Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng, độ thấm và độ mở của lỗ rỗng trong đá chứa dầu khí

Trong quá trình tìm kiếm, thăm dò và khai thác Dầu khí thì việc nghiên cứu các thông số của vỉa chứa và sự tác động qua lại giữa chúng là rất quan trọng. Chúng có tác động trực tiếp đến quá trình di chuyển và tích tụ dầu khí, đồng thời nó cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình khai thác. Trong khuôn khổ nội dung bài viết này chúng tôi xin trình bày nghiên cứu về mối liên hệ giữa các thông số : Độ rỗng, độ thấm và độ mở của lỗ rỗng trong vỉa chứa. Từ đó đưa ra các phương pháp để đánh giá chất lượng đá chứa của tầng Miocen dưới của GKX lô 12E bể Nam Côn Sơn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

KHOA DẦU KHÍ -  -

Báo cáo kết quả nghiên cứu công trình

Tên đề tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng, độ thấm và độ

mở của lỗ rỗng trong đá chứa dầu khí”

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

1 Độ rỗng, độ thấm và độ mở của lỗ rỗng 4

1.1 Độ rỗng 4

I.1.1 Khái niệm độ rỗng 4

1.1.2 Một số loại độ rỗng 4

a Độ rỗng giữa hạt 4

b Độ rỗng giữa các tinh thể 5

c Độ rỗng hang hốc/hòa tan 5

1.2 Độ thấm 5

1.2.1 Khái niệm độ thấm 5

1.2.2 Phân loại độ thấm 5

a Độ thấm tuyệt đối 5

b Độ thấm hữu hiệu 6

c Độ thấm tương đối 6

1.3 Khái niệm độ mở của lỗ rỗng 7

2 Áp suất mao dẫn 7

2.1 Khái niệm áp suất mao dẫn 7

2.2 Xác định áp suất mao dẫn 8

3 Mối liên hệ giữa độ rỗng, độ thấm và độ mở của lỗ rỗng 11

3.1 Xác định áp suất mao dẫn (P c ) trong phòng thí nghiệm 11

3.2 Mối liên hệ giữa P c với độ mở của lỗ rỗng và sự phân bố kích thước 13

3.3 Mối liên hệ giữa độ rỗng, độ thấm, độ mở của lỗ rỗng và P c 15

3.4 Xác định độ mở của lỗ rỗng và áp suất mao dẫn từ số liệu phân tích mẫu lõi 15

4.1 Các phương pháp nghiên cứu chất lượng đá chứa 17

4.2 Phương pháp tỷ số K a / Ø 18

4.2.1 Phương pháp nghiên cứu 18

4.2.2 Đồ thị K a / Ø 18

4.3 Phương pháp r 35 20

4.3.1 Khái niệm r 35 20

4.3.2 Phương trình của r 35 theo Winland 20

4.3.3 Đánh giá chất lượng đá chứa qua r 35 21

4.4 Ưu điểm của r 35 so với tỷ số K a / Ø 22

5 Đánh giá chất lượng đá chứa của lô 12E thuộc bể Nam Côn Sơn qua giếng khoan X 22

5.1 Sơ đồ vị trí và đặc điểm đá chứa của giếng khoan X 22

5.2 Kết quả phân tích 23

5.2.1 Bảng thông số thấm chứa và các giá trị K/Ф và r 35 23

5.2.2 Xây dựng quan hệ thấm chứa theo hồi quy tuyến tính 25

5.2.3 Đánh giá chất lượng đá chứa qua phương pháp tỷ số K a / Ø 26

5.2.3 Đánh giá chất lượng đá chứa qua phương pháp r 35 26

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

MỞ ĐẦU

Trong quá trình tìm kiếm, thăm dò và khai thác Dầu khí thì việc nghiên cứu các thông

số của vỉa chứa và sự tác động qua lại giữa chúng là rất quan trọng Chúng có tác độngtrực tiếp đến quá trình di chuyển và tích tụ dầu khí, đồng thời nó cũng có ý nghĩa quantrọng trong quá trình khai thác

Trong khuôn khổ nội dung bài viết này chúng tôi xin trình bày nghiên cứu về mối liên

hệ giữa các thông số : Độ rỗng, độ thấm và độ mở của lỗ rỗng trong vỉa chứa Từ đó đưa

ra các phương pháp để đánh giá chất lượng đá chứa của tầng Miocen dưới của GK-X lô12E bể Nam Côn Sơn

1 Độ rỗng, độ thấm và độ mở của lỗ rỗng

1.1 Độ rỗng

I.1.1 Khái niệm độ rỗng

Độ rỗng của đất đá được biểu thị bằng tỉ số phần trăm giữa thể tích các chỗ trống đóvới tổng thể tích đá Độ rỗng thường được tính theo công thức:

Trong đó VV là phần thể tích không gian lỗ rỗng và VT là tổng thể tích của đá

1.1.2 Một số loại độ rỗng

a Độ rỗng giữa hạt

Intergranular Porosity

b Độ rỗng giữa các tinh thể

c Độ rỗng hang hốc/hòa tan

1.2 Độ thấm

1.2.1 Khái niệm độ thấm

Độ thấm của môi trường là thông số đo mức độ dễ dàng mà chất lưu (lỏng hay khí)

thấm qua môi trường ấy dưới tác dụng của Gradien áp suất.

A là thiết diện dòng chảy

L là chiều dài dòng chảy

b Độ thấm hữu hiệu

Độ thấm của một chất lưu trước sự có mặt của một hoặc nhiều chất lưu khác gọi là

độ thấm hữu hiệu của chất lưu ấy

c Độ thấm tương đối

Là tỉ số giữa độ thấm của chất lưu khi có mặt các chất lưu khác và độ thấm tuyệt đốicủa đá(khi đã bão hòa chất lưu ấy 100%)

1.3 Khái niệm độ mở của lỗ rỗng

Giữa hai hạt đá nằm cạnh nhau thường tồn tại một khoảng không gian nhỏ đóng vaitrò kết nối giữa các lỗ rỗng lớn hơn Khoảng không gian chính là độ mở của lỗ rỗng( pore throat)

2 Áp suất mao dẫn

2.1 Khái niệm áp suất mao dẫn

Áp suất mao dẫn (Pc) là sức chống lại lực kéo hydrocacbon di chuyển nó là hàm sốcủa sức căng mặt ngoài () với độ thấm ướt () và bán kính khe hở (r) Pc tăng khi độ mởkhe nứt giảm, sức căng mặt ngoài tăng, và góc tiếp xúc tăng ( lớn hơn với sự thấm ướtcủa dầu) Nó được biểu diễn bởi công thức sau:

(1)

Nó biểu thị giả định gần đúng hiện tượng mao dẫn xảy ra trong mặt cắt ngang củaống chống Nó chỉ thực sự gần đúng và đúng nhất với độ rỗng giữa hạt và độ rỗng giữatinh thể.

2.2 Xác định áp suất mao dẫn.

Kiểm tra áp suất mao dẫn với thủy ngân, mẫu đá được đo độ rỗng khi bơm đầy thủyngân (Hình 1) Áp suất trong khoang trống được nâng lên tới một mức áp suất xác địnhP1 Độ rỗng của mẫu kiểm tra được biết trước, thể tích của thủy ngân được bơm đầy cóthể chuyển thành tổng thể tích lỗ rỗng được lấp đầy thủy ngân (ví dụ 10% tại 10psi ởđiểm M1) Tất cả lỗ rỗng được lấp đầy thủy ngân tại điểm kiểm tra với bán kính khe nứtnhỏ nhất 10µ và lớn hơn và miêu tả là 10% của thể tích mẫu tiến hành lặp lại vài lần vớicác khoảng thời gian và áp suất khác nhau ( ta được các điểm M2 tới M5)

Hình 1

Khi vẽ qua các điểm kiểm tra áp suất ta được đường cong áp suất mao dẫn tượngtrưng cho kích thước khe hổng của mẫu đá, nó liên quan đến kích thước khe hổng và sựkháng cự lại áp suất mao dẫn (Pc) Hình vẽ qua các điểm phân bố áp suất :

Dựa vào phương trình (1) ở trên ta có thể xác định được r theo phương trình sau:

Hình 2

Dựa vào áp suất mao dẫn cho một Sw cũng có thể chuyển đổi xấp xỉ sang mực nước tự

do (h) với một hệ thống chứa Từ một đường cong Pc cho một Sw chúng ta có thể biếtđược giá trị Pc sau đó nhân nó với một hệ số chuyển đổi từ Pc sang áp suất nổi Pb Nếu takhông biết hệ số này thì có thể sử dụng cho khí là 0.4 và dầu là 0.7

Ví dụ minh họa:

Sử dụng đồ thị ở trên (Hình 3), nếu Sw=20% (điểm 1) thì ta gióng vuông góc từđiểm 1 lên sẽ cắt đường cong Pc tại điểm 2 Từ điểm 2 ta gióng vuông góc với 2 trục đốidiện ta sẽ xác định được giá trị của r và h Dựa vào số liệu trên hình vẽ ta có thể thấy bánkính độ mở của lỗ rỗng bé nhất để chất lỏng có thể xâm nhập vào khi Sw=20% và

Pc=200psi là 0.5μ Chiều cao của cột hydrocacbon là:

Hình 3

h= 200psi * 0.7 =140 ft đối với dầu

h= 200psi * 0.4 = 50 ft đối với khí

3 Mối liên hệ giữa độ rỗng, độ thấm và độ mở của lỗ rỗng

3.1 Xác định áp suất mao dẫn (P c ) trong phòng thí nghiệm

 Nguyên tắc đo P c được thể hiện ở dưới đây:

Trên hình thể hiện quá trình xác định Pc trong phòng thí nghiệm Một hình trụ chứacác lỗ hổng có 3 đường kính khác nhau: lớn(r1), trung bình(r2) và nhỏ(r3) Hình trụ đượcchứa đầy dầu

+ Với Pc=0 ( Hình bên trái trên cùng) thì dầu trong hình trụ không thể dịch chuyển vàocác lỗ rỗng

+ Với Pc = 2σ(cosɵ)/r)/rr1 dùng với piston thì dầu sẽ lấp đầy vào không gian lỗ rỗng lớnnhất(r1) bởi vì chỉ cần áp suất thấp( Hình bên trái phía dưới).

+ Với Pc = 2σ(cosɵ)/r)/rr2 thì lỗ rỗng ở giữa(r2) sẽ lấp đầy bởi dầu

+ Với Pc = 2σ(cosɵ)/r)/rr3 thì lỗ rỗng nhỏ nhất(r3) cũng sẽ được lấp đầy bởi dầu

 Pc được xác định nhờ bơm Hg vào trong mẫu đã được chiết tách và làm sạch.Áp

suất bơm Hg được tăng lên theo từng nấc và nó tỷ lệ với % thể tích lỗ hổng của đá bãohòa Hg Ở mỗi nấc áp sẽ được ghi lại khi cân bằng Sau đó áp suất sẽ được biểu diễncùng với độ bão hòa Hg ( hình 5)

Trên hình bên trái thể hiện kết quả phân tích được vẽ trên đồ thị với trục hoành là thểtích Hg được bơm vào( Pha không dính ướt) và trục tung là áp suất được tăng theo từngbậc trong thực tế thì sự gia tăng áp suất theo chiều tăng sẽ dẫn tới một đường cong Pc

được thể hiện ở hình bên phải

 Pc được ứng dụng trong việc đo mẫu để thay thế cho việc thay thế nước bằng

hydrocarbons, tương đương với áp suất đẩy trong vỉa khi hydrocarbons dịch chuyển vào

Hình 5

và nạp vào trong vỉa (Heymans, 1998) Được thể hiện rõ trong ví dụ (hình 6) với 4 mẫu

đá với áp suất đầu vào khác nhau

Trên hình thể hiện với trục hoành là độ bão hòa của Hg và trục hoành là áp suất bơm

Hg Pcl(Psia), độ mở của lỗ rỗng rc (microns), áp suất mao dẫn của hệ Dầu-nước mặn Pcr

và chiều cao của mực nước tự do h (m)

3.2 Mối liên hệ giữa P c với độ mở của lỗ rỗng và sự phân bố kích thước

Áp suất đầu vào của 4 mẫu sẽ tỷ lệ nghịch với kích thước lỗ hổng (rc), tức là rc càngnhỏ thì Pc càng lớn Trong hệ không khí-Hg thì 2σ (cosɵ)/r) =107,6 (sau khi có sự chuyểnđổi đơn vị từ psi và microns) , vì vậy phương trình mao dẫn sẽ trở thành:

Pc=

Vì vậy, áp suất đầu vào cần thiết để chất lưu không dính ướt đi vào lỗ rỗng có kích

Kích thước độ mở của lỗ rỗng có thể được gắn vào trục tung của đường cong Pc (hình6) Sự phân bố kích thước độ mở của lỗ rỗng trong đá cũng ảnh hưởng đến thuộc tínhmao dẫn của đá Trong đường cong Pc giả định được thể hiện trong hình 4, đường cong Pc

là khác nhau ngay cả khi áp suất đầu vào là khác nhau đối với 3 mẫu Sự phân bố kíchthước được chọn lọc tốt nhất tức là độ đòng nhất của kích thước là tốt nhất thì chất lưukhông dính ướt sẽ đẩy dễ dàng chất lưu dính ướt

Hình 7

3.3 Mối liên hệ giữa độ rỗng, độ thấm, độ mở của lỗ rỗng và P c

Chất lượng vỉa chứa và áp suất đầu vào Pc cho các loại đá A-D (Hình 6) được chobởi bảng 1 Những đá có giá trị độ rỗng, độ thấm nhỏ hơn thì cần Pc cao hơn và kèm theo

độ mở của lỗ rỗng nhỏ hơn

3.4 Xác định độ mở của lỗ rỗng và áp suất mao dẫn từ số liệu phân tích mẫu lõi

Kolodzie(1980), áp dụng đầu tiên công trình của Winland (Sẽ được nói đến trong

phần 4.3 ) để chứng minh rằng độ mở của lỗ rỗng có thể dự đoán chính xác từ kết quả

phân tích mẫu lõi Theo kinh nghiệm của ông phương trình có dạng sau:

Bảng 1

giữa thực tế và sự tính toán từ các phương trình, với R2 luôn luôn lớn hơn 0.8 Tuy nhiên,việc tính toán luôn thấp hơn giá trị thực tế Lý do chính ở đây có thể là do độ thấm thấpcủa các đá khi đo (< 10md), liên quan đến cơ sở dữ liệu lớn hơn (với khoảng giá trị độthấm rộng hơn) được sử dụng trong việc xây dựng các phương trình thực nghiêm Tuynhiên thực nghiệm này cho thấy tính khả thi của việc xác định độ mở của lỗ rỗng và ápsuất mao dẫn từ số liệu phân tích mẫu lõi.

Hình 10 Xác định giá trị của R35 từ 3 phương pháp khác nhau của:

Winland, Coalson, and Pittman

4 Chất lượng đá chứa

4.1 Các phương pháp nghiên cứu chất lượng đá chứa

Việc sử dụng các dữ liệu phân tích độ thấm không khí (Ka) và độ rỗng Ø một cáchđộc lập để đánh giá chất lượng đá có thể gây sự nhầm lẫn Vì vậy, việc sử dụng kết quảphân tích Ka và Ø sử dụng tỷ số Ka/r Ø (Hartmann& Beaumont-1999) hoặc r35 ( Winland)

sẽ có hiệu quả hơn nhiều cho việc xác định chất lượng của đá Phương pháp tỷ số Ka/r Øhoặc r35 có thể cho ta thông tin về dòng chảy chất lưu và chất lượng chứa của đá

Một ví dụ dưới đây có thể cho thể cho ta thấy việc sử dụng số liệu phân tích Ka và Øriêng biệt để đánh giá chất lượng đá chứa có thể gây nhầm lẫn Hãy xem xét các loại đáđược thể hiện bằng phương pháp SEM trong hình dưới đây:

Với những số liệu của 2 đơn vị dòng chảy được nêu ở trên thì ban đầu ta có thể nghĩđơn vị dòng chảy 1 có chất lượng cao hơn bởi vì nó có độ rỗng gấp 3 và cùng độ thấm

Hình 11

với đơn vị dòng chảy 2 Tuy nhiên, về mặt hiệu quả của dòng chảy chất lưu và khả năngchứa được thể hiện qua Ka/r Ø hoặc r35 thì thực tế dòng chảy đơn vị 2 lại là đá tốt hơn Trong một phần của đá chứa, việc tăng Ø và giữ nguyên Ka chứng tỏ rằng lỗ rỗngđang trở lên nhiều hơn và nhỏ hơn, diện tích tiếp xúc bề mặt của lỗ rỗng cũng tăng lên.Lượng nước bão hòa bất động của đá chứa (Sw) trở lên lớn hơn so với bề mặt có sẵn đểcho các chất lỏng dính ướt Việc Sw cao sẽ làm giảm không gian chứa hydrocarbons,ngoài ra việc kích thước lỗ hổng giảm cũng dẫn đến độ mở của lỗ rỗng cũng giảm Dòngchảy đơn vị 2 là đá chứa tốt hơn bởi vì nó có độ mở lỗ rỗng lớn hơn và Sw thấp Ka/r Øhoặc r35 là những phương pháp hiệu quả để đánh giá chất lượng đá chứa.

4.2 Phương pháp tỷ số K a / Ø

4.2.1 Phương pháp nghiên cứu

Ka và Ø là những thông số cơ bản để xây dựng phương trình dòng chảy tới giếngtrong đá chứa Tỷ lệ Ka/r Ø phản ánh chất lượng đá về hiệu quả dòng chảy của một mẫu đáchứa Khi mảnh vụn và carbonat lắng đọng chúng có một mối tương quan chặt chẽ củakích thước hạt tới tỷ số Ka/r Ø Có nghĩa là làm tăng kích thước độ mở của lỗ rỗng như

tăng kích thước hạt và tinh thể, nhưng việc thay đổi hình dạng và kích thước hạt có xuhướng làm thay đổi sự phân bố.Trong ví dụ ở phần trước thì đơn vị dòng chảy 1 có giá trị

Ka/r Ø là 33 và đơn vị dòng chảy 2 có giá trị Ka/r Ø là 100 Mặc dù Ø lớn hơn và Ka là nhưnhau cho đơn vị dòng chảy 1, thì giá trị Ka/r Ø thấp hơn chỉ ra rằng chất lượng của nó thấphơn đơn vị dòng chảy 2

4.2.2 Đồ thị K a / Ø

Trên đồ thị ở bên dưới, những đường đại diện cho hằng số tỷ lệ Ka/r Ø và phân chia

đồ thị thành những vùng như nhau của các kiểu lỗ rỗng Dữ liệu điểm trên đồ thị có cùngmột tỷ lệ không đổi có chất lượng dòng chảy không đổi trên một phạm vi rộng lớn của độthấm hay độ thấm Các tập hợp điểm trên đồ thi dưới đây đại diện cho giả thuyết giá trị

Ka/r Ø cho đơn vị dòng chảy 1 và 2 được trình bày ở hình 8 Vị trí các tập hợp điểm cóliên quan tới các đường Ka/r Ø chỉ ra rằng đơn vị dòng chảy có chất lượng cao hơn về tỷ lệ

Ka/r Ø so với đơn vị dòng chảy 1

Hình 12 Quan hệ thấm chứa theo mô hình Hartmann và Beaumont (1999)

4.3.2 Phương trình của r 35 theo Winland

Winland (1972, 1976) đã phát triển phương trình dòng chảy để tính toán r35 cho cácmẫu đá có độ rỗng giữa hạt và giữa các tinh thể:

log r35 = 0.732 + 0.588 log Ka – 0.864 log Ø

hay r35 = 10 0.732 + 0.588 log Ka – 0.864 log Ø

Ở đây:

Ka là độ thấm không khí (md)

Ø là độ rỗng (%)

4.3.3 Đánh giá chất lượng đá chứa qua r 35

Chất lượng của đá dễ dàng được đánh giá qua r35 Xem xét tập hợp các điểm đại diệncho các đơn vị dòng chảy 1 và 2 (hình 11) trên đồ thị Ka/r Ø phía dưới Các đường congchéo đại diện bằng giá trị r35 Các điểm trên đồ thị dọc theo cùng một đường đại diện chocác loại đá có cùng giá trị r35 và cùng chất lượng Bằng cách nội suy, giá trị r35 cho đơn vịdòng chảy 1 khoảng 1.1μ và đơn vị dòng chảy 2 là khoảng 3μ Giá trị r35 của đơn vị dòngchảy 2 lớn gấp 3 lần so với đơn vị dòng chảy 1 Vì vậy, đơn vị dòng chảy 2 có chất lượngtốt hơn

Hình 13

4.4 Ưu điểm của r 35 so với tỷ số K a / Ø

Sử dụng r35 thay vì tỷ số Ka/r Ø để đánh giá chất lượng đá của những đá có chứa nước dư

có ưu điểm sau:

 r35 là một số có thể biết được, tỷ số Ka/r Ø là số không thứ nguyên

 r35 có thể được xác định từ phân tích áp suất mao dẫn và liên quan đến giá trị

Đá chứa gặp trong giếng khoan X chủ yếu là đá chứa Miocen dưới thuộc hệ tầng Dừa.Thành phần gồm có sét, bột, cát kết xen kẹp, cát kết đa khoáng, đôi khi gặp các lớp than.

45 3285.45 0.518 7.46 0.069436997 0.658491

5.2.2 Xây dựng quan hệ thấm chứa theo hồi quy tuyến tính

Từ kết quả các thông số thấm chứa của kết quả 45 mẫu lõi (Độ sâu từ 3231.25 m 3285.45 m) ở trên ta đi xây dựng mối quan hệ giữa độ rỗng và độ thấm theo hồi quytuyến tính Theo kết quả hồi quy tuyến tính thì ta thấy hệ số tương quan R2 =0.814 chothấy biến thiên của độ thấm theo độ rỗng là rất tốt

-5.2.3 Đánh giá chất lượng đá chứa qua phương pháp tỷ số K a / Ø

Áp dụng phương pháp này ta thấy chất lượng dòng chảy của tầng Miocen dưới củagiếng khoan X có giá trị từ rất kém đến rất tốt (Hình 16), nhưng tập chung chủ yếu là từ

Hình15 Quan hệ thấm chứa theo hồi quy tuyến tính

kém đến rất tốt Có thể nhận xét theo phương pháp này thì mô hình dòng chảy có giá trịkém đến rất tốt.

5.2.3 Đánh giá chất lượng đá chứa qua phương pháp r 35

Hình 16 Đánh giá chất lượng đá chứa qua phương pháp tỷ số Ka/r Ø