Nội dung của giáo trình được biên soạn với thời lượng 45 giờ, gồm 4 chương: Chương 1: Công tác hoàn thiện giếng Chương 2: Cơ sở lý thuyết khai thác dầu khí Chương 3: Các phương pháp kh
CÔNG TÁC HOÀN THIỆN GIẾNG
CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ THÀNH HỆ
Sau khi khoan, giếng có thể được hạ cột ống chống khai thác và hoàn thiện nếu thành hệ có triển vọng về trữ lượng Nếu giếng được xác định là khô, không có khả năng khai thác dầu hoặc khí thương mại, sẽ có cầu xi măng được đặt để bít giếng tạm thời hoặc huỷ vĩnh viễn Để nâng cao hiệu quả 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.
Kỹ sư địa chất làm việc tại hiện trường có nhiệm vụ theo dõi mùn khoan và các điều kiện ở đáy giếng tại trạm đo carota khí Họ thu thập mùn khoan tại sàn rung và sử dụng thiết bị báo khí cùng với kính hiển vi hoặc tia cực tím để kiểm tra sự hiện diện của dầu trong mùn khoan Thử giếng (Well test) là một phần quan trọng trong quy trình này.
Phương pháp thử giếng là cách hiệu quả để đánh giá thành hệ, trong đó dụng cụ thử được lắp trên bộ cần khoan và thả xuống đáy giếng Khi mở van, chất lưu từ tầng chứa sẽ chảy vào dụng cụ, và máy ghi trên dụng cụ sẽ vẽ biểu đồ áp suất thành hệ Cuối cùng, packer được thu lại và dụng cụ được kéo lên bề mặt.
Hình 0-1 Nguyên lý thử vỉa bằng cần
Việc xem xét các biểu đồ áp suất ở đáy giếng giúp xác định các đặc tính của vỉa Đo địa vật lý giếng khoan, hay còn gọi là đo carota, là một phương pháp quan trọng trong quá trình này.
Phương pháp này sử dụng thiết bị thả xuống giếng qua cáp để đo các tính chất của thành hệ khi được kéo lên từ đáy giếng.
Kết quả đo địa vật lý từ giếng khoan được thể hiện qua các biểu đồ, giúp các nhà địa chất và kỹ sư có kinh nghiệm sử dụng phần mềm máy tính để phân tích và giải thích chúng một cách hiệu quả.
Hình 0-2 Biểu đồ dạng log đo tia Gamma qua các tầng đất đá d Mẫu khoan
Ngoài việc thực hiện các nghiên cứu, việc lấy mẫu lõi khoan từ đá tầng chứa để phân tích thí nghiệm cũng rất quan trọng Hai phương pháp phổ biến là lấy mẫu đáy và mẫu thành (vách) giếng Bộ mẫu ống và lõi khoan được bảo quản trong ống mẫu, và quy trình kéo thả bộ khoan cụ được thực hiện cho mỗi lần lấy mẫu.
Phương pháp lấy mẫu sườn (thành giếng) sử dụng khối thuốc nổ nhỏ để cắm các ống hình trụ vào thành giếng Bộ lấy mẫu sườn được kéo lên cùng với các ống lấy mẫu, cho phép thu thập đồng thời 30 mẫu đất đá ở mỗi chiều sâu Các mẫu lõi khoan này sau đó được phân tích trong phòng thí nghiệm, cung cấp thông tin quan trọng 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 Quá trình hoàn thiện giếng bao gồm nhiều công tác quan trọng.
- 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 này cho phép khai thác một tầng sản phẩm tại một thời điểm nhất định, được thiết kế để phát triển mỏ liên tục trong quá trình khai thác Dòng sản phẩm có thể được nâng lên qua ống khai thác, trong khoảng không giữa ống chống khai thác và ống khai thác, hoặc cả hai.
Ngày nay, giếng đơn tầng được hoàn thiện phổ biến nhờ quy trình thi công và sửa chữa đơn giản Phương pháp khai thác có thể là tự phun hoặc nâng nhân tạo như gaslift và bơm ly tâm điện chìm Việc lắp đặt packer phụ thuộc vào yêu cầu của giếng và lợi ích kinh tế Đối với giếng khai thác đơn tầng không có packer, hệ thống đầu giếng phải chịu áp lực khí ở khoảng không vành xuyến Nếu không kiểm tra và xả khí thường xuyên, khí có thể xâm nhập vào ống khai thác, gây nguy hại cho giếng.
Trước đây, packer chỉ được lắp đặt khi lưu lượng khai thác lớn do quá chú trọng vào hiệu quả kinh tế Ngày nay, việc lắp đặt packer trở thành yêu cầu bắt buộc để bảo vệ an toàn cho lòng giếng và ống khai thác Tuy nhiên, ở các giếng khoan sâu, khoảng hở giữa ống khai thác và ống chống thường rất nhỏ, dẫn đến việc packer thu hẹp lòng giếng khai thác và giảm lưu lượng khai thác Những ưu điểm chính của kiểu hoàn thiện giếng này bao gồm việc tăng cường an toàn và bảo vệ môi trường.
- 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
- 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 quá trình khai thác dầu khí, thường xảy ra tình huống giếng đi qua nhiều tầng sản phẩm Để xử lý tình huống này, có thể áp dụng một trong các hệ thống khai thác phù hợp.
- 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 các vỉa sản phẩm nằm dưới sau khi đã hoàn tất việc khai thác các vỉa ở trên Ngược lại, hệ thống khai thác từ dưới lên cho phép khai thác các vỉa nằm trên sau khi đã khai thác hết các vỉa ở dưới.
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:
Không sử dụng ống khai thác mà thay vào đó là thả nhiều ống chống khai thác để phân tách các tầng sản phẩm riêng biệt Sau đó, áp dụng kỹ thuật bắn mở vỉa để tiến hành khai thác.
Sử dụng cột ống khai thác và packer để khai thác các tầng sản phẩm có đặc tính tương đồng là phương pháp hiệu quả Kiểu hoàn thiện giếng này đặc biệt phù hợp cho các vỉa mỏng và có áp suất tương đối thấp (H 1.5b).
Sử dụng nhiều cột ống khai thác cho phép khai thác từng tầng sản phẩm riêng biệt Tuy nhiên, kích thước của các ống khai thác bị giới hạn bởi kích thước ống chống, dẫn đến lưu lượng khai thác trong mỗi ống bị hạn chế Để khắc phục vấn đề này, có thể áp dụng cột ống khai thác lớn hơn để khai thác các tầng sản phẩm sâu hơn (H 1.5d).
Hình 0-5 Các kiểu hoàn thiện giếng đa tầng
Khi lựa chọn kiểu hoàn thiện giếng, cần xem xét hiệu quả kinh tế đạt được Kiểu hoàn thiện đa tầng có ưu điểm là rút ngắn thời gian khai thác và dễ dàng kiểm soát từng tầng sản phẩm, đồng thời cho phép hủy bỏ một hoặc vài tầng sản phẩm nếu tỷ số khí – dầu hoặc tỷ số nước – dầu tăng quá cao ở giai đoạn cuối Tuy nhiên, nhược điểm của kiểu này là cấu trúc lòng giếng phức tạp, gây khó khăn trong thiết kế và thi công hoàn thiện giếng.
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 thân trần là phương pháp ra đời sớm nhất và đơn giản nhất, phù hợp với các tầng sản phẩm dày được cấu tạo từ đá cứng, vững chắc, không bị sụp lở Trong phương pháp này, ống chống khai thác thường được đặt trên nóc hoặc chỉ một đoạn nhỏ trong tầng sản phẩm Do lớp đá vững chắc, đoạn giếng đối diện với tầng sản phẩm được để trần, không cần chống ống Các ưu điểm chính của phương pháp này bao gồm tính đơn giản và hiệu quả trong việc khai thác.
- 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
- 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 cần phải tạm dừng để rửa sạch cát ở đáy giếng, và độ phức tạp của quy trình này tăng lên đối với giếng sâu và giếng nghiêng Để hoàn thiện giếng, người ta sử dụng ống chống lửng hoặc ống chống suốt có phay rãnh hoặc đục lỗ sẵn (ống lọc) và chèn sỏi Đối với các vỉa sản phẩm được hình thành từ các lớp đất đá kém vững chắc, hai kiểu hoàn thiện giếng này thường được áp dụng.
Hoàn thiện giếng bằng ống chống suốt có phay rãnh hoặc đục lỗ sẵn là quy trình khoan giếng vào tầng sản phẩm đến chiều sâu thiết kế Sau đó, cột ống chống khai thác được thả xuống, với đoạn ống phay rãnh hoặc đục lỗ sẵn nằm đối diện với vỉa sản phẩm Khoảng không vành xuyến giữa đoạn ống chống đã đục lỗ sẵn và thành giếng có thể để trống hoặc lèn sỏi, trong khi phần còn lại được bơm trám bằng xi măng thông qua vòng bịt kín phía ngoài.
Hoàn thiện giếng bằng ống chống lửng có phay rãnh hoặc đục lỗ sẵn và lèn sỏi là một phương pháp quan trọng Chống lửng được giữ và bịt kín trong chân đế của cột ống chống trước, nhờ vào vòng treo ống chống đặc biệt Khoảng không vành xuyến giữa phần ống chống lửng và thành giếng không được trám xi măng mà được lèn sỏi, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả cho giếng.
Kiểu hoàn thiện giếng bằng ống chống lửng có phay rãnh hoặc đục lỗ sẵn và lèn sỏi là phương pháp hiệu quả để khống chế cát và ngăn ngừa hiện tượng sụp nở thành giếng ở tầng sản phẩm kém bền vững Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi vỉa sản phẩm là cát kết hạt thô và đồng nhất Kích thước và mật độ lỗ hay khe lọc được thiết kế tối ưu giúp dòng chất lưu chảy từ vỉa vào giếng Để nâng cao hiệu quả trong tầng các hạt mịn, người ta thường sử dụng lưới lọc bằng kim loại hoặc vật liệu composite bên ngoài ống đục lỗ.
Tuy vậy trong trường hợp này (đặc biệt đối với giếng có lưu lượng khai thác cao) vẫn thường gặp một số khó khăn sau:
- Dễ kẹt và hư lưới lọc vì bị cát bít và mài mòn, do vậy cần tiến hành sửa chữa định kỳ rất tốn kém
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:
- : 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) được xác định bởi công thức \$Pv = \rho g H_1\$, và nó luôn thay đổi theo không gian và thời gian Sự biến đổi này phụ thuộc vào cấu trúc và chiều dày của vỉa, tính thấm của đá, độ nhớt, cũng như trọng lượng riêng của chất lưu trong vỉa.
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 - nước hoặc nước - không khí trong ống lớn thường phẳng do lực dính ướt tại thành ống phân bố đều Tuy nhiên, trong lỗ rỗng đất đá nhỏ, lực căng bề mặt từ chất lưu dính ướt với đá tạo ra sự chênh áp, khiến bề mặt phân cách không còn phẳng Áp suất mao dẫn được xác định bởi hiệu giữa áp suất của pha không dính ướt và pha dính ướt, do đó có giá trị dương.
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 khối đá được xác định bằng tỷ lệ giữa thể tích rỗng và tổng thể tích của nó Các lỗ hổng trong đá tạo ra không gian rỗng có thể bao gồm lỗ hổng giữa các hạt, lỗ hổng dạng nứt nẻ - hang hốc, và lỗ hổng hỗn hợp.
- 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 hai pha chất lưu không hòa tan trong môi trường rỗng tiếp xúc với đá, một trong hai pha sẽ hấp phụ lên bề mặt đá mạnh hơn Pha hấp phụ mạnh hơn được gọi là pha dính ướt, trong khi pha còn lại được gọi là không dính ướt.
Sức căng bề mặt đo lường khả năng hòa tan của các chất lỏng và năng lượng cần thiết để tăng diện tích bề mặt Khi sức căng bề mặt giảm, hiệu quả đẩy dầu của nước tăng lên, giúp pha dính ướt dễ dàng đẩy pha không dính ướt hơn so với việc đẩy pha ướt.
Hệ số linh động là tỷ số giữa tính thấm hiệu dụng của đá và độ nhớt của chất lưu Cụ thể, hệ số linh động của nước được ký hiệu là \$k_w/\phi_w\$ và hệ số linh động của dầu là \$k_o/\phi_o\$.
- 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) ảnh hưởng đến quá trình đẩy dầu bằng nước, được xem như số đo tốc độ tương đối của dầu di chuyển ở phía trước mặt tiến bơm ép so với tốc độ di chuyển của nước ở phía sau Nếu giả sử gradient áp suất của cả hai pha là như nhau, hệ số linh động sẽ quyết định hiệu quả của quá trình này.
+ 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
Hai nguồn năng lượng đầu tiên được gọi là năng lượng chuyển dịch, xuất hiện trong giai đoạn đầu của quá trình khai thác 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 mỏ.
Khi áp suất vỉa giảm, đá và chất lưu vỉa, đặc biệt ở độ sâu lớn, sẽ giãn nở do bị nén ép, tạo ra nguồn năng lượng đàn hồi giúp đẩy dầu từ vỉa vào giếng.
Trong thực tế, vỉa thường không chỉ có một nguồn năng lượng mà thường tồn tại nhiều chế độ năng lượng khác nhau Khi khai thác, các nguồn năng lượng này tác động đồng thời lên vỉa sản phẩm, và hiệu quả sẽ cao hơn nếu 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).
Khi vỉa có mũ khí, nó chứa năng lượng dưới dạng khí tự do bị nén Ở giai đoạn cuối của khai thác, khí hòa tan tách ra khỏi dầu, di chuyển lên vùng trên của vỉa và bổ sung cho mũ khí.
Kích thước nhỏ của mũ khí hạn chế nguồn năng lượng, dẫn đến hiện tượng trượt khí do độ nhớt thấp Để nâng cao hiệu quả khai thác vỉa dầu, cần điều chỉnh lưu lượng khai thác và bơm khí vào mũ khí để duy trì áp suất Hiệu quả khai thác phụ thuộc vào áp suất, kích thước mũ khí và cấu trúc mỏ, với chế độ làm việc hiệu quả nhất khi độ thấm cao và độ nhớt dầu thấp Hệ số thu hồi trong chế độ áp lực khí dao động từ 0.3 đến 0.4 Áp lực nước duy trì năng lượng vỉa nhờ tầng nước đáy, với thể tích dầu khai thác được bù đắp bằng thể tích nước tương ứng, làm ranh giới dầu – nước tiến gần giếng khai thác Mức độ đẩy dầu của nước phụ thuộc vào hoạt động của tầng nước đáy, với áp suất vỉa suy giảm chậm khi tầng nước hoạt động mạnh.
Trong quá trình khai thác, động thái áp suất vỉa giảm như sau:
Khi khai thác giếng, áp suất vỉa giảm đủ để tạo ra độ chênh áp cần thiết cho dòng chảy từ vỉa vào giếng Nếu tốc độ khai thác tương đương với tốc độ bổ sung nước, áp suất vỉa sẽ giảm chậm Ngược lại, nếu khai thác quá mức, áp suất vỉa sẽ giảm nhanh chóng do lượng nước không đủ bù đắp cho lượng dầu bị lấy đi Yếu tố khí sẽ không thay đổi cho đến khi áp suất vỉa giảm xuống dưới áp suất điểm bọt khí, lúc này khí hòa tan trong dầu bắt đầu tách ra và hình thành bọt khí tự do Trong điều kiện này, chế độ áp lực nước sẽ chuyển sang chế độ khí hòa tan.
Do nước đẩy dầu trong các lỗ rỗng và kênh dẫn của đá không giống như pittông, một phần dầu bị giữ lại trong các lớp đất đá Tính chất không đồng nhất của đá, cùng với sự thay đổi về độ thấm và độ bão hòa dầu – nước theo không gian và thời gian, khiến ranh giới dầu dịch chuyển không đều vào phía tâm vỉa và các giếng khai thác Hệ quả là hiện tượng lưỡi nước trong vỉa, mà sau này liên kết với nhau, chia cắt vỉa thành nhiều phần, dẫn đến việc dầu không được đẩy hết ra khỏi thể tích rỗng trong đá.
Khi ranh giới dầu nước di chuyển lên cao, độ bão hòa nước ở đáy tăng dần, dẫn đến tình trạng chủ yếu là nước Nếu giếng khai thác có tốc độ quá cao, nước sẽ dâng nhanh hơn và lấn át dầu, gây ra hiện tượng tạo phễu nước ở vùng cận đáy giếng Kết quả là, lượng nước trong sản phẩm khai thác ngày càng tăng, trong khi một lượng dầu đáng kể vẫn còn đọng lại trong vỉa.
Hệ số thu hồi của vỉa trong chế độ áp lực nước thường lớn hơn 0.5, có thể đạt tới 0.7 - 0.8 Hình dạng và tính chất không đồng nhất của vỉa là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng thu hồi dầu Nguồn năng lượng khí hòa tan cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Dầu trong vỉa chứa một lượng lớn khí hòa tan, với áp suất vỉa ban đầu thường cao hơn áp suất điểm bọt khí, do đó không có khí tự do trong vỉa Khi khai thác, áp suất vỉa giảm dần và khi đạt đến áp suất điểm bọt khí, khí bắt đầu tách khỏi hỗn hợp dầu khí, trở thành khí tự do Các bọt khí tách ra ngày càng nhiều và di chuyển nhanh hơn dầu, tạo ra 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 mũ khí hay tầng nước đáy cạn kiệt Việc khai thác nhờ năng lượng khí hòa tan phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm khí hòa tan, đặc tính của đá tầng chứa, tính chất của dầu và cấu trúc của vỉa.
Hệ số thu hồi năng lượng trong chế độ này rất thấp, chỉ khoảng 0.1 - 0.3, chủ yếu do khí di chuyển nhanh hơn dầu, dẫn đến việc cạn kiệt năng lượng vỉa nhanh chóng Dấu hiệu nhận biết sự cạn kiệt này là tỷ số khí dầu trong giếng tăng đáng kể.
Môi trường vỉa là một hệ thống xốp bao gồm ba thành phần chính: đất đá vỉa, thành phần lỗ hổng và các lưu chất bão hòa trong lỗ hổng.
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*
Khi khai thác, trạng thái cân bằng tự nhiên của vỉa bị phá vỡ, dẫn đến sự giảm áp suất (Pv) và làm cho đất đá vỉa giãn nở, thu hẹp thể tích của các lỗ rỗng Điều này cũng khiến các lưu chất bão hòa trong vỉa giãn nở.
DUY TRÌ ÁP SUẤT VỈA
Công nghệ duy trì áp suất vỉa thông qua bơm ép nước là một phương pháp quan trọng trong ngành khai thác dầu khí Các sơ đồ bơm ép nước được lựa chọn dựa trên điều kiện địa chất, công nghệ và kinh tế của từng mỏ Hệ thống giếng bơm ép có thể được bố trí theo nhiều sơ đồ khác nhau, và việc lựa chọn sơ đồ này chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện thủy động lực của vỉa, chế độ khai thác, thời gian khai thác và vốn đầu tư cần thiết.
2.4.1 Bơm ép nước ngoài ranh giới vùng chứa dầu
Quá trình tác động lên vỉa dầu được thực hiện thông qua hệ thống giếng bơm ép bên ngoài vỉa 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 đảm bảo tác động đều và tránh hình thành lưỡi nước.
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, với kích thước vỉa nhỏ (tỷ số giữa diện tích và chu vi từ 1.5 đến 1.75 km) và đồng nhất về chiều dài cũng như 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 ở trung tâm mỏ đã bị đóng quá lâu do áp dụng trình tự khai thác từ ngoài vào trong, nhằm tối ưu hóa hiệu quả bơm ép Điều này dẫn đến việc dần đưa những giếng khai thác bị ngập nước ở vành ngoài trở thành giếng bơm ép.
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 có thể đạt được bằng cách giảm sức cản thẩm thấu, điều này xảy ra khi tuyến khai thác và tuyến bơm ép được đặt gần nhau, dẫn đến tổn thất năng lượng thấp hơn.
Sơ đồ bố trí này có nhược điểm là dễ tạo ra lưỡi nước tại đáy giếng khai thác, dẫn đến khả năng hình thành các thấu kính dầu trong vỉa Ngoài ra, còn có nguy cơ tổn thất nước bơm ép ra ngoài ranh giới lớn.
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 trong vỉa, giúp rút ngắn thời gian khai thác mỏ và tối ưu hóa việc thu hồi vốn.
Việc bố trí giếng bơm ép trong vỉa nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng, với mục tiêu chính là đẩy dầu từ vỉa đến giếng khai thác Sơ đồ này được áp dụng cho nhiều trường hợp khác nhau.
- 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 giếng bơm ép theo dãy hoặc tuyến (thẳng hàng hoặc hình cong cung) giúp chia cắt vỉa hiệu quả, tạo thành tuyến cắt trung tâm với các tuyến vuông góc Sơ đồ này thường được áp dụng cho các giếng bơm ép nằm trên ranh giới dầu – nước, mang lại hiệu quả tác động cao khi tỷ lệ giữa tuyến giếng bơm ép và giếng khai thác đạt 1-2 hoặc 1-3.
Bố trí theo cụm (block) cho hệ thống bơm ép được áp dụng tại các vùng mỏ lớn với trữ lượng công nghiệp đã xác định Trong giai đoạn phát triển mỏ, các giếng bơm ép được sắp xếp riêng biệt so với các giếng khai thác Các giếng khai thác bên cạnh mỗi cụm được bố trí theo từng dãy, với số lượng và mật độ phụ thuộc vào điều kiện thủy động lực của vỉa và sản lượng khai thác yêu cầu Sau này, các cụm giếng sẽ được gộp chung vào sơ đồ khai thác thống nhất của mỏ.
Bố trí theo nguồn là phương pháp bơm ép độc lập, được áp dụng trong mọi giai đoạn khai thác sau khi nghiên cứu chi tiết cấu trúc địa chất vỉa Phương pháp này thường kết hợp với sơ đồ bơm ép khác để mở rộng vùng ảnh hưởng, giúp khai thác dầu từ các vỉa chưa được tác động, bao gồm vùng trì trệ và vùng chứa dầu dạng thấu kính.
Hệ thống bố trí theo diện tích tối ưu hóa tác động lên toàn bộ vỉa, đảm bảo khai thác hiệu quả nhất Các giếng khai thác và bơm ép được sắp xếp xen kẽ theo sơ đồ lưới đối xứng, với các cấu hình 2, 3, 4, nhằm nâng cao hiệu suất khai thác.
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 tiềm ẩn nguy cơ xuất hiện lưỡi nước quanh giếng khai thác Hệ thống này được sử dụng phổ biến, đặc biệt trong giai đoạn khai thác ban đầu khi áp suất vỉa chưa giảm nhiều, dẫn đến lượng giếng bơm ép còn ít Tuy nhiên, khi áp suất vỉa giảm, số lượng giếng bơm ép cần thiết sẽ tăng lên Ngoài ra, chức năng của các giếng bơm ép và khai thác có thể thay đổi vị trí sau khi thực hiện các biện pháp xử lý giếng phù 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
Trước khi mở rộng quy mô bơm ép cho toàn mỏ, việc thực hiện bơm ép thử ở quy mô nhỏ là rất quan trọng Điều này giúp lựa chọn và điều chỉnh các thông số nước bơm ép một cách phù hợp, đồng thời giải quyết các sự cố tiềm tàng có thể xảy ra Các nguồn nước bơm ép thường được sử dụng bao gồm:
- Nước ngọt bề mặt (sông, hồ, ao)
- Nước ngầm (từ các tầng chứa nông và sâu)
- Nước biển (tại nơi khai thác)
Mỗi nguồn nước có những tính chất và đặc điểm riêng, do đó cần được xử lý ở các mức độ khác nhau để bơm ép Tùy thuộc vào từng tầng chứa, sẽ có loại nguồn nước bơm ép phù hợp, và đôi khi cần kết hợp nhiều nguồn nước để đạt thể tích yêu cầu Các yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn nguồn nước bơm ép bao gồm tính chất nước, yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả sử dụng.
- Nguy cơ tạo kết tủa
- Tính tương hợp của các nguồn nước
- Tính nhạy của thành hệ
- Hàm lượng dầu trong nước bơm ép a Nước ngọt bề mặt
Dễ gây trương nở sét làm giảm độ tiếp nhận của vỉa và đồng thời có những tính chất sau:
- Bão hòa ôxy, tính ăn mòn thay đổi theo thành phần của nước
- Hiện diện các tạp chất rắn lơ lửng, các loại vi khuẩn, các loại tảo, các muối sunfat (thường ở dạng kết tủa)
- Tính chất có thể thay đổi theo mùa b Nước ngầm