đồ án nứt vỉa thủy lực

MÔ HÌNH HÓA NỨT VỈA THỦY LỰC IV.. SHALE GAS VÀ NỨT VỈA THỦY LỰC TẠI US V... • Dùng các kĩ thuật bơm ép các chất lỏng với vận tốc áp suất lớn vào trong vỉa The modeling of hydrau

CBHD: TS.NGUYỄN XUÂN HUY

Ths TRẦN NGUYỄN THIỆN TÂM

NỨT VỈA THỦY LỰC

I GIỚI THIỆU

II ỨNG SUẤT THÀNH HỆ

III MÔ HÌNH HÓA NỨT VỈA THỦY LỰC

IV SHALE GAS VÀ NỨT VỈA THỦY LỰC TẠI US

V KẾT LUẬN

1 GIỚI THIỆU

1.1 Các nguyên nhân nhiễm bẩn thành hê

1.2 Tổng quan

1.3 Dung dịch nứt vỉa thủy lực

1.4 Các chất phụ gia

1.5 Vật liêu chèn

1.6 Ảnh hưởng môi trường của quá trình nứt vỉa

1.1 Các nguyên nhân nhiễm bẩn thành hê

• Do quá trình khoan

• Quá trình chống ống và trám xi măng

• Công nghê hoàn thiên giếng và mức độ mở vỉa

• Quá trình khai thác

• Quá trình sửa chữa giếng

1.2 Tổng quan

• Nứt vỉa thủy lực là 1 quá trình kích thích

sự tăng cường trong quá trình thu hồi

dầu

• Dùng các kĩ thuật bơm ép các chất lỏng

với vận tốc áp suất lớn vào trong vỉa

The modeling of hydraulic fracturing (source : intermet)

1.2 Tổng quan

Đối tượng áp dụng:

• Các thành hê bị nhiễm bẩn trong quá trình khai thác

• Vỉa có tính liên kết giữa các tầng sản phẩm kém

• Vỉa có tầng cát kết sét kết xen kẹp gây giảm đội liên kết

1.2 Tổng quan

Vai trò của nứt vỉa thủy lực:

• Tăng độ thấm của tầng đá chứa và cũng là tăng hê số sản phẩm của giếng

• Tăng sản lượng khai thác dầu, cải thiên hê số thu hồi dầu của mỏ

• Giảm tổn thất áp suất nhằm tăng hiêu quả sử dụng nguồn năng lượng vỉa

• Thu hồi vốn nhanh hơn, mang hiêu quả kinh tế lớn

1.3 Các dung dịch nứt vỉa thủy lực

• 1.3.1 Dung dịch gốc nước:

Zipper nứt vỉa :

Phương pháp này áp dụng cho 2 giếng song song, các đứt gãy được tạo ra theo các hướng vuông góc với các đứt gãy chính

(Rafiee, soliman et al 2012)

1.3.1 Dung dịch gốc nước

• Cavitation Hydrovibration nứt vỉa

Sử dụng nước tinh khiết không sử dụng thêm hóa chất nào

Nguyên lý: sử dụng các xung tần số cao ( 100- vài ngàn Hertz) làm mở rộng các khe nứt

Được áp dụng thử nghiêm trong Novojiarovskoje (Ukraine)

1.3.1 Dung dịch gốc nước

Phun nước áp lực:

• là sự kết hợp giữa nước với thuốc nổ

• Thuốc nổ nhằm tạo ra các áp suất lớn để phá vỡ đá

• Khi khối thuốc phát nổ tạo ra các đợt sóng xung kích gây ra biến dạng cho các đá của tầng chứa

1.3.2 Dung dịch gốc dầu

• Dung dịch gốc dầu có độ nhớt cao tương thích hầu hết với các thành hê nhưng chi phí cao, có mức độ ảnh hưởng tới môi trường cao hơn

1.3.2 Dung dịch gốc dầu

1.3.2 Dung dịch gốc dầu

Tiềm năng lợi thế của LPG:

• Ít chất phụ gia hóa học

• Tăng năng suất của giếng

• Khả năng tương thích với hầu hết các loại thành hê

• Tỉ lê thu hồi cao

• Làm sạch nhanh chóng

Chi phí đầu tư cao hơn so với dung dịch gốc nước

1.3.3 Dung dịch gốc axit

• Dung dịch gốc axit sau khi bơm vào vỉa gây hòa tan 1 phần đá để mở rộng khe nứt

• Chỉ được áp dụng trong các thành hê carbonate vì khả năng hòa tan đá của dung dịch axit bị giới hạn

1.4 Các chất phụ gia

• Chất chống ăn mòn: catafin A, Marvelan-K

• Chất hoạt tính bề mặt: Anion, Sunfanol

• Chất bôi trơn: Poliacrilant

• Chất tạo gel và chống mất dung dịch N2, Politoongr hợp, cát mịn

• Các chất chống tạo cặn, chống tạo bọt

• Các chất đổi dòng: axit benzoic, polimer, antracen

• Các chất làm chậm phản ứng : CH3COOH, HCOOH

1.5 Vật liêu chèn

• Cát thạch anh (0.5-1.2mm, tỉ trọng 2650Kg/m3)

• Bi thủy tinh (bằng tỉ trọng cát)

• Bột bauxite nung kết (tỉ trọng 1400kg/m3)

• Hạt polimer tổng hợp (tỉ trọng 1100kg/m3)

1.5 Vật liêu chèn

• Tính chất vật liêu chèn

• Độ thấm

• Độ tròn cạnh và độ cầu

• Cỡ hạt

• Độ bền nén

1.5 Vật liêu chèn

Độ bền nhiêt và hóa học:

• Khi có lẫn tạp chất thì độ bền hóa học bị giảm, đặc biêt khi lẫn fenspad (2%)

Tỉ trọng:

• Ảnh hưởng tới quá trình vận chuyển nó vào trong các khe nứt, hạt có tỉ trọng lớn đòi hỏi chất lỏng bơm ép cao có tỷ trọng hoặc độ nhớt lớn, nếu tỉ trọng nhỏ thì tốc độ bơm lớnđể giữ hạt ở trạng thái lơ lửng trong suốt thời gian quá trình bơm

1.6 Ảnh hưởng tới môi trường

• Quá trình nứt vỉa gây nhiễm bẩn thành hê có thể ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm nếu quá trình nứt vỉa vượt ngoài tầm kiểm soát xâm nhập vào các dòng nước ngầm

• Bơm ép nước nếu không tính toán kĩ có thể gây ngập nước cho vỉa (các mỏ Sư Tử ở VN)

2 ỨNG SUẤT THÀNH HỆ

2.1 Các khái niêm cơ bản

2.2 Ứng suất theo chiều sâu

2.3 Áp suất cận đáy giếng

2.4 Áp suất vỡ vỉa cho giếng thẳng đứng

2.5 Áp suất vỡ vỉa với giếng bất kì

2.6 Độ thấm và ứng suất

2.7 Đo ứng suất

2.1 Các khái niêm cơ bản

Ứng suất tổng tại 1 thời điểm :

σ=

Ứng suất cực đại và cực tiểu

•

2.2 Ứng suất theo chiều sâu

• Ở độ sâu H 1 điểm có 3 ứng suất chính

• Trong đó còn gọi là được gây ra bởi trọng lượng của khối đất đá bên trên được tính bằng

Trong đó

• ρ là tỉ trọng của đất đá bên trên

• g là gia tốc trọng trường

•

2.2 Ứng suất theo chiều sâu

• Viêc xác định σv là yếu tố quan trọng để xác định gradient nứt vỉa - áp suất cần thiết ở chiều sâu xác định để tạo các khe nứt trong vỉa ở vùng cận đáy giếng

• Ptg=

Ptg: Gradient nứt vỉa : ứng suất thẳng : hê số đàn hồi

Ph: áp suất thủy tĩnh D: chiều sâu khe nứt

•

2.3 Ứng suất cận giếng

• Khi khoan 1 giếng thì áp suất tại đó đã bị thay đổi khi đó ứng suất có hiêu tại điểm này được xác định:

2.4 Áp suất vỡ vỉa cho giếng thẳng đứng

• Với các giếng thẳng đứng áp suất vỡ vỉa được tính:

• + độ bền kéo của đá

• Giới hạn của ứng suất tổng được xác định theo tiêu chuẩn của Tazaghi

• Pb,upper=3

Với

•

2.5 Áp suất vỡ vỉa với giếng bất kì

• Ứng suất trên các điểm cận thành ống được tính dựa vào công thức của Daneshy:

2.6 Độ thấm và ứng lực

2.6.1 Độ thấm nhạy với ứng lực

Độ thấm trong các vỉa chủ yếu từ các nứt vỉa thủy lực

Độ thấm có tính không đẳng hướng với các giá trị kx ky

Warpinski đã trình bày bằng chứng chỉ ra nơi độ thấm dị hướng theo phương ngang là nhiều với tỉ lê 100:1 Bất đẳng hướng

từ 2:1-3:1 được coi là phổ biến

2.6.1 Độ thấm nhạy với ứng lực

• Mô hình Walsh đã được đơn giản hóa bởi Buchsteiner Đã xác định biểu hiên dòng chảy từ độ thấm nứt, kf: chất lượng độ khép * đã được đánh dấu và yếu tố độ rỗng B 3

• Đối với vết nứt riêng lẻ, yếu tố B là một hàm phụ thuộc lớn vào chiều cao và chiều rộng của dòng chảy 3

3

•

2.6.1 Độ thấm nhạy với ứng lực

• Mô hình này được kết hợp với dữ liêu thực địa từ hai vết nứt lớn và đã biết trước với các thông số Bx , By, x* và y*

• Ben-naceur và Economides đã chỉ ra rằng sản lượng phụ thuộc vào độ dẫn của các vết nứt thủy lực quan hê giữa nửa chiều dài biểu kiến x'f một vết nứt và nửa chiều dài thực xf

•

•

2.7 Đo ứng suất

• Kiểm soát nứt góc phương vị và có ý nghĩa quan trọng trên đường nứt gần thân giếng

• Hê chứa nằm trong ứng suất tại chỗ là ứng suất ngang tối thiểu, do đó là đứt gãy dọc

• Chiều cao đứt gãy rất nhiều phụ thuộc vào ứng suất tương phản giữa các lớp liền kề và lớp mục tiêu

2.7.1 Small interval fracture injection tests

• Sự tách ra liên tiếp khoảng thời gian tương đối nhỏ (1-3 m) và phun vào một lượng nhỏ (5x10-3 đến 10-1 m3) phun kéo dài 1-2 phút

• Warpinski và Smith đề nghị 13 lỗ mỗi mét (thực tế 4 lỗ / 1ft ) và ít nhất là 90 lỗ/1 lần băn vỉa Mặc dù giếng lý tưởng, tất nhiên, phải được liên kết với các đứt gãy phương vị dự kiến Các dung dịch bơm vào có độ nhớt thấp, thường là KCl

2.7.2 Acoustic measurement

• Sóng âm truyền qua đá, nó gây ra như biến dạng đá

• Tỷ lê Poision và mô đun có thể được tính toán từ các sóng âm đo chậm

)

2.7.3 Determination of the closure pressure

• Viêc xác định áp suất khép là rất quan trọng không chỉ vì giá trị nội tại của nó mà còn vì những cân nhắc thiết kế và dự đoán áp lực nứt vỉa ròng

• Các bước thử nghiêm, tỷ lê thường theo sau là một kiểm tra “flow back", hai lần test hầu như luôn luôn được tiến hành song song

• Quan sát độ giảm áp tại đáy giếng

• Mayerhofer đã giới thiêu một mô hình mô phỏng cho viêc phân tích áp lực thông qua các lần thử nứt vỉa

3 MÔ HÌNH HÓA NỨT VỈA THỦY LỰC

3.1 Các thông số đánh giá định lượng tính toán hiêu quả bơm ép nước

3.2 Mô hình KGD

3.3 Mô hình PKN

3.4 Mô hình PKN với Leak-off

3.5 Mô hình nứt vỉa PKN-C

3.6 Penny-Shaped or Radial Model

3.7 Mô hình 3D

3.8 Mô hình P-3D

3.1 Các thông số đánh giá định lượng tính toán hiêu quả bơm ép nước.

3.1.1 Hê số hiệu quả bơm ép ER

3.1.2 Hệ số đẩy dầu ED

3.1.3 Hệ số quét diện tích EP

3.1.4 Hệ số quét chiều dày EV

3.1.1 Hệ số hiệu quả bơm ép ER

• Xác định bằng :

• ER = = ED EV EP

• Trong đó:

ED: hệ số đẩy dầu

EV : hệ số quét chiều dày

EP : hệ số quét diện tích – phụ thuộc vào mạng lưới giếng EVEP : hệ số quét thể tích

•

3.1.3 Hệ số quét diện tích EP

Hệ số quét diện tích EP phụ thuộc vào các yếu tố :

3.1.4 Hệ số quét chiều dày EV

• Hệ số quét chiều dày phụ thuộc chủ yểu vào độ thấm và biến thiên của nó theo mặt cắt biến thiên độ thấm được thể hiện qua hệ số VDP – đó là hệ dố Dykstra – Paron:

• VDP = (K + K0) / K

Với :

K: là độ thấm trung bình

K0 : độ thấm ứng với độ lêch tiêu chuẩn trên độ thấm trung bình

3.3 Mô hình PKN

• Năm 1961 Pwrkins và Kern dựa trên điều kiên ứng suất bề mặt phát triển mô hình thứ 2 mang tên PKN

• Điều kiên trên tồn tại khi có hạn chế lớn, các khe nứt được giới hạn trong 1 khu vực nhất định

• W: bề rộng của khe nứt

• X: chiều dài của khe nứt

• H: chiều cao

•

3.4 Mô hình PKN với Leak-off

• Carter xây dựng hê thống cân bằng về tốc độ dòng chảy Tại thời điểm bất kì, tỷ lê bơm ép vào 1 bên của đứt gãy bằng tổng các tổn thất khác nhau cộng với tốc độ phát triển của các đứt gãy

• =2() d + (w + 2Sp) +A

qi : Tổng tỷ lê bơm ép,

CL: Là hê số tổn thất

Sp : Là spurt loss

•

3.4 Mô hình PKN với Leak-off

• Giải phương trình cân bằng sau ta có thể thu thập được diên tích bề mặt đứt gãy A theo thời gian t và chiều rộng của đứt gãy w, khi chiều rộng được coi là hằng số nó có thể dùng để phát triển chiều rộng vào cuối giai đoạn bơm ép

• A(t) = (2) erfc() + -1]

•

3.5 Mô hình nứt vỉa PKN-C

• Valko và Ecobomides (1995) cho rằng mối quan hê giữa các tính chất đất đá, chiều rộng của các vết nứt tại các giếng khoan không rò rỉ là không chính xác => học cải tiến công thức với chất lỏng phi Newton đc xác định như sau

• wf= x x

• Trong đó n là số mũ không thứ nguyên K là chỉ số đồng nhất

•

3.6 Penny-Shaped or Radial Model

• Trong mô hình này, các đứt gãy được giả định lan truyền trong mặt phẳng và hình dạng đối xứng với điểm được bơm ép

• Các nghiên cứu về mô hình này được thực hiên trong khối đá nhô bởi Abe et al ( Abe et al 1976) trong đó chỉ ra chất lỏng phân bố đều và tỉ lê bơm ép không đổi

2D MODELS

So sánh 2 mô hình 2D

So sánh PKN và KGD

3.7 Mô hình 3D

• Mô hình 3D mô tả các đứt gãy trong không gian,

• Các mô hình này phát triển trên lý thuyết cơ bản của cơ chết đứt gãy đàn hồi tuyến tính cùng với các tác động hỗn hợp của các dòng chảy

• Các vết nứt ban đầu lan truyền theo chiều ngang và theo chiều dọc sau đó thay đổi tùy thuộc vào các đưt gãy tự nhiên

3.8 Mô hình P-3D

• Khi chính xác hóa các quá trình nứt vỉa thành nhiều lớp

mô hình 3D được coi là không chính xác từ đó Settarri và Cleary đã giới thiêu mô hình P-3D các vấn đề về lan truyền dọc đã được giải quyết bằng phương trình tích trên 1 tập hợp điểm Chebyshev

4 SHALE GAS VÀ NỨT VỈA THỦY LỰC TẠI US

• 4.1 Giới thiêu

• 4.2 Độ tin cậy của trữ lượng shale gas

• 4.3 Yếu tố môi trường và các trở ngại xã hội

• 4.4 Quản lý rủi ro

4.1 Giới thiêu

• Shale gas: là những lớp tầng chứa mỏng xen kẹp với các

tầng shale mỏng

• Nứt vỉa thủy lực là 1 trong những cách tốt nhất hiên nay

để khai thác nguồn tài nguyên phi truyền thống này

• Sản lượng shale gas ở Mỹ từ 0.390 (tcf) trong 2000-4,87

tcf trong năm 2010

cấu trúc các tập shale gas

4.2 Độ tin cậy của trữ lượng shale gas

• 54 công ty hiên đang tham gia thăm dò và sản xuất shale gas trên toàn cầu

4.2 Độ tin cậy của trữ lượng shale gas

• Nhiều công ty sản xuất shale gas lớn có các nguy cơ rủi ro lớn với những vấn đề về môi trường và xã hội

• Chesapeake Energy, Encana, Ultra Petroleum, Range Resources, và Southwestern Energy, đối mặt với những nguy cơ rủi

ro cao nhất khi mà nó phụ thuộc quá nhiều vào nứt vỉa thủy lực, nêu thêm chi phí phát sinh do ảnh hưởng môi trường sinh ra sẽ có nguy cơ lỗ nặng

ECA-N EnCana Corporation 7,500 1,833 75 to 100 %

SWN-N Southwestern Energy Company 4,345 1,312 75 to 100 %

UPL-N Ultra Petroleum Corp 4,200 614 75 to 100 %

FIGURE 4 1 Top 25 Shale Gas Players in US** – Estimates of Shale Gas

(Source: Natural Gas Supply Association (NGSA)

4.3 Yếu tố môi trường và các trở ngại xã hội

• Nứt vỉa thủy lực gây ra những phản đối mạnh mẽ trong xã

hội của các bang trên nước Mỹ

• Nứt vỉa thủy lực đòi hỏi dùng 1 lượng lớn nước để nứt vỉa

và có thể gây ra những tổn thất các hàm lượng khí trong

các mỏ tại các giếng kém chất lượng

• Nứt vỉa thủy lực còn gây ra ô nhiễm môi trường đất gây

ảnh hưởng tới môi trường nước ngầm

4.3.1 Nước thiết yếu và áp lực liên quan tới vấn đề nước

• Quá trình nứt vỉa thủy lực đòi hỏi một số lượng lớn sử dụng nước - trung bình ước tính là giữa 3-9.000.000 gallon cho mỗi hoạt động của một quá trình fracking

• Ví dụ, ước tính rằng các giếng shale gas 414 mà ExxonMobil khoan trong năm 2010 một mình cần phải có giữa 1.242 và 3.726 triêu lít, tương đương với viêc cung cấp nước cho 22.000 đến 67.000 người trong một năm ở Mỹ ( theo shale gas and hydraulic fracking in US)

4.3.1 Nước thiết yếu và áp lực liên quan tới vấn đề nước

• Các lưu vực khí đốt dự phải đối mặt với tình

trạng thiếu nước lớn nhất bao gồm Barnett,

Fayetteville, Green River, Woodford

(Anadarko), Eagle Ford, và các lưu vực West

Texas Permi

Major Shale Basins and Recent Drought Conditions

(Source: USDA Drought Monitor Droughtmonitor.unl.edu/ Shale basin overlay from MSCI ESG Research.)

4.3.2 Ô nhiễm nước

• Ngoài những yếu tố đã nhắc ở đầu mục còn có các yêu tố khác như các hóa chất có trong dung dịch nứt vỉa thủy lực (dù chỉ 0.5% là hóa chất ) thì cuộc đời của 1 giếng cũng khoảng 25,000 gallon hóa chất độc hại và cần rất nhiều thời gian để phân hủy cho dù giếng ngừng khai thác

• Và thực tế thì theo các dòng nước ngầm các dòng flowback này sẽ trở lại mặt đất

4.3.2 Ô nhiễm nước

• Trước tình hình sử dụng nước càng tăng các công ty đã

tìm những biên pháp để cải thiên hạn chế flowback

• 1 trong những biên pháp đó là bơm sâu trong đất đá,

nhưng điều này phụ thuộc lớn vào cấu trúc địa chất

từng vùng

Estimated yearly water use and waste water