ống khai thác, khoảng không vành xuyến giữa ống chống khai thác và ống khai thác hoặc cả hai, đảm bảo tối ưu hóa hiệu quả khai thác và quản lý mỏ.
Hiện nay, kiểu hoàn thiện giếng đơn tầng được sử dụng phổ biến nhờ quá trình thi công, xử lý và sửa chữa đơn giản Phương pháp khai thác chính gồm tự phun hoặc nâng nhân tạo như gaslift và bơm ly tâm điện chìm giúp tối ưu hiệu quả khai thác Việc lắp đặt packer phụ thuộc vào yêu cầu của giếng và lợi ích kinh tế, mang lại sự linh hoạt trong vận hành Đối với giếng khai thác đơn tầng không lắp đặt packer, hệ thống đầu giếng phải chịu áp lực khí ở khoảng không vành xuyến, do đó cần kiểm tra và xả khí định kỳ để tránh khí xâm nhập vào ống khai thác, bảo vệ an toàn và duy trì hiệu quả khai thác của giếng.
Trước đây, do chú trọng vào hiệu quả kinh tế, packer chỉ được lắp đặt khi lưu lượng khai thác lớn Ngày nay, việc lắp đặt packer trở thành yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn lòng giếng và ống khai thác Tuy nhiên, đối với các giếng khoan sâu, khoảng hở giữa ống khai thác và ống chống thường rất nhỏ, khiến packer làm giảm lưu lượng khai thác do thu hẹp lòng giếng Ưu điểm chính của giải pháp hoàn thiện giếng này là tăng cường an toàn và bảo vệ toàn bộ cấu trúc giếng khoan.
- 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
Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 19
- 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, các giếng often xuyên qua nhiều tầng chứa sản phẩm, gây ra thách thức trong quá trình khai thác Để tối ưu hóa hiệu quả khai thác, người ta có thể sử dụng các hệ thống khai thác đa tầng như hệ thống phân tầng đa đường ống hoặc hệ thống trung tâm kiểm soát, giúp kiểm soát dòng chảy và phân phối tài nguyên hiệu quả hơn Việc lựa chọn hệ thống phù hợp dựa trên đặc điểm của từng tầng chứa dầu khí và mục tiêu khai thác nhằm tăng năng suất và giảm chi phí vận hành.
- 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, tối ưu hóa quá trình khai thác và giảm thiểu tổn thất Trong khi đó, hệ thống khai thác từ dưới lên tập trung khai thác các vỉa nằm trên sau khi đã hoàn thành khai thác các vỉa phía dưới, giúp nâng cao hiệu quả khai thác tổng thể Các hệ thống này đều đóng vai trò quan trọng trong chiến lược khai thác mỏ, đảm bảo khai thác hiệu quả và an toàn.
Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 20 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 thực hiện khai thác một cách hiệu quả và an toàn hơn (H 1.5a).
Sử dụng một cột ống khai thác và packer để khai thác các tầng sản phẩm có đặc tính gần giống nhau là phương pháp hiệu quả trong các dự án khai thác mỏ Phương pháp này thích hợp cho các vỉa mỏng và có áp suất tương đối thấp (H 1.5b), giúp tối ưu hóa quá trình khai thác và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Trong quá trình khai thác, người ta sử dụng nhiều cột ống khai thác, mỗi cột ống phục vụ cho một tầng sản phẩm riêng biệt Tuy nhiên, kích thước của các ống khai thác bị giới hạn bởi ống chống khai thác, dẫn đến lưu lượng khai thác trong mỗi ống bị hạn chế Để khắc phục hạn chế này, có thể sử dụng cột ống khai thác có kích thước lớn hơn để khai thác các tầng sản phẩm sâu hơn, chẳng hạn như tầng H 1.5d, từ đó nâng cao hiệu quả khai thác và khai thác các tầng sâu một cách tối ưu hơn.
Hình 0-5 Các kiểu hoàn thiện giếng đa tầng
Khi lựa chọn kiểu hoàn thiện giếng, cần dựa vào hiệu quả kinh tế đạt được để tối ưu hóa lợi ích Kiểu hoàn thiện đa tầng có ưu điểm nổi bật là rút ngắn thời gian khai thác và dễ kiểm soát từng tầng sản phẩm, thậm chí có thể hủy bỏ hoặc không khai thác một hoặc vài tầng khi tỷ số khí – dầu hoặc nước – dầu tăng quá cao vào giai đoạn cuối Tuy nhiên, do cấu trúc lòng giếng khai thác nhiều tầng phức tạp, kiểu hoàn thiện này thường gây ra nhiều khó khăn trong quá trình thiết kế và thi công, làm tăng độ phức tạp của toàn bộ quá trình hoàn thiện giếng.
Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Trang 21 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)
Kiểu hoàn thiện giếng ra đời sớm nhất và đơn giản nhất, thích hợp cho tầng sản phẩm có chiều dày lớn được làm từ đá cứng, vững chắc không bị sụp lở Phương pháp này thường đặt ống chống khai thác trên nóc hoặc trong tầng sản phẩm một đoạn nhỏ, nhờ vào lớp đá chứa vững chắc của tầng sản phẩm Đặc biệt, phần giếng đối diện với tầng sản phẩm được để trần, không cần chống ống, giúp giảm thiểu chi phí và dễ thi công Các ưu điểm chính của phương pháp hoàn thiện giếng thân trần bao gồm tính đơn giản, độ bền cao và phù hợp với các tầng sản phẩm dày, cứng chắc.
- 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 22 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
Quá trình khai thác thường phải tạm dừng để làm sạch cát ở đáy giếng, và độ phức tạp của công đoạn này sẽ tăng lên theo chiều sâu và mức độ nghiêng của giếng Hoàn thiện giếng có thể thực hiện bằng ống chống lửng hoặc ống chống suốt có phay rãnh hoặc đục lỗ sẵn (ống lọc), rồi sau đó chèn sỏi để tăng cường độ vững chắc Đặc biệt, đối với các vỉa sản phẩm cấu tạo từ các lớp đất đá kém vững chắc, người ta thường lựa chọn một trong hai phương pháp hoàn thiện giếng sau để đảm bảo 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 38
- : 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 nhiều yếu tố như chiều cao của coltop (H1), tính thấm của đá, độ nhớt và trọng lượng riêng của chất lưu vỉa Áp suất này luôn biến đổi theo không gian và thời gian, chịu ảnh hưởng bởi cấu trúc và chiều dày của vỉa đá Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng giúp tối ưu hóa quá trình khai thác mỏ và đảm bảo hiệu quả hoạt động.
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 các ống lớn thường phẳng do lực dính ướt phân bố đều trên diện tích rộng, khiến áp suất ở hai bề mặt gần như bằng nhau Tuy nhiên, trong đất đá có lỗ rỗng nhỏ, lực căng bề mặt do tính dính ướt gây ra tạo ra sự chênh lệch áp suất, kéo theo bề mặt phân cách không còn phẳng Áp suất mao dẫn được định nghĩa là hiệu giữa áp suất của pha không dính ướt và pha dính ướt, thường có giá trị dương, phản ánh ảnh hưởng của lực căng bề mặt trong môi trường đất đá nhỏ bé.
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
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 39
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-hang hốc, và lỗ hổng hỗn hợp Hiểu rõ về độ rỗng là yếu tố quan trọng trong đánh giá đặc tính của đá trong các ứng dụng địa chất và khai thác khoáng sản.
- 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
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 40
Khi hai pha chất lưu không hòa tan trong môi trường rỗng tiếp xúc với đá, một trong hai pha này thường hấp phụ mạnh hơn lên bề mặt đá Pha có khả năng hấp phụ mạnh hơn được gọi là pha dính ướt, trong khi pha còn lại gọi là pha không dính ướt Hiểu rõ đặc điểm này giúp tối ưu quá trình thấm và lưu trữ các chất trong môi trường đá tự nhiên.
Sức căng bề mặt thể hiện khả năng hòa tan của các chất lưu, đồng thời đo 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 rõ rệt, giúp quá trình pha dính ướt đẩy pha không dính ướt trở nên dễ dàng hơn Điều này giúp cải thiện khả năng thấm và phân tán của các chất lỏng trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật.
Hệ số linh động là tỷ số giữa khả năng thấm hiệu dụng của đá và độ nhớt của chất lưu Trong đó, hệ số linh động của nước được biểu thị bằng kw/ày, còn của dầu là ko/ào Hệ số này phản ánh mối quan hệ giữa khả năng thấm của vật liệu và đặc tính lưu chuyển của chất lưu, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình khai thác và ứng dụng vật liệu trong ngành dầu khí.
- 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, đại diện cho tốc độ tương đối của dầu di chuyển phía trước mặt tiến bơm ép so với nước phía sau Khi hệ số linh động tăng, khả năng dầu di chuyển nhanh hơn trong quá trình đẩy sẽ được cải thiện, tối ưu hóa hiệu quả khai thác Giả sử gradient áp suất của cả hai pha là như nhau, việc hiểu rõ ảnh hưởng của hệ số linh động giúp dự đoán chính xác hơn quá trình di chuyển của dầu và nước trong hệ thống.
+ 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)
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 41
(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, có hai nguồn năng lượng quan trọng cần lưu ý Nguồn năng lượng đầu gọi là năng lượng chuyển dịch, xuất hiện ở giai đoạn đầu của quá trình khai thác, giúp bắt đầu quá trình khai thác hiệu quả Trong khi đó, hai nguồn năng lượng còn lại được gọi là nguồn năng lượng cạn kiệt, xuất hiện ở giai đoạn cuối của quá trình khai thác, báo hiệu sự kết thúc của mỏ và hạn chế khả năng khai thác lâu dài Hiểu rõ các nguồn năng lượng này giúp tối ưu hóa quy trình khai thác và duy trì bền vững tài nguyên.
Khi áp suất vỉa giảm, đá và chất lưu trong vỉa bị nén ép chặt ở độ sâu lớn sẽ giãn nở ra, tạo ra nguồn năng lượng đẩy dầu từ vỉa vào giếng Hiện tượng này được gọi là nguồn năng lượng đàn hồi, đóng vai trò quan trọng trong quá trình khai thác dầu khí, giúp duy trì dòng chảy và tăng hiệu quả thu hồi dầu.
Trong thực tế, vỉa thường không chỉ có một nguồn năng lượng duy nhất mà tồn tại nhiều chế độ năng lượng khác nhau cùng tác động lên vỉa sản phẩm, giúp tăng hiệu quả khai thác Việc bổ sung nguồn năng lượng nhân tạo như bơm ép nước hoặc khí để duy trì áp suất vỉa là rất quan trọng và cần được thực hiện kịp thời 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) Điều này giúp tối ưu hóa quy trình khai thác và nâng cao sản lượng dầu khí từ mỏ.
Khi vỉa có mũ khí, nghĩa là vỉa chứa một năng lượng tồn trữ dưới dạng khí tự do bị nén ép trong mũ khí Trong quá trình khai thác, khí hòa tan tách ra khỏi dầu và di chuyển lên vùng trên của vỉa để bổ sung cho mũ khí, giúp duy trì và kích thích quá trình khai thác hiệu quả hơn.
Kích thước nhỏ của mũi khoan giới hạn nguồn năng lượng cung cấp, khiến hiệu quả khai thác bị ảnh hưởng Độ nhớt của khí thấp dẫn đến hiện tượng trượt khí trong quá trình đẩy dầu, gây giảm năng suất Để nâng cao hiệu quả khai thác mỏ, cần điều chỉnh lưu lượng các giếng gần mũi khoan phù hợp và bơm khí ép vào mũi khoan để duy trì áp suất vỉa dầu Hiệu quả khai thác mỏ trong chế độ khí phụ thuộc vào việc kiểm soát tốt các yếu tố này.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 42 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 độ chênh lệch áp cần thiết nhằm thúc đẩy dòng chảy từ vỉa vào giếng Nếu tốc độ khai thác cân bằng với tốc độ bổ sung nước cho tầng nước đáy, áp suất vỉa giảm rất chậm, đảm bảo sự ổn định của nguồn tài nguyên Ngược lại, khai thác quá nhanh làm lượng nước vỉa không kịp bù đắp cho lượng dầu bị khai thác, dẫn đến áp suất vỉa giảm nhanh, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả khai thác Yếu tố khí trong vỉa không thay đổi trừng nào áp suất vỉa chưa thấp hơn áp suất điểm bọt khí, tức là áp suất lớn nhất để khí hòa tan trong dầu bắt đầu tách ra khỏi hỗn hợp dầu khí và hình thành các bọt khí tự do Trong điều kiện này, chế độ áp lực nước dần chuyển sang chế độ khí hòa tan, ảnh hưởng đến quá trình khai thác và quản lý mỏ dầu khí.
Dầu không hoàn toàn bị đẩy ra khỏi các lỗ rỗng và kênh dẫn của đá do đặc điểm khác biệt so với pittông, dẫn đến một phần dầu bị giữ lại trong lớp đất đá Tính chất không đồng nhất của đá làm thay đổi độ thấm và độ bão hòa dầu – nước theo không gian và thời gian, khiến ranh giới dầu dịch chuyển không đều về phía tâm vỉa và các giếng khai thác Hiện tượng lưỡi nước trong vỉa xuất hiện khi các đường lưỡi này liên kết và chia cắt vỉa thành nhiều phần, gây khó khăn trong việc đẩy hết dầu ra khỏi thể tích rỗng trong đá.
Khi ranh giới dầu nước chuyển dịch lên trên, độ bão hòa nước tại phần đáy tăng dần và sản phẩm khai thác chủ yếu là nước Nếu tốc độ khai thác của giếng quá cao, nước sẽ dâng nhanh hơn và xâm nhập vào dòng dầu, gây hiện tượng tạo phễu nước ở vùng cận đáy giếng Điều này khiến lượng nước trong sản phẩm ngày càng gia tăng và chiếm phần lớn, trong khi vẫn còn một lượng dầu đáng kể bị giữ lại trong vỉa dầu.
Hệ số thu hồi của vỉa ở chế độ áp lực nước thường vượt mức 0.5, và có thể đạt từ 0.7 đến 0.8, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác Dạng hình học phức tạp và tính chất không đồng nhất của vỉa là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình thu hồi dầu khí Hiểu rõ những đặc điểm này giúp tối ưu hóa quá trình khai thác và tăng năng suất vỉa dầu khí.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 43 quan trọng ảnh hưởng đến khả năng thu hồi dầu c Nguồn năng lượng khí hoà tan
Dầu trong vỉa chứa một lượng lớn khí hòa tan, với áp suất ban đầu thường cao hơn áp suất điểm bọt khí, khiến trong vỉa không có khí tự do Khi khai thác, áp suất vỉa giảm dần đến mức bằng áp suất điểm bọt khí, khí bắt đầu tách khỏi hỗn hợp dầu khí và chuyển thành khí tự do Các bọt khí tách ra ngày càng nhiều, di chuyển nhanh hơn dầu và trở thành nguồn năng lượng đẩy dầu từ vỉa vào giếng.
Chế độ khí hòa tan xuất hiện trong giai đoạn khai thác cuối của vỉa khi các nguồn năng lượng khác như mũi khí hoặc tầng nước đáy đã cạn kiệt Việc khai thác dựa vào năng lượng khí hòa tan phụ thuộc rất lớn vào lượng khí hòa tan trong vỉa và đặc tính của đá tầng chứa Ngoài ra, tính chất của dầu và cấu trúc của vỉa cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả khai thác khí hòa tan trong quá trình khai thác mỏ.
Hệ số thu hồi ở chế độ năng lượng này rất thấp, chỉ 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 nhanh chóng cạn kiệt năng lượng vỉa Dấu hiệu nhận biết sự cạn kiệt dần của năng lượng vỉa là tỷ số khí/dầu trong giếng tăng đáng kể Ngoài ra, nguồn năng lượng đàn hồi cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình khai thác.
Môi trường vỉa là một môi trường xốp gồm ba thành phần chính: đất đá vỉa, thành phần lỗ hổng và các lưu chất bão hòa trong các lỗ hổng đó Đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình khai thác và vận chuyển khí hoặc dầu trong ngành dầu khí Hiểu rõ đặc điểm của môi trường vỉa giúp tối ưu hóa phương pháp khai thác và nâng cao hiệu quả sản xuất.
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
Công nghệ duy trì áp suất vỉa bằng phương pháp bơm ép nước là một giải pháp hiệu quả và phổ biến trong khai thác mỏ Các sơ đồ bơm ép nước được thiết kế phù hợp với đặc điểm địa chất, công nghệ và yếu tố kinh tế của từng mỏ, đảm bảo tối ưu hóa quá trình khai thác Việc lựa chọn sơ đồ bố trí hệ thống giếng bơm ép phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện thủy động lực của vỉa, chế độ khai thác, thời gian khai thác và vốn đầu tư Hệ thống giếng bơm ép có thể được bố trí theo nhiều sơ đồ khác nhau để phù hợp với từng điều kiện cụ thể, nhằm duy trì áp suất vỉa và nâng cao hiệu quả khai thác.
2.4.1 Bơm ép nước ngoài ranh giới vùng chứa dầu
Trong trường hợp này, quá trình tác động lên vỉa dầu được thực hiện thông qua hệ thống giếng bơm ép bố trí bên ngoài vỉa dầu Các giếng bơm ép thường được bố trí cách ranh giới từ 800 m – 1500 m, tùy thuộc vào đặc điểm của vỉa dầu, nhằm đảm bảo tác động đều lên vỉa và tránh sự hình thành lưỡi nước (H.2.7).
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 48
Hình 0-3.Sơ đồ bố trí bơm ép nước ngoài ranh giới dầu - nước
Sơ đồ bố trí này thích hợp cho các vỉa dầu có mối liên hệ thủy động lực tốt, không bị đứt gãy, đảm bảo sự liên tục của dòng chảy dầu khí Các vỉa này có kích thước không lớn, với tỷ số giữa diện tích và chu vi dao động từ 1.5 đến 1.75 km, giúp tối ưu hóa hiệu quả khai thác Ngoài ra, vỉa phải đồng nhất về chiều dài và diện tích để đảm bảo quá trình khai thác diễn ra thuận lợi và hiệu quả.
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 ở vùng trung tâm mỏ đã bị đóng quá lâu do áp dụng quy trình khai thác từ ngoài vào trong Điều này nhằm tận dụng tối đa hiệu quả của hệ thống bơm ép và dần dần chuyển đổi các giếng khai thác đã bị ngập nước ở phía ngoài thành các giếng dùng để bơm ép hút nước.
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
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 49
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 quá trình khai thác dầu từ vỉa đất đước thực hiện bằng cách giảm sức cản thấm thông qua việc đặt tuyến khai thác và tuyến bơm ép gần nhau Điều này giúp giảm tổn thất năng lượng, nâng cao hiệu quả khai thác dầu và tối ưu hóa sản lượng từ các mạch dầu.
Sơ đồ bố trí này dễ gây ra hiện tượng hình thành lưỡi nước tại đáy giếng khai thác, dẫn đến nguy cơ hình thành các thấu kính dầu trong vỉa Ngoài ra, phương án này còn gây tổn thất nước bơm ép ra ngoài phạm vi ranh giới lớn, làm giảm hiệu quả khai thác dầu khí.
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 Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian khai thác mỏ, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và thu hồi vốn nhanh hơn Tác động lên vỉa thông qua hệ thống giếng bơm ép đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình khai thác hiệu quả, tiết kiệm thời gian và chi phí đầu tư.
Việc bố trí các giếng bơm ép ngay bên trong vỉa sẽ tận dụng tối đa nguồn năng lượng giúp đẩy dầu từ vỉa đến các giếng khai thác hiệu quả Phương pháp này thường được áp dụng trong các trường hợp cần tối ưu hóa quá trình bơm ép để nâng cao sản lượng khai thác dầu Sơ đồ bố trí giếng bơm ép bên trong vỉa phù hợp với các dự án khai thác có đặc điểm địa chất thuận lợi, nhằm đảm bảo quá trình bơm ép diễn ra liên tục và hiệu quả nhất.
- 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
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 50
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 phương pháp thẳng hàng hoặc hình cong cung, giúp chia cắt vỉa dầu bằng các tuyến giếng bơm ép sắp xếp hợp lý Mô hình này thường kết hợp với các giếng bơm ép đặt trên ranh giới dầu – nước để tối ưu hóa hiệu quả khai thác Hiệu quả tác động cao đạt được khi tỷ lệ giữa tuyến giếng bơm ép và giếng khai thác là từ 1-2 đến 1-3, giúp tăng sản lượng và độ bền của dự án khai thác dầu khí.
Bố trí theo cụm là phương pháp sắp xếp hệ thống bơm ép dành cho các vùng mỏ lớn có trữ lượng công nghiệp đã được xác định rõ ràng Trong giai đoạn phát triển mỏ, các giếng bơm ép được bố trí riêng biệt so với các giếng khai thác để tối ưu hiệu quả vận hành Các giếng khai thác thường được bố trí thành từng dãy, với số lượng và mật độ phụ thuộc vào điều kiện thủy động lực của vỉa và sản lượng khai thác mong muốn Khi mỏ tiếp tục phát triển, các cụm giếng mới sẽ được tích hợp vào sơ đồ khai thác chung, đảm bảo hoạt động khai thác hiệu quả và thống nhất hơn.
Bố trí theo nguồn là phương pháp hiệu quả khi cấu trúc địa chất vỉa được nghiên cứu chi tiết, cho phép sử dụng độc lập trong mọi giai đoạn khai thác như một biện pháp điều chỉnh quá trình khai thác Phương pháp bơm ép theo nguồn thường được áp dụng kết hợp để tối ưu hóa hiệu quả khai thác, nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác mỏ.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 51 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 giúp tối đa hóa tác động lên toàn bộ vỉa khai thác, đảm bảo hiệu quả khai thác cao nhất Các giếng khai thác và bơm ép trong hệ thống này được sắp xếp xen kẽ theo sơ đồ lưới đối xứng, với các dạng hình học 2, 3, hoặc 4 lần lượt phù hợp Phương pháp này đảm bảo phân bổ đều lực tác động và nâng cao hiệu suất khai thác 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 mang lại năng suất cao, nhưng cũng có nguy cơ xuất hiện những lưỡi nước quanh giếng khai thác Trong giai đoạn ban đầu của quá trình khai thác, áp suất vỉa còn cao, nên số lượng giếng bơm ép đưa vào hoạt động còn hạn chế Khi quá trình khai thác tiến triển, áp suất vỉa giảm mạnh, vì vậy cần tăng số lượng giếng bơm ép để duy trì hiệu quả khai thác Ngoài ra, chức năng của các loại giếng bơm ép và giếng khai thác có thể thay đổi vị trí sau khi đã xử lý giếng bằng các biện pháp phù hợp, đảm bảo tối ưu hóa quá trình khai thác khí đốt hoặc dầu mỏ.
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 để lựa chọn và hiệu chỉnh các thông số của nước bơm ép phù hợp hơn Quá trình này giúp phát hiện và giải quyết các sự cố tiềm tàng trước khi triển khai dự án lớn hơn Các nguồn nước bơm ép thông thường bao gồm nhiều loại khác nhau, đảm bảo phù hợp với yêu cầu của từng giai đoạn thử nghiệm.
- Nước ngọt bề mặt (sông, hồ, ao)
- Nước ngầm (từ các tầng chứa nông và sâu)
- Nước biển (tại nơi khai thác)
Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Trang 52