Bài Giảng Kỹ Thuật Khai Thác Dầu Khí Đại Cương

KẾT THÚC CHƯƠNG SINH VIÊN CẦN NẮM ĐƯỢC Khái niệm: Dầu thô, khí thiên nhiên và các thành phần cơ bản của chúng  Nguồn gốc và các điều kiện cần thiết để hình thành các tích tụ Hydrocacbo

Kỹ thuật mỏ dầu khí:

Chương 1: Các tích tụ HC trong vỏ trái đất

Chương 2: Mỏ dầu khí

Kỹ thuật giếng:

Chương 3: Giếng dầu khí

Chương 4: Dàn khoan và khai thác

Chương 5: Thực hiện giếng thăm dò

Chương 6: Thực hiện giếng phát triển

Chương 7: Các phương pháp khai thác giếng

Kỹ thuật thu gom, xử lý:

Chương 8: Thu gom chất lưu khai thác

KỸ THUẬT DẦU KHÍ ĐẠI CƯƠNG

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT KỸ THUẬT DẦU KHÍ ĐẠI CƯƠNG

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

KẾT THÚC CHƯƠNG SINH VIÊN CẦN NẮM ĐƯỢC

 Khái niệm: Dầu thô, khí thiên nhiên và các thành phần cơ bản của chúng

 Nguồn gốc và các điều kiện cần thiết để hình thành các tích tụ Hydrocacbon

 Các hình thái và phân bố chất lưu trong một tích tụ, đặc biệt trạng thái pha cũng như điều kiện chuyển đổi pha trong các tích tụ

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

 Khái niệm dầu thô và khí tự nhiên

 Dầu thô: Petroleum = Petra + oleum

 Khí tự nhiên đi kèm theo dầu, tự nhiên hàm ý trong điều kiện mỏ ở thể khí

 Dầu và khí tự nhiên có tên gọi chung:

Hydrocacbon = Cacbon + Hydro Ký hiệu: HC

 Hydro và Cacbon có ái lực hóa học cao có thể kết hợp để cho các cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp

 Đồng hành cùng Hydrocacbon còn có các nguyên tố phi Hydrocacbon (S, CO2, N, và các loại muối khoáng)

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

Mật độ: Nhẹ hơn nước  3/4 nước

Độ nhớt: Không chảy  Tương tự nước

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

 Sự di cư và qui tập HC

Hình thức di cư là sự nổi của dầu trong nước (sự thay thế)

 Từ nơi có áp suất cao đến nơi cáo áp suất thấp

 Theo hướng từ thấp lên cao

 Theo các lớp đá có độ rỗng, thấm thuận lợi

Kết quả quá trình di cư

 Mạch phun

 Khe vũng

 Tích tụ

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

Làm thế nào để có một tích tụ HC trong vỏ trái đất?

Cần có 3 loại đá:

 Đá sinh dầu: Là dấu hiệu để thăm dò, tìm kiếm (thành phần hữu

cơ, nhiệt độ, áp suất)

 Đá chắn: Không có tính thấm hoặc rất thấp (đá phiến)

 Đá chứa: Có độ rỗng và thấm thỏa mãn sự qui tụ và di chuyển của HC khi có chênh lệch áp suất (sa thạch, cacbonat)

Sự tồn tại HC trong đá chứa

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

Sự tồn tại của nước trong tầng HC

Tồn tại dưới 2 dạng: Màng nước và chiếm chỗ hoàn toàn trong khe nứt nhỏ

 Màng nước: Do tẩm ướt nhờ áp suất phân tử bề mặt và sự phân cực

 Lớp nước phân tử: Không hòa tan muối, không chuyển động, không truyền áp suất thủy tĩnh

 Lớp nước màng: Liên kết yếu, không truyền áp suất thủy tĩnh, tự điều chỉnh bề dày

 Chiếm chỗ hoàn toàn trong các khe nứt nhỏ: Nhờ áp suất mao dẫn

Cả 2 dạng tồn tại của nước trong vùng HC đều nhờ lực liên kết vật lý nên được gọi là nước liên kết W c hoặc nước ban đầu W i Chiếm tỷ lệ 8-70%.

1- Hạt đá hoặc đá khối 2- Lỗ rỗng

3- Khe vừa 4- HC 5- Màng nước 6- Khe nứt vừa 7- Khe nứt nhỏ chứa nước mao dẫn

123456

7

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

Bẫy dạng vòm Bẫy đứt gãy kiến tạo Bẫy bất chỉnh hợp

Bẫy trụ muối Bẫy thạch học Bẫy hỗn hợp

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

Phân bố chất lưu trong một tích tụ

 Chất lưu (lỏng, khí) là chất tham gia chuyển động khi có chênh lệch về thế năng và động năng

 Trong 1 tích tụ:

 Chỉ chứa HC

 HC + Nước

 HC lỏng, HC khí và Nước

 Vùng chứa HC là vùng sản xuất, các vùng còn lại là vùng kế cận

 Trong vùng HC chỉ có dầu, khí, nước liên kết Trong vùng nước chỉ có nước

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

Tích tụ thể tích Tích tụ có vùng nước rìa

Tích tụ có nước đáy Tích tụ dầu có 2 vùng liền kề

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

Chế độ áp suất và nhiệt độ trong 1 tích tụ

Áp suất:

pz = pro + pf = const

pro: Áp suất do đất đá tạo ra, nếu đá khô: pz = pro

pf: Áp suất chất lưu chứa trong lỗ rỗng bao gồm pw, po, pg

 Tại chiều sầu z (theo quy luật thủy tĩnh)

pw(z) = wZ  w: Tỷ trọng của nước trong mỏ thường >1

 Dầu và khí cũng tuân theo qui luật thủy tĩnh

Nhiệt độ

Được cung cấp từ khối macma, bình thường tăng 3o/100m

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

bb’- Đường tới hạncc’- Đường nhiệt ngưng tục- Điểm nhiệt ngưng tụ tới hạn

Phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất sẽ có tích tụ:

 1 pha: Khí (khí tự nhiên và khí ngưng tụ) hoặc Lỏng (dầu thô và khí đồng hành

 2 pha: Lỏng + Khí (Dầu thô, khí đồng hành, khí tự nhiên và khí ngưng tụ

CÁC TÍCH TỤ HC TRONG VỎ TRÁI ĐẤT

KỸ THUẬT DẦU KHÍ ĐẠI CƯƠNG

MỎ DẦU KHÍ

TÓM TẮT NỘI DUNG

Nội dung chương này đề cập đến các vấn đề cơ bản liên quan đến quá trình tìm kiếm thăm dò và phát triển mỏ dầu khí bao gồm:

 Các tính chất chứa-thấm của đá chứa; Tính chất PVT của chất lưu

 Các Năng lượng tự nhiên của mỏ; Lượng dầu khí tại chỗ và thu hồi

 Quá trình thăm dò và phát triển mỏ

 Dây truyền sản xuất dầu khí thương mại

MỎ DẦU KHÍ

KẾT THÚC CHƯƠNG SINH VIÊN CẦN NẮM ĐƯỢC

Phân biệt “Tích tụ” và “Mỏ”

Các tính chất chứa-thấm của đá chứa bao gồm: độ rỗng, độ bão hòa, độ thấm; Lượng dầu khí tại chỗ và thu hồi; Các tính chất PVT của chất lưu bao gồm: Yếu tố thể tích, yếu tố khí, phương trình trạng thái của khí thực

Các dạng năng lượng tự nhiên trong mỏ và các cấp độ thu hồi dầu

Phân biệt quá trình “Thăm dò” và “Phát triển mỏ”

Các bước kỹ thuật trong dây truyền sản xuất dầu khí thương mại

MỎ DẦU KHÍ

 Tích tụ và mỏ

 Tích tụ: Tích tụ là tên gọi chung của các cấu trúc HC

 Mỏ: Tích tụ có ý nghĩa kinh tế khai thác (có giá trị công nghiệp) gọi là Mỏ

 Mỏ có thể gồm một hoặc nhiều tích tụ dạng vỉa, dạng khối hoặc dạng vòm

 Giá trị công nghiệp được quyết địch bởi:

 Lượng HC tại chỗ, phụ thuộc vào thể tích và độ rỗng, độ bão hòa

 Lượng HC có thể thu hồi, phụ thuộc vào độ thấm của đất đá, độ nhớt của chất lưu và năng lượng tự nhiên trong tích tụ

 Chất lượng HC

 Tính chất của đá chứa và chất lưu

Ngày nay số mỏ có quy mô lớn dễ thu hồi gần như đã hết, chỉ còn lại các

mỏ nhỏ khó thu hồi Tuy nhiên, kỹ thuật thu hồi không ngừng tiến bộ nên các tích tụ nhỏ, khó thu hồi cũng trở thành các đối tượng có giá trị công nghiệp

TÍCH TỤ VÀ MỎ

 Tính chất chứa-thấm của đá chứa và lượng dầu tại chỗ

 Độ rỗng:

 Độ rỗng có thể được chia ra:

 Độ rỗng vật lý: Gồm toàn bộ thể tích rỗng có trong đá

 Độ rỗng động học: Gồm các không gian rỗng có liên thông với nhau

 Độ rỗng động lực học: Chỉ gồm các không gian rỗng cho phép chất lưu chuyển động khi có chênh áp

 Trong không gian rỗng có thể tồn tại 3 loại chất lưu là dầu, khí và nước Dùng khái niệm độ bão hòa S (So, Sg, Sw) để chỉ phần thể tích một chất lưu chiếm chỗ

TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ

rong

da

V The tich rong (kha nang tham chua)

,% hoac phan don vi Don vi the tich da V

 Trong mỏ dầu 1 pha: So + Swc = 1

 Trong mỏ khí 1 pha: Sg + Swc = 1

 Trong mỏ 2 pha: So + Sg + Swc = 1

S wc hoặc S wi phụ thuộc vào kích thước lỗ rỗng, thành phần sét, hàm lượng muối và thay đổi từ 8-70% Phần độ rỗng còn lại gọi là độ rỗng hiệu dụng hoặc rỗng HC

TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ

chat luu rong

VS

V



• - Độ nhớt động lực học, đơn vị kG.m-1s-1hay Pa.s

• - Gradient áp suất theo quãng đường

• k- Hệ số phụ thuộc vào tính chất đất đá được gọi là độ thấm, đơn vị

là D (Darcy) hoặc mD, 1D  10-8 cm2 hoặc 10-12 m2

l

AB

r

PA  PB

TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ

k dpv

dl



k dpv

dr

 



dp dp ,

dl dr

 Tùy theo số lượng chất lưu chuyển động chia ra

 Độ thấm tuyệt đối (k): Là giá trị thấm khi chỉ có một chất lưu chuyển động

 Độ thấm pha (ko, kg, kw): Là giá trị độ thấm khí có 2 hoặc 3 chất lưu chuyển động (tổng độ thấm pha không bằng độ thấm tuyệt đối

 Độ thấm tương đối: Là tỷ số giữa độ thấm pha và độ thấm tuyệt đối

Swc S w

0 1

1 0

 Độ thấm pha và độ thấm tương đối phụ thuộc và độ bão hòa

 Dòng thấm chỉ xuất hiện khi đạt tới một giá trị bão hòa tới hạn nào đó

 Khi 2 pha cùng chuyển động, độ thấm pha không bao giờ đạt giá trị tuyệt đối

TÍNH CHẤT CHỨA THẤM CỦA ĐÁ CHỨA VÀ LƯỢNG DẦU TẠI CHỖ

Là tỷ số giữa thể tích trong điều kiện mỏ và điều kiện chuẩn

• Bo = 1,2  3,5: Khi đưa từ mỏ lên mặt đất, thể tích dầu giảm do nhiệt độ, áp suất giảm khí tách ra khỏi dầu

• BW  1: Khi đưa từ mỏ lên mặt đất, thể tích nước gần như không thay đổi vì nước là chất chịu nén và kém hòa tan

• Bg  0,0x  0,00y: Khi đưa từ mỏ lên mặt đất, thể tích khí tăng lên rất lớn để tiện sử dụng dùng hệ số giãn nở

rc sc

V B

B



 Tỷ lệ khí hòa tan trong chất lỏng (yếu tố khí- R)

 Là số thể tích khí có thể hòa tan trong một đơn vị thể tích lỏng tại điều kiện áp suất và nhiệt độ vỉa:

 R cũng có thể được biểu thị bằng đơn vị thể tích khí trong một đơn vị trọng lượng dầu m3/tấn, R = 120  150m3/tấn:

 Dầu đen có R thấp, khí hòa tan chủ yếu là metan

 Dầu sáng màu có R cao

 Dầu không có khí hòa tan gọi là dầu chết

 R thay đổi theo áp suất nên có thể dùng khái niệm hệ số khí hòa tan là thể tích khí hòa tan được khi gia tăng một đơn vị áp suất:

 

 Phương trình trạng thái của khí thực

 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: pV = nRT

 Khí HC được xem là khí thực, theo Beattie – Bridgeman phương trình trạng thái của khí thực như sau:

pV = ZnRT

• p- Áp suất, Psi

• V- Thể tích, ft3

• T- Nhiệt độ tuyệt đối, oR = oF + 460

• n- Số pound-mole (1pound-mole là trọng lượng phân tử khí đo bằng

rc g

NĂNG LƯỢNG TỰ NHIÊN TRONG MỎ

 Năng lượng tự nhiên trong mỏ

Trong các mỏ HC tồn tại nguồn năng lượng tự nhiên sinh ra nhờ áp suất, nhiệt độ tích lũy quá trình hình thành và tồn tại Chúng ở các dạng đàn hồi, tách khí, phân ly trọng lực và góp phần vào việc nâng sản phẩm lên mặt

 Năng lượng đàn hồi

 Là dạng phổ biến nhất

 Dầu, khí, nước, đất đá bị nén dưới áp suất cao sẽ co lại và tạo thế năng

 Khi áp suất giảm sẽ sinh giãn nở tạo động năng  HC chuyển động

 Khả năng đàn hồi (co, giãn) được đánh giá qua hệ số nén đẳng nhiệt c

• V- Thể tích một pha nào đó

• p- Áp suất

• Dấu “-” cho thấy V và p biến thiên ngược nhau

• Khi giảm áp tất cả các pha đều giãn nở

NĂNG LƯỢNG TỰ NHIÊN TRONG MỎ

 Năng lượng tách khí

 Đặc trưng cho mỏ dầu có khí hòa tan

 Khi áp suất giảm, khí tách ra khỏi dầu làm tăng thể tích, vì cg lớn sẽ tạo động năng cho dòng chất lưu

 Năng lượng phân ly trọng lực

 Các chất lưu nặng nhẹ khác nhau sẽ phân ly theo phương tác động của trọng trường

 Mức độ phân ly phụ thuộc vào:

Các mỏ có vùng kế cận quy mô lớn, tổng năng lượng tự nhiên đủ lớn

để đẩy chất lưu lên mặt hiệu quả Các loại mỏ còn lại phải bổ sung thêm năng lượng nhân tạo

LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI

 Lượng dầu khí tại chỗ và thu hồi

 Lượng dầu khí tại chỗ

Là toàn bộ chất lưu có ích tồn tại trong mỏ ở điều kiện ban đầu

 Giai đoạn thăm dò: Tính theo phương pháp thể tích

 Giai đoạn khai thác: Chính xác theo quy luật bảo toàn vật chất và quy luật suy giảm năng lượng

 Mỏ có thể tích V, độ rỗng trung bình , bão hòa nước ban đầu Swc sẽ có:

G V (1 S ) V (1 S )E

B

  

     

 Do dầu khí cùng có độ bão hòa giới hạn, tại đó không chảy nữa nên còn có khái niệm dầu khí tại chỗ linh động để đánh giá khả năng thu hồi tối đa

Sor, Sog- Bão hòa giới hạn (bão hòa tàn dư) của dầu và khí

 Hệ số thu hồi

 Giả sử thể tích dầu thu hồi được là Np và khí là Gp thì hệ số thu hồi:

và

 RF nằm trong khoảng 0  1 và được quyết định bởi các yếu tố:

 Tiến bộ kỹ thuật, trình độ của cán bộ chuyên môn

 Ý nghĩa kinh tế, chọn giá trị còn có lợi nhuận

 Môi sinh: Ô nhiễm trên mặt và trong lòng đất không vượt giới hạn cho phép

LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI

N

i

G RF

G



 Thu hồi sơ cấp

Giá trị thu hồi nhờ vào năng lượng tự nhiên, áp dụng cho tất các các loại mỏ

 Mỏ khí không ngập nước  RF = 90%

 Mỏ dầu có vùng ngập nước lớn  RF = 80%

 Mỏ dầu 1 pha  RF = 3% áp suất đã đạt giá trị bão hòa  để tăng RF cần

bổ sung năng lượng

 Thu hồi Tam cấp

 Được thực hiện khi đã sử dụng biện pháp thứ cấp nhưng RF vẫn thấp, áp suất giảm nhanh, dầu tàn dư còn trên 30%

 Ngoài việc duy trì áp suất còn dùng các giải pháp thay đổi tính chất vật lý của dầu và nước bơm ép Mục tiêu:

 Thay đổi độ nhớt của chất thay thế (nước) và chất được thay thế (dầu)

 Giảm sức căng bề mặt giữa 2 pha, tăng độ bão hòa dầu So

 Giải pháp chủ yếu:

 Thay thế trộn lẫn: Ép các tác nhân có thể hòa tan vào dầu (khí HC, khí hóa lỏng N, CO2, polyme, nước nóng, hơi quá nhiệt ) làm tăng So và giảm 

 Dùng hoạt chất bề mặt:

 Giảm sức căng giữa nước và dầu, giảm Sor (RF  90%)

LƯỢNG DẦU KHÍ TẠI CHỖ VÀ THU HỒI

 Các chuyên gia địa vật lý chỉ ra cấu trúc có triển vọng tích tụ dầu

 Các chuyên gia khoan thực hiện các giếng khoan để minh chứng chắc chắn các dự đoán của các chuyên gia địa chất và địa vật lý thông qua các kết quả nghiên cứu

 Thí nghiệm mẫu đá, mẫu chất lưu

 Đo địa vật lý công nghiệp trong giếng

 Nghiên cứu thủy động

 Sau khi có các thông số giá trị công nghiệp sẽ trình hội đồng các cấp cho phép gọi thầu đưa mỏ vào phát triển

 Sơ đồ mở vỉa: Mạng lưới bố trí giếng, số lượng giếng (quỹ giếng đơn

vị cơ bản, quỹ giếng dự phòng)

 Thiết kế thu gom

 Thiết kế tách pha, xử lý chất lưu

 Thiết kế hệ thống đường ống nội mỏ

 Thiết kế cất chứa, vận chuyển chất lưu

 Thiết kế chỉnh sửa và bổ sung: Theo thời gian các hiểu biết về mỏ tăng và chính xác hơn  các thiết kế ban đầu sẽ được chỉnh sửa, bổ sung

THĂM DÒ VÀ PHÁT TRIỂN MỎ

 Xây dựng và vận hành phát triển mỏ

Gồm 4 giai đoạn đối với mỏ dầu và 3 giai đoạn đối với mỏ khí

 Các giai đoạn của mỏ dầu: Gia tăng, ổn định, suy giảm và tận thu

 Các giai đoạn của mỏ khí:

 Giai đoạn 1: Sản lượng tăng nhanh

 Giai đoạn 1: Sản lượng tăng liên tục do

hoàn thành các quỹ giếng cơ bản

 Giai đoạn 2: Sản lượng đạt giá trị cao

nhất, chỉ thực hiện thêm các giếng dự

phòng

 Giai đoạn 3: Sản lượng suy giảm liên tục

do năng lượng mỏ giảm

 Giai đoạn 4: Sản lượng thấp, sử dụng biện

pháp thu hồi tăng cường Gia tăng Ổn

 Dây truyền sản xuất dầu khí thương mại

Là quá trình điều khiển hợp lý dòng dầu từ vỉa lên mặt qua hệ thống thu gom và làm cho HC đạt giá trị thương mại Việc điều khiển hợp lý các dòng qua đất đá, đường ống và thiết bị công nghệ phải đảm bảo:

 RF cao nhất

 Tiêu hao năng lượng nhỏ nhất

 Sản phẩm đạt câp thương mại cao nhất

DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT DẦU KHÍ THƯƠNG MẠI

 Sơ đồ toàn cảnh kỹ thuật dầu khí gồm 3 bước

 Bước 1: Điểu khiền dòng chảy từ vỉa vào giếng, sử dụng dòng định luật Darcy cho dòng hướng tâm Dòng chảy xuất hiện khi:

p phải đủ lớn để khắc phục tổn hao ma sát qua đất đá

 Bước 2: Điều khiển từ đáy giếng lên miệng, sử dụng định luật Bernoulli Để có dòng chảy, pwf phải đủ lớn để sau khi chảy qua ống thẳng đứng còn lại giá trị dư

là pwh

DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT DẦU KHÍ THƯƠNG MẠI

Dòng chảy HC qua ống xảy

ra sự tách pha nên khi áp suất <

p s sẽ là dòng 2 pha với những

cấu trúc khác nhau

Đến nhà máy chế biến khí

Đến nhà máy lọc dầu Máy nén khí

Tách pha lỏng khí

Mỏ HC Giếng HC

p  p   p 0

 Bước 3: Điều khiển dòng từ miệng tới trạm xuất sản phẩm,

 Đây là dòng nằm ngang qua các thiết bị công nghê:

 Thiết bị tách pha lỏng khí

 Thiết bị làm sạch chất lưu

 Thiết bị bơm nén

 Việc điều khiển phải đảm bảo:

 Tiêu tốn ít năng lượng

 Ít hao hụt, rò rỉ, bay hơi

 Có giá trị thương mại cao

DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT DẦU KHÍ THƯƠNG MẠI

 HC là dầu hoặc condensat

phải tách nước, muối hòa tan

Tách pha lỏng khí

Mỏ HC Giếng HC

 Nước phải tách dầu, cặn, khi thải ra môi trường; Nếu sử dụng bơm ép phải

xử lý tiếp

 Chất rắn khi thải ra môi trường phải tách hết dầu và muối