Khảo sát ứng dụng công nghệ hoàn thiện giếng thông minh với thiết bị kiểm soát dòng cho giếng đa nhánh 1p

Nhiệm vụ của luận văn:  Hệ thống hóa nền tảng lý thuyết về hoàn thiện giếng nói chung so với các giếng được áp dụng kỹ thuật hoàn thiện giếng thông minh nói riêng  Khảo sát các tổ hợp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ

BỘ MÔN KHOAN VÀ KHAI THÁC DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HOÀN THIỆN GIẾNG THÔNG MINH VỚI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT DÒNG CHO GIẾNG ĐA NHÁNH 1P

INTELLIGENT WELL COMPLETION:

APPLICATION OF INFLOW CONTROL DEVICES

FOR MULTILATERAL WELL 1P

GVHD : TS MAI CAO LÂN

SVTH : TRẦN MẠNH HÙNG MSSV : 1411569

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHI

ỆP

KHOA : KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT & DẦU KHÍ

BỘ MÔN : KHOAN – KHAI THÁC DẦU KHÍ

HỌ VÀ TÊN : TRẦN MẠNH HÙNG

NGÀNH : KHOAN – KHAI THÁC DẦU KHÍ

MSS V LỚP

: 1411569

: DC14KK

1 Đề tài luận văn:

KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HOÀN THIỆN GIẾNG THÔNG MINH VỚI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT DÒNG CHO

GIẾNG ĐA NHÁNH 1P INTELLIGENT WELL COMPLETION: APPLICATION OF INFLOW CONTROL DEVICES FOR MULTILATERAL WELL

1P

2 Nhiệm vụ của luận văn:

 Hệ thống hóa nền tảng lý thuyết về hoàn thiện giếng nói chung so với các giếng được áp dụng kỹ thuật hoàn thiện giếng thông minh nói riêng

 Khảo sát các tổ hợp thiết bị hoàn thiện giếng thông minh hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới

 Tổng hợp nguyên lý làm việc, những đặc tính kỹ thuật và cơ sở thiết kế thiết bị cản dòng ICD, khoảng cô lập cho giếng

 Đưa ra quy trình thiết kế cơ bản đồng thời khảo sát độ bền hoạt động thiết bị ICD cho giếng hoàn thiện đặc biệt ở môi trường bất đồng nhất hay giếng ngang gặp sự cố hiệu ứng heel – toe

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

4 Ngày hoàn thành luận văn:

5 Họ tên người hướng dẫn:

Nội dung và yêu cầu LVTN đã thông qua Bộ môn khoan – Khai Thác Dầu Khí thuộc Khoa Kỹ

Thuật Địa Chất & Dầu Khí

Ngày ….….tháng ….….năm 2020

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHÍNH

(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ):………

Đơn vị:………

Ngày bảo vệ:………

Điểm tổng kết:………

Nơi lưu trữ luận văn:………

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Kỹ Thuật Địa Chất và Dầu Khíđặc biệt nhất là các thầy cô bộ môn Bộ môn khoan – Khai Thác Dầu Khí đã tận tìnhhướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của: Thầy TS Mai Cao Lân, giảng viên

Bộ môn khoan – Khai Thác Dầu Khí, Khoa Kỹ Thuật Địa Chất và Dầu Khí

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy TS Mai Cao Lân đã dành công sức, thời gian hếtlòng hướng dẫn tận tình, chu đáo trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Em cũng xin cảm ơn chị Nguyễn Thị Hoài Vy từ công ty PVD Baker Hughes đã nhiệttình hướng dẫn và cung cấp cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu về cácthiết bị hoàn thiện giếng thông minh của công ty

Trong quá trình làm luận văn, mặc dù đã cố gắng, song chắc chắn vẫn còn nhiều thiếusót Em mong nhận được nhiều sự góp ý, ý kiến để luận văn được hoàn thiện, chỉnhchu hơn

Em xin trân trọng cảm ơn

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

i

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Công nghệ khoan ngang và đa nhánh vươn xa đang được phát triển mạnh mẽ trên thếgiới với những ưu điểm như tăng diện tích tiếp xúc giếng với vỉa, tận thu sản phẩmtrong vỉa ở xa, hiệu quả thu hồi cao đặc biệt khi kết hợp khai thác đồng thời sản phẩm.Tuy nhiên các giếng này thường gặp những vấn đề đặc trưng như sự sụt áp mạnh dọc

theo thân ngang của giếng (heel – toe effect) dẫn đến hiện tượng lưu lượng xâm nhập

mất cân bằng dọc thành giếng Đây là nguyên nhân trực tiếp làm lệch đáng kể ranh

giới giữa dầu – nước, dầu – khí song song với thành giếng ngang Vấn đề này có thể

được cải thiện nhờ công nghệ kiểm soát dòng cân bằng dựa trên nền tảng của hoàn

thiện giếng thông minh

Hiện nay một số mỏ ở Việt Nam đã ứng dụng công nghệ hoàn thiện giếng thông minhvới van kiểm soát dòng (Inflow Control Valves, ICV) Tuy nhiên độ tin cậy của vanchưa cao, khả năng hoạt động còn hạn chế trong môi trường khắc nghiệt nên thườngxuyên gặp sự cố Bên cạnh đó, công nghệ hoàn thiện giếng thông minh đặc biệt vớitính năng kiểm soát dòng như (Autonomous) Inflow Control Devices – (A) ICD vẫncòn khá mới mẻ ở Việt Nam

Chính vì vậy mà đề tài “Khảo sát ứng dụng công nghệ hoàn thiện giếng thông minhvới thiết bị kiểm soát dòng cho giếng đa nhánh 1P” được chọn để nghiên cứu trongluận văn này

Luận văn gồm các phần chính sau đây 3 nội dung chính:

Chương 1: Chương đầu tiên trình bày tổng quát về nền tảng hoàn thiện giếng với khái

niệm, phân loại và chức năng Khái quát về hệ thống các thiết bị khai thác, phân loạihoàn thiện theo số lượng ống khai thác và phương thức khai thác cho những vỉa đatầng Giới thiệu công nghệ hoàn thiện giếng thông minh điển hình đồng thời cập nhậtcông nghệ và dòng sản phẩm mới nhất được cung cấp bởi các công ty dịch vụ Thôngqua đó ta có cái nhìn tổng quan cho những tính năng hoàn thiện thông minh cải tiến vềmặt công nghệ tại thiết bị hoàn thiện dưới đó là giám sát, kiểm soát cho từng khoảngvỉa

Chương 2: Đi sâu vào kỹ thuật kiểm soát dòng của công nghệ hoàn thiện giếng thông

minh Khảo sát các nguyên lý kiểm soát, các cơ chế, quy trình hoạt động tương ứng

với từng đối tượng nghiên cứu Tiếp tục khảo sát vào kiểm soát dòng với các thiết bịkiểm soát dòng thụ động, chủ động, van kiểm soát dòng cùng các hệ thống cảm biến

và packer Từ đó hướng đến cơ sở lựa chọn loại kiểm soát dòng phổ biến theo nhữngcông trình nghiên cứu quốc tế Khảo sát lựa chọn loại thiết bị kiểm soát dòng thụ động(hay còn gọi thiết bị kiểm soát dòng cân bằng) nhằm kiểm soát cân bằng lưu lượngdọc thành giếng và thông số khoảng cô lập vành xuyến tối ưu Quy trình mô phỏng vàthiết kế số lượng thiết bị kiểm soát dòng thụ động

Chương 3: Với một cấu hình giếng đa nhánh 1P, em sẽ đưa ra quy trình nhằm dự báo

khả năng khai thác cũng như đề ra giải pháp khắc phục hiện tượng mất cân bằng lưulượng dọc thành giếng do một số yếu tố gây ra Từ đó chủ động thiết kế dựa trên mộttrong số những thiết bị, cơ sở kiểm soát dòng cân bằng đã được khảo sát ở trên Cụ thểcông việc gồm ba giai đoạn chính: Giai đoạn một là dự báo độ phân bố lưu lượng mấtcân bằng dọc thành giếng, giai đoạn hai là từ vấn đề đặt ra sẽ đánh giá và thực hiệnphương án kiểm soát dòng cùng hệ thống ngăn cách tầng vỉa cho giếng nhánh 1P Cuốicùng là giai đoạn kiểm định bền cho phép cho bộ thiết bị mới đồng thời điều chỉnhthông số thiết kế khi chưa đạt yêu cầu cũng như đưa ra giải pháp cho việc ổn địnhthành hệ bằng các mô hình hoàn thiện kiểm soát cát

Kết luận kiến nghị

Chương này đánh giá về việc đã hoàn thành mục tiêu và nhiệm vụ ban đầu mà luậnvăn đề ra Hướng phát triển đề tài về mặt ứng dụng phần mềm và lập trình như là mộtphương pháp xây dựng mô hình khai thác gắn liền với chức năng của ICD nhằm nângcao tính hiệu quả trong mục tiêu thiết kế thiết bị kiểm soát dòng phù hợp Cũng như đisâu khảo sát đối tượng thiết bị kiểm soát dòng tự điều tiết, van kiểm soát dòng nhằm

mở rộng triển vọng ứng dụng công nghệ kiểm soát dòng cho các dự án mỏ của ViệtNam trong tương lai

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU x

DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT xi

DANH SÁCH THUẬT NGỮ xii

MỞ ĐẦU xiv

1 Tính cấp thiết của đề tài xiv

2 Mục đích của luận văn xiv

3 Nhiệm vụ của luận văn xv

4 Phương pháp nghiên cứu xv

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn xv

6 Tổng quan tình hình nghiên cứu xvi

6.1 Nước ngoài xvi

6.2 Trong nước xviii

CHƯƠNG 1 NỀN TẢNG VỀ HOÀN THIỆN GIẾNG THÔNG MINH 1

1.1 Tổng quan về hoàn thiện giếng 1

1.2 Hoàn thiện giếng truyền thống 3

1.2.1 Các thiết bị hoàn thiện giếng truyền thống 4

1.2.2 Phương thức khai thác và lượng ống khai thác cho hoàn thiện giếng 7

1.3 Tổng quan về công nghệ hoàn thiện giếng thông minh 8

1.3.1 Các cụm thiết bị hoàn thiện dưới (lower completion) điển hình 9

1.3.2 Hệ thống giám sát lòng giếng 11

1.3.3 Hệ thống điều khiển lòng giếng 14

1.3.4 Hệ thống ngăn cách khoảng không vành xuyến, tầng sản phẩm 20

1.3.5 Các thiết bị ngăn cách tầng sản phẩm của các công ty dịch vụ 21

1.3.6 So sánh hoàn thiện giếng thông minh với truyền thống 22

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT KIỂM SOÁT DÒNG 25

2.1 Nguyên lý kiểm soát dòng 25

2.2 Cơ chế, quy trình hoạt động kiểm soát dòng 26

2.2.1 Cơ chế và quy tình thiết kế kiểm soát dòng phản ứng (Reactive) 26

2.2.2 Cơ chế kiểm soát dòng chủ động (proactive) 27

2.2.3 Cơ chế và quy trình làm việc kiểm soát dòng thụ động 27

2.3 Cụm các thiết bị kiểm soát dòng 28

2.3.1 Van kiểm soát dòng ICV 28

2.3.2 Thiết bị điều khiển dòng vào (Inflow control devices – ICD) 31

2.3.3 Thiết bị kiểm soát dòng vào tự điều tiết (Autonomous Inflow Control Device - AICD) 35

2.3.4 Packers 37

2.3.5 Hệ thống cảm biến 39

2.4 Nguyên tắc lựa chọn thiết bị 43

2.4.1 Lựa chọn loại kiểm soát dòng cho hoàn thiện giếng thông minh 43

2.4.2 Lựa chọn thiết bị kiểm soát dòng thụ động (cân bằng) 50

2.4.3 Lựa chọn thông số thiết kế khoảng cô lập vành xuyến với packer 54

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ THIẾT BỊ KIỂM SOÁT DÒNG LOẠI LỖ DẪN CHO GIẾNG KHOAN ĐA NHÁNH 1P 57

3.1 Tổng quan về giếng đa nhánh 1P 57

3.2 Yêu cầu thiết kế 58

3.3 Số liệu đầu vào 59

3.4 Quy trình thiết kế thiết bị kiểm soát dòng loại lỗ dẫn cho giếng đa nhánh 1P 60

3.4.1 Thu thập dữ liệu từ mỗi nhánh giếng 60

3.4.2 Phân tích số liệu đầu vào để dự báo khai thác 61

3.4.3 Đánh giá hiện trạng dự báo và lựa chọn phương án thiết kế 66

3.4.4 Phân tích thiết kế đường kính lỗ dẫn dòng tương đương 66

3.4.5 Tính toán kính cỡ lỗ dẫn dòng thiết bị ICD theo mô hình thủy lực 69

3.4.6 Đánh giá kết quả thiết kế thiết bị ICD lỗ dẫn dòng 71

3.5 Khảo sát dự báo khả năng khai thác giếng 1P trước khi thiết kế 71

3.6 Phương án thiết kế kích cỡ lỗ dẫn dòng tương đương 74

3.7 Phân tích thiết kế đường kính lỗ dẫn dòng tương đương 74

3.7.1 Thiết kế kích cỡ lỗ dẫn dòng tương đương cho nhánh giếng đứng 74

3.7.2 Thiết kế kích cỡ lỗ dẫn dòng tương đương cho nhánh giếng ngang 79

3.8 Tính toán kính cỡ lỗ dẫn dòng của thiết bị ICD cho từng nhánh giếng 82

3.8.1 Tính toán kính cỡ lỗ dẫn dòng thiết bị ICD cho nhánh giếng đứng 82

3.8.2 Tính toán kính cỡ lỗ dẫn dòng thiết bị ICD cho nhánh giếng ngang 85

3.9 Đánh giá kết quả thiết kế ICD loại lỗ dẫn dòng cho từng nhánh giếng 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân loại hệ thống hoàn thiện trên và dưới của giếng điển hình [2] 2Hình 1.2 Các giai đoạn thiết kế của kỹ sư hoàn thiện giếng 3Hình 1.3 Sơ đồ giếng cơ bản và các bộ phận chính 4Hình 1.4 (a) Phương thức khai thác đơn tầng (b) Phương thức khai thác gộp dòng vềcùng một chuỗi ống [3] 7Hình 1.5 (a) Kiểu hoàn thiện loại một ống trung tâm (b) kiểu hoàn thiện loại hai chuỗiống [3] 8Hình 1.6 Cụm thiết bị hoàn thiện dưới tiêu biểu [6] 11Hình 1.7 Hệ thống giám soát giếng điển hình [7] 11Hình 1.8 Cảm biến quang của Baker Hughes và cảm biến quang đo áp suất, nhiệt độcao của Schlumberger [9] 14Hình 1.9 Sơ đồ giếng đa nhánh với tính năng kiểm soát dòng từng nhánh 15Hình 1.10 (a) Hiệu ứng heel – toe gây ra hiện tượng hình thành lưỡi nước (màu xanhlam) và lưỡi khí (màu đỏ) vào cuối vòng đời của vỉa (b) Hiệu quả trong quá trình khaithác của phân đoạn giếng ngang khi sử dụng ICD cho từng vùng sản phẩm Giúp

dướng dòng chảy cân bằng qua từng phân đoạn và giảm thiểu ngập nước, khí [10] 16Hình 1.11 Làm sạch đoạn đáy giếng hiệu quả khi ứng dụng ICD [11] 17Hình 1.12 Van kiểm soát dòng (ICV) của Halliburton [13] và Schlumberger [9] 19Hình 1.13 AICD Baker Hughes bên trái và AICD Halliburton bên phải [14] 20Hình 1.14 (a) Sản phẩm packer của Baker Hughes (b) Sản phẩm packer của

Schlumberger [9] [15] 22Hình 1.15 So sánh hoàn thiện giếng thông thường với hoàn thiện giếng truyền thống[16] 23Hình 2.1 (a) Giếng ngang gặp hiệu ứng heel – toe (b) Xử lý kiểm soát dòng với ICD

[17] 25

Hình 2.2 (a) Giếng ngang đi qua vỉa đa độ thấm (b) Xử lý kiểm soát dòng với ICD

[17] 26

Hình 2.3 Sơ đồ công việc cho mô hình phản ứng [18] 27

Hình 2.4 Sơ đồ công việc cho mô hình chủ động [18] 27

Hình 2.5 Các cơ cấu hoạt động và hình dạng van [1] 29

Hình 2.6 (a) Đường dẫn đa thủy lực kiểm soát cửa trượt (b) Đường đẫn đa thủy lực tích hợp [1] 30

Hình 2.7 Van điều khiển dòng chảy thế hệ thứ nhất [21] 30

Hình 2.8 (a) Cơ cấu liên kết các bộ phận trong van thế hệ đầu tiên và (b) Cơ cấu liên kết các bộ phận làm kín trong van thế hệ thứ 2 [21] 31

Hình 2.9 ICD loại lỗ dẫn dòng và kích cỡ của nó [23] 32

Hình 2.10 ICD loại kênh dẫn xoắn ốc [22] 34

Hình 2.11 ICD loại ống dẫn dòng [22] 35

Hình 2.12 ICD loại hỗn hợp kết hợp giữa kênh dẫn và lỗ dẫn dòng [22] 35

Hình 2.13 Kết quả thí nghiệm cho thấy dòng khí và dòng dầu đi qua ICD và AICD đối với mỗi 100 m chiều dài của vỉa với những khoảng chênh áp khác nhau [24] 36

Hình 2.14 Kích thước của một AICD với 1 đồng xu (dưới) và vị trí lắp đặt tương ứng (trên) [24] 37

Hình 2.15 Mô tả cấu tạo cơ bản thiết bị [24] 37

Hình 2.16 Cấu tạo một packer dãn nở tiêu biểu [25] 38

Hình 2.17 Lắp đặt cảm biến và đầu nối cáp [1] 39

Hình 2.18 Cấu tạo một PDG điển hình của sclumberger [26] 41

Hình 2.19 Cơ chế hoạt động của sợi quang cảm biến [7] 42

Hình 2.20 Ảnh hưởng độ nhớt tới hoạt động kiểm soát AICD 44

Hình 2.21 Phân loại ICD theo cách thức kiểm soát chính [22] 51

Hình 2.22 Hiệu suất dòng chảy qua ICD 54

Hình 2.23 Sơ đồ hoàn thiện giếng với khoảng ngăn cách tầng tối ưu cho giếng ngang

[22] 55

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình hoàn thiện giếng đa nhánh 1P với nhánh ngang và thân chính đứng chính 58

Hình 3.2 Quy trình thiết kế thiết bị ICD loại lỗ dẫn dòng cho mỗi nhánh giếng 60

Hình 3.3 Quy trình dự báo lưu lượng khai thác cho từng phân đoạn giếng ngang 62

Hình 3.4 Đồ thị IPR của 2 tầng và IPR tổng 72

Hình 3.5 Đồ thị thể hiện sụt áp dọc thành giếng thông qua 35 phân đoạn và độ phân bố lưu lượng xâm nhập, cân bằng cho giếng 73

Hình 3.6 Đồ thị ứng với từng mức Pwf và độ giảm tiết diện ICD thì lưu lượng giảm ở cả hai vùng 77

Hình 3.7 Đồ thị thể hiện độ biến thiên chỉ số khai thác vùng thấm thấp đạt cực đại Pwf = 2974 psia 77

Hình 3.8 Đồ thị thể hiện sụt áp của vùng thấm cao khi lắp đặt thiết bị kiểm soát dòng 79

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn số lần lặp các kích cỡ ICD đơn ảnh hưởng tới độ biến thiên chỉ số khai thác giếng ngang 81

Hình 3.10 Đồ thị lưu lượng dọc thành giếng sau khi thiết kế ICD tương đương 82

Hình 3.11 Đồ thị thể hiện mức lưu lượng khi đã tính toán đường kính lỗ dẫn dòng so với lưu lượng xâm nhập ban đầu và mức lưu lượng cân bằng dọc thành giếng 89

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các dòng sản phẩm và thông số các cảm biến điển hình của giếng

của các công ty 13

Bảng 1.2 So sánh chung các sản phẩm van kiểm soát dòng của công ty dịch vụ 18

Bảng 1.3 So sánh các dòng sản phẩm thiết bị kiểm soát dòng của các công ty dịch vụ 19

Bảng 1.4 So sánh các dòng sản phẩm packer của các công ty dịch vụ 21

Bảng 1.5 So sánh những ứng dụng tiêu biểu các hoàn thiện giếng 24

Bảng 2.1 So sánh chức năng chính khác nhau giữa ICD và ICV 43

Bảng 2.2 Sàng lọc, lựa chọn loại kiểm soát dòng tương thích [27] 50

Bảng 2.3 So sánh tổng quan các loại ICD được thường được sử dụng [22] 52

Bảng 3.1 Tổng quan số liệu vỉa 59

Bảng 3.2 Tổng quan số liệu giếng 59

Bảng 3.3 Lưu lượng tính toán tại mỗi tầng sau khi đã thiết kế kích cỡ ICD tương đương 76

Bảng 3.4 Kết quả lưu lượng qua mỗi phân đoạn 81

Bảng 3.5 Kết quả sụt áp lần lượt tại các phân đoạn với 85

Bảng 3.6 Kết quả vận tốc dòng chảy thông qua lỗ dẫn dòng trước và sau khi thiết kế lại 87

DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

ICD Inflow control device: Thiết bị kiểm soát dòng

AICD Autonomous inflow control devide: Thiết bị kiểm

soát dòng tự điều tiết(A)ICD (Autonomous) Inflow control device

ICV Inflow control valve: Van kiểm soát dòng

HVICD High velocity inflow control device: Thiết bị kiếm

soát dòng vận tốc caoLVICD Low velocity inflow control device: Thiết bị kiểm

soát dòng vận tốc thấp

PDG Permanent downhole gauge: Cảm biến giám sát

thường trực đáy giếngMTM Metal to metal: Sự tiếp xúc giữa hai bề mặt kim loại

IWC Intelligent well completion: Hoàn thiện giếng thông

DTS Distributed temperature sensing: Tính năng đo phân

tán nhiệt độ dọc thân giếng

xi

DANH SÁCH THUẬT NGỮ

Intelligent well completion Hoàn thiện giếng thông minh

Upper completion system Hệ thống hoàn thiện giếng trên

Lower completion system Hệ thống hoàn thiện giếng dưới

Heel – toe Hiệu ứng gốc ngọn là hiệu ứng mà áp suất ở ngọn (toe)

lệch đi so với áp suất tại gốc (heel) của giếng nhánhCross – flow Là hiện tượng mà lưu chất đi ở khoảng không vành

xuyến từ vỉa có áp suất cao và xâm nhập vào nơi vỉa có

áp suất thấpVariable permeability Vỉa có hệ số thấm khác nhau

Water/gas breakthrough Là việc hình thành lưỡi nước, khí khi lưu lượng khai

thác dọc thành giếng mất cân bằng thường hình thành

ở heelFlow control Là tính năng kiểm soát dòng chảy bao gồm nhiều cơ

chế

Reactive strategy Là chiến lược phản ứng hoạt động đưa ra nhằm chống

lại với tác nhân gây ra tác độngProactive strategy Chiến lược chủ động hoạt động đưa ra nhằm tác động

tới đối tượng ta quan tâmDownhole monitoring Là tính năng giám soát dòng chảy ở đáy giếng

xii

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới hiện nay đã phát triển công nghệ khoan giếng ngang, giếng vươn xa vàhoàn thiện giếng với tính năng giám sát, kiểm soát linh hoạt thông qua van hoạt độngtrong từng khoảng vỉa khai thác Hoàn thiện giếng này được gọi là hoàn thiện giếngthông minh được chứng minh rằng ưu việt trong công tác quản lý vỉa và giảm thiểu rủi

ro tình trạng ngập hay hình thành lưỡi nước, khí

Việc áp dụng tính năng kiểm soát dòng cân bằng với thiết bị kiểm soát dòng cân bằng(ICD) tác động trực tiếp tới độ phân bố lưu lượng dọc thành giếng và làm những giếngngang hay vươn xa hoạt động hiệu quả Trong đó có thể kể đến các khu vực Tây Phinhư Lybia, Trung Đông, Na-Uy, Brazil, Australia ở khu vực Đông Nam Á một số côngtrình nghiên cứu trong khu vực như ở Malaysia, Indonesia Ở Việt Nam một số mỏ đãứng dụng công nghệ hoàn thiện giám sát, kiểm soát ở các mỏ như Hoàng Long, JVPC,Cửu Long JOC, PremierOil tuy nhiên một số khảo sát cho thấy khả năng hoạt độngđặc biệt là van kiểm soát dòng (ICV) còn hạn chế trong môi trường khắc nghiệt songsong với đó nhiều công trình nghiên cứu nội bộ khó tiếp cận hoặc cũng chưa được đisâu khảo sát Nhằm mục đích thiết kế thiết bị kiểm soát dòng cân bằng dựa trên nềntảng công nghệ hoàn thiện giếng thông minh khá mới vào Việt Nam là rất cần thiết.Khảo sát về công nghệ mới này là đề tài hầu như chưa từng được nghiên cứu trước đây

ở khoa Do đó để đi sâu nghiên cứu tiếp cận thiết kế tính năng kiểm soát dòng cân

bằng trên nền tảng hoàn thiện giếng thông minh mà đề tài: “KHẢO SÁT ỨNG

DỤNG CÔNG NGHỆ HOÀN THIỆN GIẾNG THÔNG MINH VỚI THIẾT BỊ KIỂM SOÁT DÒNG CHO GIẾNG ĐA NHÁNH 1P” được chọn để

nghiên cứu trong luận văn này

2 Mục đích của luận văn

- Khảo sát khả năng ứng dụng công nghệ hoàn thiện giếng thông minh cho giếng

đa nhánh hay vùng đa độ thấm

- Thực hiện quy trình thiết kế cơ bản thiết bị kiểm soát dòng đáy giếng ICD hạnchế dòng vào ở vỉa thấm cao và kích thích dòng vào ở vỉa thấm thấp cũng như

xử lý hiệu ứng heel – toe ở nhánh giếng ngang

3 Nhiệm vụ của luận văn

- Hệ thống hóa nền tảng lý thuyết về hoàn thiện giếng nói chung so với các giếng được áp dụng kỹ thuật hoàn thiện giếng thông minh nói riêng

- Khảo sát các cụm thiết bị hoàn thiện giếng thông minh hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới

- Tổng hợp nguyên lý làm việc, những đặc tính kỹ thuật và cơ sở thiết kế thiết bị kiểm soát dòng ICD, khoảng cô lập cho giếng

- Đưa ra quy trình thiết kế cơ bản đồng thời khảo sát độ bền hoạt động thiết bịICD cho giếng hoàn thiện đặc biệt ở môi trường bất đồng nhất hay giếng nganggặp sự cố hiệu ứng heel – toe

4 Phương pháp nghiên cứu

- Để đạt được mục đích nên trên cần tiến hành phân tích lý thuyết về dữ liệu liênquan tới thiết kế của tổ hợp thiết bị điển hình như ICV, ICD, cảm biến trong việcgiám sát, kiểm soát hiện trạng khai thác

- Sử dụng excel tính toán các thông số thiết kế của ICD dựa trên mô hình thủy lực, kết hợp các nguyên tắc thiết kế phổ biến cho các đoạn giếng hoàn thiện vỉa đa

độ thấm, giếng ngang bị ảnh hưởng bởi heel – toe

- Thực hiện các quy trình tối ưu thông số hoạt động với kích cỡ đặc trưng dựa trênviệc tính toán kích cỡ và đánh giá Từ việc khảo sát các công trình nghiên cứuliên quan

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Cung cấp cơ sở tổng quát cho việc lựa chọn và lợi ích về việc áp dụng loại mô hìnhhoàn thiện giếng phù hợp với điều kiện, đặc tính khu vực Tổng hợp đặc tính kỹ thuậtcác thiết bị và dựa trên những công trình nghiên cứu có liên quan trên thế giới để đưa

ra quy thiết kế áp dụng tổng quan cho tính năng kiểm soát dòng thụ động cho giếngmới Đây là tài liệu kham khảo tốt cho các công trình nghiên cứu có liên quan

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở cho việc tiếp cận thiết kế tính năng kiểm soátdòng khai thác từ vỉa áp dụng cho giếng sau này

Điểm mới của luận văn là nghiên cứu về khả năng ứng dụng và cơ sở thực hiện dự áncông nghệ hoàn thiện giếng thông minh phù hợp với một số điều kiện Việc thiết kếđịnh lượng các đặc tính hoạt động kỹ thuật của thiết bị đáp ứng yêu cầu giếng đưa ra.Khảo sát về công nghệ mới đầy triển vọng này là đề tài hầu như chưa từng đi vàonghiên cứu sâu tính năng kiểm soát dòng cho giếng Do đó luận văn của em sẽ manglại nhiều giá trị đóng góp cho những công trình nghiên cứu ứng dụng sau này

6 Tổng quan tình hình nghiên cứu

và khí đặc biệt thuận lợi đối với các giếng vươn xa

2 Công trình nghiên cứu của Tommy Jokela, “Significance of inflow control

device (ICD) technology in horizontal sand screen completions” 2008

Đây là công trình nghiên cứu đi sâu nghiên cứu tổng quan và tính hiệu quả của ICD sovới phương pháp thiết bị lưới ngăn cát truyền thống Với việc ngăn các hiện tượngngập nước trong khai thác, những khu vực vùng có vết nứt hay độ thấm cao tronghoàn thiện giếng thân trần Kết luận công trình nghiên cứu đã việc tối ưu hóa khai thácthông qua việc điều kiển dòng chảy thông qua van Từ đó hạn chế tối đa việc hìnhthành lưỡi nước và ngập nước cho giếng

3 Luận án tiến sỹ Vasily Mihailovich Birchenko, “Analytical Modelling of Wells

with Inflow Control Devices”, Institute of Petroleum Engineering Heriot – Watt

University, 2010

Luận án đưa ra kết quả phân tích lựa chọn giữa ICD và ICV, điều kiện áp dụng ICD,lợi ích ICD trong hiệu ứng (heel – toe) dọc theo đoạn thân giếng ngang Tuy nhiênluận văn chưa nghiên cứu trường hợp dòng chảy rối ở cận đáy giếng

4 Công trình nghiên cứu của Alkhelaiwi, “A Comprehensive Approach to the

Design of Advanced Well Completion”

Đây là luận án tiến sỹ mô tả bao quát nhất về hệ thống kiểm soát dòng cùng cáckhoảng cô lập vỉa được ứng dụng trong giếng ngang và giếng vươn xa Dựa trênnhững công trình nghiên cứu trước đó trong việc ứng dụng kiểm soát dòng tác giả đãđưa ra 17 điều kiện trong hoàn thiện để lựa chọn các loại van hoặc thiết bị kiểm soátdòng Cùng với việc ứng dụng của các thiết bị/van kiểm soát vào điều kiện phù hợp.Đưa ra khái niệm mô hình công thức tính sụt áp qua kích thước lỗ đặc trưng của ICDnhằm nghiên cứu những phương án thiết kế và kiểm định bền dự tính sẽ áp dụng chocác phân đoạn dọc thành giếng Phần cuối luận án là quy trình chung thiết kế hệ thốnghoàn thiện giếng thông minh Tuy nhiên chưa ứng dụng thiết kế tính toán mô hình thủylực cho một thiết bị kiểm soát dòng phù hợp với yêu cầu giếng đặt ra

5 Bài báo SPE Gonzalo A Garcia, “Identifying Well Completion Applications forPassive Inflow Control Devices”

Bài báo đánh giá hiệu quả tính năng kiểm soát độ phân bố lưu lượng cân bằng khi ápdụng ICD đối với giếng ngang ở các thành hệ đá vôi, cát kết Thông qua nhiều thínghiệm kiểm chứng đặc tính của lưu chất để thiết kế, lựa chọn 4 loại ICD Đồng thờibài báo cũng đưa ra những kết quả kiểm định độ ăn mòn Những phương pháp môhình động học của lưu chất khi qua các thiết bị ICD được sử dụng làm tham chiếurộng rãi cho các nghiên cứu liên quan

6 Bài báo F T Alkhelaiwi 2007, “Inflow control devices: Application and valueQuantification of Develop Technology” trường Herriot – Watt University

Chứng minh tính hiệu quả sử dụng thiết bị kiểm soát dòng nơi các phân đoạn giếngngang hay vươn xa trong việc sử dụng phần mềm mô phỏng Đồng thời cho thấy tối

ưu trong việc kết hợp nó với các công nghệ truyền thống như lưới lọc, packer, nângnhân tạo như gaslift và hoàn thiện với hạt chèn Kết quả bài báo cho thấy ICD có thểlàm cân bằng lưu lượng phân bố và tăng tuổi thọ cho giếng nhờ hạn chế sự xâm nhậpcủa nước hay khí

7 Bài báo SPE của Michelle Lim, Herriot – Watt University, “ICD forUncertainty and Heterogeneity Mitigation: Evaluation of Best practice designstrategies for Inflow control devices”

Đây là bài báo mới nhất trình bày khái quát về thiết kế ICD Đưa ra 3 mô hình và sosánh chúng nhằm thiết kế độ sụt áp qua ICD cần thiết ở mỗi tầng sản phẩm trongkhoảng cô lập Áp dụng các mô hình này vào những vỉa bất đồng nhất nhằm khảo sáthiệu quả hoạt động của ICD trong những vỉa không đồng nhất và yếu tố vỉa khôngchắc chắn Cuối cùng phân tích độ nhạy các yếu tố về độ thấm vùng và độ nhớt

Các công trình nghiên cứu trên đều tập trung chủ yếu vào những quy trình hoạt động,chế độ công nghệ phù hợp với trạng thái cũng như hiện trạng của khu vực nghiên cứu.Chưa đi sâu vào phân tích định lượng từ đó ứng dụng để thiết kế, lựa chọn Từ đó chothấy đề tài này sẽ là tài liệu nghiên cứu tham khảo khi đi sâu vào phân tích các giếngđược yêu cầu về dự báo và cải thiện các hiện tượng như heel – toe hay đa độ thấm.Đồng thời định hướng cho luận văn này tiếp tục đi sâu để ứng dụng thiết bị kiểm soátdòng cho đối tượng khảo sát Ngoài việc thu thập các cơ sở cho việc lựa chọn loại, sốlượng thiết lập thiết bị kiểm soát dòng cân bằng từ các công trình nghiên cứu trước đóluận văn này cũng đưa ra quy trình thiết kế cơ bản và đảm bảo vận hành tin cậy thiết bịkiểm soát dòng cho những giếng mới đưa vào khai thác theo yêu cầu đặt ra

CHƯƠNG 1 NỀN TẢNG VỀ HOÀN THIỆN GIẾNG THÔNG

MINH

1.1 Tổng quan về hoàn thiện giếng

Hoàn thiện giếng (HTG) là công việc đưa giếng dầu khí đã khoan trở thành một kênhdẫn kết nối giữa vỉa và hệ thống thiết bị bề mặt thông qua hệ thống giếng một cách antoàn và hiệu quả Nhằm phục vụ mục đích khai thác hoặc bơm ép

Hệ thống HTG chia làm hai phần Bộ hoàn thiện giếng dưới (lower completion) từ vịtrí packer khai thác trở xuống Đề cập tới độ liên thông giữa vỉa và giếng như quỹ đạo,góc nghiêng của giếng, quyết định HTG thân trần hay ống chống, yêu cầu kiểm soátcát, kích thích vỉa, kiểu hoàn thiện giếng đơn hoặc đa tầng Bộ hoàn thiện giếng trên(upper completion): từ packer khai thác trở lên Liên quan tới các yếu tố phương thứcnâng nhân tạo, kích thước OKT, HTG đơn hay kép (single or dual completion) và chèncách ly OKT (packer) [1]

Hình 1.1: Phân loại hệ thống hoàn thiện trên và dưới của giếng điển hình [2]

Phân loại theo kiến trúc giếng:

- Giếng đứng, giếng có độ lệch

- Giếng ngang

- Giếng nhánh (Multilateral well)

Các chức năng chính của một bộ HTG hoàn chỉnh có thể được liệt kê gồm:

- Đảm bảo khả năng hoạt động ở nhiều điều kiện vỉa và giếng khác nhau Là kênh dẫn tương tác giữa vỉa và giếng như hoạt động khai thác hay bơm ép vào vỉa

- Tối ưu tính toàn vẹn và độ tin cậy trong suốt đời giếng dự kiến

- Giảm chi phí mỗi đơn vị thể tích chất lưu được khai thác hoặc bơm ép (giảm chi phí HTG ban đầu, bảo dưỡng khai thác)

- Cách thức tuần hoàn giữa KKVX và ống khai thác

- Các quy định thực hiện khác như khả năng sinh cát trên từng đặc tính vỉa cụ thểNgoài mục tiêu chính đưa giếng vào hoạt động khai thác, HTG cần phải đảm bảo cácyếu tố quan trọng khác về an toàn và môi trường HTG phải được thiết kế để có thể lắpđặt, vận hành dễ dàng và an toàn An toàn trong lắp đặt có thể kể đến các hệ thốngkiểm soát giếng (well control), nâng thả thiết bị, hóa chất và các thao tác vận hànhtrong lắp đặt khác An toàn trong vận hành là đảm bảo sự ổn định và hoạt động lâu dàicủa giếng (well integrity) cũng như các lớp bảo vệ (barriers) phải đảm bảo vận hànhhiệu quả trong suốt vòng đời của giếng Quá trình thiết kế hoàn thiện giếng có thể chiathành nhiều giai đoạn khác nhau và tùy vào quan điểm hoặc chiến lược thực hiện

Qua nhiều thập niên trở lại đây, kỹ thuật hoàn thiện giếng dầu khí ngày càng được cảitiến mạnh mẽ Yêu cầu tối ưu sản xuất, thu hồi tối đa lượng hydrocacbon và khai tháccác nguồn tài nguyên phức tạp, phi truyền thống ngày càng thử thách đối với các công

ty điều hành dầu khí Chi phí cao kèm với thất thoát doanh thu do đóng giếng để thunhận dữ liệu cũng là một vấn đề lớn đối với các giếng khai thác truyền thống Rấtnhiều các công trình nghiên cứu khám phá ra rằng, khả năng thu hồi phụ thuộc rấtnhiều vào công nghệ hoàn thiện giếng và cách thức quản lý mỏ Chính vì vậy, hệ thốnghoàn thiện giếng thông minh đã được phát triển, dựa trên các thiết bị công nghệ

như cảm biến lòng giếng và bộ truyền tín hiệu để thu thập nhiều dữ liệu chính xác vàcung cấp điều kiện điều khiển ổn định đối với các thiết bị lòng giếng.

Hình 1.2 Các giai đoạn thiết kế của kỹ sư hoàn thiện giếng 1.2 Hoàn thiện giếng truyền thống

Được sử dụng rộng rãi trong thời gian dài, HTG truyền thống vẫn chứng tỏ được độ ổnđịnh và khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn Với số lượng nghiên cứu khổng lồcùng những kiến thức tích lũy được, kỹ thuật hoàn thiện giếng truyền thống trên nhiềuphương diện vẫn được xem là ưu tiên chọn lựa đối với nhiều nhà phát triển mỏ Tuynhiên, kỹ thuật này vẫn tồn tại những khuyết điểm, chưa đáp ứng tốt nhu cầu thực tế(Hình 1.3) Trình bày tóm tắt các bộ phận chính và chức năng chuỗi HTG cơ bản từdưới lên gồm các thiết bị khai thác chính như: Phễu định hướng, ống đục lỗ, thiết bịđịnh vị, ống khai thác, thiết bị chèn cách ly, thiết bị bù trừ nhiệt, van an toàn giếng sâu,túi hông và van gaslift

Hình 1.3 Sơ đồ giếng cơ bản và các bộ phận chính 1.2.1 Các thiết bị hoàn thiện giếng truyền thống

Phễu định hướng (wireline entry guide)

Được lắp tại ngay đáy của cột ống khai thác

Nhiệm vụ: Hướng dòng cũng như các thiết bị tời chuyên dụng đi qua đáy cột ống khaithác khi thao tác các công việc khảo sát hay sửa chữa giếng một cách dễ dàng, không

bị vướng

Cấu tạo: Đầu vào có dạng hình phễu và đường kính trong không làm giảm đường kínhcủa cột ống khai thác

Ống đục lỗ (slotted Joint hay perforated joint)

Nhiệm vụ: cho phép dòng sản phẩm chảy liên tục vào ống khai thác trong khi tiếnhành các theo thác khảo sát giếng bằng kỹ thuật cáp tời

Cấu tạo: Đoạn ống dài khoảng 300 mm – 500 m, không nhỏ hơn đường kính trong củaống khai thác và được đục lỗ sao cho tổng diện tích các lỗ lớn hơn tiết diện ngang củaống khai thác

Thiết bị định vị (nipple)

Nhiệm vụ: Định vị, cách ly và khóa giữ các thiết bị chuyên dụng điều khiển dòng chảytùy theo các yêu cầu kỹ thuật

Cấu tạo: Thiết bị định vị không thông (không lựa chọn), thiết bị định vị thông (chọn lựa)

- Thiết bị định vị không thông: là một đoạn thép được nối trực tiếp ống khai thácgồm vai dỡ không thông, khớp định vị và đoạn ống trơn Thiết bị không thôngđược sử dụng rộng rãi trong quá trình khai thác dầu không những với các giếnggaslift mà còn đối với công nghệ thử giếng, gọi dòng và tự phun

Một số công dụng chính của thiết bị định vị không thông:

- Trong quá trình chuẩn bị giếng và gọi dòng để đưa vào khai thác: Thiết bị khôngthông được dùng để đặt nút chèn, van ngược để thử áp suất cột ống khai thác haythiết lập packer

- Trong khai thác bằng chế độ tự phun: dùng để đặt côn tiết lưu giếng sâu, thiết kế khảo sát giếng

- Trong quá trình khai thác bằng gaslift định kỳ, thiết bị định vị không thông được dùng để đặt van ngược ngăn nhằm ngăn dầu chảy ngược vào vỉa

- Thiết bị định vị thông (có thể chọn lựa) so với thiết bị định vị không thông, thiết bịđịnh vị không thông có vai dỡ không thông, do đó nếu có cùng kích thước thiết bịđịnh vị thông có đường kính trong lớn hơn Thiết bị thông được sử dụng rộng rãitrong khai thác vì khả năng linh động trong lắp đặt không những về vị trí mà còn

về kích thước

Ống khai thác (tubing)

Nhiệm vụ: Kết nối toàn bộ các thiết bị lòng giếng để tạo thành bộ thiết bị lòng giếng

và tạo một kênh dẫn dòng chảy liên thông từ vỉa vào giếng

Cấu tạo: Ống khai thác có thể được chế tạo từ vật liệu carbon steel Trong giếng có thểthiết kế nhiều cấp đường kính khác nhau Giữa chúng được nối với nhau bằng ống nối(Cross – over)

Thiết bị chèn cách ly (packer)

Nhiệm vụ: Là một thiết bị chuyên dụng để cách ly vùng không gian giữa cột ống khaithác và cột ống chống khai thác, hay giữa cột ống khai thác với nhau trong quá trìnhkhai thác, sửa chữa giếng hay xử lý vùng cận đáy giếng bằng phương pháp khác nhauMục đích sử dụng packer: Bảo vệ ống khai thác, bảo vệ và kiểm soát trạng thái của vỉasản phẩm, tiết kiệm và duy trì năng lượng vỉa, đáp ứng các yêu cầu công nghệ kỹ thuật

cụ thể

Thiết bị bù trừ nhiệt (Thermal expansion joint)

Nhiệm vụ: Là thiết bị có chức năng cân bằng cho sự thay đổi độ dài của ống khai thácdưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ môi trường trong suốt quá trình giếng khai thácMục đích sử dụng: Sự thay đổi áp suất và nhiệt độ làm cho OKT cùng các thiết bị lònggiếng thay đổi chiều dài so với trạng thái ban đầu nhất là quá trình bơm ép bungpacker Quá trình bơm ép làm OKT dãn dài Sau khi packer đem vào hoạt động xảy rahiện tượng co lại ban đầu của OKT nhưng do hai đầu OKT đã được cố định nên luôntạo ra sức căng trong suốt quá trình khai thác

Van an toàn giếng sâu (subsurface safety valve)

Nhiệm vụ: Van an toàn sâu đóng vai trò quan trọng trong quá trình ngăn dòng sảnphẩm khai thác phun trào lên khỏi bề mặt khi có sự cố trong hệ thống khai thác Vannày có thể làm việc ở chế độ tự động hay điều khiển từ bề mặt

Mục đích sử dụng: Hệ thống thiết bị lòng giếng thường sử dụng 2 van an toàn với 4đường thủy lực Tuy nhiên việc sử dụng 2 van vừa làm tăng chi phí vừa khó khăntrong lắp đặt và tốn kém trong vận hành, dễ xảy ra rủi ro hỏng hóc

Túi hông mandrel và van gaslift

Mandrel (túi hông) là một dạng đặc biệt của thiết bị định vị gắn phía ngoài cột ốngkhai thác được dùng để đặt van điều khiển, van tuần hoàn, van bơm hóa phẩm, van tiếtlưu hay van gaslift khỏi động mà không ảnh hưởng tới tiết diện của OKT Mặt kháccho phép các thiết bị thả bằng cáp tời có thể thả một cách dễ dàng do cấu tạo củamandrel đồng tâm với OKT

Van gaslift được đặt vào túi hông ở độ sâu thiết kế nhằm đưa khí vào dòng sản phẩmkhai thác để khí hòa tan vào phần cột chất lỏng phía trên van Van có cấu tạo đặc biệtcho phép điều khiển quá trình mở van một cách dễ dàng.

HTG kiểu đơn tầng với một chuỗi ống khai thác được định tâm bởi 1 packer và có thểđáp ứng khai thác đồng thời sản phẩm từ một hoặc một vài tầng phía dưới packer nàycùng một lúc Còn HTG truyền thống đa tầng được thực hiện với một giếng khoan điqua nhiều tập vỉa Với mục đích khai thác hoặc bơm ép từng vỉa riêng biệt

Phương thức khai thác tại nhiều tầng gồm những loại:

- Gộp các dòng chảy từ các vỉa khác nhau vào cùng một chuỗi ống khai thác cùng một lúc

- Cách ly từng tập vỉa, ứng với mỗi vỉa có hệ thống OKT riêng và điều khiển khai thác riêng cho từng tập vỉa

- Luân phiên khai thác, mỗi vỉa sẽ được khai thác hoặc bơm ép trong một thời gian nhất định

- Loại hoàn thiện 3 chuỗi ống: Thiết kế khai thác từ 3 tầng sử dụng 3 packer.

Thường đem lại sản lượng khai thác cao nhưng tốn kém về chi phí lắp đặt Lắp đặt khó khăn và đường kính tubing nhỏ

- Loại hoàn thiện với 1 ống trung tâm: Với 1 chuỗi ống khai thác xuyên suốt chonhững tầng sản phẩm được cô lập bằng các packer có các lợi ích như tiết kiệm chiphí, không gian giếng, đem lại tổng sản lượng cao tuy nhiên hạn chế trong việc liênlạc giữa những vùng bắn mở vỉa, việc can thiệp giếng vào từng tầng khó khăn,paker dễ bị hỏng, khó sửa chữa và nhiều nguy cơ rò rỉ

Hình 1.5 (a) Kiểu hoàn thiện loại một ống trung tâm (b) kiểu hoàn thiện loại hai chuỗi

ống [3]

1.3 Tổng quan về công nghệ hoàn thiện giếng thông minh

Từ những năm 1980 áp dụng hệ thống giám sát, kiểm soát giềng với cơ chế thủy lực, điện– thủy lực Để có được dữ liệu đáy giếng (P, T, Q) dựa trên sự can thiệp định kỳ Việc canthiệp này được thực hiện với đo log gây ra sự ngắt quãng trong khai thác, tốn kém và rủi

ro của việc cứu kẹt Năm 1990 vấn đề can thiệp giếng gây giảm sản lượng

ở những giếng dưới đáy biển đòi hỏi phải tìm kiếm giải pháp tốt hơn để tăng cườngkhả năng giám sát và kiểm soát đáy giếng Bắt đầu từ năm 1997, khi giếng thông minhđầu tiên (IW) được lắp đặt tại Saga Snorre TLP Bắc Hải – Na Uy, công nghệ thôngminh thông minh đã được sử dụng trong nhiều loại giếng khai thác trên toàn thế giới,bao gồm giếng khoan ngoài khơi, giếng đứng truyền thống và giếng ngang, giếngnhiều xuyên nhiều tầng sản phẩm Trước năm 1997, tất cả các giếng được hoàn thiệnphổ biến với cơ chế thủy lực van cửa trượt (sliding sleeve) và ống khai thác Sự pháttriển của các thiết bị đồng hồ đo thường trực, van cửa trượt, van an toàn sâu phát triển

cùng IWC [4] Từ năm 1997 nhiều xuất bản những công trình nghiên cứu đã chứng tỏnhững hiệu quả mới trong việc ứng dụng IWC, đặc biệt hoàn thiện giếng đa tầng sảnphẩm và khai thác kiểu kết hợp trong chiến lược nghiên cứu

Khái niệm công nghệ hoàn thiện giếng thông minh được dùng để định nghĩa giếng dầukhí được trang bị hệ thống giám sát đáy giếng (downhole) có khả năng thu thập,truyền và phân tích dữ liệu trong quá trình khai thác, đồng thời có thể điều khiển từ xacác thiết bị giúp điều khiển dòng hay can thiệp giếng tối ưu

Một giếng thông minh cung cấp những phương tiện để điều khiển quá trình khai tháchoặc bơm ép vào vỉa Có 3 thông số chính trong quá trình điều khiển [5]

- Kết quả đầu ra quá trình xử lý (process outputs): là những thông số được lựa chọn

để mô tả trạng thái của hệ thống và được giám sát liên tục bằng các cảm biến

- Các biến điều khiển (controlled variable): là các thông số điều khiển giá trị đầu ra

ví dụ như áp suất, dòng chảy, hàm lượng nước trong hỗn hợp (WC), …

- Biến điều khiển hệ thống (manipulated variable): cho phép điều khiển quá trình (ví

dụ như độ mở van)

Thuật toán điều khiển và chiến lược điều khiển sẽ xác định mối quan hệ giữa biến điềukhiển và biến điều khiển hệ thống

Hệ thống bộ phận lòng giếng của hoàn thiện giếng thông minh điển hình gồm 3 cụm

thiết bị chính như được mô tả ở (Hình 1.6):

- (1) Cụm thiết bị ngăn cách sản phẩm (Zonal Isolation Devices): Gồm packer chuyêndụng với mục đích cô lập các phần của vỉa và cho phép đường dẫn thủy lực

đi qua nó Đồng thời có thể được lắp đặt các thiết bị kiểm soát cát như lưới lọc, hạt chèn, …

Việc hoàn thiện giếng thông minh đặc biệt tối ưu trong vận hành cũng như xử lý vàkiểm soát khai thác riêng cho từng vỉa khi lắp đặt các thiết bị ngăn cách tầng cho phépcáp nối đi qua Ngoài ra kiểu hoàn thiện nhằm kiểm soát cát thích hợp cũng đem lạihiệu quả hoạt động cho các thiết bị đáy giếng

- (2) Các van/thiết bị kiểm soát dòng vào (Inflow control devices/valves): Gồm vanđiều khiển dòng, thiết bị điều khiển dòng, van bi thủy lực được đặt ở 2 vị trí tập vỉatrên và vỉa dưới nhằm kiểm soát dòng đi vào giếng

Các tổ hợp này là thành phần quan trọng nhất của hệ thống hoàn thiện thông minh Ưuviệt trong việc quản lý và kiểm soát vỉa dựa trên các thông số khai thác Với phươngthức đóng hoặc tăng độ mở van nhờ cơ chế chênh áp hay thiết kế các thông số đặctrưng cho sự gây sụt áp qua thiết bị mà có những kỹ thuật kiểm soát dòng phù hợp

- (3) Hệ thống giám sát thường trực (Permanent Monitoring Systems): Gồm hệ

thống cảm biến, đồng hồ thường trực nhằm giám sát giếng

Việc hoàn thiện giếng thông minh bao gồm các cảm biến, đồng hồ thường trực ở đáygiếng nhiệm vụ giám sát tốt thực trạng giếng ngoài ra có thể tối ưu hóa khai thác, dựbáo hoạt động giếng từ đó khắc phục và phòng ngừa Giám sát thực trạng giếng cácthông số như áp suất, nhiệt độ, … sau đó các thông tin từ đáy giếng được truyền lênthiết bị chuyển đổi thành tín hiệu số bề mặt thông qua dây cáp nối và được lưu trữ dữliệu tại các trạm bề mặt

- Ngoài ra còn có các thiết bị dây dẫn hay cáp nối thu giữ dữ liệu và hệ thống điềukhiển bề mặt

Hình 1.6 Cụm thiết bị hoàn thiện dưới tiêu biểu [6]

1.3.2 Hệ thống giám sát lòng giếng

Hình 1.7 Hệ thống giám soát giếng điển hình [7]

- Giới thiệu

Hệ thống giám sát lòng giếng (downhole monitoring) là một trong những bộ phậnquan trọng của công nghệ hoàn thiện giếng Với nhiệm vụ thu thập và theo dõi cácthông tin, dữ liệu hiện trạng giếng Dựa trên các thiết bị như đồng hồ, cảm biến và cácđầu nối giúp kết nối liên tục hay truyền dẫn thông tin lên trên bề mặt Tại bề mặt cócác hệ thống lưu trữ, xử lý thông tin sau đó tiến hành những phản hồi thích hợp đểkiểm soát tình trạng đáy giếng phù hợp

- Tính năng

Hiện nay có rất nhiều cảm biến để đo thông số lòng giếng và một số để tạo biểu đồphân bố đặc tính vỉa Có thể kể đến như cảm biến đo áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, phadòng chảy, độ PH và điện dung Chia làm ba loại theo tính năng sử dụng:

+ Cảm biến đơn (Wellbore intenal sensors) có trị trí bên trong giếng tác dụng phổbiến như đo áp suất, nhiệt độ, lưu lượng

+Cảm biến kép (casing external sensors) có vị trí lắp đặt nối cả bên trong và bênngoài ống khai thác Nhiệm vụ đo tín hiệu áp suất, nhiệt độ, lưu lượng ở cả

khoảng không vành xuyến lẫn bên trong cột ống khai thác

+ Cảm biến kép dự phòng giống tính năng của cảm biến kép nhưng ngoài ra còn

dự trữ một cảm biến để dự phòng

Hệ thống giám sát lòng giếng với thiết bị chính là đồng hồ đo thường trực đáy giếng(Permanent Downhole Gauges – PDGs) thuộc loại cảm biến bên trong giếng, cung cấpcác dữ liệu về các thông số vỉa chính như nhiệt độ, áp suất, … tại một hoặc nhiều điểmtrong một giếng

Phân loại theo cơ chế hoạt động Có 2 loại PDG sensors được sử dụng phổ biến: [8]+ Cảm biến điện (Electrical sensors)

+ Cảm biến quang học (Optical sensors)

- Giới thiệu các thiết bị cảm biến và thông số kỹ thuật của các công ty dịch vụ

Trong lĩnh vực giám sát đáy giếng, có cả ba công ty đều cung cấp các thiết bị cảm biếnvới độ bền vượt trội đến môi trường khắc nghiệt Như Baker Hughes với hai loại cảmbiến giám sát: điện (Quartz) và quang học (Optical sensors) Halliburton cung cấp

cảm biến điện dựa trên nguyên lý thạch anh và Schlumberger cung cấp dòng cảm biếnquang học

Các cảm biến điện của Baker Hughes các dòng sản phẩm như Sure Sen có thể cungcấp cùng một dây nối tới 16 cảm biến đo trong một giếng Các dòng mới ra có cấu tạonhỏ gọn thiết kế linh hoạt, giảm độ cồng kềnh tăng độ chính xác cũng như tốc độtruyền dẫn dữ liệu Dòng cảm biến quang thiết kế nhỏ gọn đường dẫn bằng cáp giúpnâng cao số điểm theo dõi trong giếng, một dây cáp nối có thể lắp đặt tới 35 cảm biến

và có thể đo phân bố P, T với dải tần cao

Dòng sản phẩm của Halliburton loại cảm biến điện bằng thạch anh có thiết kế nhỏ gọn

và độ bền cao có thể hoạt động lâu dài Có thể cài đặt nhiều cảm biến trên cùng mộtmáy đo lên tới 25 cảm biến, do đó tăng cường độ chính xác của việc lấy dữ liệu từgiếng

Dòng cảm biến loại quang của Schlumberger có các dòng sản phẩm vùng hoạt độngtrong môi trường khắc nghiệt Với tính năng đo phân tán với dải tần khoảng 3 ft dọcthân giếng độ chính xác cao Ngoài ra cảm biến loại điện gồm đồng hồ Sapphire hoạtđộng môi trường khắc nghiệt, đồng hồ thạch anh được cung cấp với khả năng làm việcvới vùng áp suất, nhiệt độ từ thông thường tới cực kỳ khắc nghiệt

Bảng 1.1 So sánh các dòng sản phẩm và thông số các cảm biến điển hình của

giếng của các công ty

Cảm biến  Thiết kế linh hoạt, nhỏ gọn và có đặc Kích cỡ cảm biến: điện của điểm túi hông tiêu chuẩn cho phép lắp 26.5 in chiều dài; 0.75-

24-đặt phù hợp nhiều loại cảm biến 2.25 in ODBaker

 Chế tạo độc đáo với tối ưu khả năng kết Loại cảm biến: thạchHughes

nối, tăng độ tin cậy và giảm thời gian anh

200-35000 psi

 Phạm vi nhiệt độ:

25-225oCCảm biến  Kích cỡ nhỏ, cho phép đồng hồ đa cảm Kích cỡ cảm biến: 4 in

quang của biến thiết lập trên cùng một túi hông Mỗi đồng hồ được nối với một sợi Loạichiều dài, 0.75 in ODcảm biến: quang

Baker

quang, điều này làm giảm thiểu rủi ro họcHughes

15- Sử dụng sợi quang CoreBright để bảo 20000 psi

vệ khỏi hiệu ứng biến đổi làm mờ  Phạm vi nhiệt độ:

30-Hy-đrô 250oCCảm biến  Có thể thiết lập độc lập mà không cần Kích cỡ cảm biến: siêu

 Thiết kế linh hoạt do đó có thể vận hành in chiều dàiHalliburton

lắp đặt không quá 8 giờ trên mỗi cảm Loại cảm biến: thạch

Cảm biến  Thiết kế linh hoạt, nhỏ gọn cho phép Kích cỡ cảm biến: 1 in

quang của nhiều đồng hồ nối cùng một dây cáp OD, 4.68 in chiều dài

 Miễn nhiễm với nhiễu điện từ, hạn chế Loại cảm biến: optical

Schlumber

ger tối đa hiệu ứng làm mờ hi-đrô với cáp  Phạm vi áp suất:

15- Thiết bị làm kín bằng thủy tinh và bộ 20000 psiphận vỏ hàn cuối cảm biến sẽ làm cảm Phạm vi nhiệt độ: 30-biến ít bị ảnh hưởng bên ngoài hơn, 250oC

nhạy hơn, cải thiện hiệu ứng trễ và có

độ chính xác cao

Hình 1.8 Cảm biến quang của Baker Hughes và cảm biến quang đo áp suất, nhiệt độ

cao của Schlumberger [9]

1.3.3 Hệ thống điều khiển lòng giếng

Hệ thống điều khiển lòng giếng (Downhole control system) là bộ phận điều khiểnquan trọng nhất của hoàn thiện giếng thông minh Hệ thống này kết hợp với hệ thốngngăn cách packer nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành, hiệu quả khai thác cũng như cảithiện hệ số thu hồi

Hình 1.9 Sơ đồ giếng đa nhánh với tính năng kiểm soát dòng từng nhánh

1.3.3.1 Van kiểm soát dòng

1.3.3.2 Thiết bị kiểm soát dòng thụ động

- Giới thiệu

Với những nhu cầu tăng năng suất thì ngày nay việc hoàn thiện giếng với những

nhánh giếng vươn xa hay giếng ngang ngày càng tăng Mục tiêu để tăng sự tiếp xúc

giữa vỉa và giếng những thuận lợi như gia tăng cường khả năng thu hồi đổng thời giảmtình hiện tượng lưỡi nước, khí Nguyên nhân do khai thác ở những phân đoạn ngangcủa giếng với lưu lượng xâm nhập mất cân bằng do drawdown dọc thành giếng thayđổi do nhiều yếu tố Đặc trưng cho vấn đề trên là heel – toe theo thời gian gây ra hiệntượng lưỡi nước, khí sẽ hình thành vào giếng tại nơi có lưu lượng xâm nhập lớn khiếnquá trình kết thúc sớm vòng đời của giếng Do đó thiết bị kiểm soát dòng thụ động(ICD) hay còn gọi là kiểm soát dòng cân bằng Giúp khắc phục những tình trạng nhưđược minh họa (Hình 1.10)

Hình 1.10 (a) Hiệu ứng heel – toe gây ra hiện tượng hình thành lưỡi nước (màu xanh lam)

và lưỡi khí (màu đỏ) vào cuối vòng đời của vỉa (b) Hiệu quả trong quá trình khai thác củaphân đoạn giếng ngang khi sử dụng ICD cho từng vùng sản phẩm Giúp dướng dòng chảy

cân bằng qua từng phân đoạn và giảm thiểu ngập nước, khí [10]

- Tính năng

Thiết bị kiểm soát dòng thụ động đây là thiết bị cản dòng được thiết lập trên mỗi đơn

vị dọc theo chiều dài ống khai thác Thiết bị kiểm soát dòng được gắn trên đường dẫncủa lưu chất từ vỉa vào ống dẫn dòng dưới lưới lọc Thiết bị ICD có khả năng kiểmsoát cân bằng lưu lượng xâm nhập dọc theo chiều dài giếng do những thành phần sụt

áp khác nhau qua ICD những ICD khác nhau Những loại ICD là dạng lỗ dẫn dòng(nozzle, oriffice), dạng ống (tubes) cũng như xoắn ốc, kênh dẫn hỗn hợp (hybridchannel) ICD sẽ gây ra hiệu quả cân bằng cho dòng chảy Những lợi ích của ICD là

do hiệu ứng cân bằng lưu lượng dọc thành giếng mà giúp tăng hiệu quả rửa sạch nơiđáy giếng bị bám bởi các mùn lắng (Hình 1.11), kích thích vỉa nơi độ thấm thấp và quátrình khai thác lưu lượng phân bố dọc thành giếng không đồng đều nguyên nhân do đa

độ thấm và hiệu ứng heel – toe do ma sát dọc thành giếng

Hình 1.11 Làm sạch đoạn đáy giếng hiệu quả khi ứng dụng ICD [11]

1.3.3.3 Thiết bị kiểm soát dòng tự điều tiết (AICD)

- Giới thiệu

Thiết bị kiểm soát dòng tự điều tiết (AICD) là một thiết bị kiểm soát dòng tân tiến nhấtvới tính năng phản ứng với những tác nhân xấu của lưu chất vào vỉa Loại tự độngđiều tiết này là loại van cải tiến hơn so với ICD mục đích ứng dụng nhằm thu hồi dầu

và ngăn lưu chất không mong muốn đi vào giếng

- Tính năng

Tính năng với hoạt động tự động của đĩa van dựa trên cơ chế chênh áp giữa hai bềmặt Đĩa sẽ tự kích hoạt đóng lại, giảm tiết diện dòng khi gặp lưu chất có độ nhớt và tỷtrọng thay đổi so với yêu cầu Điều này giúp ngăn lượng nước hay khí khi đã ngập doquá trình hình thành lưỡi nước, do đó vẫn đảm bảo hiệu suất và khả năng thu hồi dầu.Đồng thời đĩa sẽ tự mở lại tiếp tục khai thác khi phát hiện được dòng dầu xâm nhập trởlại tiếp tục khai thác Hoạt động đóng mở này không cần phải nhận bất cứ tín hiệu nàotruyền dẫn từ bề mặt

1.3.3.4 Các thiết bị/van kiểm soát dòng của công ty dịch vụ

Van kiểm soát dòng

Từ Bảng 1.2, chúng ta có thể thấy rằng cả ba công ty đã không ngừng phát triển cácdòng thiết bị kiểm soát hoạt động dòng chảy Điều kiện vận hành của sản phẩm BakerHughes có cửa trượt giống van ICV của Schlumberger Với thiết kế của van ICV khátinh tế với cách thiết kế lỗ thông dòng cho hoạt động bơm ép được bố trí đặc biệt

nhằm tối thiểu hóa hoạt động ăn mòn, thông qua thí nghiệm cho thấy lưu lượng lớn nhất bơm ép lên tới 60 bbl/phút lưu lượng axit.

Van ICV của Halliburton có điều kiện vận hành cao với mức áp suất làm việc thiết bị lên tới 15000 psi và áp suất chênh lệch đảm bảo đóng mở van tối đa

- So sánh các van điều khiển dòng của các công ty

Bảng 1.2 So sánh chung các sản phẩm van kiểm soát dòng của công ty dịch vụ

Van cửa trượt  Đường kính ngoài nhỏ  Áp suất làm việc: lên

ICV của Baker  Thành phần tấm kim loại được tới 10000 psi

Hughes [12] phủ với chất QPQ chống mài  Áp suất chênh lệch cân

 Những khe ống bảo vệ để giảmthiểu sói mòn và gia tăng độ lưuthông khi ở trạng thái momentxoắn cao

Van kiểm soát  Thiết kế hạn chế tắc nghẽn  Áp suất làm việc:

dòng Halliburton  Thiết bị với cơ cấu làm kín 7500-15000 psi

MTM có thể tự dỡ tải khi vận  Áp suất chênh lệch cânhành ở áp suất rất cao bằng: 5000 psi

 Khe dẫn kiểm soát dòng  Nhiệt độ làm việc: lỏng/khí làm bằng hợp kim 330oF

40-cacbon vonfarm giúp giảm ănmòn

Van kiểm soát  Cơ cấu piston đáng tin cậy điều  Áp suất làm việc: up to

 Tín hiệu tích hợp nhằm giảm số  Áp suất chênh lệch cânSchlumberger

đường kiểm soát thủy lực cho bằng: 1500 psimỗi van cơ học  Nhiệt độ làm việc: 68-

 Tương thích với dầu và nước, 325oF

cơ chế điều khiển thủy lực  Lưu lượng tối đa cho

 Khả năng xử lý bơm ép lưu phép: 70000 bbl/dlượng cao

Hình 1.12 Van kiểm soát dòng (ICV) của Halliburton [13] và Schlumberger [9] Thiết bị kiểm soát dòng ICD và điều khiển dòng tự điều tiết AICD

Các công ty dịch vụ dầu khí lớn cung cấp sản phẩm ICD như Baker Hughes,Halliburton, Schlumberger Thiết bị ICD đặc trưng như của hãng weatherford cung

cấp sản phẩm cũng như thông số kỹ thuật của ICD loại lỗ thông dòng sụt áp (lỗ dẫndòng) là sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các điều kiện vận hành của

giếng Những rủi ro bị tắc nghẽn được khắc phục đối với thiết bị này do thực tế kích

cỡ của các lỗ dẫn dòng thì lớn hơn kích cỡ của khe dẫn dòng của lưới lọc bảo vệ

Ngoài ra các dòng sản phẩm ICD của các hãng có đa dạng tính năng cũng như quy

trình áp dụng khác nhau

Bảng 1.3 So sánh các dòng sản phẩm thiết bị kiểm soát dòng của các công ty dịch vụ

AICD của Baker  Đĩa đẩy nổi kiểm soát đặc tính  Kích cỡ: 3½, 4½, 5½,

dòng chảy như hạn chế khí và lưu 6 5/8 in

Hughes

chất có độ nhớt thấp  Áp suất làm việc: N/A

 Tự động kích hoạt điều khiển đĩa  Nhiệt độ làm việc: N/A

 Thiết kế nhỏ gọn, linh hoạt

 Độ chống ăn mòn cao, cung cấpkhả năng vận hành đáng tin cậyAICD của hãng  Không có kết nối với các thiết bị  Kích cỡ: 4½, 5½, 6 5/8Halliburton bề mặt, tự động điều tiết kiểm in.

 Khả năng và hiệu quả của thiết bị đến 520oFđược áp dụng không phụ thuộc

vào thế nằm của đáy giếng

 Mỗi thiết bị được thiết kế theođặc tính của vỉa gồm 4 loại đặctrưng thiết kế theo đặc tính chấtlưu

 Sự tự điều chỉnh phụ thuộc vàolưu lượng khai thác

ICD của hãng  Duy trì tránh xâm nhập lưu chất  Kích cỡ đường kính

bẩn từ thành hệ khi vận hành mà trong lỗ dẫn dòng:Schlumberger

không phải rửa ống 0.06, 0.1, 0.15 in

 Khả năng đảm bảo hoạt động ổn  Áp suất làm việc: Lênđịnh sau khi trải qua nhiều chu tới 5000 psi

trình thay đổi áp suất qua nhiều  Nhiệt độ làm việc: Lên

 Vận hành đơn giản không cầnnhững thiết bị kiểm soát khi vậnhành

Cả hai Baker Hughes và Halliburton đều ra liên tục những dòng sản phẩm cải thiến

AICD Tuy nhiên sản phẩm AICD mới nhất của Halliburton với công nghệ hệ thống

dòng chảy và kênh dẫn dòng nhằm xác định lưu chất đi qua AICD sau đó chia dòng

chảy xâm nhập vào ra làm hai đường dẫn Dựa trên yêu cầu tính chất lưu chất đầu ra

mà công tắc lưu lượng sẽ hướng chất lưu mong muốn vào kênh dẫn chính dựa trên tính chất chất lưu Cuối cùng bộ hạn chế dòng sẽ hoạt động và ngăn không cho chất lưu

không mong muốn (nước, khí) tiếp tục đi vào trong khi vẫn tiến hành khai thác

Các dòng sản phẩm của Baker cải tiến áp dụng thường cho các vỉa dầu có nguy cơ bịhình thành lưỡi khí, nước hay các chất lưu có độ nhớt nhỏ Tính năng đĩa cản dòng linh hoạt cũng như vật liệu chống mài mòn độ ổn định, tin cậy cao

Hình 1.13 AICD Baker Hughes bên trái và AICD Halliburton bên phải [14]

1.3.4 Hệ thống ngăn cách khoảng không vành xuyến, tầng sản phẩm

- Giới thiệu